西北工業大學羅明教授團隊：碳纖維增強樹脂基復合材料特種加工綜述丨JME文章推薦

引用論文

葛佳, 傅國宇, 鄒云鶴, 羅明. 碳纖維增強樹脂基復合材料特種加工綜述[J]. 機械工程學報, 2025, 61(7): 77-97.

GE Jia, FU Guoyu, ZOU Yunhe, LUO Ming. A Review of Non-conventional Machining of Carbon Fibre Reinforced Plastic Composite[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(7): 77-97.

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碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon fiber reinforced plastic，CFRP)具有高比強度、高比模量、可設計性強、耐腐蝕耐疲勞等優良特性，在航空航天、交通運輸、風電能源及醫療等領域廣泛應用。然而，其各向異性、非均質性、層間強度低和溫度敏感性增加了加工難度，傳統機械加工方法存在刀具磨損嚴重、加工表面質量及尺寸精度難以控制等問題，易產生分層、毛刺、纖維脫粘和表面空洞等加工缺陷，嚴重降低碳纖維增強樹脂基復合材料構件的服役性能和可靠性。針對上述挑戰，特種加工技術逐步受到研究和應用。西北工業大學羅明教授團隊針對激光束加工、電火花加工、水射流加工和超聲振動加工四個最為廣泛應用的特種加工技術展開綜述，詳細介紹各個特種加工技術的優勢與存在的挑戰，對缺陷形成機理進行分析，并總結缺陷抑制方法，最后歸納各特種加工技術的適用場景并得出結論展望未來研究。綜述表明：與傳統機械加工相比，特種加工在微細結構、高精度、復雜形狀工件加工方面展現出獨特優勢；但是其材料去除率顯著低于傳統機械加工，因此在大批量加工中仍難以完全替代傳統機械加工。未來研究應著重探索特種加工工藝優化、特種與傳統加工的復合工藝、專用化與智能化裝備開發等方面，同時關注電子束、離子束等其他特種加工工藝的潛力。特種加工技術將對提升先進復合材料加工的精度與效率有著重要意義，將推動高性能材料朝著更廣泛的應用場景邁進 。該團隊的研究成果以題為《碳纖維增強樹脂基復合材料特種加工綜述》發表在《機械工程學報》2025年第7期。

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行業現狀

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）因具有高比強度、高比模量、良好的可設計性和耐疲勞性能，在航空航天領域得到廣泛應用。然而，其各向異性和非均質結構特征、層間強度低及溫度敏感性，使傳統機械加工面臨刀具磨損嚴重、加工質量與精度難以控制等問題，易產生分層、毛刺和孔隙等缺陷。為解決上述難題，特種加工技術逐漸受到關注。本文綜述了激光束加工、電火花加工、水射流加工和超聲振動加工等典型特種加工方法，分析其技術特點、存在問題及未來發展方向。

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研究難點或瓶頸

盡管特種加工技術相較于傳統機械加工在碳纖維增強樹脂基復合材料加工中展現出顯著優勢，但其應用過程中仍面臨諸多問題與挑戰，各類特種加工方法均存在一定局限性。例如，激光加工易產生加工表面錐度，并可能由于熱影響區的存在引發分層、開裂、基體燒蝕及材料去除不均勻等缺陷；電火花加工和電化學加工則受制于碳纖維增強樹脂基復合材料導電性不足，加工效率和加工質量難以進一步提升；水射流加工過程中也易出現毛刺、分層及表面錐度等問題。

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展望

針對碳纖維增強樹脂基復合材料特種加工過程中存在的缺陷與技術瓶頸，未來研究需從特種加工工藝機理、復合工藝及裝備智能化等方面協同推進。

在特種加工工藝方面，應深入研究激光加工中表面錐度與熱影響區缺陷的形成機制，結合機器學習與物理模型提升工藝參數預測與優化能力；針對電火花加工受限于材料導電性的問題，可通過材料改性/表面涂層等手段提升其可加工性；水射流加工需進一步優化加工參數與磨料特性以抑制分層和坡口缺陷；超聲振動加工則應重點關注多維振動軌跡的損傷抑制機理及高精度振動控制技術。

同時，特種加工與傳統機械加工相結合的復合加工工藝（如激光輔助切削、電火花輔助磨削等），有望兼顧效率與質量，但在復合材料領域仍需加強機理、工具及參數優化研究。此外，面向高精度與復雜結構加工需求，發展專用化、智能化加工裝備，通過多傳感器監測與自適應控制實現加工過程的智能優化，將是推動復合材料加工技術發展的重要方向。

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代表性圖片

圖1 碳纖維增強樹脂基復合材料特種加工面臨的主要挑戰及解決方法

作者及團隊介紹

羅明，西北工業大學教授、博導、機電學院副院長，國家自然科學基金優青項目負責人、西北工業大學翱翔青年學者，硬質合金全國重點實驗室副主任、航空發動機高性能制造工業和信息化部重點實驗室主任，兼任中國機械工程學會生產工程分會副主任委員、中國空天動力聯合會先進制造及材料技術專委會副主任、中國航發集團科技委專委會委員、中國航空工業集團智能制造創新中心技術委員會委員、中國刀協切削先進技術研究分會副理事長、《機械科學與技術》副主編、《Chinese Journal of Mechanical Engineering》與《硬質合金》編委。主要從事CAD/CAM、復雜零件智能加工、航空復材制造等方面的研究，主持國家科技重大專項、國家自然科學基金重點類項目等10余項；在國內外高水平學術期刊與會議發表論文60余篇，出版中英文學術著作3部，授權國家發明專利50余項，牽頭成果獲國防科學技術進步獎二等獎1項。

葛佳，西北工業大學學士、英國貝爾法斯特女王大學博士、愛爾蘭都柏林大學博士后，研究方向為航空熱塑性復合材料加工制造。近五年以第一/通訊作者在Composites Part A/B, Composite Structures等機械制造、復合材料領域著名期刊發表學術論文10余篇，擔任《Advances in Manufacturing》等期刊青年編委。

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團隊介紹

航空發動機高性能制造團隊圍繞國家科技發展戰略需求，依托全國重點實驗室、工信部重點實驗室、教育部工程研究中心等4個高水平科研平臺，針對制約航空發動機長壽命、高可靠性發展的問題，以航空發動機高性能制造為研究目標，面向航空發動機結構-材料-工藝一體化發展需求，開展基礎研究和應用基礎研究，建立航空發動機高性能制造理論和方法，突破復雜結構精確成形與制坯、復雜薄壁結構高效精密加工、關鍵構件抗疲勞制造和制造過程智能控制等重大關鍵和共性技術，拓展航宇復材構件高性能制造、能場輔助加工、智能裝備與系統、仿生檢修機器人等前沿方向，形成了自主可控的發動機高性能制造核心技術和協同創新體系，實現了產學研合作、成果轉化與型號應用，取得了一批高水平成果。

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近兩年團隊發表文章

[1] Jia Ge, Zequan Yao, Ming Wu, José Humberto S. Almeida Jr, Yan Jin, Dan Sun. Tackling data scarcity in machine learning-based CFRP drilling performance prediction through a Broad Learning System with Virtual Sample Generation (BLS-VSG). Composites Part B: Engineering, 2025, 305:112701.

[2] Jia Ge, Guoyu Fu, José Humberto S Almeida Jr, Yan Jin, Dan Sun. Thermal effect in CFRP machining: Temperature field characteristics, heat generation mechanism and thermal damage management. Composite Structures, 2025, 356:118845.

[3] Menghua Zhang, Chenwei Shan, Ziwen Xia, Fangchao Jia, Ming Luo. Dynamic mechanical model in grinding C/SiC composites. International Journal of Mechanical Sciences, 2024, 268:109042.

[4] Zequan Yao, Puyu Zhang, Ming Luo. Extreme learning machine oriented surface roughness prediction at continuous cutting positions based on monitored acceleration, Mechanical Systems and Signal Processing, 2024, 219:111633.

[5] Yong Sheng, Geng Zhang, Yingfeng Zhang, Ming Luo, Yifan Pang, Qinan Wang. A multimodal data sensing and feature learning-based self-adaptive hybrid approach for machining quality prediction, Advanced Engineering Informatics, 2024, 59:102324.

作 者：葛 佳

責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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