复合材料科学与工程

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1. 碳纤维平纹与斜纹编织复合材料低速冲击多尺度分析与对比

刘乐, 时建纬, 杨晶晶, 李成

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 16-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.002

摘要（257）

PDF （8372KB）（185）

为了探究平纹与斜纹编织复合材料的冲击响应,构建了多尺度框架来进行二者的分析与比较。首先构造出介观下的平纹与斜纹编织结构几何模型来探究二者的力学性能,然后将平纹与斜纹编织几何模型进行局部均匀化从而转化为等效交叉层合板模型,最后把二者的等效交叉模型拓展为宏观下的低速冲击仿真模型,在6 J能量下做了冲击仿真模拟并与实验结果做了对比。仿真和实验结果显示,二者仿真下的冲击力变化趋势与实验下的冲击力变化趋势相似,说明了该多尺度框架的可行性。斜纹编织复合材料的冲击力峰值、冲击力震荡时间以及吸收能量都要高于平纹编织复合材料。

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2. 酚醛树脂在线预浸拉挤工艺探索

毛义梅, 郭建军, 郑诗宏, 毛雅赛

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 111-114. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.017

摘要（230）

PDF （2579KB）（55）

由于拉挤酚醛树脂在固化成型时有非活性稀释剂挥发,导致制品疏松,强度低,为了改善这一缺陷,本文将拉挤工艺与预浸技术结合,开发出酚醛树脂在线预浸拉挤工艺,即将浸胶纱在85 ℃进行烘干处理10 min,在入模前有效除去非活性稀释剂以及大部分游离醛和部分游离酚,解决了传统酚醛拉挤工艺中挥发物难控制的问题,同时不影响酚醛树脂的固化过程。通过对两种制品的物理和机械性能的测试、分析,发现预浸拉挤制品的孔隙率和吸水率显著降低,密度、压缩性能、层间剪切强度和冲击韧性得到大幅度提高,证明预浸拉挤在工艺上可行。

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3. 连续碳纤维增强金属基复合材料研究进展及展望

成小乐, 彭耀, 杨磊鹏, 吕树婷, 张栋, 李玉, 谢旺

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.017

摘要（204）

PDF （8588KB）（68）

连续碳纤维增强金属基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗拉伸等优良的综合性能,在新材料领域发展迅速,应用广阔。本文对连续碳纤维增强镁基、铝基、镍基、铜基复合材料的研究进展进行了综述,指出了目前各自存在的最主要问题是界面问题并对关键技术难点给出相应的研究思路,如可以从纤维涂层研究、纤维与基体界面反应等方面入手,以及加强该领域复合材料损伤机理研究。提出激光增材制造连续碳纤维增强金属基复合材料的工艺新思路,并进行了工艺研究现状论述和初步实验探索。最后指出先进制造技术对比传统工艺,在降低复合材料制备成本、改善界面强度、增加零件结构复杂度方面具有优势。

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4. 大型风电叶片预埋叶根连接参数化建模及强度分析

王振刚, 唐雪, 蒋传鸿, 李晓, 张石强, 谢磊

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 20-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.003

摘要（199）

PDF （3407KB）（106）

基于Python开发了风电叶片预埋叶根连接有限元建模脚本,通过预埋叶根连接几何模型参数化,同时自动进行材料属性设置、接触设置、网格划分及载荷约束设置,实现了预埋叶根连接参数化有限元建模。通过有限元分析软件对叶片双头螺栓和轴承端螺栓施加预紧力,在预紧力和外载共同作用下,利用有限元分析软件进行接触非线性计算,依据VDI 2230和GL 2010分析了预埋叶根连接螺栓及螺栓套与界面之间的静强度和疲劳强度,为预埋叶根连接设计优化提供指导和参考。基于Python开发的风电叶片预埋叶根连接参数化有限元建模脚本,缩短了风电叶片预埋叶根连接详细设计及结构校核周期。

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5. 紧凑型110 kV输电复合材料火箭塔的力学性能研究

朱晔, 吴雄, 冯炳, 李攀峰

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 96-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.015

摘要（189）

PDF （11457KB）（32）

在经济发达的城市地区,存在土地供应紧张与输电线路征地间的矛盾。基于以上问题,本文开发了一种类似火箭外形的复合材料绝缘窄基塔,导线从绝缘的复合材料塔内部穿过,最大程度地压缩线路走廊宽度,并对110 kV复合材料火箭塔的力学性能进行仿真计算及真型力学测试研究。研究结果显示:根开1.8 m,塔高19 m的110 kV的复合材料火箭塔通过了正常运行、断上导线、90°大风及不均匀覆冰等四个工况的100%设计荷载测试,复合材料杆塔各部杆件未见异常;其真型力学测试结果与杆塔的仿真计算结果高度吻合,其塔身最大变形均发生在火箭塔根部区域,对应的主杆最大变形均位于火箭塔根部区域;不均匀覆冰工况下,火箭塔的端部位移最大,最大位移量为48 mm,满足110 kV杆塔设计要求。

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6. 民用客机短舱进气道唇口抗鸟撞试验研究与仿真分析

冯荣欣, 邢运, 倪阳, 杨先锋, 汲生成, 邓志

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 102-108. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.015

摘要（184）

PDF （4462KB）（121）

为了研究民用客机短舱进气道结构的抗鸟撞性能,本文针对复合材料层合板结构的短舱进气道开展了鸟撞试验研究,试验研究结果表明:短舱进气道结构出现了唇口与搭接带板铆接处发生撕裂、唇口与前墙连接处紧固件发生拉脱、前墙与内外壁板连接处发生凹陷变形、进气道外壁板出现裂纹等损伤。此外,采用PAM-CRASH软件对短舱进气道结构进行鸟撞试验的有限元仿真验证,数值仿真结果表明:鸟体撞击模式、撞击过程、唇口结构损伤形貌、进气道前墙以及内外壁板上的应变与试验结果基本一致,表明建立的鸟撞数值仿真模型能够较好地模拟短舱进气道唇口的变形和失效行为。鸟撞试验及数值仿真分析研究结果表明短舱进气道唇口尽管损伤严重但前墙未被击穿,验证了结构的抗鸟撞性能。该研究所得结果可为短舱进气道的结构设计提供参考。

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7. 高超声速飞行器热防护用超高温复合材料的研究进展

刘永胜, 曹立阳, 张运海, 曹晔洁, 王晶, 董宁

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 107-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.016

摘要（184）

PDF （14321KB）（200）

热防护系统是高超声速飞行器的关键技术之一,决定了飞行器研制的成败,而高温热防护材料则直接决定了热防护系统的性能。本文综述了以C/C复合材料、C/SiC复合材料、C/UHTC复合材料等为代表的热防护用超高温复合材料的研究进展,并重点分析了近年来超高温复合材料导热和烧蚀性能相关的研究进展,进而提出了未来发展方向,为热防护用超高温复合材料的发展提供参考。

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8. 航空发动机SiC _f/SiC复合材料与环境障涂层系统及制备技术研究进展

王瀚艺, 卢嘉铮, 贺强

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 109-123. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.016

摘要（173）

PDF （15068KB）（56）

轻质耐高温的碳化硅纤维增韧的碳化硅基复合材料及其环境障涂层(SiC _f/SiC CMCs+EBCs)系统在航空发动机不断攀升的涡轮前温度面前展现出了极大潜力,经过20多年的研发,CMC/EBC部件已成功用于现役航空发动机高温端,新的研究也层出不穷。SiC _f/SiC CMCs+EBCs系统的关键制备工艺包括纤维制备、预制体编织、界面层制备、基体增密和涂层。纤维质量、预制体结构和界面层性能决定了CMC的力学性能,而基体和EBC左右了系统的抗氧化性和环境稳定性。在新型先驱体/新工艺/新涂层材料开发、编织结构优化、原材料利用率和工艺稳定性等方面,CMC/EBC制备技术还有进一步提高的空间。

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9. 基于应变能的风力机叶片铺层结构优化设计

赵雄翔, 孙鹏文, 李建东

复合材料科学与工程 2022, 0 (7): 20-24. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.003

摘要（167）

PDF （5792KB）（38）

叶片性能直接关系到风电机组的服役寿命,铺层参数是决定叶片性能的关键因素之一。结构的刚度可由应变能的大小来反映,论文推导了复合材料壳体结构的应变能表达式。从工程角度出发,以某1.5 MW叶片为对象,采用分级优化策略,考虑叶片强度和质量特性,以结构应变能最小为目标函数,建立了叶片铺层参数的优化数学模型,通过求解得到了优化的铺层角度、整体铺层厚度分布和铺层顺序。结果表明:优化后叶片的质量降低,静态刚强度提高,验证了方法的有效性。

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10. 基于非线性有限元理论的复合材料壳体缠绕参数优化设计

祖磊, 范文俊, 张骞, 牟星, 吴世俊, 张桂明, 吴乔国, 耿洪波

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.001

摘要（167）

PDF （4991KB）（141）

本文基于非线性有限元理论,对承受内压载荷的复合材料壳体进行缠绕参数优化设计。采用截锥壳单元和薄壳理论建立了复合材料壳体强度分析模型,取得了与固体火箭发动机壳体水压试验吻合的结果,与商业有限元软件ABAQUS的对比结果表明该模型具有较高的计算效率,可以用于复合材料壳体的应力分析及爆破压力预测;采用该强度分析模型与遗传算法相结合对复合材料壳体螺旋层的非测地线缠绕滑移系数进行优化设计,得到在滑移系数为0.19时壳体的爆破压力最高,与测地线缠绕相比提高了10.7%。结果表明在设计复合材料壳体时,借助该平台可以针对螺旋层的滑移系数进行优化设计,使产品达到最佳的力学性能。

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11. 铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶爆破与疲劳性能研究

康凯, 祖磊, 吴乔国, 张骞, 张桂明

复合材料科学与工程 2022, 0 (8): 35-43. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.005

摘要（165）

PDF （9917KB）（30）

本文采用试验测试与数值模拟相结合的方法,研究了铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶爆破压力与疲劳寿命的关联规律。开展了铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶的设计和制造,并进行了水压爆破和疲劳性能试验测试,获得了气瓶的爆破压力、疲劳寿命和破坏形貌。建立了基于渐进损伤分析模型的气瓶爆破压力预测方法、基于Morrow平均应力修正及Manson-Coffin等效应变法的气瓶疲劳寿命预测方法,取得了与试验吻合的结果。分析了气瓶设计参数对爆破压力和疲劳寿命的影响规律,结果表明,2.25倍爆破安全系数的气瓶在工作压力较高或气瓶筒身直径较大的情况下,仅通过自紧处理难以同时满足最小爆破压力和最低疲劳寿命的要求,因此还需适当地提高爆破安全系数或增加内胆筒身厚度。

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12. 玄武岩-PVA纤维协同增强轻骨料混凝土抗弯拉及抗冲击性能

李成金, 李静, 夏锦红

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 70-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.011

摘要（164）

PDF （3713KB）（61）

对混掺玄武岩-PVA纤维轻骨料混凝土进行了抗弯拉强度、抗弯拉弹性模量和抗冲击性能试验,得到了玄武岩-PVA纤维对轻骨料混凝土抗弯拉及抗冲击性能的影响规律。结果表明:混掺纤维材料比单掺纤维材料对提升轻骨料混凝土力学性能效果更佳;玄武岩-PVA纤维掺量为0.6%、混掺比为1∶2时,轻骨料混凝土的抗弯拉强度和抗弯拉弹性模量提升幅度最大,分别较基准组提高了22.19%和23.78%,动态压缩性能试验结果与抗弯拉强度试验结果较为一致;掺量过大时,轻骨料的强度会下降,甚至出现负效应。最后阐述了纤维增强轻骨料混凝土的机理并对其进行了色散谱(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)测试分析。

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13. 跨厚比对碳纤维复合材料三点弯曲性能的影响

王一超, 李鹏, 周菊萍

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 83-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.012

摘要（161）

PDF （13978KB）（83）

本文分别以日本东丽T700SC、T1100G碳纤维为增强体,自制树脂体系为基体,采用模压工艺制备了单向碳纤维复合材料层合板。分别研究了两种复合材料层合板在跨厚比为16∶1、32∶1、40∶1、50∶1时三点弯曲强度的变化规律,并着重分析了对应的弯曲破坏模式。结果表明:T700、T1100碳纤维复合材料的三点弯曲最佳跨厚比分别为32∶1和40∶1,对应的破坏模式均为上表面压缩和分层破坏。在32∶1的标准跨厚比下,T1100碳纤维复合材料层合板的弯曲强度为1 779.87 MPa,仅比T700碳纤维复合材料层合板高2.61%。

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14. 聚酰胺6/氧化石墨烯改性碳纤维复合材料机械性能与导热性能研究

毕一凡, 程宝发, 朱祥东

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 34-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.005

摘要（154）

PDF （7657KB）（51）

采用氧化石墨烯对碳纤维进行了改性(GO-KCF),用双螺杆挤出机制备了聚酰胺6/氧化石墨烯改性碳纤维(PA6/GO-KCF)、聚酰胺6/纯碳纤维(PA6/CF)、聚酰胺6/石墨三种复合材料,对改性碳纤维的组成、热稳定性以及复合材料的断面形貌、弯曲性能和导热性能进行了分析。红外光谱分析结果证实了—OH、—NH—、—CN—、O—Si—O等结构在GO-KCF中的存在,表明氧化石墨烯成功接枝到碳纤维表面;热重分析结果表明经过氧化石墨烯改性后的碳纤维热稳定较好,质量损失率仅有3.5%左右;复合材料的断面SEM结果显示,GO-KCF有效改善了与PA6树脂基体的界面相容性,经过改性后的碳纤维能在树脂基体中构成三维立体网状结构,能够起到传递外力载荷的作用;改性材料添加量都为11wt%时,PA6/GO-KCF复合材料的弯曲强度达到了180 MPa,分别比PA6/CF和PA6/石墨复合材料高出38.5%和24.1%;导热性能测试结果表明,PA6/GO-KCF复合材料的导热性能优于PA6/CF和PA6/石墨复合材料;在9wt%添加量情况下,PA6/GO-KCF复合材料的导热系数达到了2.42 W/m·K,分别是PA6/石墨和PA6/CF的2.7倍和3.9倍。

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15. 湿热环境下含分层损伤碳纤维/环氧树脂层合板振动特性

贾宝惠, 王浩, 卢翔, 单金洋, 赵耀斌

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 54-61. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.008

摘要（152）

PDF （8571KB）（33）

通过模态实验和有限元模拟研究了自由边界条件下T700-100/7202K-38碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在湿热环境下的振动特性。对不含分层、不同分层位置和不同分层角度损伤的层合板进行了湿热振动实验。基于湿热等效原理,通过ABAQUS软件建立了层合板有限元模型,将仿真结果与实验值对比,验证了模型的正确性。实验和仿真结果表明:湿热效应对层合板固有振型影响不大,但会使复合材料层合板各阶固有频率值下降,湿热效应对层合板一阶固有频率影响最大;层合板分层损伤也会改变其振动特性,当分层从层合板表面向层合板中面层移动时,层合板固有频率受湿热效应影响越来越大;分层角度为90°时,层合板固有频率值下降最多。

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16. 复合材料残余应力与固化变形机理及控制研究进展

何靓, 朱攀星, 俆小伟, 王金云

复合材料科学与工程 2022, 0 (7): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.020

摘要（151）

PDF （2027KB）（140）

复合材料因其高强轻质等特点被越来越广泛地应用于航空航天、船舶、车辆等领域,但复合材料的固化变形是阻碍其快速发展和应用的主要障碍之一。本文针对复合材料残余应力及固化变形的问题,阐述了引起残余应力和变形的机理,包括热膨胀属性的不匹配、聚合反应/结晶收缩、模具-零件的相互作用、树脂的流动压实、纤维褶皱或屈曲、温度和固化度的梯度分布,提出了包括固化参数的优化、模具补偿、零件-模具的相互作用优化、新型树脂的开发、新的固化工艺五种控制残余应力产生和固化变形方法,总结了控制固化变形方法中存在的问题,并展望了未来的研究方向。

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17. 短切碳纤维增强尼龙66的流变性能

黄珍媛, 黎冰华, 程斌, 陈邑

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 83-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.012

摘要（148）

PDF （4686KB）（39）

聚合物流变性能是影响复合材料性能的重要因素,本文对SCF/PA66共混体系流变性能进行了研究。通过熔融共混法制备不同纤维含量的短切碳纤维增强尼龙66(SCF/PA66)复合材料,采用毛细管流变仪、扫描电镜和旋转流变仪研究了纤维含量和频率等对SCF/PA66共混体系流变性能的影响。结果表明:SCF/PA66为非牛顿流体,加入SCF后非牛顿系数减小,稠度系数变大;当SCF为10wt%时,熔体表观黏度最小,当SCF为20wt%和40wt%时,熔体表观黏度最大;加入较多SCF后,共混体系的储能模量和损耗模量会大幅提高,当SCF为20wt%时,复合体系损耗因子小于1,材料的弹性响应始终占优。

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18. 纤维缠绕罐工装杆旋拧装置设计与分析

田会方, 任政, 吴迎峰, 张国武

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 105-110. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.016

摘要（148）

PDF （5007KB）（24）

本文针对纤维缠绕罐工装杆的自动搬运和自动装卸设计了一种旋拧装置,其主要能够实现搬运工装杆和芯模、夹持芯模、装卸工装杆、安装芯模底托的工作需求。文中主要介绍了所设计的工装杆结构、夹持旋拧装置和机械手末端执行器结构,并在SolidWorks软件中对纤维缠绕罐工装杆旋拧装置进行总体设计与装配,计算了夹持力和真空吸盘吸力的大小,所得结果均满足工作要求。在Ansys Workbench软件中分别对夹持装置和工装杆在工作状态下进行仿真分析,验证设计的合理性。

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19. 复合材料Ⅱ型分层ENF试验数据处理方法对比分析

王雅娜, 赵魏

复合材料科学与工程 2022, 0 (7): 81-92. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.013

摘要（147）

PDF （2284KB）（174）

Ⅱ型分层是复合材料层板结构中常见的一种层间裂纹扩展模式,因此Ⅱ型层间断裂韧性是评估材料层间性能以及复合材料结构设计、分析不可或缺的力学性能参数。复合材料Ⅱ型层间断裂韧性测试有多种试验方法,其中以基于端部缺口梁三点弯曲(ENF)的试验方法最广泛。鉴于ENF试验中Ⅱ型分层驱动机制的复杂性和众多的影响因素,国内外研究人员提出了许多Ⅱ型层间断裂韧性的数据处理方法,在同一个ENF试验中采用不同的数据处理方法可能得到不一致的Ⅱ型层间断裂韧性测试结果。为了便于工程人员深入理解不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的差异,本文首次系统地梳理了现存的各种基于ENF试验的Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的力学原理、简化条件、推导过程,讨论了不同Ⅱ型层间断裂韧性数据处理方法的精度和适用范围,可为复合材料研制、测试、设计人员提供有用的指导。

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20. 基于蚁群算法的变刚度层合板角度优化分析

张桂明, 沈志强, 祖磊, 王华毕, 张骞, 夏献钊, 耿洪波, 潘杰, 邹李清

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 5-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.001

摘要（145）

PDF （8327KB）（161）

为了对变刚度复合材料层合板进行刚度分析,基于微分求积法(DQM)对层合板振动方程进行离散单元化处理,从而便于进行频率分析。同时,将基频作为振动的重要研究参数,将蚁群算法(ACA)与DQM联合使用,通过蚁群算法随机生成初始角度,从而实现在进化迭代过程中对DQM计算所得的频率值进行改进。分析结果表明:通过ACA的进化迭代过程,可以很好地对铺层始末角进行选择优化。通过信息素的逐代更新,并对ACA进行适当改进,实现最终角度收敛,寻找到最优铺层始末角为[<38°|62.75°>,<90°|72°>,<0°|5°>,<0°|5°>] _S,对应频率值为11.712 57 Hz。同时对数据进行统计,表明初始角主要集中在0°、38°和90°附近;终止角分布较为松散,但主要集中在10°~90°附近。

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21. 一种高可靠性高效率Z-pin过渡植入机构的设计

段学俊, 吴庆堂, 邹阳, 魏巍, 应宇翔, 修冬, 吴焕

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 70-75. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.011

摘要（145）

PDF （5016KB）（46）

为了解决目前Z-pin过渡植入可靠性差、精度差和效率低的技术问题,提出了一种新型的Z-pin过渡植入方法,将Z-pin分两次植入泡沫基板中,对两次植入深度分配原理、动作模型工作原理和植入效果增强原理进行了研究,最终得到了一套完善的Z-pin过渡植入工艺流程,依据该工艺流程设计了一套集成了Z-pin输送、压紧、切割等功能的高性能Z-pin过渡植入机构,利用该机构及植入工艺方法进行了Z-pin过渡植入典型矩阵的工艺试验并记录数据。试验结果表明,植入机构运行平稳,自动化动作顺畅,植入可靠性高,加工效率高,Z-pin长度、植入深度、角度等技术指标满足预期要求,证明了机构结构方案及植入方法的正确性和合理性。

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22. 复合材料C形梁R角孔隙率影响因素研究

袁超, 李锋, 陈静, 邱启艳

复合材料科学与工程 2022, 0 (8): 105-109. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.016

摘要（139）

PDF （10610KB）（36）

针对复合材料C形梁结构,通过工艺软模、预压实操作及工艺参数的改变进行了C形梁R角孔隙率影响因素研究。结果表明:在固化过程中采用工艺软模能明显降低C形梁R角区域的孔隙率,在一定程度内,软模刚度提高能降低孔隙率,但当软模刚度达到一定程度后,再增加软模刚度不能进一步降低孔隙率;在固化前进行预压实操作能降低C形梁R角区域的孔隙率;提高压力和进行抽真空操作也能降低C形梁R角区域的孔隙率。

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23. 树脂基复合材料外涵机匣结构设计与试验验证

刘超, 吴正洪, 邵红艳, 林磊, 马健

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 81-88. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.013

摘要（139）

PDF （5654KB）（57）

为实现某航空发动机的减重目标,开展复合材料外涵机匣结构设计。依据总体设计要求,首先通过工作环境分析,完成了材料选择。其次开展机匣结构轻量化设计,基于经典层压板理论、蔡-希尔失效准则,开发了典型层合板极限强度的VBA计算程序,完成机匣壳体的铺层方案设计;通过UG二次开发,解决了金属安装座建模困难问题,提升了结构设计效率;通过在机匣壳体内壁面铺贴热防护膜和优化“卸荷腔”排气堵头结构等措施,完成机匣热防护设计。最后,完成了机匣装配性分析及热变形分析,并通过MATLAB编程实现了发动机工作任务剖面的外部载荷确定,完成典型结构及全尺寸机匣的静强度、疲劳试验验证。相比原钛合金机匣,新设计制造的复合材料外涵机匣减重效率达到27.8%,实现了设计目标;全尺寸试验和机匣的装机应用进一步验证了结构设计的可靠性。

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24. 幂函数过滤函数不同参数对层合板拓扑优化收敛率的影响

闫金顺, 孙鹏文, 马志坤, 赵雄翔, 董新洪

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 5-9. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.001

摘要（138）

PDF （1623KB）（46）

论文探究了过滤函数在基于独立连续映射法复合材料层合板拓扑优化数学模型建立和求解中的作用以及幂函数形式过滤函数不同参数对优化收敛率的影响,引入幂函数形式过滤函数,建立了位移约束下以质量最小为目标函数的拓扑优化数学模型,推导了目标函数和约束函数的灵敏度计算公式,采用序列二次规划算法求解。结果表明:幂函数形式过滤函数的参数不同,优化收敛率亦不同,选择合适的参数可提高收敛率。同时,提高收敛率可降低映射反演结果对给定替换阈值的依赖程度,减少连续解与离散解目标函数的差值,提升结果的可靠性。

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25. 铺层角度偏差对曲面复合材料层合板形面轮廓的影响分析

杨智勇, 刘清念, 孙建波, 解永杰, 左小彪, 张建宝

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 17-26. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.003

摘要（138）

PDF （7576KB）（64）

铺层角度偏差在预浸料铺放过程中难以完全避免,且随机地发生在任意一层或多层预浸料片上。针对性地研究铺层角度偏差对典型曲面复合材料层合板形面轮廓的影响程度和应对方法是有工程应用意义的。在复合材料层合板总厚度相同的条件下,设计了六组准各向同性铺层顺序,通过有限元分析、概率论方法及典型层合板成型验证的方法,研究了单层、两层、多层铺层角度偏差对曲面层合板形面轮廓图形演变及精度影响规律,获得单向预浸料铺层层合板形面精度提高的控制要点。研究结果表明:铺层角度偏差发生在外层比在内层对层合板形变精度影响大,层合板形面精度随着铺层角度偏差的增大而降低;铺层角度偏差直接引发层合板的马鞍形形面变化,将铺层角度偏差控制在0.25°以内可以有效地抑制层合板的马鞍形形面的产生;适当降低预浸料单层厚度,增加铺层角度和总铺层数量,可有效地降低铺层角度偏差对限定总厚度层合板形面精度的影响。

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26. 异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法

周俊, 王阳, 黄明, 翟孟雷, 陈文广, 张娜, 刘春太

复合材料科学与工程 2023, 0 (11): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20231128.001

摘要（136）

PDF （8359KB）（190）

在现有的复合材料层间剪切强度测试方法中,用于计算强度的公式仅含有试样的几何参数而未考虑模量和中性面变化,所以仅适用于各向同性或横观各向同性复合板,对于不同材料非均匀铺设的异质多层复合板,使用该方法会得到不同严重程度的错误结果。鉴于此,本文首先构建了三层异质复合板中性面位置及层间切应力计算方法,进而推导出 n层复合板中性面及层间切应力计算通式,结合短梁剪切法,建立了异质多层复合板层间剪切强度测量计算方法。计算分析表明,对于异质复合板,其最大相对层间切应力会随各层模量的变化而改变,其中性面也不再位于试样几何中心。针对GFRPP/胶/GFRPP和GFRPP/胶/钢这两类三层异质复合板的试验结果表明,本文方法能较准确地测量计算出异质复合板层间剪切强度,而现有方法则会随复合板各向异性程度的增加而逐渐偏离真实值。

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27. DAP/聚苯醚改性氰酸酯树脂复合材料及其性能

步晓君, 许星烨, 贾宇翔, 华娇, 祝正浩, 周权, 倪礼忠

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 108-111. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.017

摘要（135）

PDF （2527KB）（36）

邻苯二甲酸二烯丙酯(DAP)和聚苯醚(PPO)共同改性氰酸酯树脂(CE),利用差式扫描量热法(DSC)和热失重分析(TGA)考察了DAP/PPO/CE树脂的固化行为和耐热性能。按照不同质量比制备了DAP/PPO/CE玻璃纤维复合材料,通过介电分析仪(DEA)、弯曲强度和层间剪切强度测试分析该复合材料的各项性能。结果表明,DAP的加入促进了PPO/CE树脂的固化,改善了复合材料的力学性能和介电性能,树脂体系仍保持优异的耐热性能,并且在DAP/PPO/CE=8/40/100(质量比)时促进效果、力学性能和介电性能最为优异,弯曲强度可达651.4 MPa,层间剪切强度可达62.0 MPa。

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28. 飞秒激光对玻璃钢表面的烧蚀特性试验研究

何宗泰, 刘可欣, 刘鸣, 刘顿, 杨奇彪

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 112-115. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.014

摘要（134）

PDF （7797KB）（43）

玻璃钢因其优良的透波性和介电性能而被广泛应用于雷达设备的容器或外壳的制造。为了对玻璃钢表面进行精密加工,采用波长为1 030 nm的飞秒脉冲激光对玻璃钢表面进行刻蚀,研究了不同激光能量密度、扫描速度以及刻蚀次数对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面的烧蚀效果。研究发现飞秒激光对玻璃钢的烧蚀状态可分为弱烧蚀与强烧蚀,且强烧蚀状态可在弱烧蚀的基础上演变形成。弱烧蚀状态时,激光对材料的去除机制主要为热解汽化,热影响较小,加工后的表面能够维持部分原始组织结构与化学性质。当激光能量密度、光斑重叠率或扫描次数增加后,材料表面的热累积效应增强,加剧了材料的消融率,形成强烧蚀状态,烧蚀后材料表面组织结构与化学性质发生改变,碳化现象显著。

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29. 基于各向异性超弹本构的轮胎侧偏分析

孙戬, 陈云辉, 张守京

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.001

摘要（133）

PDF （3831KB）（186）

为了准确描述帘线-橡胶轮胎侧偏的力学特性,基于单向纤维增强连续介质力学,给出了一种可用于仿真分析轮胎侧偏的帘线-橡胶复合材料各向异性超弹性本构模型。该模型中应变能被解耦为橡胶基体应变能、帘线拉伸应变能和橡胶与帘线之间的角剪切应变能;结合实验数据标定了模型参数,将标定后的各向异性超弹本构模型用于轮胎接地和侧偏分析;为各向异性超弹性复合材料本构模型的开发以及高精度帘线-橡胶轮胎模型研发提供了重要的研究基础。

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30. 玄武岩纤维混凝土孔隙结构表征及劈裂拉伸试验研究

贾静恩, 张彬

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 63-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.010

摘要（133）

PDF （5213KB）（22）

基于试验研究不同长度(0 mm、6 mm、12 mm、18 mm)玄武岩纤维混凝土内部孔隙结构表征及在不同应变率下劈裂拉伸力学特性,采用核磁共振(nuclear magnetic resonance)及电镜扫描(scanning electron microscope)技术,分析试件 T ₂谱分布、孔径分布、孔隙率及纤维与混凝土间的黏结情况,并利用万能试验机与分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar)对不同长度玄武岩纤维混凝土试件开展不同应变率下的劈裂拉伸试验,分析纤维长度、应变率对混凝土劈裂拉伸力学性能的影响。结果表明:玄武岩纤维混凝土的 T ₂谱曲线为双峰型,素混凝土试件 T ₂谱峰值最大,孔隙率最大,纤维的掺入能有效降低试件孔隙率,长度为6 mm时效果最佳;试件内部孔隙以微孔、小孔为主,纤维的掺入使试件微孔占比增大,小孔占比降低;随着应变率的增大,试件表现出应变率强化效应,动态增强因子(dynamic increase factor)与应变率间呈良好对数相关;纤维的掺入能有效增强试件拉伸强度,减小其极限应变,纤维长度为18 mm时效果最佳;SEM结果表明玄武岩纤维与混凝土材料间黏结作用能有效承担荷载,减小裂隙扩展,增强试件抵抗受力变形能力。

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31. 大直径GFRP筋与混凝土黏结性能现场足尺试验研究

王凤姣, 白晓宇, 陈吉光, 于龙涛, 李明, 朱磊

复合材料科学与工程 2022, 0 (10): 33-37. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.005

摘要（132）

PDF （3341KB）（52）

为研究大直径GFRP筋与混凝土的黏结性能,利用现场开挖沟槽作为地模然后浇筑混凝土的试验方式,进行GFRP筋与混凝土的极限抗拔试验,明确GFRP筋极限抗拔承载力及黏结-滑移的影响因素。结果表明:①GFRP筋的破坏形式主要以剪切滑移破坏为主。②GFRP筋的极限抗拔承载力随竖向锚固长度和直径的增加而增大,弯折处理可有效降低GFRP筋与混凝土的相对滑移,且竖向锚固长度越长,GFRP筋的滑移量越小;GFRP筋的滑移量随弯折长度增加而减小。③GFRP筋弯折处理会削弱其极限承载力,结果显示,通过现有弯折工艺来提升GFRP筋与混凝土的极限抗拔承载力的效果有限。

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32. 成型压力对碳化硼/芳纶防弹插板的性能影响

王华, 王希杰, 师慧, 韩笑

复合材料科学与工程 2023, 0 (3): 104-107. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230328.016

摘要（132）

PDF （5819KB）（43）

由陶瓷和纤维制成的复合插板具有优异的抗冲击性能,被广泛应用于防弹衣插板。本文通过实弹靶试研究了碳化硼(B ₄C)陶瓷和芳纶预浸料复合过程中成型压力对插板防弹性能的影响。实验发现B ₄C陶瓷/芳纶复合插板通常可以经受一至两发子弹的冲击,体现出较强的防弹能力。同时高压复合插板具有较高刚度,可以降低中弹后弹痕的深度;而低压复合插板具有较高的韧度和拉伸变形能力,可以降低背板被击穿的概率。本研究对制作高性能陶瓷-纤维复合防弹衣插板具有重要指导意义。

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33. 复合材料空间3D打印技术研究进展

陈怡, 莫桂冬, 余抗, 秦俊杰, 李敬洋, 祁俊峰, 赖小明

复合材料科学与工程 2022, 0 (6): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220628.019

摘要（131）

PDF （8634KB）（72）

作为一种在轨制造技术,空间3D打印可快速实现复杂构型产品制造,对深空探索、外星基地建设等具有重要意义。但是空间的微重力、高真空、高低温、强辐射等极端环境条件,对在轨3D打印设备、材料和工艺均提出了较高的要求。目前空间3D打印发展时间较短,技术成熟度仍然偏低,全球仅有少数几个国家进行了空间验证。本文简要回顾了国内外空间3D打印技术进展,结合本团队研制的复合材料空间增材制造系统,提出了适用于空间站及航天器舱内的3D打印系统设计要素,并分析了复合材料空间打印的关键技术;最后对我国复合材料空间3D打印后续发展提出了展望和建议。本文旨在为后续空间3D打印更广阔的工程化应用提供一定的技术基础。

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34. FRP/钢T形连接结构优化设计及拉伸初始损伤特性研究

陈国涛, 梅志远, 李华东

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 35-40. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.005

摘要（130）

PDF （8305KB）（27）

为了对FRP/钢T形嵌入式连接结构进行优化设计,本文在文献[1-2]研究的基础上,首次提出了两种新式T形嵌入式燕尾槽连接结构设计方案:内嵌式、外伸式。文章首先设计、制作两种不对称接头,并开展拉伸弯曲承载特性试验研究,分析不对称接头初始损伤特性、裂纹扩展规律及失效机理。然后,为了深入探讨两式连接接头在拉伸弯曲载荷作用下的初始损伤特性,文章基于大型有限元计算软件Abaqus对不对称接头开展仿真计算与分析,计算结果与试验吻合性较好;在此基础上,分别对两种连接方案开展仿真计算,并分析其初始损伤特性。研究结果表明:虽然外伸式T形方案连接刚度更高,但内嵌式方案初始破坏强度更高,水密性能更好。

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35. SiO ₂气凝胶材料增强技术研究进展

李艳华, 吴一凡, 韩琦

复合材料科学与工程 2022, 0 (8): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220828.018

摘要（128）

PDF （16121KB）（30）

SiO ₂气凝胶材料具有独特的纳米网络骨架结构,赋予材料极小的孔径结构、极高的孔隙率;同时气凝胶骨架的纳米微孔具有较为复杂的结构,可以有效阻挡热流的通过,使其具有极低的导热系数。气凝胶骨架主要为Si—O—Si结构,耐高温性能较为良好。SiO ₂气凝胶在建筑隔热保温、航空航天热防护、吸音降噪、武器装备制造业等领域具有广泛的应用,是国内外热防护材料的主要研发方向之一。然而,SiO ₂气凝胶纳米网络骨架结构的强度较低、连续性差,纳米孔结构物理化学结合较差、相关产品脆性较大,在外界载荷作用下极易发生骨架结构破坏,很难兼具热防护和承载的双重功能。本文从骨架增强、聚合物增强、第二相增强三个角度,论述了SiO ₂气凝胶材料骨架增强的研究现状及存在问题。对国内外关于SiO ₂气凝胶材料骨架增强技术的研究现状及所存在的主要问题进行了总结归纳,为SiO ₂气凝胶材料骨架增强技术未来的发展提供了思路。

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36. 三维有限元模拟大长径比闭口梁的固化过程及其变形预测

万君, 张杰, 沈艳彬, 沙惠萍, 雷祖祥

复合材料科学与工程 2023, 0 (1): 63-69. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20230128.007

摘要（126）

PDF （4012KB）（25）

大长径比闭口梁因具有变截面特性导致其固化过程往往较难预测。本研究通过构建热固化、流动-压实、应力-变形耦合的控制方程建立了有限元模型,计算了一体式大长径比闭口截面复合材料梁的固化过程,并基于模拟结果优化主梁成型模具的设计及制造。通过对比缩比件样品与模拟的结果发现全尺寸主梁外形面的仿真结果与实际形变量的平均误差为8%,最大计算误差为17%,验证了模型的准确性。该模型可以为构件模具的预变形设计提供依据,实现基于回弹变形补偿技术的一体式大长径比闭口复合材料梁的精确成型。

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37. 国产CCF800H碳纤维增强耐高温双马树脂基复合材料的力学性能

王迎芬, 潘翠红, 周洪飞, 孙占红

复合材料科学与工程 2022, 0 (11): 114-119. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.017

摘要（123）

PDF （3145KB）（129）

采用热熔法制备预浸料,采用热压罐固化工艺制备了CCF800H/QY260E耐高温双马树脂基复合材料。首先测试了QY260E双马树脂的黏温特性,然后通过纤维表面扫描电镜测试、吸湿前后玻璃化转变温度测定、复合材料基本力学性能测试及断口形貌分析等方法,综合考察了国产CCF800H碳纤维复合材料的界面粘接性能、韧性和湿热性能。结果表明:QY260E树脂在较长的温度和时间范围内具有较低黏度。CCF800H/QY260E复合材料在71 ℃水浸14 d后的饱和吸水率仅为0.66%,其 T _g仅比干态(286 ℃)下降了21 ℃,230 ℃湿态时0°拉伸强度较室温干态保持率大于80%,开孔拉伸强度较室温干态保持率大于90%,260 ℃湿态时0°拉伸强度较室温干态保持率大于70%,开孔拉伸强度大于90%,230 ℃及260 ℃湿态下,层间剪切强度、开孔压缩强度较干态下保持率均大于40%,冲击后压缩强度接近国外先进复合材料IM7-5250-4的水平,且90°拉伸试样和层间剪切试样纤维与树脂结合紧密。实验结果表明CCF800H/QY260E复合材料具有良好的力学性能和湿热性能。

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38. 短切碳纤维增强混凝土动态抗拉性能研究

刘玉娟, 王丽娟

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 97-101. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.014

摘要（123）

PDF （7019KB）（52）

由于混凝土抗拉、抗压强度的不均匀性,在混凝土中添加碳纤维可以改善混凝土的静态抗拉性能,提高拉压比。考虑到冲击和爆炸荷载对混凝土的破坏,本文研究了应力速率和碳纤维含量对混凝土动态抗拉性能的影响,并从细观层次上探讨其抗拉强度在动、静态性能上的差异。采用直径为74 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对含纤维体积分数分别为0‰、1‰、2‰和3‰的混凝土进行了动态劈裂试验。结果表明,随着纤维含量的增加,混凝土的静态抗拉强度明显增加,但增加的幅度有减小趋势。动态抗拉强度和动态强度增加因子(DIF)均随应力速率的增加而增加,表现出明显的率效应。碳纤维对混凝土动、静强度的影响存在显著差异。在设计混凝土配合比时,应适当选择碳纤维含量,以满足具体工况动、静态力学性能的要求。

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39. 基于AE参数融合的NOL环损伤演化研究

闫孝伟, 李伟, 蒋鹏, 刘颖红林, 程佳豪

复合材料科学与工程 2022, 0 (11): 28-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221128.004

摘要（121）

PDF （17815KB）（31）

为了实现声发射监测技术对NOL环损伤过程的评价,本文对NOL环进行静力拉伸和不同阶段的分级加载实验研究。通过实验对比,利用AE参数融合,引入 R值和 b值对NOL环损伤过程进行研究,将NOL环损伤分为三个阶段,并通过 b值变化规律表征不同损伤情况。 RA值和 R值对试件早期损伤模式和累积损伤变化非常敏感。结果表明,分级加载实验第Ⅰ阶段的b值整体大于第Ⅱ阶段,且 b值变大时 R值呈现减小趋势,表明试件内部存在裂纹扩展。静力拉伸实验,第Ⅰ阶段损伤初始 R值初始变化波动大且复杂;第Ⅲ阶段严重损伤, RA值变化大且复杂,超过0.85 F _max时 b值迅速降低,主要与界面损伤和纤维断裂有关,最终断裂的形成主要与引起损伤的主裂纹扩展有关。

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40. 复合材料加筋壁板不同工艺固化变形试验及模拟

程文礼, 蒋婷, 万喜伟, 刘晓东, 叶宏军, 关志东

复合材料科学与工程 2022, 0 (9): 90-96. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220928.013

摘要（113）

PDF （3933KB）（37）

针对复合材料T形及U形加筋壁板结构,试验研究了不同成型工艺下的固化变形,并通过有限元模拟进行了变形预测,模拟结果及试验结果对比验证了模型的准确性;模拟研究了T形结构底板对变形的影响以及对T形及U形两种加筋结构的影响。结果表明:相对于共固化工艺,干筋湿蒙皮工艺有使结构向蒙皮一侧纵向翘曲的倾向,湿筋干蒙皮工艺影响效果则相反;对横向翘曲变形与扭转变形基本无影响;筋条底板设计会增大加筋壁板整体向筋条一侧的纵向翘曲变形,同时抑制横向翘曲变形;底板导致T形结构的不对称性,使结构产生了扭转变形,底板的设计不利于固化变形的抑制;U形加筋导致壁板底板刚度变大,纵向翘曲变形减小,结构的对称性使其不存在扭转变形,但增大了回弹影响,横向翘曲变形增大。

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