复合材料科学与工程

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1. 先进热塑性复合材料现状及航空应用进展

赵淼

复合材料科学与工程 2024, 0 (12): 147-152. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.020

摘要（195）

PDF （3976KB）（107）

先进热塑性复合材料具有可回收、可重复利用、二次成型、成型周期短、制造效率高以及高韧性等优点,是一种有发展前途的飞机结构用新型复合材料。本文介绍了在航空主要承力结构中最常用的先进热塑性复合材料树脂基体、热塑性预浸料的主要性能特点,以及热塑性复合材料技术的发展现状,总结了先进热塑性复合材料在先进航空装备的应用进展,分析提出了先进热塑性复合材料预浸料高质量高效制造、自动铺放原位固结以及复合材料结构自动化焊接等重点发展方向。

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2. 三维机织复合材料的连接性能与失效机制

张茜, 张一帆, 邹齐, 张鹏, 焦亚男, 安柳絮, 刘燕峰, 张代军, 郝俊杰, 陈利

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.001

摘要（181）

PDF （12545KB）（199）

为了研究织物结构对三维机织复合材料连接性能的影响,设计了多层多向机织结构和层联机织结构复合材料,建立了开孔连接结构宏细观耦合分析模型,揭示了三维机织复合材料连接失效机制。研究表明:±45°纱所占的比例对复合材料机械连接的挤压强度具有重要影响,±45°纱线的引入,可以提高承载纱线的含量,能够有效改善孔边的应力集中现象;多层多向机织复合材料主要发生0°纱、90°纱和斜向纱的横纵向的损伤,损伤最初发生在孔边并逐渐扩展且呈对称分布,载荷的传递方向和损伤的传播方向呈现角度的特征。

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3. 碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律仿真

王文乾, 冯宇, 李哲, 刘宋婧, 安涛, 王逸韬, 李元凯

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 5-15. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.001

摘要（156）

PDF （19385KB）（138）

基于碳纤维复合材料激光辐照理论,应用有限元方法,开展了碳纤维复合材料激光辐照温度场仿真分析。首先,研究了碳纤维复合材料激光辐照温度场分布规律,建立了不同位置线上的温度场表征方程,定量分析了辐照表面温度变化规律,并通过文献数据验证了有限元模型的有效性。然后,基于该模型,探究了复合材料板材不同铺层方向、不同光斑直径和不同激光功率下的温度场变化规律。结果表明:在不同铺层方向下,热影响区为椭圆形,[0] ₁₆和[0/90] _4S板材的长轴方向为碳纤维0°铺层方向,而[45/90/-45/0] _2S板材的长轴方向为碳纤维45°铺层方向,且三者最高温度均约为1 830 ℃;当光斑直径分别为6 mm、10 mm和14 mm时,热影响区面积逐步增大,而中心最高温度逐步降低,整个过程中最高温度分别为3 347 ℃、2 401 ℃和1 838 ℃;在200 W、400 W和600 W激光功率下,板材中心温度随激光功率增大而增大,中心点最高温度分别为1 750 ℃、2 401 ℃和2 789 ℃。

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4. PVDF膜材双轴全域拉伸非线性及力学参数研究

张燚聪, 陈建稳

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 5-13. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.001

摘要（145）

PDF （8175KB）（200）

为了明确织物膜材从拉伸到破坏整个过程的双轴拉伸性能,以典型PVDF涂层聚酯织物为研究对象,通过七个应力比下的双轴单调拉伸试验,利用编写的MATLAB程序获得了涂层织物复杂的变形性能和精确的弹性参数,并对其变形和力学参数进行响应面分析,揭示了涂层织物在不同应力水平和应力比下弹性模量、泊松比和正交各向异性的演化规律。结果表明,全域应力范围内材料的弹性参数和正交各向异性特征随着应力比和应力水平的改变而显著变化。此外,基于单、双轴拉伸应力-应变的关系,引入了表示双轴单调拉伸试验中拉伸与收缩比例的刚度耦合系数,推导出了弹性模量公式,其计算值与试验值吻合较好。研究所得结论可为膜结构工程中织物膜材的拉伸力学性能以及膜面破坏分析提供有益参考。

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5. 玻璃纤维/环氧树脂预浸料固化全过程的比热容和热导率研究

马世恒, 葛敬冉, 刘凯, 李永善, 梁军

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 20-25. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.003

摘要（134）

PDF （1662KB）（655）

通过调制温度式差示扫描量热技术(MDSC)测定了玻璃纤维/环氧树脂预浸料在固化全过程不同方向上的比热容和热导率,并建立模型来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化。未固化和完全固化时,预浸料的比热容和热导率随着温度的增大线性增加;在固化过程中受温度和固化度的双重影响,在固化反应前期,比热容和热导率有一个突变,在温度和固化度的作用下表现出先增大后减小的趋势。此外,通过混合定律和分段线性关系来描述比热容和热导率随温度和固化度的变化关系,结果有助于提高数值模拟中参数的准确性。

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6. 耐高温阻燃环氧树脂碳纤维复合材料性能研究

谢文博

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 43-47. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.006

摘要（133）

PDF （7076KB）（146）

本文针对耐高温阻燃环氧树脂碳纤维复合材料的力学性能、耐湿热性能、阻燃性能、防火性能进行研究,结果表明,耐高温阻燃复合材料具有良好的力学性能和阻燃性能。其中耐高温阻燃复合材料的阻燃等级为V-0级别,240 s内最大烟密度 D _m为5.17,极限氧指数为39.5%,并通过烟毒性及防火试验,基本满足适航相关法规。通过上述性能研究,为阻燃结构功能一体化环氧树脂基复合材料在先进航空飞行器及发动机上的实际应用提供支撑。

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7. 高强度碳气凝胶复合材料的制备及结构、性能研究

沈泽慧, 曹宇, 郝晶莹, 张琪凯, 牛波, 张亚运, 龙东辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 5-14. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.001

摘要（129）

PDF （15223KB）（89）

针对热防护系统的热桥阻断需求,以碳/石英纤维混编针刺预制体为增强体,酚醛树脂为碳前驱体,通过溶胶-凝胶、常压干燥和高温碳化工艺,制备出一种中密度-高强度碳气凝胶复合材料,系统研究了材料的微观结构、力学性能和隔热性能。结果表明:所制复合材料在中密度(约为0.80 g·cm ^-3)下具有较强的力学性能(5%压缩应变时压缩应力约为10 MPa)和优异的隔热性能(室温热导率<0.230 W·m ^-1·K ^-1)。随着预制体中石英纤维质量分数从0%增加至20%,复合材料在1 000 ℃下等效热导率从0.224 W·m ^-1·K ^-1下降至0.158 W·m ^-1·K ^-1,具备了高温热桥阻断应用潜力。进一步采用格子玻尔兹曼方法对材料室温至1 600 ℃下的热导率进行预测,发现了材料结构和环境因素对热导率的影响趋势,即碳气凝胶基体孔隙率的上升会导致热量传递的阻碍增大,从而导致复合材料热导率下降;预制体密度的增大导致热量传递的通道增加,使复合材料热导率增大;石英纤维含量的增加会导致复合材料热导率逐渐下降;当气压较小时,热导率随气压的增大迅速增大,而当气压较大时,热导率几乎不受影响。

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8. 褶皱石墨烯微球制备与浸润性调控及其丙酮感知研究

汪瑞, 梅启林, 丁国民, 陈述慧, 徐建蓉, 姜端洋

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 14-19. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.002

摘要（128）

PDF （6951KB）（95）

为了增加表面粗糙度,获得超疏水复合材料,本文引入水-丙酮的二元溶剂,探究氧化石墨烯(GO)在二元溶剂中的分散与蒸发,而后通过喷雾油炸法,得到褶皱石墨烯微球(FGO),探究溶剂组分对浸润性的影响,最后将FGO与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合,制成对丙酮敏感的超疏水传感器。结果表明:在二元溶剂中,水的组分为20%时,GO在其中分散良好并且有不错的蒸发率,得到的FGO接触角为149.1°;制备的复合材料结合良好,具备150.2°的超疏水性能,同时能在丙酮浓度为0.03~0.075 mol/L时具有良好感知性能,灵敏度达到115 (mol/L) ^-1。

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9. 多刺激响应型高强度复合材料柔性致动器研究进展

盛洁, 刘航, 王文乐, 姜生坤, 李明霞, 黄正强, 耿铁, 蒋林

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 117-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.016

摘要（126）

PDF （14830KB）（76）

复合材料柔性致动器兼具灵活性、适应性和结构可设计性等特点,能够响应外界刺激而改变结构、形状和宏观性质,具有广阔的应用前景。本文总结了近几年复合材料柔性致动器在多刺激响应性与力学强度提高方面的研究进展,介绍了该类致动器的成型制备方法,分析了致动原理。从填料的维度出发,总结了各类填料在致动器响应速度、机械性能、多刺激响应能力方面的影响,总结了该类致动器在柔性机器人、微型医疗器械、精密传感器、折叠电子器件等方面的现状。最后,对多刺激响应型高强度复合材料致动器的发展前景进行展望,以期为设计制备具有新颖功能和更有挑战性的致动器提供借鉴和参考。

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10. 碳纤维/芳纶纤维混杂三维编织复合材料制备与冲击性能的研究

王晓明, 王晓波, 程亚男, 张晨, 权震震, 张辉, 刘勇, 孙厚礼, 俞建勇

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.001

摘要（123）

PDF （8962KB）（132）

混杂是提高复合材料力学性能的一种有效途径。本文通过对三维编织预制件纱线运动路径进行研究,提出了层内混杂和层间混杂三维编织复合材料的设计与制备方法。根据上述研究,制备了层内混杂三维编织复合材料,采用树脂共固化法制备了两层和四层层间混杂三维编织复合材料,并对三种混杂三维编织复合材料进行了低速冲击性能测试。结果表明,混杂方式是影响三维编织复合材料冲击性能的重要因素,在面内冲击和轴向冲击下,冲击性能由强至弱排序为层间混杂(4层)三维编织复合材料>层间混杂(2层)三维编织复合材料>层内混杂三维编织复合材料。本文的研究结果可为三维编织复合材料的性能优化提供一种有效可行的方式。

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11. 基于改进的Halpin-Tsai模型对颗粒增强复合材料弹性常数预测

武顺心, 朱水文

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 33-39. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.005

摘要（122）

PDF （7322KB）（164）

为了预测不同形状颗粒增强复合材料的弹性常数,以碳化硅(SiC)颗粒增强环氧树脂为例,建立了不同颗粒形状的代表性体积元(RVE)模型,研究了不同颗粒形状及其体积分数对复合材料弹性常数的影响。通过改进的Halpin-Tsai模型,得出了形状因子与体积分数、颗粒体积和几何因子之间的关系式。有限元模型和改进的Halpin-Tsai模型计算的复合材料弹性常数结果相近,最大误差仅为4%。研究表明,改进的Halpin-Tsai模型可以用于预测碳化硅颗粒增强环氧树脂复合材料的弹性常数。

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12. 大型风电叶片拉挤复合材料研究进展

卫立江, 邱锐磊, 王乾武, 谢博武, 李铭志, 冯威

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 116-121. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.015

摘要（121）

PDF （2798KB）（141）

随着风电叶片的大型化,对复合材料性能的要求越来越高。近年来,拉挤复合材料在风电叶片上成功应用,这是风电叶片制造工艺几十年发展历程的一个新的里程碑。拉挤复合材料具有更高的力学性能与生产效率及更低的制造成本,在制造风电叶片主承力梁帽时,拉挤工艺几乎完全取代了使用了20多年的真空灌注工艺。为了梳理风电领域拉挤复合材料的研究进展,本文从拉挤板用原材料、拉挤板力学性能、拉挤板缺陷检测技术以及拉挤板梁帽灌注工艺方面综述了风电领域拉挤复合材料的专利申请与研究进展,旨在为复合材料与叶片领域后续研究提供参考。

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13. 复合材料在民用飞机应用与发展趋势

徐林, 刘传军, 赵崇书

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 98-104. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.015

摘要（120）

PDF （4591KB）（75）

“一代飞机,一代材料”,材料是飞机制造的基础。在一百多年的世界航空史上,飞机发展的快慢,很大程度取决于材料。复合材料具有比强度和比模量高、疲劳性能和耐腐蚀性能好、密度小等特性,极大促进了民用飞机产业的发展。目前,高性能复合材料用量已经是衡量民机先进性的指标之一。本文重点阐述了欧美国家制定并实施的一系列航空复合材料研究计划及其取得的重要成果,介绍了国内航空复合材料发展历程,总结了复合材料在国内外民用飞机领域应用现状。基于未来国内民用飞机需求量,从原材料、结构件制造和工艺装备等方面,分析了复合材料应用降低飞机结构重量、减少运营成本和提升经济性的优势,讨论了复合材料应用于国产民用飞机的机遇与挑战。

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14. 静电纺丝PPESK纤维毡层间增韧碳纤维/环氧树脂复合材料

吕续津, 霍红宇, 彭公秋, 张宝艳, 叶金秋, 刘勇

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 19-27. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.003

摘要（118）

PDF （22615KB）（86）

随着航空航天产业的蓬勃发展,我国对高性能碳纤维复合材料的需求日益增长。杂萘联苯聚醚砜酮[Poly (Phthalazine Ether Sulfone Ketone),PPESK]得益于良好的环氧相容性、可加工性和机械性能,具有在碳纤维/环氧树脂复合材料层间增韧方面的良好应用前景。本研究借助静电纺丝技术,实现了PPESK超细纤维毡的稳定制备,并通过层间铺贴、热压,实现了PPESK与T800级碳纤维/高温环氧树脂预浸料的复合。在预浸料层间添加17 g/m ² PPESK超细纤维毡,其复合材料冲击后压缩强度可达391 MPa,表明PPESK对T800级碳纤维复合材料的层间增韧效果较明显。静电纺丝PPESK纤维在碳纤维复合材料增韧领域具有巨大应用潜力。

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15. 丙烯酸共聚改性液态丙烯酸酯树脂及其复合材料力学性能研究

陈述慧, 梅启林, 丁国民, 汪瑞, 蔡永祺, 姜端洋

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.002

摘要（116）

PDF （7295KB）（352）

为了解决丙烯酸酯树脂拉伸强度不足及其与纤维界面结合较弱的问题,本文通过原位聚合的方法,以丙烯酸(AAc)共聚改性液态丙烯酸酯类低聚合树脂(AOLM),通过提高聚丙烯酸酯类树脂基体(PAOLM)分子间作用力,显著提升固化后树脂基体及其玻纤(GF)增强复合材料的整体力学性能。研究结果表明:引入的AAc使PAOLM红外光谱图中出现了分子内氢键(3 545 cm ^-1)和分子间氢键(3 294 cm ^-1)的振动吸收峰;与未改性的PAOLM相比,共聚改性后树脂P(AOLM-AAc)的拉伸强度和模量分别提高了20.86%和32.65%,弯曲强度和模量分别提高了18.14%和25.73%,冲击韧性提高了24.03%,玻璃化转变温度提高了10.03%;与采用AOLM制备的复合材料GF/PAOLM相比,采用AAc改性AOLM制备的复合材料GF/P(AOLM-AAc)的拉伸强度和弯曲强度分别提高了11.62%和37.18%。

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16. 风电叶片用拉挤板应用现状及发展趋势

徐强, 张曦月, 黄辉秀, 王志伟, 刘传瑞

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 123-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.016

摘要（115）

PDF （4637KB）（195）

本文介绍了风电叶片用拉挤板的国内外研究发展历程及现状,共涉及五种不同材料体系的拉挤板,分别为碳纤维拉挤板、玻纤拉挤板、碳玻混拉挤板、免脱模布拉挤板及聚氨酯拉挤板。分析了拉挤板相比较于传统的真空灌注、预浸料复合材料的应用优势和面临的挑战。结合目前应用现状,针对各种材料体系的拉挤板分别提出了未来重点关注方向和发展趋势:玻纤拉挤板因其低成本的优势,在未来陆上风电叶片中仍会占据主流,并将向更高模量及更低成本的方向发展;随着海上风电的发展及碳丝国产化进程加速,碳纤维拉挤板将会有更广阔的应用前景;碳玻混拉挤板、免脱模布拉挤板及聚氨酯体系拉挤板减重或降本优势明显,但仍需进一步开展应用研究。

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17. BN粒子改性PVDF电纺纤维膜插层增强碳纤维/环氧树脂复合材料层间韧性

曾塘玉, 马传国, 向阳, 邵士磊

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 26-32. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.004

摘要（114）

PDF （15741KB）（104）

针对纤维增强复合材料层压板的分层失效问题,本文提出了一种氮化硼(BN)粒子改性聚偏氟乙烯(PVDF)电纺纤维膜以插层方式增强碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料层间断裂韧性的方法。通过超声处理将BN均匀分散于PVDF溶液中,利用静电纺丝方法制备了BN改性PVDF纤维膜(BN&PVDF),作为插层材料被引入碳纤维的层间,采用手工铺设-真空热压法制备BN&PVDF增强CF/EP复合材料层压板(BN&PVDF-CF/EP)。重点研究了BN粒子含量对改性PVDF电纺纤维膜增强CF/EP层间断裂韧性的影响及相关增韧机理。研究结果显示:当BN含量为3.2wt%时,BN&PVDF电纺纤维膜的增韧效果最好,相对于CF/EP,BN&PVDF-CF/EP的Ⅰ型层间断裂韧性提高了129.6%,Ⅱ型层间断裂韧性提高了160.6%;BN粒子引入后,提高了PVDF的拉伸强度和模量;SEM分析显示,BN粒子被部分镶嵌于PVDF纤维上,提高了PVDF纤维表面的粗糙度,增强了PVDF纤维与基体的界面相互作用,引起了更加复杂的增韧形式并提高了PVDF纤维的增韧效果。

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18. 基于非线性本构的织物膜材梯形撕裂数值分析

马俊杰, 陈建稳

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.001

摘要（113）

PDF （11190KB）（94）

为提高针对织物复合膜材撕裂力学响应数值分析的精确性,本文基于连续损伤力学理论,建立了PVDF涂层织物膜材的非线性损伤本构模型。结合梯度为15°的偏轴拉伸试验,验证了非线性本构模型的精确性;并将非线性本构模型纳入数值分析,与传统三折线本构模型及梯度为15°的梯形撕裂试验结果进行对比,验证非线性本构在撕裂力学响应方面的精确性。结果表明:非线性本构模型可有效跟踪膜材实际应力-应变曲线。在撕裂力学响应方面,两种模型均能体现系列参数变化对撕裂性能的影响规律及相应撕裂机理,但非线性本构模型在破坏形态上能更好地体现膜材撕裂过程中拉剪耦合复杂应力影响。

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19. 风电机组叶片覆冰预测和防覆冰技术综述

张莹博, 单光华, 王飞, 马海鹏, 刘瑞卿, 陈辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 119-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.016

摘要（111）

PDF （10302KB）（54）

风电机组运行在低温、潮湿环境下,叶片极易发生覆冰现象,严重影响机组的安全性、可靠性和发电效益。本文基于航空器防覆冰相关技术的研究,从叶片覆冰检测和监测技术出发,阐述了防覆冰涂层和低粘接力涂层等被动除冰技术以及液流融冰、机械除冰、电热除冰和气热除冰等主动除冰技术。通过对不同除冰技术的分析对比得出结论,电热除冰和气热除冰将成为主要的研究和应用方向。建议在投资新项目建设时,将覆冰折减率纳入投资收益率的影响因素,并采购出厂配置除冰系统的考虑覆冰折减的风电场建设机组。

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20. 碳纤维复合材料蜂窝结构制备及轴向压溃力学行为研究

朱宏伟, 刘轲, 赵昌方

复合材料科学与工程 2024, 0 (12): 5-11. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241228.001

摘要（108）

PDF （5579KB）（99）

碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能,尤其是缓冲吸能特性。复合材料的结构类型对力学性能的影响很大,合理的结构形状能更好地发挥复合材料的吸能和比吸能潜力。蜜蜂的六角柱蜂巢结构历经自然选择,具有良好的承载稳定性。通过组装和粘接单板制备了周期性正六角柱体蜂窝结构,其单板结构采用T700预浸料经组合模具热压成型获得。通过万能电子材料试验机开展了单板结构的准静态冲击试验,分析了渐进失效和分层破坏机理。为更好地模拟复合材料蜂窝结构的冲击失效行为,基于连续介质损伤力学提出了一种同时考虑复合材料层内和层间的破坏机制,并开发了有限元增量本构模型对单板结构进行仿真,其仿真结果与试验数据吻合较好,验证了有限元方法的可行性。在此基础上,对蜂窝结构进行了仿真模拟,讨论了蜂窝结构的冲击响应,分析了冲击载荷下的失效模式及吸能效果。本文的研究结果证明了蜂窝结构的稳定性和吸能特性,可为复合材料缓冲吸能结构的设计和应用提供参考。

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21. 铺层角度对聚酰亚胺纤维增强复合材料抗高速冲击性能影响

燕吉强, 谢宗佑, 李军, 邹齐, 雷帅, 曹铁男, 张代军

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 12-18. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.002

摘要（104）

PDF （15637KB）（97）

为探究聚酰亚胺纤维铺层角度对复合材料抗高速冲击性能的影响,制备了一系列不同铺层方式的聚酰亚胺纤维增强双马树脂基复合材料层合板,研究了铺层角度对复合材料损伤形貌、弹道极限速度和击穿吸能的影响。结果表明:不同铺层角度层合板内纤维各向异性越大,层合板变形量越大;[0/90]铺层具备最优抗高速冲击性能,非击穿情况下,[0/90]铺层的弹道吸能比[45/0/-45]铺层的弹道吸能效率提升61%,击穿情况下,[0/90]铺层击穿吸能比[30/0/-30]铺层击穿吸能提高68%;铺层角度影响冲击载荷在不同层间沿纤维轴向的传递,[0/90]铺层可以避免纤维横向剪切破坏,因此具备最优抗高速冲击性能。

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22. 碳纤维复合材料刚性界面相和刚柔界面相构筑研究进展

李宝来, 甄梓廷, 步同安, 杨家乐

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 122-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.016

摘要（104）

PDF （5485KB）（154）

碳纤维树脂基复合材料(CFRP)具有轻质、高强、高模量等优异性能,在航空航天领域有广阔的应用前景。界面作为连接树脂基体和碳纤维(CF)增强体的桥梁,是影响复合材料力学性能的重要因素。针对碳纤维与树脂的模量差异过大的问题,提高界面相的模量使两者的模量平稳过渡,提高应力传递效率,是改善界面性能的有效策略。本文主要综述了近年来刚性界面相、刚柔界面相的构筑方法及其对复合材料增强效果的研究进展,并对碳纤维树脂基复合材料界面相存在的问题进行了讨论,对今后界面增强的研究方向进行了展望。

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23. 太阳能无人机机翼复合材料主梁铺层优化

邓忠, 支亚非, 程家林, 杨文

复合材料科学与工程 2024, 0 (3): 108-112. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.016

摘要（104）

PDF （6634KB）（121）

太阳能无人机采用超大展弦比机翼,巡航速度低,机翼载荷较小,不能负担过大的结构重量飞行,因此对飞机结构重量的要求严苛。太阳能无人机机翼主梁采用复合材料圆管的形式,机翼主梁占机翼结构的大部分重量,因此需要对机翼复合材料主梁的铺层进行优化设计,以减轻机翼主梁的重量,优化主梁结构传力效果。首先建立了太阳能无人机单边机翼的有限元模型,然后依次对机翼复合材料主梁进行铺层形状优化、铺层厚度优化与铺层顺序优化,优化后机翼主梁重量下降18.68%,最大应力下降21.16%,翼尖变形下降5.9%。

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24. 混杂纤维复合材料螺旋桨的铺层结构设计与模压成型工艺

梁桂龙, 丛庆, 李旭, 王继辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 83-89. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.011

摘要（103）

PDF （6669KB）（160）

为推动复合材料螺旋桨构件设计与成型工艺的一体化研究,发挥纤维混杂在高阻尼、高性能桨叶开发环节的助力作用,以小尺寸复合材料螺旋桨为对象,基于其叶片型面特点与几何特征,开展混杂纤维复合材料桨叶的选材与铺层设计等工作,确定了螺旋桨在碳纤维(CF)/芳纶纤维(KF)混杂方式下的两种铺层方案。借助ANSYS Workbench平台中的ACP模块,建立了与桨叶实际结构特征较为一致的复合材料各向异性有限元模型,并在仿真分析的指导下,使用预浸料的模压成型工艺制作了混杂纤维复合材料螺旋桨样件模型。通过静态加载试验和模态测试试验,对比了桨叶模型的静刚度和前三阶模态频率的测试结果与计算结果,这既验证了基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨建模方法的有效性,也验证了模压法制作混杂纤维复合材料桨叶样件的可行性。

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25. 一种考虑应变率的复合材料动态压缩响应预测模型

文劲钧, 屈美娇, 沈永鳌, 李孟奇, 宋雨恒, 朱瀚锐

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 23-30. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.003

摘要（103）

PDF （8922KB）（62）

本文提出一种考虑应变率效应的复合材料动态压缩响应预测模型,该模型基于人工神经网络,根据材料的弹性模量等属性参数即可预测其不同应变率下的动态压缩响应。建立了T300/QY8911预浸料制备的碳纤维增强复合材料高应变率压缩响应预测模型,预测了该材料应变率为517 s ^-1、721 s ^-1和1 070 s ^-1时的动态压缩响应,并开展试验,对预测结果进行了验证。结果表明,预测结果与试验结果吻合度较高,应力最大误差仅为-1.585 6%,应变最大误差仅为1.703 7%。

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26. 成型温度对CF/PPEK复合材料的缺陷和力学性能影响

王孟, 刘程, 张玉, 贾航, 乔越, 蹇锡高

复合材料科学与工程 2024, 0 (3): 5-12. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.001

摘要（102）

PDF （11092KB）（114）

分别采用溶液浸渍法及真空热压成型法制备了连续碳纤维增强含杂萘联苯结构聚芳醚酮(CF/PPEK)预浸料和复合材料,对不同成型温度制备的复合材料进行了超声相控阵和三维X射线显微镜(XRM)无损检测,利用旋转流变仪、电子万能试验机、动态力学分析仪(DMA)、红外光谱仪(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、金相显微镜对CF/PPEK复合材料进行了表征,系统研究了成型温度对纤维的浸润质量以及复合材料孔隙率、弯曲行为和层间剪切性能的影响,通过力学性能分析和断口形貌表征研究了断裂机理及缺陷对其性能产生的影响。试验结果表明:成型温度为350 ℃时,CF/PPEK复合材料的弯曲模量和层间剪切强度分别为125 GPa和64 MPa;成型温度为360 ℃时,CF/PPEK复合材料的缺陷最少,弯曲强度可达1 376 MPa;而370 ℃高温下,复合材料出现明显缺陷,各方面性能急剧下降。

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27. 全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计

苏桐, 胡果馨, 刘振

复合材料科学与工程 2024, 0 (3): 79-83. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.011

摘要（101）

PDF （5783KB）（150）

针对大展弦比太阳能无人机的性能要求,开展碳纤维复合材料太阳能无人机机翼的优化设计。选用NACA4412为基准翼型,利用xfoil软件作为气动计算软件,基于NSGA-Ⅱ优化算法进行翼型优化。在此基础上对机翼进行三维建模,采用 CFD 软件进行气动特性分析,并利用ANSYS Workbench静力学模块对机翼进行流固耦合分析。结果表明:翼型优化后,升力系数提高4.20%,阻力系数降低8.74%,升阻比提高14.18%;在气动载荷作用下,从翼根向翼尖方向压力逐渐增大,翼尖处最大压力相对外界大气压力为242 Pa;在外载荷作用下,最大应力显示在翼根附近,为61.397 MPa,翼变形的最大值为40.262 mm,整体满足太阳能无人机的允许变形量在 5%以内即翼尖变形不得大于半翼展长度值的5%的刚度要求。研究结果可为碳纤维复合材料太阳能无人机设计和研制提供理论参考。

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28. CFRP层合板单搭接胶接接头拉伸失效机制研究

陈禹良, 张俊, 吴何畏, 杨柳, 李建亭

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 24-31. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.004

摘要（101）

PDF （8540KB）（71）

单搭接胶接是一种常见的复合材料连接方式,具有高强度和优异的耐久性等优点,在工程实际中应用广泛,但单搭接胶接接头常会发生失效和破坏。为深入研究胶接接头的失效机制,制备了不同搭接长度的单搭接胶接接头试样,使用拉伸机等设备进行拉伸试验,以获取接头的载荷-位移曲线。基于连续损伤力学模型及3D Hashin失效准则,选用Cohesive单元模拟胶层的损伤,利用有限元软件对CFRP层合板胶接接头在整个拉伸阶段中的损伤起始与演化过程进行数值模拟,试验数据验证了仿真结果的有效性。结果表明:接头失效过程经历了由胶层的裂纹产生到CFRP层间的损伤起始再到胶层的内聚失效;在拉伸载荷作用下,接头的损伤区域最先发生在接头的端头位置,随后逐步向里扩散;接头主要承受Ⅱ型断裂模式下的剪切应力和剥离应力,且剪切应力是导致损伤起始的主要原因。

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29. 刀具磨损因素分析及对CFRP制孔质量的影响

周欣康, 位浩杰, 陈晓龙, 王佳鑫, 卢大伟, 谢辉

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 111-116. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.015

摘要（100）

PDF （5783KB）（154）

为了保证碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)加工质量,研究刀具磨损对CFRP制孔质量的影响,本文制备了CFRP层压板样件,对刀具磨损规律、刀具磨损与CFRP制孔质量的关联性进行定量试验研究。使用数字显微镜跟踪标定制孔过程中的后刀面磨损量 VB,绘制了刀具磨损曲线,对不同转速下的后刀面磨损规律进行了定量对比分析。同时通过对制孔后的出口毛刺长度和分层情况进行试验标定,分别利用出口毛刺缺陷因子和制孔分层缺陷因子对制孔质量进行评价,绘制了缺陷因子与 VB的相关曲线,对刀具磨损因素及对制孔质量的影响进行了定量分析。结果表明:高转速下刀具更早进入急剧磨损,但在急剧磨损阶段,低转速下刀具磨损更快;刀具进入急剧磨损阶段后,刀具磨损逐渐成为出口缺陷的主要原因,且刀具磨损量相同时高转速下制孔质量更高。

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30. 基于有限元和DIC测试对FRP部分约束混凝土柱应变响应及数值模型研究

纪泳丞, 邹云飞

复合材料科学与工程 2024, 0 (6): 76-86. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240628.010

摘要（100）

PDF （20619KB）（44）

纤维增强聚合物(FRP)部分约束混凝土应用可以提高混凝土的承载力和经济价值。然而,FRP部分约束混凝土在垂直方向上不均匀应变响应还不够深入,应力-应变模型不够准确。本文通过应变片和数字图像相关(DIC)记录对FRP部分约束混凝土进行了轴向压缩试验,并利用ABAQUS有限元建立了包括0/1,1/4,1/3,1/2,2/3,3/4和1/1约束面积比的部分约束混凝土。试验结果表明:DIC和应变片结果分别反应了垂直和水平方向的应变规律,即试件在应变硬化或应变软化响应下均发生了明显的应变局部化;有限元结果能捕捉到试件表面约束力与 x,y和z三轴的应变关系,得到了不同约束面积比的FRP部分约束混凝土柱的应力-应变关系,所提出的应力-应变模型能有较高的预测效果。

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31. FRP/钢嵌入式T形接头工艺性能优化及失效机理研究

夏奕, 张二, 孟田珍, 陈国涛

复合材料科学与工程 2024, 0 (10): 5-10. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20241028.001

摘要（97）

PDF （8204KB）（92）

在文献[1]给出的FRP/钢嵌入式T形连接方案基础上,设计两端面对称的内嵌式T形连接方案。在制备工艺上,提出了钢质槽体内密封芯材处不含U形卡槽(Ⅰ型)、含U形卡槽(Ⅱ型)以及U形卡槽与平铺层织物缝合(Ⅲ型)三种工艺方案,并参照上述三种工艺方案制作内嵌式T形连接接头,分别开展了拉伸、压缩弯曲承载特性试验研究,对比分析了三种接头分别在拉伸弯曲和压缩弯曲载荷作用下的初始损伤特性、损伤演变规律以及连接失效机理。研究结果表明:内嵌式T形连接方案有效降低了压缩弯曲载荷作用下钢质槽体两侧端面与层合板应力集中水平;无论是在拉伸弯曲还是在压缩弯曲载荷作用下,Ⅲ型接头初始损伤载荷均最高,且在极限承载状态下,Ⅲ型接头结构连接可靠性更高。

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32. 环氧树脂复合材料残余应力检测技术研究进展

荣亚鹏, 陈允, 王亚祥, 李天辉, 陈荣, 李进

复合材料科学与工程 2024, 0 (8): 110-118. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240828.015

摘要（96）

PDF （2271KB）（130）

环氧树脂复合材料被广泛应用于电工装备核心构件制造,但成型过程增强材料和树脂基体的热学、力学参数不匹配会导致内部存在较大残余应力,对构件机械性能和使用寿命产生直接影响,因此准确有效的残余应力检测表征手段对于优化构件成型工艺和提高电工装备可靠性具有重要意义。本文首先介绍了增强型环氧树脂复合材料残余应力的形成机理,综述了基于曲率测量法、去层法、柔度法、钻孔法、光弹性法、X射线衍射法、拉曼光谱法、光纤法和声弹性法几种残余应力检测方法的原理及其适用范围,讨论了残余应力影响环氧树脂构件机械性能的研究进展,最后对环氧树脂复合材料残余应力检测方法进行了展望。本文相关总结有助于掌握构件残余应力分布规律并为成型工艺优化提供参考。

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33. 湿热环境下外贴CFRP加固RC梁抗弯性能有限元分析

张智梅, 马嘉辰

复合材料科学与工程 2024, 0 (4): 76-82. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240428.010

摘要（95）

PDF （2115KB）（66）

本文研究了湿热环境下外贴CFRP加固RC梁抗弯性能。首先,基于已有的FRP-混凝土界面双参数黏结滑移模型,引入湿度和温度对断裂能 G _f、界面刚度 B的影响系数,建立了湿热环境下界面黏结滑移模型。然后,利用该界面模型对一组湿热条件作用下的试验梁进行有限元数值模拟,将模拟结果与试验结果进行对比分析,验证模型的正确性。最后,使用已验证的有限元模型深入分析不同湿热条件下CFRP与混凝土的宽度比和CFRP的加固量等因素对钢筋混凝土加固梁抗弯性能的影响。结果表明:本文建立的CFRP-混凝土黏结滑移模型,可以有效地模拟湿热环境下的界面性能;湿热条件下的加固梁主要发生剥离破坏,且随着湿热环境恶化,加固梁受弯承载力和对应的挠度明显下降;湿热环境下,可以通过适当增加CFRP与混凝土的宽度比和CFRP的加固量提高加固梁的受弯承载力。

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34. 双三角点阵夹芯结构低速冲击下的动态响应与失效机制

杨思鑫, 曹忠亮, 顾付伟

复合材料科学与工程 2024, 0 (3): 25-34. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240328.004

摘要（95）

PDF （11379KB）（59）

采用非线性有限元仿真方法研究双三角点阵夹芯结构抗冲击性能,使用直径为16 mm的半球形冲击器以不同的冲击能量分别对夹芯板的节点和基底位置进行冲击,研究了点阵夹芯板的失效机理和动态响应,以及各个变量对夹芯板的抗冲击性能的影响规律。结果表明:双三角点阵夹芯结构的主要失效形式为面板的基体拉伸破裂;芯子的失效形式受自身结构和受力方式影响,主要为脆性坍塌断裂和塑性变形。载荷-时间曲线表明,冲头能量与冲击位置对夹芯板的损伤失效行为有着显著的影响。相同冲击能量下,与基底冲击相比,夹芯板在节点冲击时的损伤程度及载荷峰值都更优,抗冲击性能更加优异;高冲击能量下,节点冲击的吸能效果更优,但二者载荷变化趋势却越来越相似。

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35. 风电叶片雨蚀测试技术浅析

杨德旭, 兰海金, 尹秀云

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 121-128. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.017

摘要（94）

PDF （5929KB）（82）

风电叶片是风电机组的核心部件之一,受雨雪、风沙、冰雹等各种恶劣的天气因素影响,长期运行的风电叶片前缘会产生严重的侵蚀破坏,导致前缘连接处发生分层裂缝,严重影响叶片的结构稳定性。为了开发出更有利于保护叶片的涂层以及更好地维护叶片,对叶片的雨水侵蚀进行测试研究是十分必要的。本文系统介绍了风电叶片及其涂层受雨水侵蚀的影响过程、雨水侵蚀机理、雨水侵蚀测试方法、测试设备类型以及雨水侵蚀的评估方法,可为行业内开展风电叶片雨蚀防护研究提供参考。

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36. 阻尼层复合材料夹芯梁的动力学性能

赵晓军, 杨怡婷, 吴磊

复合材料科学与工程 2024, 0 (5): 25-29. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240528.004

摘要（94）

PDF （4458KB）（81）

采用哈密尔顿原理,推导得到了阻尼层复合材料夹芯梁的偏微分振动平衡方程;使用Navier型闭环解得到梁的固有频率和损耗因子,并与其他文献中的解进行对比验证;最终揭示了夹芯复合材料梁动力学性能随结构参数的变化。结果表明:随着梁长度的增大,梁的固有频率逐渐减小,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,梁的长度存在最佳动力学设计值;增大阻尼层剪切模量,结构固有频率逐渐增大,结构的损耗因子呈现先增大后减小的趋势,阻尼层剪切模量也存在最佳动力学设计值;随阻尼层厚度的增大,结构的固有频率逐渐降低,一阶模态下的损耗因子逐渐增大,但是其余模态下的损耗因子呈现先变小后增大的规律;中间层损耗因子值对频率的影响不大。

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37. 复合材料共胶接帽形长桁加筋壁板的固化变形研究

闫超, 戎笑远, 赵月青, 钱忠健

复合材料科学与工程 2024, 0 (9): 67-72. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240928.010

摘要（93）

PDF （7507KB）（62）

以五长桁加筋壁板为对象研究帽形长桁加筋壁板的固化变形。采用三坐标仪测量了帽形长桁固化后外形,并对其固化变形进行了有限元仿真,长桁截面方向存在回弹变形,长度方向存在扭转变形。测量了帽形长桁固化后和加筋壁板固化后帽形长桁的高度和宽度,帽形长桁高度降低约0.5 mm,宽度增大约2 mm,帽形长桁存在压塌变形,有限元仿真结果与试验结果变化趋势一致。采用激光跟踪仪测量了加筋壁板的外形,加筋壁板沿垂直长桁长度方向存在明显弯曲变形,最大为12.9 mm,且仿真结果与试验结果一致。经过分析可知,帽形长桁扭转变形和压塌变形导致了帽形长桁加筋壁板的固化变形。

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38. 平纹编织复合材料异形结构的多尺度分析研究

高晗, 尚闫

复合材料科学与工程 2025, 0 (1): 1-6. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20250128.001

摘要（93）

PDF （19926KB）（54）

针对平纹编织复合材料的异形结构,研究了在铺层方向拉伸位移加载以及力加载两种工况下,采用刚度体积平均、一致应变边界条件两种计算均匀化方法所得多尺度计算结果的差异性,并将多尺度结果与精细化结果进行了对比。此外,还研究了异形区域划分数量对多尺度计算结果的影响。结果表明,在同一多尺度模型下,两种均匀化方法的 σ_y应力分布趋势是一致的,并且均与精细化模型结果相吻合。其中位移加载下的多尺度结果与参考结果的mises及 σ_y应力误差最大只有9.5%和3.3%,并且随着异形结构分区数量的增加,其误差值逐渐减小。而力加载下的结果误差值偏大,随分区数量的增加没有减小的趋势,并且一致应变边界条件的结果整体上大于刚度体积平均的结果。并且,多尺度模型的划分方式会破坏部分结构特征,并在一定程度上影响多尺度结果。

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39. 功能化PVC/PET柔性复合材料的性能研究

郭毅川, 姜育阳, 沈春晖, 高山俊, 卢豪, 姜颖

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 31-38. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.004

摘要（92）

PDF （3067KB）（164）

本研究采用聚氯乙烯(PVC)和聚酯纤维(PET)作为原料,通过热压贴合工艺制得了PVC/PET柔性复合材料。在PVC涂层膜中添加不同的阻燃剂和抗紫外剂,发现氧化锑-硼酸锌协同作用的阻燃体系表现出良好的阻燃效果,当添加5 phr时,可将涂层布的极限氧指数提高至28.7%。此外,该阻燃体系还具有抑制烟雾生成的效果,使烟密度降低了35.2%。在抗紫外方面,抗紫外剂UV-531的效果与UV-234效果相当,但在抗热迁出方面表现更加优异,因此选择UV-531作为PVC/PET柔性复合材料的抗紫外剂。在涂层膜和基布复合时,添加3.0 g/m ²的胶黏剂可将材料的剥离强度提高至28.89 N/5 cm,同时不影响其他性能,从而延长PVC/PET柔性复合材料的使用寿命。

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40. 基于碳纳米管膜的树脂基复合材料电加热除冰技术

叶璐, 张代军, 李军, 栗付平, 陈祥宝

复合材料科学与工程 2024, 0 (7): 45-52. DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20240728.006

摘要（92）

PDF （10760KB）（51）

本文开展了碳纳米管膜应用于树脂基复合材料电热除冰技术的研究,采用一体化成型工艺制备了碳纳米管膜/复合材料,并对其结构进行优化,考察了碳纳米管膜/复合材料的电热性能和除冰性能。研究结果表明,所得碳纳米管膜/复合材料内部质量良好,电加热性能优异,与金属电热元件相比,其除冰效率高,除冰能耗低。

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