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连续碳纤维增强热塑性复合材料因具备低密度、优异机械性能及可回收利用等优势，已成为航空航天、汽车等领域备受关注的“轻量化明星”结构材料。超声波焊接作为一种高效无污染的新型熔接技术，完美适用于热塑性复合材料的快速连接需求。然而，由于界面机理认识不足及多参数耦合下的优化困难，超声焊接的工程应用受限，难以实现高效寻优。

针对这一挑战，西安交通大学韩宾、张琦教授团队提出 “仿真+实验”融合方案：建立界面摩擦生热—粘结演化物理模型，得出“由边向中”的熔合扩展规律；并以剪切/剥离力学测试、micro-CT 三维重构、SEM 断面观察等多尺度手段闭环验证机理、校准工艺窗口。研究同时系统评估四种典型搭接形式，给出可直接落地的结构设计与参数优化指引。相关成果已在线发表于国际权威期刊《Composite Structures》。

仿真结果显示，焊接界面的温度场呈显著局部化特征：热量优先在搭接前后缘及纤维束周围聚集形成高温“热点”，促使PC基体率先软化—熔化并由边向中扩展熔合区。界面热源机理表现为阶段性主导：焊接初期以界面摩擦生热为主；当温度跨越PC的Tg后，材料粘弹耗散贡献增强，维持较高的界面热输入并加速分子链扩散与重缠结，从而提高粘结程度。

图1. CF/PC 复合材料超声焊接界面温度云图：(a) 焊接时间0.2s；(b) 焊接时间0.6s；(c) （c）焊接界面温度预测;（d）焊接界面附着度的预测。

此外，研究团队系统评估了四种常见搭接结构的焊接表现。通过仿真与实验相结合，分析不同搭接形式在焊接过程中的升温特征和接头强度。结果表明，搭接结构对焊缝尺寸和结合强度具有显著影响。研究确定了优化的搭接设计以及界面预置树脂垫片的合理厚度，在平齐搭接的条件下可以使能量得以有效聚焦，熔合区域分布更均匀，从而显著提升接头强度和稳定性。

图2. 不同搭接情况示意图：（a）平齐搭接;（b）悬臂搭接;（c）翘曲搭接;（d）焊头倾斜。

通过一系列宏观力学测试与微观结构表征，团队验证了仿真模型的准确性并全面评估了焊接质量。搭接剪切强度和十字剥离强度测试结果表明，不同焊接参数下接头力学性能差异显著；结合CT三维重构和断面SEM观测，清晰揭示了界面失效模式（如纤维拔出、基体撕裂等）与仿真预测的熔合区域高度吻合。这一多尺度、多维度的验证手段同时也验证了仿真的可靠性。在此基础上，研究团队进一步优化了焊接工艺参数。结果发现，当焊接压力为2.0 bar、焊接时间为1.2 s时，可获得性能最优的接头，其搭接剪切强度高达18.05 MPa，剥离强度达到2.21 MPa。

图3. 焊接参数优化与性能提升：(a)不同焊接压力和时间对接头强度影响；(b)不同焊接压力下的最大剪切强度及接头形貌；(c) 不同焊接时间下的最大剥离强度和接头形貌；(d-g)1.2s，2.0bar下的焊接界面SEM图像；(h-i) 1.2s，2.0bar下接头CT截面图像。

综合来看，这项工作提出了一个基于物理的仿真-实验集成框架，系统地揭示了超声波焊接中的热/机械耦合机制。这些发现强调了优化焊接参数和增强树脂-纤维结合以提高接头强度的重要性，为推进 CF/PC 复合材料中的超声波焊接工艺及其更广泛的工业应用提供了宝贵的见解。

相关成果以“High‐performance ultrasonic welding of continuous carbon fiber reinforced polycarbonate composites: Synergizing simulation and experimentation”为题发表于国际权威期刊 Composite Structures。西安交通大学韩宾副教授为论文的通讯作者，论文第一作者是西安交通大学机械学院研究生任禹尧，合作者还包括西安交通大学机械学院张琦教授。韩宾团队长期从事热塑性复合材料及结构先进制造及焊接工艺的研究，相关专利及论文成果如下。

发明专利：

韩宾, 王肖笛, 严启源, 等. 连续纤维增强热塑性复合材料与金属的超声波复合铆焊方法 [P]. 发明专利, 2023. 申请号: CN202310094688.3.

韩宾, 严启源, 王肖笛, 等. 连续碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接界面监测方法 [P]. 发明专利, 2023. 申请号: CN202310075012.X.

韩宾, 严启源, 王肖笛, 等. 连续碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接质量检测方法 [P]. 发明专利, 2023. 申请号: CN202310078018.2.

韩宾, 严启源, 王肖笛, 等. 连续碳纤维增强热塑性复合材料焊接接头温度监测方法 [P]. 发明专利, 2023. 申请号: CN202310078399.4.

韩宾, 任禹尧, 严启源, 等. 纤维增强热塑性复合材料超声波连续焊接智能系统及方法 [P]. 发明专利, 2025. 申请号: CN202510036139X.

权威期刊论文：

Ren YY, Han B*,Yan QY, et al. Enhancement of Pre-embedding SiC Particle on Interfacial Strength in Ultrasonic Welded Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composite Joints. Composites Science and Technology, 2025: 111200.

Han B*, Yan QY,Ren YY, et al.Interfacial resistance-based multifunctional health monitoring on ultrasonic welding of carbon fiber-reinforced thermoplastic composites.Mechanical Systems and Signal Processing, 2025, 238:113247.

RenYY, Han B*, YanQY, WangXD, Zhang Q. High-performance ultrasonic welding of continuous carbon fiber reinforced polycarbonate composites: Synergizing simulation and experimentation.Composite Structures, 2025, 372, 119555.

Zheng PY, Han B*, Yao WB, Lu Y, Liu ZP, Wang QZ, Wang H, Zhang Q. Controllable spatiotemporal programming of shape memory polymer-elastomer bilayer composites for dynamic soft actuators. Chemical Engineering Journal, 2025, 518:164617.

Han B*, Wang YN, Liu C, Liu ZP, Zhang Q. 3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors. Chemical Engineering Journal, 2025, 513: 162767.

Zheng PY, Han B*, Liu ZP, Wang QZ, Wang ZY, Zhang Q. Multistable twist metastructures with enhanced collapsibility and multidimensional programmability. Additive Manufacturing, 2024, 95(5), 104550.