热塑性复合材料（TPCs）因其优异的性能而备受关注。然而，服役过程中不可避免的损伤，使得高效结构修复技术成为关键问题。相较于传统用于热固性复合材料（TSCs）的修复方法，如机械连接和胶接修复，TPCs独特的热塑性特征使焊接修复成为一种更具应用前景的解决方案。其中，超声焊接凭借其快速高强、无需引入异质材料的优势，在TPCs结构修复领域展现出巨大的潜力。

我院李营教授、赵天副教授等人开展了基于超声焊接工艺的损伤热塑性复合材料高效修复方面的研究。该研究首次系统探究了超声焊接修补典型开孔损伤结构件的可行性及有效工艺窗口，并结合声发射与DIC等技术分析了不同焊接时间下修补样件力学性能、失效机制及损伤演化过程。研究成果以“Towards ultra-fast and high strength structural repair of damaged thermoplastic composites: Ultrasonic welding”为题发表于复合材料力学领域顶级期刊《Composites Part B》（https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112385）

本研究采用五缎纹编织CF/PPS复合材料，通过控制不同焊接时间（1s-2s）对损伤结构进行焊接修复。采用单轴拉伸和三点弯力学测试，结合数字图像相关（DIC）和声发射（AE）技术进行损伤演化监测。此外，构建了有限元模型以验证损伤修补样件的力学行为和应力分布。

研究结果表明，超声焊接修补件的抗拉强度和抗弯强度相比开孔样件可分别提高40%和115%，且刚度可恢复至甚至超过完整样件。超声焊接补片修补能够有效缓解孔周围应力集中问题，且仿真结果验证了可靠性。

最后，对比了该研究与文献中的复合材料修复样件的抗拉强度提升率和修复时间，展现了超声波焊接修复在时间效率上的优势及优异的力学性能，并具有进一步提升强度的潜力。

图1. 超声焊接补片修补与在线监测力学测试

图2.拉伸和三点弯测试载荷-位移曲线、强度和刚度实验与仿真对比图

图3. DIC实验与仿真应变云图及对比

图4. 本研究与文献中拉伸强度增强率和修复时间的比较（文献中胶粘修复时间是基于所用胶粘剂的固化时间计算的）

作者简介：

李营，北京理工大学教授、博导、国家杰青。主要从事爆炸冲击动力学、力学超常规材料设计等研究。国家重点研发计划（原973）首席科学家、基础加强项目（原国防973）首席科学家。获国防科技进步一等奖（排名第1）、北京市科技进步二等奖（排名第1）、学会优秀博士论文、全国爆炸力学优秀青年学者等。主要从事材料与结构冲击动力学、力学超常规材料设计、爆炸毁伤评估与试验技术等方面研究。

赵天，北京理工大学副教授、博导。入选北京理工大学首届“博士后国际交流计划”人才引进项目，主要从事纤维增强树脂基复合材料结构设计与制造方面的研究，包括高性能热塑性复合材料焊接工艺、增材制造技术，以及复合材料结构抗冲击设计等。

课题组长期招收相关方向研究人员、博士后及研究生。联系方式：bitliying@bit.edu.cn，tianzhao@bit.edu.cn.