厚度增強(qiáng)復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

謝順利，張彩麗，張春麗，殷曉三

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州　450007)

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厚度增強(qiáng)復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

謝順利，張彩麗，張春麗，殷曉三

(中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州450007)

簡(jiǎn)單介紹了厚度方向增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。重點(diǎn)綜述了Z-pinned增強(qiáng)復(fù)合材料由于pin的插入造成的對(duì)復(fù)合材料分層破壞的抑制，微觀損傷以及由于損傷帶來的面內(nèi)力學(xué)性能的下降；同時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi)外近年來發(fā)表的Z-pinned復(fù)合材料層合板面內(nèi)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了分析比較。最后，對(duì)厚度增強(qiáng)復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的研究提出了幾點(diǎn)建議。

厚度增強(qiáng)復(fù)合材料；面內(nèi)力學(xué)性能；Z-pinned復(fù)合材料；預(yù)測(cè)模型

1　引　言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)，良好的抗疲勞和抗腐蝕性能，及其優(yōu)于單一材料的可設(shè)計(jì)性，已被廣泛的應(yīng)用于橋梁、海洋以及地下工程結(jié)構(gòu)中[1]。例如，用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制作梁和橋面板等。但傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的不足之處在于相對(duì)較低的層間斷裂強(qiáng)度和韌性以及較低的沖擊損傷容限，在橫向載荷尤其是低速?zèng)_擊載荷作用下很容易發(fā)生分層破壞。為了提高纖維復(fù)合材料層合板的厚向強(qiáng)度和層間韌性，國(guó)內(nèi)外開展了大量研究，提出了各種方法使其在厚度方向引入增強(qiáng)纖維或材料(pin)[2,3]。常采用的手段有工業(yè)縫紉和厚度方向釘入pin針(Z-pinning)技術(shù)。但是這些厚度增強(qiáng)技術(shù)在提高層間性能的同時(shí)也會(huì)引起復(fù)合材料面內(nèi)剛度和強(qiáng)度以及疲勞壽命一定程度的降低，如何在層間性能的增加和面內(nèi)性能的損傷之間尋找到一個(gè)平衡點(diǎn)，以免pin加固后復(fù)合材料層間性能提高的優(yōu)勢(shì)被面內(nèi)力學(xué)性能的降低所掩蓋，這是一個(gè)迫切需要解決的問題。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外近幾年來發(fā)表的厚度方向上釘入pin針增強(qiáng)(Z-pinned)的復(fù)合材料層合板面內(nèi)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測(cè)模型。不僅介紹了Z-pinned增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料分層破壞的抑制作用以及增韌機(jī)理，還特別對(duì)由于pin針的插入造成的微觀損傷以及由于損傷帶來的面內(nèi)力學(xué)性能的下降機(jī)理進(jìn)行了分析和總結(jié)；最后，對(duì)厚度增強(qiáng)復(fù)合材料面內(nèi)力學(xué)性能的研究提出了幾點(diǎn)建議。

2　Z-pinning技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及增韌機(jī)理

Z-pinning技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種提高復(fù)合材料層間力學(xué)性能的三維增強(qiáng)技術(shù)，利用高壓槍將具有一定剛性的pin針嵌入到疊層的厚度方向，然后固化成型成為層合板[2]。相比縫紉技術(shù)而言，其施工便捷，而且減小了縫紉的邊線對(duì)復(fù)合材料造成的損傷。研究表明[4-6]，通過在厚度方向上不連續(xù)的插入pin，能夠大幅度的提高其層間性能。對(duì)于I型裂紋，Z-pin增強(qiáng)后的層合板隨pin含量的增加其斷裂韌性也不斷增加，二者成線性的比例關(guān)系；對(duì)于II裂紋，增強(qiáng)后的層合板的斷裂韌性也有一個(gè)穩(wěn)定的提高[7]。Z-pin增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)在低能、高能以及爆炸動(dòng)態(tài)載荷作用下表現(xiàn)良好的抗沖擊容限，尤其是沖擊后的壓縮強(qiáng)度(CAI)[8]。一般認(rèn)為Z-pinned復(fù)合材料能夠增韌的機(jī)理是，Z-pinned復(fù)合材料在荷載的作用下發(fā)生分層時(shí)，pin和周圍的基體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者之間的粘結(jié)力會(huì)阻止分層，隨著裂紋的產(chǎn)生，pin逐漸被拉長(zhǎng)和拔出，拔出的pin會(huì)在分層裂紋的后面形成了橋連地帶，大量能量被用來克服由于pin拔出產(chǎn)生的摩擦力，從而減少了裂紋尖端擴(kuò)展需要的應(yīng)變能，達(dá)到了抑制分層的作用。由于厚度方向的pin的增強(qiáng)作用，分層破壞已經(jīng)不是Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的主要破壞形式[2]。

3　Z-pin對(duì)面內(nèi)力學(xué)性能的影響

由于Z-pinned的技術(shù)特點(diǎn)，也使得復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化，由于pin的直徑比纖維大很多，原來均勻分布的面內(nèi)纖維由于pin的插入發(fā)生彎曲變形和聚集，造成面內(nèi)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重非均勻性，部分纖維發(fā)生斷裂破損，同時(shí)在Z-pin周圍形成了較大的純樹脂區(qū)，在固化過程中的體積膨脹造成的纖維體積含量的減小，這些都會(huì)引起復(fù)合材料面內(nèi)性能一定程度的降低[9,10]。一般有兩個(gè)方面的因素對(duì)Z-pinned復(fù)合材料的面內(nèi)彈性模量造成影響。，一方面是纖維的撓曲變形，纖維的彎曲總是引起面內(nèi)模量的降低。另一個(gè)方面是面內(nèi)纖維體積含量的變化。纖維體積含量的變化較為復(fù)雜，pin的擠入造成局部的纖維含量增加，pin周圍的樹脂填充區(qū)沒有纖維的存在，同時(shí)固化過程中體積膨脹對(duì)纖維體積含量的稀釋作用。因此，Z-pin增強(qiáng)層合板面內(nèi)模量的影響取決于纖維的彎曲程度以及纖維體積含量?jī)煞矫娴木C合作用。

Chang等[4,11]研究了不同pin體積含量不同直徑的pin對(duì)復(fù)合材料單向板以及準(zhǔn)各項(xiàng)同性層合板的影響。結(jié)果表明，由于纖維的彎曲和體積膨脹對(duì)面內(nèi)纖維的稀釋作用，面內(nèi)彈性性質(zhì)會(huì)隨著pin的體積含量和直徑的增加而降低。其影響相對(duì)于準(zhǔn)各向同性板，單向板降低的更加顯著，同時(shí)研究表明pin的直徑相對(duì)pin的體積含量對(duì)彈性性質(zhì)的損傷更大，也就是說，大直徑的pin會(huì)造成更嚴(yán)重的面內(nèi)彈性性質(zhì)的損失。Grassi[12]采用有限元對(duì)Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，其目的在于研究邊緣效應(yīng)對(duì)pin增強(qiáng)層合板彈性性能的影響。研究表明增加2%體積含量的pin可以增加厚度的方向的楊氏模量22%～35%，同時(shí)造成面內(nèi)彈性模量7%～10%的降低。當(dāng)pin放置在靠近自由邊緣一個(gè)pin直徑的特征長(zhǎng)度范圍內(nèi)，靠近自由邊的層間應(yīng)力會(huì)顯著發(fā)生變化。Z-pinning造成的彈性模量的損失和纖維的鋪層角度也有關(guān)系[2,13]。其中對(duì)于單向板減少的程度最大，而且當(dāng)加載方向上的纖維減少時(shí)，也會(huì)對(duì)彈性模量造成降低。Z-pin對(duì)復(fù)合材料面內(nèi)彈性模量降低的程度由大到小的順序依次是，單向板[0]，正交鋪層[0/90],準(zhǔn)各向同性鋪層[0/45/45/90],最后是角鋪層[+45/45]。

人們對(duì)Z-pin增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料層合板的面內(nèi)強(qiáng)度進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，幾乎都得同樣的結(jié)論，就是面內(nèi)強(qiáng)度隨著pin的體積含量和直徑的增加而降低。

Mouritz等[2,14]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同的pin參數(shù)對(duì)面內(nèi)拉伸性能的影響，研究表明強(qiáng)度性質(zhì)與pin的體積含量和pin的尺寸滿足一個(gè)準(zhǔn)線性的關(guān)系。Childress 和Freitas[15]對(duì)AS13501-5A的編織疊層板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于5%的pin密度(0.28 mm的直徑)增韌后會(huì)造成2%的拉伸強(qiáng)度的損失。Freitas等[16]研究了pin面密度和拉伸強(qiáng)度的關(guān)系，其中對(duì)2%，5%和10%pin增韌的AS4/3501的疊層板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，拉伸強(qiáng)度的減少達(dá)到2%～9%。Partridg等[17]對(duì)常用的兩種pin直徑(0.28 mm和0.51 mm)增韌的疊層板進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)開洞拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試樣的最終拉伸強(qiáng)度的減少在11%～14%之間，同時(shí)指出這種減少是由于發(fā)生了層間劈裂破壞造成的。

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為這種面內(nèi)拉伸強(qiáng)度的降低主要由于Z-pinning工藝過程中引起的纖維斷裂造成的[13,18]。在pin打入時(shí)，每個(gè)pin附近會(huì)引起一小簇的纖維斷裂，纖維斷裂的位置往往便是拉伸失效的位置。纖維斷裂的數(shù)量會(huì)隨著pin體積含量的增加以及pin直徑的增加而增加。而面內(nèi)壓縮強(qiáng)度的降低是由于Z-pinning工藝引起的纖維彎曲和纖維卷曲導(dǎo)致了細(xì)觀屈曲和扭折[14,18,19]。另外，膨脹引起的纖維體積含量的稀釋也是強(qiáng)度降低的一個(gè)因素[13]。

Chang等[13]提出了包含pin的含量和直徑影響的線性經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)測(cè)Pin加固纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度。Fleck等[11,18]基于Cosserat偶應(yīng)力理論，提出一種本構(gòu)關(guān)系來描述包含纖維彎曲的單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，同時(shí)對(duì)纖維微屈曲導(dǎo)致基體壓縮破壞的破壞模式進(jìn)行了有限元分析，分析表明隨著纖維彎曲的增加，壓縮強(qiáng)度逐漸下降。但模型沒有精確分辨纖維和基體相，而是理想化的把復(fù)合材料整體看作一種可以承擔(dān)偶應(yīng)力的smear-out均勻材料。O'Brien 和Kruege[20]利用Fleck發(fā)展的有限元模型(Flash)對(duì)Z-pin加固的復(fù)合材料在壓縮和剪切作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明，pin密度的增加比pin直徑的增加對(duì)單向復(fù)合材料面內(nèi)壓縮強(qiáng)度造成的損傷更加顯著。Steeves和Flash[18]利用Flash模型pin的排列對(duì)pin加固單層板的影響。他們的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都表明Pin造成的纖維扭曲和樹脂富集區(qū)對(duì)厚度增強(qiáng)復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮強(qiáng)度至少有30%降低，當(dāng)pin的排列角和纖維的排列方向一致時(shí)，造成最小的纖維擾動(dòng)，因此這時(shí)的壓縮強(qiáng)度最大。Huang等[9,10]建立了3D代表性胞元模型對(duì)Z-pin加固編織復(fù)合材料進(jìn)行模擬，分析了胞元數(shù)目和層數(shù)對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的強(qiáng)度與鋪層有關(guān)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4　Z-pinned復(fù)合材料的細(xì)觀理論模型

在Z-pinning的過程中，由于pin的加入使得面內(nèi)纖維發(fā)生了彎曲變形并且出現(xiàn)了纖維聚集現(xiàn)象[2,4,14,21]。纖維的方向和纖維的體積含量在面內(nèi)呈現(xiàn)非均勻分布的形態(tài)。由于纖維數(shù)量巨大，各點(diǎn)的纖維偏轉(zhuǎn)角和纖維體積含量在試驗(yàn)中難以對(duì)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，于是對(duì)pin附近的局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)建立理論模型，從而預(yù)測(cè)非均勻的纖維偏轉(zhuǎn)角和體積含量是必要。由于Z-pin造成的局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)和縫紉工藝造成細(xì)觀結(jié)構(gòu)具有很大的相似性，因此可以利用縫紉結(jié)構(gòu)的理論模型對(duì)pin結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。桂良進(jìn)等[22]等通過觀察鋪層纖維由于縫線造成的面內(nèi)彎曲是近似呈正弦波狀周期性的，提出了纖維連續(xù)彎曲模型。該模型假設(shè)鋪層纖維沿x方向上按正弦曲線同相排列，在y方向上均勻排列；鋪層纖維的彎曲程度是隨著遠(yuǎn)離pin逐步變緩。進(jìn)而得到纖維的體積含量和偏轉(zhuǎn)角的非均勻分布。但是該模型沒有考慮縫線的性能，同時(shí)模型假設(shè)纖維在縫紉線的擠壓下沿橫向均勻分布，這與實(shí)際情況不符。魏玉卿等發(fā)展了纖維彎曲模型(FDM)[23]，該模型從細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，將代表性胞元?jiǎng)澐譃槔w維變形區(qū)，樹脂富集區(qū)、縫線和纖維未變形區(qū)不同四個(gè)不同的區(qū)域，同時(shí)提出變形區(qū)長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)參數(shù)來描述纖維的變形區(qū)域，從而得到胞元內(nèi)部各點(diǎn)處的纖維體積含量和扭轉(zhuǎn)角。但在Z-pinned復(fù)合材料中纖維變形區(qū)的界限難以明確區(qū)分，如何準(zhǔn)確的確定兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)；文獻(xiàn)中采用余弦函數(shù)來表述復(fù)雜的纖維變形是否合適還待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。李晨等[24]基于有限元法和周期性邊界條件提出了一種三維纖維彎曲模型來分析縫合層板壓縮強(qiáng)度的分析方法,該模型考慮面內(nèi)纖維彎曲和體積含量改變的同時(shí)也考慮了厚度方向的纖維彎曲和體積含量改變，利用橋聯(lián)模型和最大應(yīng)力判據(jù)分析損傷擴(kuò)展，得到縫合層合板的壓縮強(qiáng)度，但建立有限元模型工作量大，參數(shù)的改變要建立相應(yīng)的模型，通用性比較差。劉兵山等[25]從縫紉復(fù)合材料由于縫線造成的纖維變形與繞流流場(chǎng)中流線形狀的相似性出發(fā)，建立與縫紉單胞相對(duì)應(yīng)的有限空間定常二維無粘性不可壓理想流體的無旋繞流流場(chǎng)模型，以流場(chǎng)中流速的變化模擬面內(nèi)纖維體積含量的非均勻分布，用繞流物來表述縫線，用流線形狀描述縫線周圍的纖維變形。但模型中用流體的速度來表示固體中體積含量的過于牽強(qiáng)，且其取值無法用試驗(yàn)來驗(yàn)證。

5　結(jié)論與建議

綜上所述，Z-pinning作為一種新型的三維增強(qiáng)技術(shù)能夠大幅度提高復(fù)合材料的層間力學(xué)性能，但是同時(shí)pin插入造成的纖維彎曲、纖維卷曲等局部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的改變也會(huì)對(duì)面內(nèi)的一些性能造成損傷。因此，細(xì)觀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究對(duì)深入理解Z-pinning工藝對(duì)復(fù)合材料層合板面內(nèi)力學(xué)性能變化以及失效機(jī)理的影響是必不可少的。以下幾個(gè)方面有待進(jìn)一步研究。

(1)針對(duì)Z-pin植入復(fù)合材料后誘導(dǎo)的纖維非均勻分布，建立出參數(shù)少、能準(zhǔn)確描述非均勻細(xì)觀結(jié)構(gòu)的方法和模型;

(2)通過Z-pin增韌層板的逐步損傷破壞機(jī)理進(jìn)行研究，分析工藝參數(shù)對(duì)Z-pin增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度的影響，為制定合理的復(fù)合材料厚度增強(qiáng)工藝提供理論支持;

(3)目前大部分研究都致力于Z-pinned復(fù)合材料制成以后的力學(xué)性能研究，而在pin插入后固化成型過程也會(huì)對(duì)Z-pinned增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性造成影響，應(yīng)在以后的研究中考慮。

[1]曹國(guó)輝,汪子鵬,王志宏,等.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用研究[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,(04):1-5.

[2]Mouritz A P.Review of z-pinned composite laminates[J].Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,2007,38(12):2383-2397.

[3]孫先念,鄭長(zhǎng)良.層合復(fù)合材料 Z-pinning 增強(qiáng)技術(shù)的力學(xué)進(jìn)展[J].航空學(xué)報(bào),2006,27(006):1194-1202.

[4]Chang P.The mechanical properties and failure mechanisms of Z-pinned composites[D].Dissertation of RMIT University,2006.

[5]Li R N,Huong A.Croskyet al. Improving bearing performance of composite bolted joints using z-pins[J].Composites Science and Technology,2009,69(7-8):883-889.

[6]Pingkarawat K,Mouritz A P.Improving the mode I delamination fatigue resistance of composites using z-pins[J].Composites Science and Technology,2014,92(2):70-76.

[7]Rugg K B,Cox R.Massab Mixed mode delamination of polymer composite laminates reinforced through the thickness by z-fibers[J].Composites Part A:applied science and manufacturing,2002,33(2):177-190.

[8]Zhang X L,Hounslow M G.Improvement of low-velocity impact and compression-after-impact performance by z-fibre pinning[J].Composites Science and Technology,2006,66(15):2785-2794.

[9]Huang H,Waas A M.Compressive response of Z-pinned woven glass fiber textile composite laminates:modeling and computations[J].Composites Science and Technology,2009,69(14):2338-2344.

[10]Huang H,Waa A M.Compressive response of Z-pinned woven glass fiber textile composite laminates:experiments[J].Composites Science and Technology,2009,69(14):2331-2337.

[11]Chang P,Mouritz A P,Cox B N.Flexural properties of z-pinned laminates[J].Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,2007,69(2):244-251.

[12]Grassi M.Numerical modelling of composite laminates with through-thickness-reinforcements[D].Cranfield University,2004.

[13]Chang P,Mouritz A P,Cox B N.Properties and failure mechanisms of z-pinned laminates in monotonic and cyclic tension[J].Composites Part a-Applied Science and Manufacturing,2006,37(10):1501-1513.

[14]Mouritz A P.Compression properties of z-pinned composite laminates[J].Composites Science and Technology,2007,67(15-16):3110-3120.

[15]Childress J,Freitas G.Z-direction pinning of composite laminates for increased survivability. in proceedings of the AIAA aerospace design conference[C].Irivina California:1992:92-109.

[16]Freitas G,Fusco T,Campbell,et al.Z-fiber technology and products for enhancing composite design,1997:17-17.

[17]Partridge I K,Cartie D R,Troulis M,et al. Evaluating the mechanical effectiveness of Z-pinning,2004.

[18]Steeves C A,Fleck N A.In-plane properties of composite laminates with through-thickness pin reinforcement[J].International Journal of Solids and Structures,2006,43(10):3197-3212.

[19]Huang H J,Waas A M.Modeling and predicting the compression strength limiting mechanisms in Z-pinned textile composites[J].Composites Part B:Engineering,2009,40(6):530-539.

[20]O'Brien T K,Krueger R.Influence of compression and shear on the strength of composite laminates with z-pinned reinforcement[J].Applied Composite Materials,2006,13(3):173-189.

[21]Mouritz A P,Cox B N.A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven,stitched and pinned composites[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,In Press,Corrected Proof.

[22]桂良進(jìn),酈正以.縫紉層合板的本構(gòu)關(guān)系研究 (I)-縫紉單層板有效彈性常數(shù)分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2002,19(001):95-100.

[23]Wei Y,Zhang J.Characterization of microstructure in stitched unidirectional composite laminates[J].Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2008,39(5):815-824.

[24]李晨,許希武.縫合復(fù)合材料層板三維纖維彎曲模型及壓縮強(qiáng)度預(yù)報(bào)[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2006,23(006):179-185.

[25]劉兵山,燕瑛.縫合復(fù)合材料彈性性能分析的新方法-流場(chǎng)模型 Ⅰ:縫合單層板彈性常數(shù)計(jì)算[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2006,23(4):129-135.

Development of Composite Laminates with Through-thickness-reinforcements

XIE Shun-li,ZHANG Cai-Li，ZHANG Chun-Li,YIN Xiao-san

(Department of Civil Engineering,Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007,China)

The advantages and disadvantages of composite laminates with through-thickness-reinforcements are briefly introduced. Inhibition effects of delamination ,micro damage and declination of mechanics properties caused by micro-damage are reviewed emphatically. And the paper analysis and compared experiment results and theoretical models on in-plane mechanical properties of Z-pinned reinforced composite laminate in paper delivered recently years. Finally,some advices are given for research on in-plane mechanics properties of composite reinforced in thickness.

composite laminates with through-thickness-reinforcements;in-plane mechanics property;Z-pinned composite;prediction model

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(16A130003)

謝順利(1980-)，男，博士，講師.主要從事復(fù)合材料方面的研究.

V257

A

1001-1625(2016)02-0464-04