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重大航空航天先進(jìn)復(fù)合材料團(tuán)隊(duì) Prog. Mater. Sci. 綜述:聚合物復(fù)合材料中非連續(xù)填料取向的建模、表征、控制及應(yīng)用
2024-09-24  來(lái)源:高分子科技

  聚合物復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、運(yùn)動(dòng)器材等諸多領(lǐng)域,其主要優(yōu)勢(shì)在于其可設(shè)計(jì)性,包括其組成(如填料和基體的類(lèi)型)和結(jié)構(gòu)(例如填料的方向和尺寸)。其中,填料取向?qū)?fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能-加工相關(guān)性起著至關(guān)重要的作用,從而使復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能。因此,填料的取向一直是復(fù)合材料學(xué)界的一個(gè)重要課題。


  近日,重慶大學(xué)航空航天學(xué)院付紹云教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際材料科學(xué)研究領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Progress in Materials Science》(IF = 33.6)上發(fā)表題為《Orientation of discontinuous fillers in polymer composites: modelling, characterization, control and applications》的綜述,重點(diǎn)介紹了填料取向在聚合物復(fù)合材料加工-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系中的作用(圖1),總結(jié)了近年來(lái)非連續(xù)填料取向的建模、表征、控制和應(yīng)用方面的研究進(jìn)展,展望了其當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。


圖1:(a) 綜述的結(jié)構(gòu)概覽 (b) 建模、表征、控制和應(yīng)用各部分之間的相互關(guān)系。


  為了更好的描述填料以及填料在復(fù)合材料中的取向,本文首先介紹了填料的類(lèi)型,基于填料與復(fù)合材料的坐標(biāo)系,引入了轉(zhuǎn)動(dòng)自由度與平動(dòng)自由度等概念,定義了復(fù)合材料中不同類(lèi)型(1D和2D)填料的空間取向(圖2)。


圖2:填料坐標(biāo)系和復(fù)合材料坐標(biāo)系中填料方向的定義。


  在此基礎(chǔ)上,本文總結(jié)了復(fù)合材料中填料取向的代表性建模與量化方法,主要包括取向參數(shù)和ODF(取向分布函數(shù))的使用(圖3)。取向參數(shù)的使用為描述復(fù)合材料中填料的取向提供了一種簡(jiǎn)便的方法,并可用于量化填料取向與復(fù)合材料性能之間的相關(guān)性。相反,ODF提供了填料取向更為復(fù)雜但精確的描述方法。


圖3:填料取向的建模方法概述以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。


  與建模相比,表征提供了復(fù)合材料填料取向的更為真實(shí)的評(píng)估。本文總結(jié)了復(fù)合材料填料取向的各類(lèi)代表性表征方法,主要包括顯微鏡技術(shù)、X射線(xiàn)技術(shù)和拉曼光譜等。它們?cè)诒碚鲝?fù)合材料的填料取向方面各有優(yōu)勢(shì)。在真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景下,表征方法的選擇取決于實(shí)際情況如填料的類(lèi)型,以及相應(yīng)的技術(shù)要求,如空間/深度分辨率、視場(chǎng)大小、分析能力和操作的便利性。


  為了更好地控制復(fù)合材料中填料的取向,從而實(shí)現(xiàn)高性能的聚合物復(fù)合材料,本文總結(jié)了控制復(fù)合材料中填料取向的各類(lèi)代表性技術(shù)。主要涉及的控制方法包括自組裝法以及外場(chǎng)控制法,其中所使用的外場(chǎng)主要包括力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)等。根據(jù)不同策略的應(yīng)用范圍、控制填料取向的有效性、實(shí)用性和成本等,對(duì)它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外,本文還提出了控制策略的選擇準(zhǔn)則(圖4),幫助研究人員選擇合適的復(fù)合材料制造技術(shù)以控制填料取向。


圖4:在典型的復(fù)合材料制造技術(shù)中,限制填料轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(實(shí)線(xiàn))和平動(dòng)自由度(虛線(xiàn))的主要來(lái)源,以及各類(lèi)制造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。


  了解填料取向?qū)?fù)合材料不同性能的影響對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工階段填料取向的控制具有重要的價(jià)值。本文系統(tǒng)總結(jié)和分析了填料取向?qū)?fù)合材料力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和其他性能的影響。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及填料的取向調(diào)節(jié),以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)復(fù)合材料性能的需求。


  最后,總結(jié)了填料取向在復(fù)合材料中的研究和應(yīng)用中仍然存在的挑戰(zhàn)與機(jī)遇并展望了未來(lái)的發(fā)展方向。


  重慶大學(xué)博士研究生李嘉為本文第一作者,付紹云教授(syfu@cqu.edu.cn)為本文通訊作者。本文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、中央高�;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)與重慶大學(xué)的資助。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101360


  下載:Orientation of discontinuous fillers in polymer composites: modelling, characterization, control and applications

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