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
聚合物復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車、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代表性表征方法，主要包括顯微鏡技術(shù)、X射線技術(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）和平動(dòng)自由度（虛線）的主要來源，以及各類制造技術(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)，以滿足實(shí)際應(yīng)用過程中對(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、中央高校基本科研業(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
