重大航空航天先進復合材料團隊 Prog. Mater. Sci. 綜述：聚合物復合材料中非連續填料取向的建模、表征、控制及應用
聚合物復合材料廣泛應用于汽車、航空航天、運動器材等諸多領域，其主要優勢在于其可設計性，包括其組成（如填料和基體的類型）和結構（例如填料的方向和尺寸）。其中，填料取向對復合材料的結構-性能-加工相關性起著至關重要的作用，從而使復合材料具有優異的性能。因此，填料的取向一直是復合材料學界的一個重要課題。
近日，重慶大學航空航天學院付紹云教授團隊在國際材料科學研究領域頂級期刊《Progress in Materials Science》（IF = 33.6）上發表題為《Orientation of discontinuous fillers in polymer composites: modelling, characterization, control and applications》的綜述，重點介紹了填料取向在聚合物復合材料加工-結構-性能關系中的作用（圖1），總結了近年來非連續填料取向的建模、表征、控制和應用方面的研究進展，展望了其當前面臨的挑戰以及未來的發展方向。
圖1：(a) 綜述的結構概覽 (b) 建模、表征、控制和應用各部分之間的相互關系。
為了更好的描述填料以及填料在復合材料中的取向，本文首先介紹了填料的類型，基于填料與復合材料的坐標系，引入了轉動自由度與平動自由度等概念，定義了復合材料中不同類型（1D和2D）填料的空間取向（圖2）。
圖2：填料坐標系和復合材料坐標系中填料方向的定義。
在此基礎上，本文總結了復合材料中填料取向的代表性建模與量化方法，主要包括取向參數和ODF（取向分布函數）的使用（圖3）。取向參數的使用為描述復合材料中填料的取向提供了一種簡便的方法，并可用于量化填料取向與復合材料性能之間的相關性。相反，ODF提供了填料取向更為復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缺點。
與建模相比，表征提供了復合材料填料取向的更為真實的評估。本文總結了復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、X射線技術和拉曼光譜等。它們在表征復合材料的填料取向方面各有優勢。在真實應用場景下，表征方法的選擇取決于實際情況如填料的類型，以及相應的技術要求，如空間/深度分辨率、視場大小、分析能力和操作的便利性。
為了更好地控制復合材料中填料的取向，從而實現高性能的聚合物復合材料，本文總結了控制復合材料中填料取向的各類代表性技術。主要涉及的控制方法包括自組裝法以及外場控制法，其中所使用的外場主要包括力場、電場、磁場和聲場等。根據不同策略的應用范圍、控制填料取向的有效性、實用性和成本等，對它們的優缺點進行了評價。此外，本文還提出了控制策略的選擇準則（圖4），幫助研究人員選擇合適的復合材料制造技術以控制填料取向。
圖4：在典型的復合材料制造技術中，限制填料轉動自由度（實線）和平動自由度（虛線）的主要來源，以及各類制造技術的優缺點。
了解填料取向對復合材料不同性能的影響對復合材料結構的設計和加工階段填料取向的控制具有重要的價值。本文系統總結和分析了填料取向對復合材料力學、電學、熱學和其他性能的影響。在生產過程中應當綜合考慮復合材料結構的優化設計以及填料的取向調節，以滿足實際應用過程中對復合材料性能的需求。
最后，總結了填料取向在復合材料中的研究和應用中仍然存在的挑戰與機遇并展望了未來的發展方向。
重慶大學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。本文得到了國家自然科學基金委項目、中央高校基本科研業務費與重慶大學的資助。
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
