重大航空航天先进复合材料团队 Prog. Mater. Sci. 综述：聚合物复合材料中非连续填料取向的建模、表征、控制及应用
聚合物复合材料广泛应用于汽车、航空航天、运动器材等诸多领域，其主要优势在于其可设计性，包括其组成（如填料和基体的类型）和结构（例如填料的方向和尺寸）。其中，填料取向对复合材料的结构-性能-加工相关性起着至关重要的作用，从而使复合材料具有优异的性能。因此，填料的取向一直是复合材料学界的一个重要课题。
近日，重庆大学航空航天学院付绍云教授团队在国际材料科学研究领域顶级期刊《Progress in Materials Science》（IF = 33.6）上发表题为《Orientation of discontinuous fillers in polymer composites: modelling, characterization, control and applications》的综述，重点介绍了填料取向在聚合物复合材料加工-结构-性能关系中的作用（图1），总结了近年来非连续填料取向的建模、表征、控制和应用方面的研究进展，展望了其当前面临的挑战以及未来的发展方向。
图1：(a) 综述的结构概览 (b) 建模、表征、控制和应用各部分之间的相互关系。
为了更好的描述填料以及填料在复合材料中的取向，本文首先介绍了填料的类型，基于填料与复合材料的坐标系，引入了转动自由度与平动自由度等概念，定义了复合材料中不同类型（1D和2D）填料的空间取向（图2）。
图2：填料坐标系和复合材料坐标系中填料方向的定义。
在此基础上，本文总结了复合材料中填料取向的代表性建模与量化方法，主要包括取向参数和ODF（取向分布函数）的使用（图3）。取向参数的使用为描述复合材料中填料的取向提供了一种简便的方法，并可用于量化填料取向与复合材料性能之间的相关性。相反，ODF提供了填料取向更为复杂但精确的描述方法。
图3：填料取向的建模方法概述以及它们的优缺点。
与建模相比，表征提供了复合材料填料取向的更为真实的评估。本文总结了复合材料填料取向的各类代表性表征方法，主要包括显微镜技术、X射线技术和拉曼光谱等。它们在表征复合材料的填料取向方面各有优势。在真实应用场景下，表征方法的选择取决于实际情况如填料的类型，以及相应的技术要求，如空间/深度分辨率、视场大小、分析能力和操作的便利性。
为了更好地控制复合材料中填料的取向，从而实现高性能的聚合物复合材料，本文总结了控制复合材料中填料取向的各类代表性技术。主要涉及的控制方法包括自组装法以及外场控制法，其中所使用的外场主要包括力场、电场、磁场和声场等。根据不同策略的应用范围、控制填料取向的有效性、实用性和成本等，对它们的优缺点进行了评价。此外，本文还提出了控制策略的选择准则（图4），帮助研究人员选择合适的复合材料制造技术以控制填料取向。
图4：在典型的复合材料制造技术中，限制填料转动自由度（实线）和平动自由度（虚线）的主要来源，以及各类制造技术的优缺点。
了解填料取向对复合材料不同性能的影响对复合材料结构的设计和加工阶段填料取向的控制具有重要的价值。本文系统总结和分析了填料取向对复合材料力学、电学、热学和其他性能的影响。在生产过程中应当综合考虑复合材料结构的优化设计以及填料的取向调节，以满足实际应用过程中对复合材料性能的需求。
最后，总结了填料取向在复合材料中的研究和应用中仍然存在的挑战与机遇并展望了未来的发展方向。
重庆大学博士研究生李嘉为本文第一作者，付绍云教授（syfu@cqu.edu.cn）为本文通讯作者。本文得到了国家自然科学基金委项目、中央高校基本科研业务费与重庆大学的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101360
下载：Orientation of discontinuous fillers in polymer composites: modelling, characterization, control and applications
