纖維增強(qiáng)材料滲透性測量：ISO 4410:2023標(biāo)準(zhǔn)淺析

引言：復(fù)合材料制造中的關(guān)鍵參數(shù)

在現(xiàn)代復(fù)合材料制造領(lǐng)域，液體復(fù)合成型(LCM)技術(shù)已成為生產(chǎn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件的核心工藝，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶和能源等行業(yè)。這一工藝過程中，干燥的纖維增強(qiáng)材料被低粘度液態(tài)樹脂系統(tǒng)(粘度通常<1Pa·s)浸漬，隨后固化形成剛性基體。浸漬過程由施加壓力(注射)或真空(灌注)或兩者共同驅(qū)動。要實現(xiàn)短周期時間和高穩(wěn)健性——即快速浸漬和最小化不完全飽和風(fēng)險——工藝設(shè)計必須基于對材料特性的深入理解。

在這一背景下，纖維增強(qiáng)材料的滲透性成為決定工藝成敗的關(guān)鍵參數(shù)。達(dá)西定律(Darcy's law)被證明主導(dǎo)著浸漬進(jìn)程，它將相平均流速與施加的壓力梯度、動態(tài)樹脂粘度和增強(qiáng)材料的流體滲透性聯(lián)系起來。滲透性作為一個等效參數(shù)，代表了這種本質(zhì)上非均質(zhì)材料的均質(zhì)化特性，其單位為m2，與增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)幾何形狀相關(guān)。由于纖維排列的方向性，滲透性通常呈現(xiàn)各向異性，并由對稱的二階張量描述。

一、行業(yè)痛點：缺乏統(tǒng)一測量標(biāo)準(zhǔn)

盡管LCM工藝應(yīng)用廣泛且滲透性參數(shù)至關(guān)重要，但直到2023年前，行業(yè)內(nèi)始終缺乏統(tǒng)一的滲透性測量標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)十年來，全球研究人員一直在努力理解增強(qiáng)材料滲透性測量變化背后的影響因素。這一研究領(lǐng)域迅速發(fā)展，文獻(xiàn)中報道了眾多實驗方法。實驗滲透性表征在系統(tǒng)研究和為工藝模擬提供輸入方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，成為工藝和材料優(yōu)化的基礎(chǔ)。

然而，由于織物的特殊性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的針對土壤、包裝或服裝材料的空氣、水或蒸汽滲透性標(biāo)準(zhǔn)均不適用甚至無法調(diào)整。過去十年的研究表明，雖然滲透性實驗原理簡單、易于設(shè)置和實施，但要獲得高質(zhì)量且可重復(fù)的測量結(jié)果卻相當(dāng)復(fù)雜。正如第一次基準(zhǔn)測試活動所顯示，不同研究人員對同一種織物測得的滲透性值可能存在數(shù)量級上的差異。

二、標(biāo)準(zhǔn)化之路：從基準(zhǔn)測試到國際標(biāo)準(zhǔn)

面對這一挑戰(zhàn)，科學(xué)界采取了系統(tǒng)性行動。在2019年初，這一議題首次通過DIN塑料標(biāo)準(zhǔn)委員會被引入德國標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)DIN。由于曾組織過最后一次國際基準(zhǔn)測試的Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe(IVW)在該委員會中已有代表，DIN委員會決定支持這一提案，并接觸ISO委員會ISO/TC61/SC13/WG1，后者負(fù)責(zé)纖維增強(qiáng)塑料的測試方法標(biāo)準(zhǔn)化工作。

經(jīng)過三次基準(zhǔn)測試研究和專門的標(biāo)準(zhǔn)化項目，ISO 4410:2023標(biāo)準(zhǔn)終于在2023年7月發(fā)布。這一標(biāo)準(zhǔn)為LCM用增強(qiáng)材料的不飽和面內(nèi)滲透性實驗表征提供了明確指南，規(guī)定了測試設(shè)備、測試方法和數(shù)據(jù)分析的要求，以確保結(jié)果的最佳準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

三、標(biāo)準(zhǔn)核心內(nèi)容與行業(yè)影響

ISO 4410:2023標(biāo)準(zhǔn)的誕生標(biāo)志著纖維增強(qiáng)材料滲透性測量進(jìn)入了規(guī)范化時代。該標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)性地解決了長期以來困擾研究者和工程師的測量一致性問題，其科學(xué)價值和工業(yè)意義主要體現(xiàn)在三個維度。

在測試設(shè)備方面，標(biāo)準(zhǔn)對模具系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備等關(guān)鍵組件提出了精確的技術(shù)要求。這些規(guī)定并非簡單的技術(shù)參數(shù)堆砌，而是基于多次國際基準(zhǔn)測試得出的最優(yōu)平衡點。例如，對模具平整度的嚴(yán)格要求直接源于基準(zhǔn)測試中發(fā)現(xiàn)微小間隙會導(dǎo)致顯著測量偏差的教訓(xùn)。這種"技術(shù)參數(shù)背后的科學(xué)考量"貫穿整個標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)備制造商和用戶都能理解每項要求的必要性。

測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化是該標(biāo)準(zhǔn)最具突破性的部分。通過將學(xué)術(shù)界多年積累的兩種主流方法——恒定流量法和恒定壓力法——進(jìn)行系統(tǒng)梳理和優(yōu)化，標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造性地保留了方法靈活性同時確保了結(jié)果可比性。這種平衡體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)制定者的智慧：既不一刀切地強(qiáng)制單一方法，也不放任各種方法隨意發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)中對操作流程的詳細(xì)規(guī)定，實際上是對過去二十年來各實驗室最佳實踐的提煉和固化。

在數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)帶來的變革尤為顯著。傳統(tǒng)上，不同研究團(tuán)隊采用的數(shù)據(jù)處理方法各異，導(dǎo)致同樣的原始數(shù)據(jù)可能得出相差數(shù)倍的結(jié)果。新標(biāo)準(zhǔn)通過規(guī)范數(shù)據(jù)濾波算法、達(dá)西定律應(yīng)用形式和不確定度評估方法，從根本上解決了這一問題。這種標(biāo)準(zhǔn)化不僅提升了研究質(zhì)量，更為工業(yè)界建立統(tǒng)一的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)庫奠定了基礎(chǔ)。

四、挑戰(zhàn)與未來展望

盡管ISO 4410:2023標(biāo)準(zhǔn)取得了重大突破，但復(fù)合材料滲透性測量的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程仍面臨諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)也指明了未來發(fā)展方向。

當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍主要局限于面內(nèi)不飽和滲透性，這反映了標(biāo)準(zhǔn)制定過程中"先易后難"的務(wù)實策略。面外滲透性和飽和狀態(tài)的測量標(biāo)準(zhǔn)化工作已在全球多個實驗室展開，初步基準(zhǔn)測試結(jié)果顯示，這些領(lǐng)域的測量一致性挑戰(zhàn)更大。特別是飽和滲透性受樹脂固化過程影響顯著，需要開發(fā)新的測試?yán)砟詈脱b置。

工業(yè)應(yīng)用的復(fù)雜性提出了更深層的問題。實際生產(chǎn)中，多層、多取向的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是常態(tài)，而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要針對單層材料。如何建立從單層測量到復(fù)雜結(jié)構(gòu)性能的可靠預(yù)測模型，需要材料科學(xué)家、數(shù)學(xué)家和應(yīng)用工程師的跨學(xué)科合作。一些前沿研究已經(jīng)開始探索基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的全場測量方法，這可能為未來標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展提供技術(shù)支撐。

隨著復(fù)合材料制造向智能化方向發(fā)展，滲透性數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景也在擴(kuò)展。數(shù)字孿生技術(shù)需要實時、可靠的滲透性數(shù)據(jù)支持，這對測量速度和數(shù)據(jù)格式都提出了新要求。未來的標(biāo)準(zhǔn)修訂可能需要考慮與智能制造系統(tǒng)的兼容性，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口和傳輸協(xié)議。同時，多物理場耦合效應(yīng)——如溫度場、應(yīng)力場對滲透性的影響——的標(biāo)準(zhǔn)化表征也是亟待解決的難題。

這些挑戰(zhàn)恰恰說明了ISO 4410:2023標(biāo)準(zhǔn)的重要歷史地位：它既是過去研究的總結(jié)，更是未來工作的起點。標(biāo)準(zhǔn)的真正價值不僅在于當(dāng)前文本中的技術(shù)條款，更在于它建立了一個可持續(xù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)化框架。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和新問題的發(fā)現(xiàn)，這一標(biāo)準(zhǔn)必將不斷演進(jìn)，推動整個復(fù)合材料行業(yè)向著更精確、更高效的方向發(fā)展。

參考資料

1、D. May et al., A new ISO standard for the experimental characterization of in-plane permeability of fibrous reinforcements,Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,Volume 190,2025,108592,ISSN 1359-835X,https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108592.