纖維增強材料滲透性測量：ISO 4410:2023標準淺析

引言：復合材料制造中的關鍵參數

在現代復合材料制造領域，液體復合成型(LCM)技術已成為生產纖維增強復合材料部件的核心工藝，廣泛應用于汽車、航空航天、船舶和能源等行業。這一工藝過程中，干燥的纖維增強材料被低粘度液態樹脂系統(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)或兩者共同驅動。要實現短周期時間和高穩健性——即快速浸漬和最小化不完全飽和風險——工藝設計必須基于對材料特性的深入理解。

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

一、行業痛點：缺乏統一測量標準

盡管LCM工藝應用廣泛且滲透性參數至關重要，但直到2023年前，行業內始終缺乏統一的滲透性測量標準。數十年來，全球研究人員一直在努力理解增強材料滲透性測量變化背后的影響因素。這一研究領域迅速發展，文獻中報道了眾多實驗方法。實驗滲透性表征在系統研究和為工藝模擬提供輸入方面發揮了關鍵作用，成為工藝和材料優化的基礎。

然而，由于織物的特殊性質和結構，現有的針對土壤、包裝或服裝材料的空氣、水或蒸汽滲透性標準均不適用甚至無法調整。過去十年的研究表明，雖然滲透性實驗原理簡單、易于設置和實施，但要獲得高質量且可重復的測量結果卻相當復雜。正如第一次基準測試活動所顯示，不同研究人員對同一種織物測得的滲透性值可能存在數量級上的差異。

二、標準化之路：從基準測試到國際標準

面對這一挑戰，科學界采取了系統性行動。在2019年初，這一議題首次通過DIN塑料標準委員會被引入德國標準化機構DIN。由于曾組織過最后一次國際基準測試的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，后者負責纖維增強塑料的測試方法標準化工作。

經過三次基準測試研究和專門的標準化項目，ISO 4410:2023標準終于在2023年7月發布。這一標準為LCM用增強材料的不飽和面內滲透性實驗表征提供了明確指南，規定了測試設備、測試方法和數據分析的要求，以確保結果的最佳準確性和可重復性。

三、標準核心內容與行業影響

ISO 4410:2023標準的誕生標志著纖維增強材料滲透性測量進入了規范化時代。該標準系統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，其科學價值和工業意義主要體現在三個維度。

在測試設備方面，標準對模具系統、壓力控制系統和數據采集設備等關鍵組件提出了精確的技術要求。這些規定并非簡單的技術參數堆砌，而是基于多次國際基準測試得出的最優平衡點。例如，對模具平整度的嚴格要求直接源于基準測試中發現微小間隙會導致顯著測量偏差的教訓。這種"技術參數背后的科學考量"貫穿整個標準，使設備制造商和用戶都能理解每項要求的必要性。

測試方法的標準化是該標準最具突破性的部分。通過將學術界多年積累的兩種主流方法——恒定流量法和恒定壓力法——進行系統梳理和優化，標準創造性地保留了方法靈活性同時確保了結果可比性。這種平衡體現了標準制定者的智慧：既不一刀切地強制單一方法，也不放任各種方法隨意發展。標準中對操作流程的詳細規定，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。

在數據分析領域，標準帶來的變革尤為顯著。傳統上，不同研究團隊采用的數據處理方法各異，導致同樣的原始數據可能得出相差數倍的結果。新標準通過規范數據濾波算法、達西定律應用形式和不確定度評估方法，從根本上解決了這一問題。這種標準化不僅提升了研究質量，更為工業界建立統一的產品性能數據庫奠定了基礎。

四、挑戰與未來展望

盡管ISO 4410:2023標準取得了重大突破，但復合材料滲透性測量的標準化進程仍面臨諸多挑戰，這些挑戰也指明了未來發展方向。

當前標準的適用范圍主要局限于面內不飽和滲透性，這反映了標準制定過程中"先易后難"的務實策略。面外滲透性和飽和狀態的測量標準化工作已在全球多個實驗室展開，初步基準測試結果顯示，這些領域的測量一致性挑戰更大。特別是飽和滲透性受樹脂固化過程影響顯著，需要開發新的測試理念和裝置。

工業應用的復雜性提出了更深層的問題。實際生產中，多層、多取向的復合材料結構是常態，而現有標準主要針對單層材料。如何建立從單層測量到復雜結構性能的可靠預測模型，需要材料科學家、數學家和應用工程師的跨學科合作。一些前沿研究已經開始探索基于數字圖像相關技術的全場測量方法，這可能為未來標準的擴展提供技術支撐。

隨著復合材料制造向智能化方向發展，滲透性數據的應用場景也在擴展。數字孿生技術需要實時、可靠的滲透性數據支持，這對測量速度和數據格式都提出了新要求。未來的標準修訂可能需要考慮與智能制造系統的兼容性，開發標準化的數據接口和傳輸協議。同時，多物理場耦合效應——如溫度場、應力場對滲透性的影響——的標準化表征也是亟待解決的難題。

這些挑戰恰恰說明了ISO 4410:2023標準的重要歷史地位：它既是過去研究的總結，更是未來工作的起點。標準的真正價值不僅在于當前文本中的技術條款，更在于它建立了一個可持續發展的標準化框架。隨著新技術的出現和新問題的發現，這一標準必將不斷演進，推動整個復合材料行業向著更精確、更高效的方向發展。

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.