布里斯托大学复合材料中心（ACCIS）于2018年研究出HiPerDiF（High Performance-Discontinuous Fibre）装置，用于制造高度定向排列的短纤维复合材料。研究发现，高度定向排列的不连续纤维复合材料在纤维的纵横比足够支持荷载传递时，短纤维增强复合材料也可以获得优异的性能。
这种短纤维增强复合材料主要有两个方面的优点：第一，可以改善纤维复合材料产生裂纹时的局部失效程度；第二，可以将纤维废料例如碳纤维布裁剪后的余料很好的利用起来，达到节能减排的目的。
纤维废料通常是纤维布在裁剪后的余料，其尺寸有限不足以再制作常规复合材料。因此，利用短纤维增强原理，可以很好地将工业生产中的纤维废料进行回收利用，制成短纤维增强复合材料。本文主要介绍HiPerDiF短纤维增强复合材料制造工艺。
一、制造工艺——HiPerDiF
目前几种常用的将短纤维定向排列的制造工艺分别是电场排列法、磁场排列法和气动排列法。
其中电场排列法和磁场排列法只能将特定类型或特定长度的短纤维进行定向排列，但通常只能保证70%的纤维定向排列在±20°的范围内；气动排列法生产效率更高，且适用于多种纤维材料，常用于生产玻纤毡增强热塑性片材（GMT），但该方法精度较低，大多数纤维只能在±52°的范围内定向排列。若想要定向排列的短纤维复合材料达到或者接近同等条件下连续纤维增强复合材料的力学性能，则需要能将纤维高度定向排列的更精密的制造工艺。
研究表明，流体排列法制造出的短纤维复合材料定向排列程度高，可以保证60%的纤维排列在±3°的范围内。ACCIS的研究人员试图采用流体排列法对短纤维进行一个高效的定向排列，并在2014年首次提出纤维定向排列装置的初始概念，之后于2018年研发出HiPerDiF（High Performance-Discontinuous Fibre）装置。HiPerDiF装置利用纤维悬浮液的动量变化来排列纤维，可以将短纤维高度定向排列形成纤维带。
制作定向排列纤维带可分为以下几个步骤：
1）将准备好的短纤维均匀分散在低粘度分散介质中（例如水），形成悬浮液；
2）通过泵加速悬浮液使其通向喷嘴，纤维将预排列；
3）加速通过喷嘴的悬浮液快速的喷射到定向板上，使纤维与定向板平行；
4）与板平行的纤维纷纷落在定向板底部的传送带上，形成定向排列的纤维带；
5）在传送带两旁抽走分散介质（可重复利用）；
6）干燥制备好的定向排列纤维带以供后续使用。
图一为HiPerDiF法的示意图，其中第（1）部分为喷嘴和定向板，第（2）部分为传送带，第（3）部分为干燥后的纤维带与树脂膜结合的示意图。图二为ACCIS实验室的HiPerDiF装置。
图一 HiPerDiF示意图
图二 ACCIS实验室的HiPerDiF装置
干燥后的纤维带与常规纤维布类似，与树脂结合固化后即形成复合材料。在HiPerDiF相关实验中，研究人员首先将HiPerDiF法制成的纤维带与树脂膜结合制成“预浸料”，再经过铺层固化后形成短纤维增强复合材料。之后研究人员对用该方法制作而成的复合材料进行了各项物理表征试验及力学试验。
图三为短纤维增强复合材料在显微镜下的纤维排列状况，可以看出，纤维排列方向高度有序，纤维体积分数为55%的复合材料定向排列程度高于体积分数为41%的复合材料。图四为显微镜下的短纤维增强复合材料切面。
图三 显微镜下的纤维排列状况：（a）纤维体积分数为41% （b）纤维体积分数为55%
图四 显微镜下的短纤维复合材料切面：(a）纤维体积分数为41% （ b）纤维体积分数为55%
研究人员还进行了多项相关研究，以讨论悬浮液中纤维体积比、定向板间距、短纤维种类、短纤维长度等因素对制造出的纤维带质量的影响，来更好的控制复合材料的性能。
2019年英国国家复合材料中心（NCC）与ACCIS达成合作，在NCC建立了一套更完善的HiPerDiF设备，用于短纤维复合材料的研究。
二、HiPerDiF数值模拟分析
在研究的过程中，研究人员也结合数值模拟分析方法对HiPerDiF过程进行仿真模拟。通常情况下，数值模拟常采用基于网格划分的有限元分析法，然而这些基于网格的方法无法解决自由表面流动、可变形边界、移动界面等问题。
在HiPerDiF过程中，纤维与水混合后的悬浮液被加速喷射到定向板上，为了研究纤维的最终排列状态，需要一个能模拟自由表面流动的模型。SPH（平滑粒子流体力学模型）方法是一种无网格方法，用小颗粒代替流体来模拟流体的行为，可以得到流体动力学方程的近似数值解，进而模拟流体的真实情况。
SPH方法有以下几个优点：
1）可以模拟纯平流过程
2）可以解决界面作用的问题
3）可以自然的过渡流体和粒子之间的空隙
因此，研究人员基于SPH方法，建立相关数值模型来模拟HiPerDiF过程中纤维排列的过程，仿真了不同影响因素下的纤维排列结果，并与实验结果进行比较和分析。
图五为研究人员基于SPH方法建立的HiPerDiF过程的仿真模型，可以看到仿真的液体（蓝色部分）及喷射到定向板后落在传送带的纤维（红色部分）。
图五 SPH方法模拟HiPerDiF过程的模型
参考文献:
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