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科技前沿

专栏|国际知名复合材料研究中心和大学介绍(十一):英国布里斯托复合材料研究所(ACCIS)
来源:武汉理工王继辉教授课题组  2019-02-15 13:29:25
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-7696.html 
       1.布里斯托复合材料研究所


 
       英国布里斯托复合材料研究所(ACCIS)成立于2017年3月,前身为先进复合材料创新与科学协同中心(Advanced Composites Collaboration for Innovation and Science ,ACCIS)。该中心聚集了英国布里斯托复合材料学科领域的各个前沿性研究活动。ACCIS隶属、并位于工程学院内,与科学和医学院紧密相连。

       ACCIS的愿景是致力于成为世界领先的复合材料研究和教育机构,将前沿性基础科学研究与强大的工程开发和技术转化相结合。ACCIS是布里斯托大学开展校内、英国国内与国际间合作的重要平台。

       2.复合材料研究所所长


       2.1工作经历
1987-1994年:担任布里斯托大学飞机结构讲师;
1995-2006年:担任航空航天结构专业教授;
2007-2017年:担任布里斯托大学复合材料技术中心主任;
2007-2017年:担任劳斯莱斯复合材料大学技术中心主任;
2009-2011年:担任国际复合材料委员会主席;

       2.2个人简介
       Michael Wisnom教授现为布里斯托复合材料研究所(ACCIS)ACCIS中心主任,该中心致力于开展先进复合材料的创新技术与科学问题方面的系统研究。Wisnom教授是世界著名的复合材料力学、失效机理和有限元分析领域专家,已发表论文400余篇。他不仅是英国国家复合材料中心的指导委员会委员,也是复合材料学科国级顶尖期刊Composite Part A:Applied Science and Manufacturing Technology的主编。2007年至2017年间,Wisnom教授曾担任建于Bristol大学内的劳斯莱斯复合材料大学技术中心主任。Wisnom教授现为皇家工程院院士、机械工程师学会和美国复合材料学会会士。Wisnom教授于2005年获得皇家学会Wolfson研究奖,并在2009至2011年间担任国际复合材料学会主席,2013年当选国际复合材料学会‘世界学者’(World Fellow)。

       2.3发表论文(部分)
[1]Fotouhi, M, Jalalvand, M & Wisnom, M, 2018, ‘Notch insensitive orientation-dispersed pseudo-ductile thin-ply carbon/glass hybrid laminates’. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol 110., pp. 29-44
[2]Xu, X, Wisnom, M, Sun, X, Rev, T & Hallett, S, 2018, ‘Experimental determination of Through-Thickness Compression (TTC) enhancement factor for Mode II fracture energy’. Composites Science and Technology, vol 165., pp. 66-73
[3]Wu, X, Fuller, J, Longana, M & Wisnom, M, 2018, ‘Reduced notch sensitivity in pseudo-ductile CFRP thin ply angle-ply laminates with central 0°plies’. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol 111., pp. 62-72
[4]Xu, X, Rev, T, Sun, X, Wisnom, M & Hallett, S, 2018, ‘Experimental Investigation into Through-thickness Compression Enhancement Effect on Mode II Fracture Energy Using Bi-axial Tests’.
[5]Fuller, J & Wisnom, M, 2018, ‘Ductility and pseudo-ductility of thin ply angle-ply CFRP laminates under quasi-static cyclic loading’. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol 107., pp. 31-38

       3.研究领域

       布里斯托复合材料研究所将现有的研究大致归为三大领域: 材料研发, 结构设计与分析, 制造加工。

       3.1 材料开发
       课题组研究涵盖不同尺度下增强的复合材料,从纳米尺度的纳米复合材料到宏观尺度的碳纤维和天然纤维复合材料,研究内容包括其设计、仿真、制造与测试技术。

       3.1.1用于严苛环境的高性能基体
       目前,复合材料工业发展(如民用航空、风力涡轮机)主要依赖于碳纤维增强环氧复合材料(CFRP)和玻璃纤维增强聚酯复合材料(GFRP)的使用。由于其成本低廉,性能优异广泛的多功能性,在复材市场中占有较大比重。然而,环氧树脂的某些物理特性,如玻璃化转变温度(TG)较低、有限的耐火或耐热性较差、脆性、吸水率较高和湿热性能较差等,一定程度上限制了其在某些潜在领域的广泛应用。比如,在下一代喷气发动机、核电站、低地球轨道卫星或低隐身复合材料结构选材时,商用环氧树脂的性能已无法满足应用需求,而必须选用其他高性能的热固性聚合物(如氰酸酯、双马来酰亚胺、聚苯并恶嗪)或工程热塑性塑料(多官能团的芳香族聚合物,如聚芳醚酮、聚酰亚胺)。通过添加纳米物质(碳纳米管、石墨烯、纳米硅、纳米粘土或纳米氧化铝)引入纳米相,来提高材料的断裂韧性,导电性或热导率。此类功能性纳米材料的加入不仅使材料展现出多功能性,而且使材料更加轻质高强。课题组通过研究材料的复合特性,改善其加工特性、提高反应活性、缩短成型时间或降低粘度,从而其更易于制造大型、复杂的复合材料结构。研究内容覆盖材料的制备、表征、模拟、加工及测试检测。现阶段开展的研究项目包括:可抵御原子氧影响和严苛环境的低地球轨道卫星用新型聚合物基复合材料开发(与牛津空间系统研究所和墨西哥政府间合作项目)、高温环境用复合材料和高层间韧性复合材料的开发(由Rolls-Royce和Hexcel复合材料公司赞助)、隐身复合材料开发。

       3.1.2多功能智能材料与纳米复合材料
       电粘接驱动复合材料:此类新型轻质材料具有定向导电性、定向磁导率、定向动力响应与良好的散热性,可用于自适应贴附与变形结构。
       电磁复合材料:通过将铝、玻璃和Kevlar与环氧树脂复合,可用于开发新型的轻质、高能量密度的电驱动/致动器。

       3.1.3多孔纳米材料
       多孔纳米材料如纳米结构碳材料、金属有机骨架和沸石,具有高效的分子捕获和阻隔能力。此类材料可用于二氧化碳捕获(减缓全球变暖)、污水净化和医用药剂提纯。将此类纳米材料固定于基材中制成复合材料,不仅可有效控制体系的多孔结构,更便于材料的回收利用,保证材料使用的安全性和高效性。研究工作包括:多孔纳米复合材料的制备、表征和测试,以及采用纳米功能材料提高固化速率和消除复合材料制备过程产生的内部孔隙。

图1 聚合物黏土支架案例
       3.1.4储能材料
       用于应对可持续能源领域挑战的新型复合材料开发。课题组正在设计、制备和测试一种新型复合材料,用于开发新一代超轻质、具有优异空气动力学特性的高效发电风能叶片。此类复合材料可用于制造快速存放电的超级电容器电极。另外,课题组也从事新型储氢纳米复合材料的开发工作,用于满足下一代氢燃料电池电动车的安全和高效储氢需求。

图2 氢能燃料电池汽车
       3.1.5多元材料的创新制造技术
       利用增强相在流动条件下可实现有序排列的特点,基于增材制造技术制备多元智能材料的思路,课题组通过3D打印技术制备出了性能独特的复合材料,其特点有:
(1)独特的梯度功能性:通过在打印过程中随时控制增强相的取向实现材料设计;
(2)独特的疏水性/亲水性结构:此类材料可随环境历程变化而产生自适应变化。

图3 3D打印机和超声波辅助取向平台示意图
 
       案例1:用3D打印技术制备聚合物基复合材料,并在制备过程中原位调控不连续纤维的取向,如图3。打印机头上安装有受控的激光模块,并可按照打印部件的轮廓运动。通过改变激光聚焦模块的高度调节激光聚焦程度,从而控制环氧树脂的固化速率和区域。

图4 亲水-疏水聚氨酯三明治材料
 
       案例2:通过采用3D打印技术制备亲水 - 疏水聚氨酯三明治材料,开发了水合效应驱动的铰链结构,如图4。 图 c)给出了亲水 - 疏水三明治结构的示意图,上下表面层为超疏水聚氨酯(粉色),中间层为亲水性聚氨酯芯(白色)。通过改变间隙宽度G和皮芯厚度S和C可控制结构的弯曲量。 图4 a)与 b)表示该结构由脱水到吸水状态的Miura-Ori折纸式变形模式。该技术通用性强,采用常见的商业材料和打印机即可制造出复杂的折纸类嵌合结构。

       3.1.6成型过程材料性能变异研究
       增强纤维材料表现出的局部性能变异性,可能会影响树脂灌注过程,从而诱发缺陷,使材料力学性能降低。课题组正通过开发原位监测技术来识别成型过程中材料的性能变异,以便及时调整工艺减少此类变异性诱发缺陷的产生。
图5 成型过程中复合材料预成型体的表面压力分布

       3.1.7木质纤维素和天然纤维材料
       纤维素纳米纤维具有很高的机械性能和强度,有望取代传统合成纤维。这些纤维还可用于储能、光子学、生物医学材料和自适应复合材料等功能材料的制备。

图6 纳米纤维素培养成肌细胞
       3.1.8纤维素纳米材料
       纤维素是地球上使用最广泛的材料之一,可从植物本体中获取。如植物细胞壁就是由长度为10-100 nm小纤维组成的多层材料结构。此类纤维具有极高的机械性能和强度(刚度>100 GPa,强度介于2-4 GPa)。可从植物中提取这些材料,并将它们用作复合材料的增强材料。此类纤维素纳米材料应用广泛,不仅可以作为超级电容器的碳电极基材,也可以作为组织工程材料的基材和生物植入物的基材,以及光子(液晶)和等离子体结构的基材。

图7 用电纺纤维素生产的碳纳米纤维上生长的碳纳米管

       3.1.9拉胀材料
       拉胀材料是一种具有负泊松比的材料。与常见材料体系相反,拉伸载荷作用下该材料截面会增大。布里斯托大学开发了具有拉胀特性的层压复合材料、蜂窝材料、多尺度结构以及泡沫材料。此外,还开发了智能拉胀材料:即采用不同智能材料(形状记忆合金、聚合物、压电材料)基材制备的拉胀结构。这些材料体系根据第一性原理设计,并在实验室完成了制备和表征工作。并开发了此类结构的多种制备技术,包括早期的3D打印技术、已授权的泡沫热成型技术以及Kirigami(折纸和切割)技术。此类工艺的开发使得拉胀材料在当前复合材料主流制造工艺中的使用成为可能。

       3.1.10自修复材料
       自修复复合材料是一种仿生材料体系,其内部嵌入了微胶囊和管状网络。

       3.2 复合材料结构设计与分析
       复合材料结构方向主要研究工作包括:新型数值方法、新型结构设计理念、先进分析技术、多功能分析和实验数据库的构建数据丰富的实验。

       3.2.1数值模拟与多尺度模拟
图8 复合材料粘结界面单元的数值模型

       布里斯托复合材料研究所长期从事高精度数值模型的开发与应用研究。开发的新技术包括粘结界面单元(特别是具有附加功能的粘结单元,可分析疲劳、Z向增强等问题)、新型本构关系的单元开发,如无网格依赖的裂纹扩展预测、复杂应力场的快速、准确预测。此类数值模拟技术已在多个领域实现应用,包括复合材料失效过程的高保真度模拟、增强相的微观尺度模拟以及冲击、疲劳和湿热问题的分析。由于复合材料失效往往是由小尺度下的局部特征驱动的,这给宏观尺度下开展其失效行为分析带来了挑战。为此,课题组开发了多尺度建模技术,可捕捉单层级的细节特征以及其对宏观等效模型预测精度的影响。

       3.2.2纺织复合材料

图9 编织复合材料预成型体

       课题组开发了可用于预测纺织增强复合材料的刚度、强度和内部几何形状的新型数值方法。对编织物和最终注入的复合材料预成型体的几何形状进行高精度建模,是准确预测强度的重要前提。课题组开发了多种数值建模技术,包括2D编织,3D编织,NCF和缝编织物,用于预测各种增强织物预成型体的几何形状。有针对性的解决了强度预测模型, 课题组特别关注的技术难点,包括内部复杂几何结构的处理,如3D编织材料,以及不同分析尺度间的处理技术,如从胞元结构跨越到结构和组件分析尺度。

       3.2.3复合材料结构的优化

图10 复合材料机翼铺层顺序优化

       结构优化设计即基于一系列的分析工具和方法,充分利用纤维方向强度和刚度,进而获得高性能效的复合材料结构。结构优化设计中不仅要完成拓扑结构、刚度、强度和质量分布的分析,而且需要充分考虑结构性能与经济成本之间的关系。复合材料结构数值模型计算量大、且具有非连续性和非线性特点,制约了优化设计的自由度,同时其优化算法非常复杂。当前还没有一种高效的算法可完成基于可制造性的复合材料结构的优化设计。复合材料设计一直是航空航天、汽车、民用和能源等领域结构设计中的重要部分。本团队的研究重心是通过开发和使用创新性的结构设计方案与优化算法来挖掘复合材料的应用潜力,并促进其在工业领域的应用。

       3.2.4复合材料结构的弹性剪裁优化
图11 复合材料风电叶片结构的弹性剪裁优化

       在航空航天、风能等竞争激烈的市场中,设计高性能、低成本的结构至关重要。弹性剪裁(Elastic tailoring)是利用复合材料的各向异性来获得高效的结构设计方案,最简单的例子即使纤维方向与主载荷路径或关键变形模态式相一致。利用复合材料的可裁剪性,可以设计出结构局部和整体响应均符合要求的复合材料结构。目前团队的研究工作:基于解析方法、有限元分析方法和实验手段分析结构的屈曲和后屈曲行为、可变形和可延展行为,开展飞机机翼和风机叶片结构的气弹性剪裁设计。

       3.2.5缺陷和局部特征的影响

图12 复合材料加工过程中出现的面内褶皱

       复合材料制造工艺过程可引起多种缺陷,如:褶皱波纹、孔隙、富树脂区、纤维扭曲。此外,一些几何特征的定义也是结构设计的重要工作,例如变厚度区域的丢层处理。此类缺陷和局部特征将对复合材料部件的强度和性能产生影响,因此了解其形成过程并预测其对初始失效行为的影响非常关键。研究团队主要借助引入一系列不同大小的人工缺陷进行研究,并采用无损检测方法对此类缺陷进行表征,如X射线断层扫描(CT)扫描和超声波检查等。课题组开发的高精度度有限元模型可准确预测程度已知缺陷对结构强度的影响程度。

       3.2.6厚度方向增韧研究

图13 碳纤维Z向钉(左侧)和直径均小于毫米级的螺纹状簇(右侧)

       在厚度方向增强聚合物基复合材料的方法是利用坚韧的类杆状微型紧固件来有效阻止层间裂纹的扩展。碳纤维Z向钉(图13)和类丝状簇绒的直径约在亚微米级。碳纤维Z向钉最适用于增强由预浸料生产的复合材料,而簇绒技术作为一种单侧缝合技术与干纤维预成型体的制造工艺相兼容。

       3.2.7疲劳
图14 复合材料疲劳损伤示意图

       虽然复合材料抵抗循环载荷的能力优于金属材料,但在超高周期疲劳或高应力水平的疲劳载荷下,同样容易产生疲劳损伤问题。特别是在无纤维增强的厚度方向,疲劳分层损伤问题非常显著。损伤可以在远低于极限静态强度的载荷水平下发生并扩展,最终产生灾难突变性失效。课题组当前主要关注于某些特殊工况下复合材料的疲劳问题,如:存在应力集中的开孔部位、含褶皱缺陷、含Z-pin增强体以及拉压完全逆转等幅疲劳载荷工加载况(R=-1)。以期揭示疲劳损伤发展的基本机理,开发新的数值模型来预测复合材料在循环加载下的承载行为。

       3.2.8复合材料的延展性
图15 复合材料应力-应变曲线

       通过开发多种制备技术来获得具有更好延展性或伪延性的复合材料,减缓其破坏过程。采用混杂材料、纤维再取向和非连续结构可使复合材料的应力-应变曲线上出现过渡平台,避免出现瞬时失效,并降低材料的应力集中敏感度。在安全载荷下,伪延性材料即可呈现出肉眼可见的损伤,但仍能继续承受载荷。课题组目前正在开展此类技术的开发,表征所得材料的性能,并将其应用于对损伤容限和可检性要求高的结构中,以期开辟新的复合材料应用领域。

       3.2.9可变形与非线性响应结构

图16 复合材料结构大挠度和非线性力学响应

       课题组研究利用结构的大挠度和非线性力学响应特征以获得更有望提高其效率和并赋予新功能的先进结构性。如:可变形结构,通过改变其形状,进而在多种机制下实现高效运行,提高结构综合性能。该研究的核心是如何从物理学的角度分析此类系统的非线性行为,以及如何充分利用该特性。目前,已解决许多建立建立了此类结构的解析模型和数值模拟方法时所面临的新挑战,并完成了实验验证工作。结果证明:通过严格的控制结构的非线性行为,可成功设计出具有可重复性线弹性响应能力的非线性结构。今后此类结构有望在多个领域获得应用,如可变形飞机、风机叶片、自适应进气道和医疗设备。

       3.3 制造与加工设计

       该项研究围绕可制造性设计开展工作,从新一代原材料的预成型,到成型工艺过程剖析、装备控制以及规模化生产的实现。

       3.3.1过程自动化-纤维自动铺放

       纤维自动铺放工艺是目前航空工业制造大型关键结构的标准主流工艺。该工艺通过对多根纤维增强预浸带进行预热,然后由工业机器人在张力作用下铺贴在模具表面。ACCIS学院实验室主要开展AFP工艺的基础研究,并通过与国家复合材料中心(NCC) 开展合作,通过复材制造工业博士中心与NCC联合培养复合材料制造专业工程博士生。

       3.3.2过程自动化-机器人和人机协作

       目前,高品质复合材料通常采用以下两种途径进行制造:1)纯手工铺贴,2)全程由机器人自动铺放。综合以上两种手段的优点,团队通过将人类的认知意识与机器系统的机械能力结合起来,开发了人-机协同铺贴方案。该方案将既定的铺贴过程分为人工和自动化两类,使任务需求与各自的能力相匹配,可提高铺贴质量、加强用户体验感,减少真空压实时间,并降低劳动强度。

图17 复合材料人-机协同铺设流程

       人-机协同铺设过程案例:A:静态机械手臂拖住纤维带,便于操作员用双手自由铺贴;B:人工开展涉及到成复杂型面部变形位的铺贴;C:机器人通过端部压实装置将纤维带在模具表面压实。

       3.3.3连续纤维束剪切
       纤维操舵转向是制造更先进的复合材料结构和实现高质量复杂外形时面临的重要问题。然而,目前的AFP技术会导致纤维转弯处产生褶皱缺陷。连续纤维束剪切(CTS)技术通过利用纤维束的面内剪切变形能力消除这种缺陷,从而得到较小的转弯角。团队目前工作的重点是将这一技术推广于工业领域,提高其制备更复杂的三维结构的能力。

       3.3.4多基材梯度复合材料
       受制于基体材料的本质固有特性,聚合物复合材料的应用存在众多局限性。聚合物复合材料具有的固有脆性,易于损坏, 产生加工缺陷,而且缺乏功能性约束。复合材料对局部载荷比较敏感,在应力集中部位,如机械紧固件、接头、插入件、转角等结构的典型部位,会提前产生损伤,使结构提前失效。新一代结构将采用多种复杂的材料体系,不同的结构元件将采用不同材料进行设计、制备。目前研究工作主要通过不同手段将多种树脂材料集成于一个结构中,如通过局部沉积/打印方法在连续增强相中添加高活性树脂,来调节压实过程,以及借助外部磁场实现颗粒的定位。

       3.3.5复合材料制造中的缺陷
       零件中的制造缺陷是任何工艺都无法避免的,其研究内容包括:分析缺陷是如何产生的;其产生受什么因素控制;材料和工艺的变化是如何诱导缺陷产生的;一旦发生缺陷,如何在工艺过程中率先检测出来;及缺陷对力学性能的影响。课题组从多个方面对缺陷问题进行研究,如缺陷分类法,制造过程实时检测/CT扫描,工艺过程模拟和静态、疲劳载荷下结构性能的评估。

       3.3.6铺贴过程研究
       尽管已开始采用自动化工艺,但手工铺覆仍是复合材料制造中至关重要且广泛使用的工艺。但目前为止,对该过程的认识仍不充分,实施过程无法通过文档进行准确记录。在过去的30年里,手工铺设工艺几乎没有发生变化。为满足日益增长的需求,复合材料制造技术需要发展成为一门更优化、易学的技能。为此,必须首先对现有标准下的手工铺覆工艺进行更深入的理解。团队从多学科角度对层压工艺进行了深入和详细的分析,探索了铺贴人员-材料-模具三者间的相互作用过程、工具的使用方法和指导过程。提出了一种特殊的基于认知分析的通用铺贴技术方案的知识库,便于进行详细的操作指导、培训从而提升铺贴质量。

 
图18 复合材料手工铺设流程

       图18 是在模具上铺贴预浸料的操作流程文档实例。通过对铺贴过程每个动作的分解,建立特殊的认识数据库,便于深入了解手工铺设过程。

       3.3.7工艺过程建模
       复合材料结构的几何尺寸和性能严重依赖于制造工艺过程。通常,工艺过程涉及到大量的工艺参数,可能导致材料性能产生波动。数值模拟技术是研究、分析理解和预测缺陷形成机理以及评估工艺参数影响的一种有效手段。布里斯托复合材料研究所开发了一套预测模拟预浸料压实过程的有限元工具,有助于理解厚复合材料内部褶皱的形成机制。并对纺织品预制件的变形开展了大量研究,开发了用于预测内部纤维结构和开展铺覆模拟的数值工具。这些工具将可用于零件设计和制造环节,帮助实现减重优化、减少缺陷并提高生产率。

       3.3.8可制造性设计
       为实现复合材料的高性能低成本制造目标,必须采用低成本制造方法,同时考虑设计方案的可制造性。首先,基于标准工业方法(Boothroyd和Dewhurst法)本团队开发了可制造性设计(Design For Manufacturing, DFM)研究系统;并构建了能实现智能设计过程的新型预测系统,可在设计阶段提前导入制造规范。此类创新系统中根据构件的几何特征来计算并反馈复杂因子,进而预测某一特征区域或整个模具表面的铺贴时间。这两个系统都已集成于团队开发的运动学铺覆仿真/指令软件平台内,通过调用标准的材料性能测试数据进行运行。目前,该系统已在多种复杂几何特征表面验证了其准确性。
图19 斜坡角度的增加对铺层覆盖的特征区域比例的影响

       3.3.9基于虚拟增强现实工具的制造工艺提升
       通过将手工铺层贴知识库、自动/协助机器人和可制造性设计方面的研究成果,与低成本、高效的数字工具和学习游戏技术相结合,有望进一步提升制造工艺质量。该工作可用于开展员工技能培训,解决当前制造技能缺失的问题。尤其是对于中小企业,后一问题特别突出。LayupRITE是该研究的成果之一,它通过将低成本的追踪和规划技术相结合实现虚拟增强现实技术,进而在铺设过程中动态地引导操作工手的运动。既能减少培训时间、铺层时间和劳动力成本,又可以提高制造质量与稳定性。该过程采用循环式的闭环流程代替常规的顺序流程,从而保证了制造过程与设计方案相一致而不仅仅是接近设计。
图20 闭环设计与制造流程

       3.3.10复合材料回收
       复合材料制造过程的每一步都会产生废料,比如增强材料的裁剪、模具的修正及退役后的结构件。团队主要关注于制造阶段废弃料的二次利用。正在开展定向短纤维复合材料的闭环回收工作,将废料开发为一种可解决传统制造过程问题的新材料方案。

       4.现阶段实验室承担科研项目(下表)


       5. 设备和设施
       ACCIS拥有世界一流的实验设施条件,是开展先进复合材料的开发、制造和测试研究的有力保障。ACCIS不仅在工学院实验室内拥有多种复合材料专用设备,而且在国家复合材料中心拥有多台大型设备(包括高精度的热压釜和大型工业CT)。2012年,ACCIS获得EPSRC资助经费310万英镑,用于采购先进材料研究设备。2014年,又获得EPSRC资助经费70万英镑,用于采购构建博士培训中心和工业博士中心所用设备。团队拥有专业的技术支持团队,为开展研究的ACCIS成员提供实验协助和设备培训。



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