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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):英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)未来复合材料制造研究中心
来源:武汉理工王继辉教授课题组  2019-01-28 14:59:58
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-7678.html
英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)未来复合材料制造研究中心


      1.研究中心简介

       EPSRC未来复合材料制造研究中心(网址:www.epsrc-cimc.ac.uk)成立于2017年1月, 该中心投资1030万英镑组织来自英国各地的学者以推动聚合物基复合材料制备科学与生产技术实现跨越式发展。中心以诺丁汉大学和布里斯托大学主导,最初还包括另外4个成员:伦敦帝国理工学院,克兰菲尔德大学,曼彻斯特大学和南安普敦大学。继2017年3月首次提出可行性研究方案后,三个新的学术合作伙伴于2017年10月加入该中心:剑桥大学、爱丁堡大学和格拉斯哥大学。伦敦布鲁内尔大学于2017年10月第二次提供可行性研究方案后,于2018年1月加入了中心。


       在4个高价值制造(HVM)助推器和18个复合材料行业一流公司提供的1300万英镑的额外支持下,该中心获得的总投资已超过2300万英镑。中心建立在CIMComp的坚实基础之上(CIMComp是之前由EPSRC资助的复合材料创新制造中心,于2011年6月成立已经运行了5年),将推动复合材料自动化制造技术的发展,为高性能的应用提供零部件和结构,特别是在航空航天、运输、建筑和能源领域。

       2.中心职能


       3.研究领域

       中心现在面临两大挑战是:系统研究复合材料成型过程的科学问题以提高产品生产质量的稳定性,并开发高质量结构快速成型加工技术。因此,中心在行业合作伙伴和复合材料业界的协作下,确定了五个研究重点领域:
       ①高速铺放和快速加工技术
       ②通过仿真模拟进行设计制造
       ③多功能复合材料及整体结构的制造
       ④成型过程检测与评估
       ⑤循环与再利用

       4.研究中心领导成员

       4.1

       研究中心主任Andy Long教授拥有超过25年从事复合材料零部件和结构的制造和设计工作经验,在自动化制造技术、纺织复合材料和成型建模领域享誉国际。他领导了许多由EPSRC、TSB和业界协同资助的聚合物基复合材料项目,他作为首席科学家,与许多一流的公司和大学合作,研究经费达2800万英镑。他作为英国复合材料领导论坛的学术界的代表负责英国复合材料战略的制定与实施,向商业、创新和技能部(BIS)报告。目前他还担任诺丁汉大学工学院的副院长。

       Andy Long教授发表的部分文献:
       1. LONG,A., 2010. KeynotePaper: Prediction, measurement and significance of reinforcem ent permeability In: 10th International Conference on Flow Processes in Composite Materials, Ascona, Switzerland.
       2. LONG, A.C, RUIJTER, W, SHERBURN, M, CROOKSTON, J.J and JONES, I.A., 2007. Geometric and mechanical modelling of textile composites In: 28th SAMPE Europe Int. Conf., Paris. 415-420
       3. XIAO,X.,LONG,A.,QIAN,K.,ZENG,X.and HUA,T. 2017. Through-thickness permeability of woven fabric under increasing air pressure: Theoretical framework and simulation: Textile Research Journal Textile Research Journal. 87(13), 1631-1642

       4.2

       Kevin是布里斯托尔大学复合材料制造NCC中心教授,在先进复合材料制造工艺和产品开发方面有超过40年的研究经验,他其中一半的工作时间在工业领域。他在复合材料制造方面的工作,特别是在固化变形、尺寸变化和缺陷产生方面,在世界范围内享有盛誉。Kevin还担任NCC-布里斯托尔大学联络处和工业博士中心副主任。

       Kevin Potter教授发表的部分文献:
       1. Potter K. In-plane and out-of-plane deformation properties of unidirectional preimpregnated reinforcement[J]. Composites Part A, 2002, 33(11):1469-1477.
       2. Potter K. Bias extension measurements on cross-plied unidirectional prepreg[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2002, 33(1):63-73.
       3. Potter K, Weaver P, Seman A.A, et al. Phenomena in the bifurcation of unsymmetric composite plates[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2007, 38(1):100-106.

       4.3

       Tom任教于诺丁汉大学航空航天设计专业,自2000年加入诺丁汉大学的复合材料团队以来,先后参与了14个英国研究理事会/英国政府资助的项目以及5个大型工业界资助项目,他对复合材料在航空航天和汽车领域的设计、制造和组装的各个环节都有深入的了解。他的研究方向是复合材料制造和装配过程建模和过程自动化开发,涵盖设计、制造和装配阶段的全生命周期成本评估方法,以及碳纤维的回收和再利用。

       Tom Turner副教授发表的部分文献:
       1. TURNER, T.A., HARPER, L.T., WARRIOR, N.A. and RUDD, C.D., 2008. Low-cost carbon-fibre-based automotive body panel systems: a performance and manufacturing cost comparison Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile  Engineering. 222(1), 53-63
       2. TURNER, T.A., WARRIOR, N.A. and PICKERING, S.J., 2010. Development of high value moulding compounds from recycled carbon fibres Plastics Rubber and Composites. 39(3-5), 151-156
       3. JIANG, G., TURNER, T. A. and PICKERING, S. J., 2016. The shear viscosity of carbon fibre suspension and its application for fibre length measurement: Rheologica Acta Rheologica Acta. 55(1), 1-10

       4.4

       Ivana Partridge教授负责复合材料制造博士培训中心的指导工作,EPSRS组织资助了700万英镑用于该中心的建设。她是布里斯托大学先进复合材料创新与协同中心(ACCIS)复合材料加工方向的教授,她的研究专长包括热固性复合材料增韧、复合材料的厚度方向增强、复合材料加工控制以及聚合物-金属-纤维混杂。

       Ivana Partridge教授发表的部分文献:
       1. Cartie D, Partridge I. Prediction of the Delamination Behaviour of Z-Fiber® Reinforced Laminates[C].Aiaa/asme/asce/ahs/asc Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. 2003.
       2. Dell'Anno G, Partridge I, Cartié D, et al. Automated manufacture of 3D reinforced aerospace composite structures[J]. International Journal of Structural Integrity, 2012, 3(1):22-40.
       3. Partridge I, Yasaee M, Allegri G, et al. Damage-tolerant composite structures by Z-pinning[M].Toughening Mechanisms in Composite Materials. 2015:161-189.

       5.研究中心项目

       5.1重点项目
       5.1.1优化纤维织物结构的新型成型技术

       承担单位:曼彻斯特大学,诺丁汉大学
       首席研究员:Andrew Long,Prasad Potluri
       合作研究成员:Mikhail Matveev,Shankhachur Roy,Vivek Koncherry

       3D编织预成型体采用液体模塑制备的复合材料比其他复合材料(如用单向预浸料制备的复合材料)具有更优良的性能,包括复杂几何结构的自动化制造、集成几何特征的能力、通过整体的纤维织物提高抵抗分层的能力。通常,面内纤维是正交的,目前已开发出铺设±45°纱线的实验机器,还有其他编织工艺可以制备出更优的纤维结构,例如三轴编织可以编出0°/±θ的纱线。

三维编织布

       该项目旨在建立优化编织预成型体的计算框架,其功能不仅限于现有的制造技术。该框架将基于一系列案例研究进行构建和扩展,以确定具有改进特有性能的材料,此项目将为这些材料开发新的制造技术,并用于验证预测的性能。

       该项目取得的成果:
       1)在TexGen软件中实现了一种新技术,以支持自动生成复杂几何形状编织物的有限元网格。
       2)在TexGen中采用取向平均的等应变方法,以预测可选材料的弹性性质。
       3)开发了一种复合纤维放置/编织技术,以生产包括偏轴纤维在内的3D纺织物。

       5.1.2多功能复合材料结构应用与制造
       承担单位:伦敦帝国理工学院,布里斯托大学
       首席研究员:Ivana Partridge
       合作研究成员:Arjun Radhakrishnan,Caroline O'Keeffe,Carwyn Ward,Dmitry Ivanov,Emile Greenhalgh,Ian Gent,Kaan Bilge,Maria Valkova,Milo Shaffer

       该项目主要目的是研究和解决多功能复合材料相关的设计和制造问题,特别是解决热传导和电的传输现象。

       项目进展:在布里斯托大学,新的Hertzog微型编织机已经投入使用,并使用标准的增强线型开展了初步工作;使用金属线与细的碳纤维粗纱混编的早期试验正在生产直径小于1毫米的柔韧且稳定的编织物;正在对不同材料组合可实现的编织模式进行探索。

微型编织机

       关于超级电容器中的碳气凝胶(CAG)结构的开发,帝国理工学院已经在多种不同的干织物(例如铺展丝束织物和NCF材料)中进行过前聚体灌注和热解试验。已经取得了将CAG良好地注入到丝束内部并且将CAG粘合到纤维上的技术进展。然而,研究铺展丝束的粘合剂的相互作用仍存在一些困难。目前正在开展进一步的开发工作,以期将有源元件引入CAG以进一步提高电性能,同时,正在对最佳分离器材料排序和识别进行研究。
 

碳气凝胶(CAG)注入到多材料超级电容器中的丝束内部

       研究中心已经开始着手解决超级电容器设备结构设计和机械性能的建模。正在用有限元软件(Abaqus)来预测固化期间器件的压实,以了解加工过程对微结构以及设备性能的影响。

       5.1.3自动干纤铺放技术研究
       承担单位:布里斯托大学,诺丁汉大学
       首席研究员:Thomas Turner
       合作研究成员:Anthony Evans,Carwyn Ward,Eric Kim,Kevin Potter,Mike Elkington

       自动纤维铺放(AFP)技术已在航空航天工业中用于制造碳纤维增强部件(例如翼梁、翼盒蒙皮和机身筒段),AFP能够通过将纤维定向于复杂的几何形状或曲面,从而控制纤维方向。通过自动化的鲁棒性、低损耗和可重复性,为高质量、大批量生产提供了理想的工艺,而且AFP可以取代劳动密集型手工铺覆工艺(可节省大量生产时间)。一般AFP使用热固性或热塑性预浸料切割带,利用基体材料的粘性将纤维粘附到设计位置,然而这些材料价格昂贵,在储存和铺放期间需要精确的温度控制以确保不会因老化而影响其粘合性能,并且需要通过热压罐等设备进行固化处理。液体模塑(LCM)工艺与AFP技术比较,初始设备成本低,但操作时间更长,循环周期更长,因此自动干纤铺放(ADFP)已经成为了研究热点,其目的是在保持纤维铺放技术的高质量和低浪费的同时降低成本和循环时间。

       研究中心的总体目标是了解ADFP过程中的速率和质量限制效应,并开发模型以增加对关键因素的理解。该项目包括以下几个工作:
       1)工艺设计:确定铺放设备的有效性和控制,同时开发实验室规模的设备进行验证。
       2)材料设计:研究基本的丝束/胶带/NCF结构,优化粘合剂含量(类型和体积)以增加粘性防止铺放期间纤维起毛。
       3)铺放工艺工作:根据干纤维系统的速率和温度来量化粘性,并研究压实后的拓扑结构以预测单根丝束或层板堆叠的行为及其与铺放辊的相互作用。
       4)注入工艺:量化铺放后纤维结构的渗透效应。
       5)零件设计:根据预制件的加工速度和质量设计零件几何形状。

使用先进纤维定向技术自动铺放碳纤维带

       5.2可行性研究
       5.2.1低成本热塑性基体CFC/金属结构制造

       承担单位:克兰菲尔德大学
       首席研究员:Andrew Mills
       合作研究成员:Aurèle Bras, Lawrence Cook

       已经研究确定了许多热塑性基体和金属混合结构的创新性理念。通过对跑车车身结构几何形状进行承载研究,提出了适合快速制造的新型结构。这些概念如 利用拉挤管状截面和折叠热塑性“有机板材”的组合,使用低成本金属连接器连接管状部件,因此,它们不需要专用的模具来成型零件。

       以下是结构应用和进一步研究最具潜力的研究内容:金属接头的缠绕、复合材料管的成型、金属接头与复合材料管段的互锁。

复合材料管
 
热塑性CFC管与铝端接头连接

       5.2.2构建复合材料成型工艺窗口
       承担单位:剑桥大学
       首席研究员:Mr Verner Viisainen, Michael Sutcliffe
       合作研究成员:Jin Zhou

       中心对复合材料成型工艺的可行性进行了研究,探讨了无皱褶织物(NCF)悬垂过程中的皱折问题以及构建复合材料成型工艺的模拟方法,该项目源于多个行业对提高预成型干织物和预浸料模拟能力的迫切需求。此项目使用数字图像相关(DIC)方法测量无皱褶织物悬垂期间的起皱,并且将与诺丁汉大学协作使用有限元分析软件开展建模工作。目前的研究将为评估起皱的形成提供明确的指导,并补充了CIMComp计划中关于复合材料成型工艺的相关研究内容,提供了适合实验以及变形、起皱建模的方法。

实验成型装置示意图(左)及照片(右)

       5.2.3多腔多轴先进热塑性复合材料零件的多步热成型
       承担单位:格拉斯哥大学
       首席研究员:Philip Harrison
       合作研究成员:Daniel Mulvihill, Daniel Richards, Euan McGookin

       该可行性研究使用由复合材料层和金属层组成的新型混合层压板来改善多层预成型热塑性部件的热成型,它利用可控的多驱动压力机,并用它来研究混合板在高温下的成型机理。目的是通过焦耳加热使金属熔融从内部加热叠层,然后使熔融金属作为低粘度润滑介质,以消除成型缺陷。在金属高表面张力的辅助作用下,多驱动压力机将在成型过程中挤出熔融金属(如管中的牙膏),减少最终成型部件的起皱并降低与加热相关的能源成本。该可行性研究使用由复合材料层和金属层组成的新型混合层压板来改善多层预成型热塑性部件的热成型,它利用可控的多驱动压力机,并用它来研究混合板在高温下的成型机理。目的是通过焦耳加热使金属熔融从内部加热叠层,然后使熔融金属作为低粘度润滑介质,以消除成型缺陷。在金属高表面张力的辅助作用下,多驱动压力机将在成型过程中挤出熔融金属(如管中的牙膏),减少最终成型部件的起皱并降低与加热相关的能源成本。

(a)改良的UBE试验:具有明显的皱纹;
(b)有限元模拟中的皱纹预测

       5.2.4逐层固化(LbL)
       承担单位:克兰菲尔德大学
       首席研究员:Alex Skordos
       合作研究成员:James Kratz, Jonathan Belnoue, Konstantinos Tifkitsis, Lawrence Cook, Ric (Xiaochuan) Sun

       此研究旨在通过对LbL固化过程进行计算机模拟,设计以实现层间性能和效率的平衡为目的,制作完整层合板并对层合板的质量进行评估。

       本研究采用高放热的预浸料系统(Hexcel 913树脂 /玻璃纤维)进行,在适当的本构模型中研究预浸料的固化和固化行为,并对整个层合过程的ATL变化进行耦合模拟。模拟并优化40 mm厚层压板的固化过程,使其既适用于LbL固化工艺,也适用于相同工作温度下的传统固化工艺,通过与传统固化工艺进行比较对LbL固化工艺进行设计。使用LbL固化工艺可在1小时20分钟内完成固化,而传统固化工艺则需要大约3小时才能完成固化,这显著的效率提升是在材料铺放阶段实现的:假设铺放时间与固化时间相同,这意味着LbL固化工艺可以在传统工艺时间的四分之一以内完成。此外可采用LbL固化工艺在中温或低温环境下完成某些40mm厚板材的固化,LbL固化工艺在等温条件下加工省去了升温/降温所需的时间,在这种厚度下,使用反应性热固性聚合物的传统固化工艺是不可能实现的。这一实验通过装有加热板的伺服液压机来实现,该装置在一定温度下制备40mm厚度的层合板,与模拟结果一致。此外,在实验过程中测量的温度分布变化和层合板的厚度与模拟预测结果相匹配,证明了模拟分析优化结果的有效性。

       使用显微镜对LbL层合板的质量进行分析,发现其孔隙率低,微观结构/形态与传统工艺相似,但比传统工艺成型的微观结构更为精细。此外,还比较了LbL固化工艺与传统固化工艺生产的复合材料层合板的力学性能,层间剪切强度(ILSS)和双悬臂梁(DCB)I型韧性试验,结果表明采用LbL固化工艺生产的层合板与传统固化工艺生产的层合板力学性能基本一致。

       通过可行性研究发现LbL固化工艺使成型时间缩短了75%而且没有降低产品的质量。


       5.2.5三维曲面夹层板的成型模拟
       承担单位:诺丁汉大学
       首席研究员:Nick Warrior
       合作研究成员:Oliver McGregor, Shuai Chen

       复合材料夹层结构成型工艺给成型高性能结构的速率带来了跨越式发展,该工艺利用基于匹配工装成型套件的2D夹层板式成型具有不同厚度的3D曲面板,为碳纤维底盘和其他高性能的结构应用提供经济有效的高技术工艺。为了充分发挥该成型过程的潜力,需通过模拟工具预测成型行为并设计和优化该过程,这种优化过程由于反复实验所需的参数过多而无法通过实验获得。目前,没有合适的有限元模型可用于模拟夹层板弯曲的成型过程,此项目的新颖之处在于对现有织物成型建模技术的扩展以及复杂夹芯几何形状的形成,主要困难在于夹芯材料和结构的状态以及在成型期间夹芯与复合材料蒙皮之间的界面条件的建模。

有限元模型示意图
 
有限元模拟结果

       5.2.6采用原位聚合法制造热塑性纤维金属层压板
       承担单位:爱丁堡大学
       首席研究员:Dipa Roy
       合作研究成员:Conchur O’Bradaigh, Dimitrios Mamalis, Vasileios Koutsos

       最近,人们越来越关注将复合材料和传统金属结合在一起开发混合材料,这种混合材料也称为纤维-金属层压板(FMLs)。FMLs结合了两种组分的优异特性,与纯金属或纤维增强聚合物复合材料相比,在冲击下表现出更高的耐疲劳性和损伤容限。因此,FMLs是一类很有发展前景的轻质材料,包括可用于运输、建筑、可再生能源等在内的多个领域。然而,FMLs的最终性能不仅取决于两种组分材料,而且在很大程度上也受到它们之间形成界面的影响。

       金属板和玻璃纤维层合板之间的界面粘结受到其表面粗糙度和表面能特性的显著影响。因此,金属在与复合材料层合板结合之前的表面处理是粘接过程中的关键工艺,是影响FMLs的机械性能的关键因素。

       该项目的目的是采用低成本的树脂灌注途径开发新一代热塑性复合材料-金属混合层合板,这些层合板可热成型并且可回收/重复使用,如果能够以工业化大规模和低成本生产具有增强性能的混合层合板,一旦性能得到验证,这类层合板将可能应用于运输、建筑、可再生能源等领域。中心已联系相关行业,并将很快举行会议以获得他们对这项研究成果的认可。

       该项目的第一步,评估了不同的化学和物理(大气等离子体)表面处理方法,用经处理的金属板制造试验FMLs,对纤维-金属粘接进行定性测试,以选择下一步FML制造的最佳处理工艺。

等离子气体对金属板表面处理装置图

       第二步,使用真空辅助树脂灌注技术,用液体热塑性树脂成功地制造了新型热塑性复合材料-金属层合板(FML),在经表面处理的金属和复合材料层板的界面处添加几微米厚度的有机涂层,通过其与基体树脂的原位聚合改善粘接。

       该项目的总体目标是通过低成本VARTM路线开发热塑性复合材料-金属层合板,层合板可热成型和回收利用,并且显著提高其机械性能。

       5.2.7 在复合材料制造中通过铺敷开槽同轴电缆进行微波加热(M-Cable)
       承担单位:布鲁内尔大学
       首席研究员:Mihalis Kazilas

       M-Cable项目使用开槽同轴电缆改进复合材料制造工装中的微波(MW)加热。该概念使MW加热能够运用到许多加工领域,如热压罐、RTM和拉挤成型,用于加工的能量可以根据部件的形状和尺寸进行调整。与传统加热方法相比,使用MW加热可以实现更高的加热速率(减少固化周期)与高效节能。

开槽电缆

       5.2.8使用微波加速单体转移模塑
       承担单位:诺丁汉大学
       首席研究员:Derek Irvine
       合作研究成员:Andrew Parsons, Chris Dodds

       该项目开发一种制造工艺:通过使用微波(体积)加热促进热塑性复合材料的成型。热塑性复合材料因其高成型速度、良好韧性和耐热、耐化学性等特性,具有显著潜在的市场。然而,热塑性基体通常表现出高熔体粘度,其充分浸润纤维具有很大挑战性。单体转移模塑(MTM)是用干纤维生产纤维增强热塑性复合材料的一种有效的低压方法,这种方法生产的复合材料具有良好的纤维/基体界面,同时避免了粘度过高、纤维破碎和基体降解的问题。

       MTM的主要限制因素是聚合反应所需的时间。对聚合物反应的研究表明,微波加热可以显着减少聚合时间。该项目的目的是证明微波加热过程可以在可接受的时间范围内成功制备出热塑性复合材料板材,确定成型工艺参数,并确定该过程的可推广性。项目已经充分研究了聚己内酯的微波特性,将用于初步测试。该项目还将评估该方法对汽车和航空航天工业及其他应用热塑性塑料领域的适用性,以期开展更大范围的制造研究。

Vötsch微波固化炉

       6.工业博士中心(IDC)

       复合材料制造中的工业博士中心(IDC)旨在为英国复合材料制造行业培养研究工程师,使他们具备必要的先进技术和领导技能,可有效运用复合材料制造领域的新知识和技术。IDC为复合材料制造工程提供便利,有一个为期四年的研究生研究项目,目的是培养渴望在航空航天、汽车、船舶、风能和建筑等相关领域中担任关键领导职位的研究人员。IDC是EPSRC未来复合材料制造研究中心的重要组成部分,在布里斯托的国家复合材料中心(NCC)提供专业培训。

       IDC由EPSRC资助750万英镑,由EPSRC联合布里斯托(首席大学)、克兰菲尔德、曼彻斯特和诺丁汉大学建设。为了满足英国聚合物复合材料制造行业迫切和不断增长的需求,为工程师做好在工业领域担任关键领导职位的准备。中心的研究项目以行业为基础和主导,解决赞助商的商业研究重点问题,定制硕士级技术单元和业务技能培训计划,确保研究工程师具备项目所需的专业知识和能力,培训主要领域为工程复合结构的制造。
 
       工程师在IDC中学习赞助公司与相关领域的领先学者之间协作不断涌现的前沿理念而获得学术水平的提高,并且工程师们还可以在英国国家复合材料中心(NCC)获得全套设备的使用技术。

       7.研究中心合作伙伴

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-7678.html