中国国际复合材料工业技术展览会 China Composites Expo
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专栏|国际知名复合材料研究中心和大学介绍(十四)比利时鲁汶大学复合材料课题组
来源:武汉理工王继辉教授课题组  2019-06-27 16:36:10
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文章关键词: 比利时 鲁汶大学 复合材料 王继辉 专栏

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-8232.html        一、复合材料课题组
       比利时鲁汶大学(荷兰语:KU Leuven;英语:Catholic University of Leuven)于1982年开始聚合物基复合材料的研究,这一研究源于团队创始人Ignaas Verpoest教授在斯坦福大学追随华裔复合材料科学家Stephen W Tsai(美籍华人,斯坦福大学终身教授,美国工程院院士)从事博士后期间的工作。
       复合材料课题组(THE COMPOSITE MATERIALS GROUP ,简写为:CMG)。
网址:(https://www.mtm.kuleuven.be/Onderzoek/Composites)

       在最初的探索年代,研究工作涵盖了许多不同的研究课题,但是主要研究复合材料的力学行为,并逐渐扩展到纺织增强复合材料复合材料的先进加工工艺和夹层材料上。近年来,天然纤维复合材料,多层级复合材料(含有纳米和介观增强材料)以及复合材料的物理化学性能研究变得越来越重要。
       课题组的创始人Ignaas Verpoest于1991年成为鲁汶大学的教授,2013年起成为资深教授。自2013年起由Stepan Lomov教授担任课题组的负责人,他是“宏观和介观复合材料”研究方向负责人。其他研究方向由Larissa Gorbatikh博士、Jan Ivens教授/Frederik Desplentere教授、David Seveno教授和Aart Willem van Vuure教授负责。
       复合材料课题组由来自世界十多个国家的博士生、博士后、项目研究人员和一些硕士研究生组成。 他们在弗拉芒、比利时和欧盟以及工业界的经费资助下积极开展基础和应用研究。着眼于培养娴熟的技术人员,开发和优化复杂的加工和测试设备。
       鲁汶大学复合材料课题组(CMG)已经是全球公认的复合材料顶级研究中心之一,CMG的国际化地位体现在与欧洲、美洲、亚洲和非洲大学的大量紧密合作,以及积极参与国际复合材料协会(ESCM、ICCM、SAMPE)和会议(ICCM、ECCM、TeComp、IPCM、FPCM)等方面。此外,CMG还参与创新教育项目,如欧洲聚合物和复合材料工程计划(EUPOCO,European Master's Programme in Polymer and Composites Engineering始于1990年)。这个最初为期一年的硕士项目现在已经成为材料工程(MME,Master in Materials Engineering)专业两年制硕士项目的一部分,这是一个全英文项目,学生可以选择聚合物或复合材料任一项作为学习课题。
       2006年,复合材料课题组作为鲁汶大学材料研究中心(LMRC)的创始会员与鲁汶大学其他的22个部门加入LMRC在材料科学和工程方面的研究,共享技术和设备。也就是说,复合材料课题组与机械工程、化学工程系的研究团队开展了紧密合作。
       东丽复合材料基础研究讲席教授(Toray Chair for Fundamental Research in Composite Materials)设立于2012年,旨在深入开展以碳纤维和其他纤维为基础的研究工作,侧重于开展一系列与东丽集团利益相关项目的研究。东丽研发部副总裁Yukichi Deguchi说:“我们一直在欧洲寻找合作伙伴。Verpoest教授是欧洲复合材料领域的先驱者和“传奇”。

东丽讲席教授Ignaas Verpoest向东丽集团客人展示复合材料实验室(2012)
 
由左至右: Makoto Endo(CMRL总经理)、Ignaas Verpoest教授, Tetsuya Tsunekawa(研发部总监兼总经理)、Stepan Lomov教授(2015)

       二、团队成员

       CMG团队是一个非常多元化的国际研究团体,由40多名教授、博士后、博士和技术人员组成。



       课题组的每个研究方向,至少由一名博士后和五名博士生组成研究团队,这样工作效率最高并能开展富有成效的互动。不仅如此,各研究方向交叉融合,这一科研管理模式非常有益于下游集成。对于每个领域,基础研究和面向材料的研究与加工过程的优化、产品的最终使用性能评估以及产品开发结合。CMG和鲁汶材料研究中心以及战略首创计划研究中心(Strategic Initiative Materials。SIM是一个由佛兰德材料工业界和佛兰德大学于2009建立的虚拟研究中心,其任务是进一步研究材料科学基础,在相关领域建立高端的技术平台)密切合作。

       三、五个主要研究领域

       鲁汶大学复合材料课题组的研究涵盖基础研究-应用研究-企业定向研究三个方面,项目由不同来源的科研经费资助。
       课题范围包括从纳米到宏观尺度复合材料力学和物理性质的基础和应用研究,课题组与工业界紧密合作,开发新型复合材料,以实现可持续的技术进步和经济增长,解决材料研究中与能源、运动和健康有关的社会挑战,以此保持CMG作为欧洲和全世界复合材料领域研究中心的领先地位。研究的重点有以下五个方面:


       3.1微观与纳米尺度复合材料
       负责人: Larissa Gorbatikh博士
       要进一步改善复合材料的性能,需要在微观和纳米尺度层面进行“工程”改造。CMG研究人员面临的最大挑战是探索创新的概念,将纳米增强材料的优良性能从纳米级别提升到宏观层次。新的研究方向致力于:
  • 纳米增强材料的行为、工艺及其与纤维的相互作用
  • 分散体的表征
  • 纳米增强材料的智能分布和分层矩阵
  • 建模仿真
       3.2成型与应用开发
       负责人:Jan Ivens与Frederik Desplentere教授
       通过开发和优化复合材料工艺及产品,可以提高复合材料的适用性。成型工艺开发的重点是:
  • 优化热塑性制造工艺,如热成型和注塑成型
  • 使用熔融沉积模型开发混合材料
  • 优化RTM和RTM-light工艺
  • 基于金属模具,低压制造聚合物复合材料
       应用开发项目包括:
  • 轻质结构件的设计和评估
  • 基于形状记忆泡沫的自组装结构
  • 通过各向异性泡沫改善头盔的抗冲击性能
       3.3复合材料宏观与介观研究
       负责人:Stepan Lomov教授
       复合材料被认为是一种典型的多层级结构材料。除了纺织复合材料外,随机纤维复合材料、多层级复合材料(纳米-微-介观-宏观)、纺织品、多孔材料和生物材料也可以通过实验和建模来研究。
        建模研究侧重于:
  • 材料内部结构表征和可视化;
  • 材料的变形和渗透性;
  • 力学性能和损伤扩展。
       实验研究侧重于:
  • 工艺(成型、变形、浸渍、渗透)
  • 分层材料的性能(刚度、强度、耐久性)

       3.4复合材料物理与化学性能研究
       负责人:David Seveno教授
       复合材料的特点不仅在于其组分的选择,还在于其相互作用的性质。调整基体、纤维和纳米增强材料的物理和化学性质来设计这些相互作用是提供更高质量复合材料的一种方法。本研究方向侧重于建模和实验技术,研究侧重于:
  • 基体改性
  • 纤维润湿
  • CNT表面特性
  • 表面处理
  • 天然纤维和生物复合材料

        3.5天然纤维与生物复合材料研究
        负责人:Aart-Willem van Vuure教授
        天然纤维和生物基复合材料具有许多潜在的优势,如可再生性、低能耗、低碳、低密度,天然复合材料通常还具有低成本,健康安全的优势和特定的技术特征,如声学、振动阻尼和低热膨胀系数。这一方向的主要研究内容:
  • 天然纤维和复合材料的力学性能和纤维形态的研究
  • 纤维 - 基体界面改性
  • 生物聚合物基体的选择和开发
  • 纤维加工方法(纤维提取,预浸渍)

       四、研究经费


       CMG通过使用不同的资金来源维持长期的基础研究、中期应用研究和短期产业驱动研究之间的平衡,年均研究经费约为2百万欧元:
  • 欧洲框架项目(欧洲太空总署)
  • 弗兰德斯和比利时(联邦政府)
  • 鲁汶大学
  • 工业界的直接支持
  • 来自国外研究人员本国的资金资助以及其他国际合作提供的资助
  • 软件商业化、专利授权等


       4.1基础研究由弗拉芒、 鲁汶大学、欧盟和国外资金支持

  • 弗拉芒科学研究基金(FWO)和鲁汶大学研究委员会支持3-5年的研究项目以及博士和博士后的资助。
  • 欧盟的框架项目(FP7和地平线2020)支持“居里夫人计划”和主题网络的基础研究。CMG一直在积极参与这些合作 (第五届至第七届欧盟框架计划,地平线2020)。地平线2020是欧盟有史以来规模最大的研究和创新项目,7年(2014年至2020年)的时间里,除了私人投资外,有约800亿欧元的资金资助。
  • 参与由各大学支持的国际里程碑测试活动和信息交换计划(无外部资金资助),创造国际合作研究氛围,为研究建立“最佳实践”标准。
  • 基础研究直接由工业界出资支持:例如一个和大阪大学的长期合作项目,由日本财团和东丽集团资助。

       4.2中期应用研究,大多和基础研究相结合,同样由弗拉芒、比利时(联邦政府)、欧盟以及工业界资助
  • 欧盟的框架项目(FP7和地平线2020)资助工业界和学术界合作开展的3-5年研究计划;从第五届FP开始,CMG参与欧盟2-4个项目,通常担任工作领导者和协调者。
  • 比利时联邦机构SPO资助与发展中国家的合作研究,CMG利用此项资助开展天然纤维复合材料的研究。
  • 弗兰德斯科学技术研究所(IWT)和材料战略计划(SIM)研究所的工业资助项目,为期3 - 5年,并提供某一行业博士和博士后的资助。
  • 由弗拉芒/比利时,欧洲和海外企业直接资助的双边项目(基础研究通常占主要部分)
       4.3短期行业驱动项目(半年或更短的项目)通过进行专门的实验研究直接解决问题,提供咨询服务,SLC在行业服务中扮演着至关重要的角色

       复合材料应用日益广泛,在各行各业发挥巨大作用。因此比利时国立根特大学(Rijksuniversiteit Gent)、SIRRIS(比利时非营利性科学组织,技术产业合作中心)以及鲁汶大学于2009年合作创建了Sirris Leuven-Gent复合材料应用实验室(SLC-Lab,Sirris-Leuven Composites Application Lab),它建立在鲁汶大学复合材料课题组基础上。自1999年以来,Sirris一直为复合材料和轻质结构(TAD Compolight,Technology Advisory Service for Composite Materials and Lightweight Structures )等相关问题提供技术咨询服务,大力支持弗兰德斯的聚合物复合材料行业。目前,该服务已经并入鲁汶大学复合材料团队。SLC为业界提供与复合材料相关的、面向应用的技术支持(产品和流程开发、测试、预设计、成本分析、咨询)。

       4.4研究项目

       开放项目


       部分完成项目节选


       五、设备


       复合材料课题组拥有大量先进的复合材料制造与实验分析相关的设备和仪器。

       5.1复合材料制造设备

       5.1.1预浸料生产单元
       实验室规模的预浸料生产线可制备单向纤维或纺织热固性(环氧树脂或酚醛树脂)预浸料。它还可用于生产热塑性基体(最高熔化温度300°C)的预浸带,预浸料的最大宽度为30cm。

       5.1.2热压罐
       热压罐(最高温度180°C;最大压力7 bar)可用于生产热固性复合材料

       5.1.3热压机
       使用热压机可生产热固性或热塑性基体的复合材料平板。压机配有真空泵,最高工作温度为300°C。
       Pinette压机是一台两级压机,具有冷却阶段和加热阶段(最高500°C)程序设计,快速冷却速率高达200°C / min。

       5.1.4树脂传递模塑设备
       树脂传递模塑是用于生产中等批量复合材料部件(500至50,000件)最重要的制造技术。树脂传递模塑设备是复合材料课题组特制的,以满足研究的特定需求(允许设定不同纤维增强材料的渗透率常数。设备采用透明模具,并使用树脂或特殊流体作为测试液体)。
       还有一些RTM设备:
  • 轻质RTM设备
  • 用于厚平板的工业尺寸模具
  • 高压模具(用于热塑性预聚物)
       5.1.5双组分低压注射设备
       该系统主要用于制备聚氨酯泡沫。它可将PU泡沫注入中空模腔中以生产夹层板(例如3D编织夹层织物)或用于RRIM生产小型玻璃纤维PU泡沫部件,后者可以用小型模具制备。

       5.1.6 圆筒络筒机
       用于单向纤维的浸渍设备。可以生产长达2米的预浸料,可以进行在线纤维预处理。

       5.1.7 Fontijne压机
       这是一种热成型装置,适用于热塑性复合材料的成型。将热塑性片材预热(红外线加热后)后输送到模具中,深拉成型为制品,模具可以加热。

       5.1.8 Haco压机
       这是一种工业规格的大型热成型装置,主要用于成型热塑性复合材料。将热塑性预浸料坯片预热,然后输送到模具中进行深拉。如有必要,可以安装和预热各种模具。

       5.2 复合材料测试和分析设备

       5.2.1纤维和空隙含量的测定
       纤维体积分数和空隙率的测定是复合材料质量控制的关键。可采用以下技术:
  • 树脂的热解:适用于不可燃纤维(如玻璃纤维)和不阻燃树脂。
  • 化学树脂溶解:用化学方法溶解树脂。这种方法一般适用于碳纤维。
  • 光学方法:用定量图像分析法测定纤维体积分数。如果相位之间有足够的对比度,并且构件的二维横截面具有代表性,则该方法适用。
       5.2.2热分析和物理分析
       用于测定固化度,玻璃化转变温度,结晶和熔融温度,粘弹性行为等一系列热力学和物理分析的设备。
  • 差示扫描量热法(DSC)和调制差示扫描量热法(MDSC);
  • 热重分析(TGA);
  • 动态力学分析(DMA);
  • 热机械分析(TMA);
  • 脉冲激励设备。
       5.2.3接触角测量
       单纤维张力计(分辨率1微克)可用于单纤维或薄膜的接触角测量。

        5.2.4静态测试
        拉伸测试设备是测试实验室中的必备仪器。为复合材料测试开发了特定的测试装置。可以进行以下测试:
  • 拉伸
  • 三点和四点弯曲
  • 压缩(IITRI设备,通过厚度压缩和冲击后波音压缩)
  • 剪切(三轨剪切、板扭曲、Iosipescu剪切、短梁剪切)
  • 断裂韧性试验(双悬臂梁、端部缺口弯曲、端部荷载分裂)
  • 夹层试验(拉伸、平面和纵向压缩、弯曲、平面剪切、爬鼓剥离试验)
  • 热塑性复合材料层间或热塑性材料与模具间摩擦的测量
       5.2.5冲击试验
       对于断裂能的测定,可用摆锤式冲击装置。机器可以根据ISO标准进行Izod和Charpy试验。
       对于平板材料而言,低能量冲击对损伤发展和残余性能的影响是非常重要的。有两个落锤冲击设备(不带和带温度箱)。所造成的损伤可以通过一系列无损检测技术(C扫、射线照相)进行可视化。受冲击的试样可以进行冲击载荷,如拉伸、弯曲或压缩实验。

       5.2.6疲劳实验
       由于复合材料在循环加载过程中存在许多不同的损伤模式和大量裂纹,因此复合材料的疲劳寿命预测非常复杂。疲劳测试不仅可用于预测复合材料的寿命,还用于监测测试期间发生的破坏,并将该破坏状态与复合材料力学性能的降低相关联。疲劳实验常用拉伸或弯曲模式,也可以采用压缩和扭转疲劳实验,一般采用声发射非破坏性方法监测损伤的发生。

       5.2.7纤维织物形变试验
       使用织物增强材料生产复杂的复合材料结构需要对织物的变形行为和变形极限有详细的了解。织物的剪切变形可以用安装在拉伸试验设备上的格架来表征。针对双轴变形的特点,研制了双轴试验机。其他纺织测试设备可在比利时纺织研究中心Centexbel(如Kawabata设备)获得。此外,还安装了一个新的设备来监测织物在力学测试过程中的厚度。

       5.2.8纤维-基体界面测试
       复合材料的性能取决于增强纤维与基体之间良好的应力传递。因此,在新型复合材料的开发中,纤维-基体相互作用的研究具有重要意义。许多试验方法可用于确定纤维-基体界面的力学性能。最常用的方法是间接界面试验方法,如短梁剪切试验或横向弯曲试验。这些试验在标准试验设备上进行。但是,它们只能提供界面上的间接信息,并且仅适用于比较或质量控制。直接的界面试验方法需要更多试样准备和专用的设备:

       5.2.8.1单根纤维复合材料断裂试验
       单根纤维嵌入聚合物样本中,在加载过程中,由于树脂的延伸率大于纤维的延伸率,树脂中的纤维会发生断裂。再采用声发射或光弹技术测量树脂中一定长度内的纤维断裂数和纤维平均断裂长度。因此,使用偏振光在光学显微镜下进行拉伸试验。根据测试结果和著名的Keiiy – Tyson公式可以计算出剪切强度,以此确定界面特性。

       5.2.8.2单根纤维拔出试验
       将单根纤维垂直埋入树脂基体中并将其固化。用夹具夹住树脂基体,持续增加非常小的力对纤维进行拉伸,将纤维从树脂基体中拔出,记录下纤维脱粘瞬间的力。必须控制好预埋长度和自由纤维长度。

       5.2.8.3微脱粘方法
       它是将纤维垂直埋入一非常小呈对称状的树脂滴中,实验方法与拔出实验相似,很容易测出拔出力的大小,通过粘结长度或粘结面积估算出纤维-树脂界面间的粘结强度值。

       5.2.8.4顶出法
       以上技术均基于单纤维复合材料。纤维顶出试验可以在真正的复合材料薄片上进行。本试验采用显微硬度测量仪。半球形压头位于增强纤维的中心。随后加载纤维,直到纤维基体脱粘。

       5.2.9光学应变场测量系统
       可提供LIMESS光学应变场测量系统。它可以生成物体在载荷作用下的三维变形的全场图形。主要应用是测量零件中的应变分布和新材料的研究。使用该测量系统,承载下的测试样品以可视化和数字输出显示其变形。视觉信息非常适合于理解承载下结构的行为并查看缺陷和边界效应。数值计算结果可以与有限元计算结果进行比较。

        5.2.10快速拉伸试验机
       可提供高速拉伸试验机。模拟类似冲击的速度条件,最大速度级约为m/sec。

       5.2.11剪切测试设备
       可以使用剪切试验机精确测定剪切性能。

       5.2.12.环境箱
       环境箱可用于测试样品在不同环境(温度,湿度)下的性能。

       5.2.13.蠕变弯曲测试
       弯曲测试设备可用于蠕变测试。它可以安装在环境箱内,并监控施加恒定载荷时位移的变化。

       六、软件

       复合材料课题组和其他大学以及工业伙伴合作,共同开发了以下软件:
       WISETEX SUITE
       织物和织物复合材料建模的集成工具:





  • 织物干燥和浸润状态下的内部几何形状(WiseTex, LamTex, WeftKnit)
  • 织物几何形状的虚拟现实可视化(VRTex)
  • 织物抗拉、抗剪、抗压强度 (WiseTex)
  • 织物渗透率 (FlowTex)
  • 织物复合材料的刚度(TexComp)
       织物及织物复合材料的有限元分析:

 
  • WiseTex - ABAQUS 转换器 – WiseTex Suite主要的介观有限元工具
  • FETex工具,将Wise Tex的图形导入到ANSYS中
  • MeshTex(大阪大学开发)是一款用于划分织物复合材料几何模型网格以及有限元求解器后续分析的软件。
       集成式微观-宏观模拟:

       西门子软件公司开发的工具- Simcenter 3D 虚拟材料表征工具(VMC) 支持先进材料工程中复合材料的多尺度建模。


       MSC Softaware公司eXstream Engineering的Digimat 软件-是一种多尺度复合材料建模技术,正在使用鲁汶大学开发的 WiseTex软件技术。


 
       ESI集团开发的SYSPLY软件(复合材料构件结构的有限元分析)集成了WiseTex/TexComp 用于计算织物复合材料刚度的模型。

       教学用微观力学软件:


       利用目前流行的微观力学理论计算单向复合材料性能的简单计算工具。


 

       教学用MS EXCEL表格-MICROMECHUD-CP-QI实现单向纤维复合材料和正交铺设准各向同性层合板的性能可视化。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-8232.html

文章关键词: 比利时 鲁汶大学 复合材料 王继辉 专栏

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