“复合材料和增强纤维”国际标准的进展——参加2022年ISO/TC61/SC13第35届年会的报告

发布时间:2023-08-25 10:30:06 来源:网友投稿

王玉梅,徐 琪,康宜宇

2022年国际标准化组织ISO/TC61/SC13增强纤维与复合材料技术委员会第35届年会和ISO/TC61/SC13/WG1、WG2及WG7各工作组会议于2022年9月1日至9月16日通过视频的方式召开。会议对相关的国际标准项目和将要开展的新项目研究工作进行了讨论,现将会议内容整理报告如下文,供行业同仁们参考。

ISO/TC61/SC13复合材料和增强纤维(Composites and reinforcement fibres)技术委员会,承担树脂基复合材料和它们的增强材料,如玻璃纤维、碳纤维等相关国际标准的制订。目前有19个P成员,8个观察成员,秘书处由日本JISC承担。现任主席是日本京都大学教授北条正树(Masaki Hojo)博士。中国一直是SC13的P成员。

SC13设有3个工作组:WG1增强材料及制品(Reinforcements and reinforcement products)、WG2层合板和模塑料(Laminates and moulding compounds)、WG7复合材料和金属组合件(Composites and metal assemblies),负责相关国际标准研究和制订。截止到2022年8月16日,SC13共发布国际标准92个,其中WG1发布37个(2022年新增1 个),WG2发布51个,WG7发布4个(2022年新增1个)。

2022年新发布4个国际标准(含2个修订):

ISO 1888:2022《纺织玻璃——定长纤维和长丝——平均直径的测定》,这是新修订标准,2022年1月21日出版。项目负责人是日本的Imai(今井)博士。新标准比原标准增加了 “计算法测定玻璃纤维直径”的方法,即按实测玻璃纤维密度和纱线线密度计算玻璃纤维纱线的直径,再根据纱线中纤维根数计算纤维的平均直径。该方法的优点是当玻璃纤维纱的线密度和密度已知时,可以根据拉丝漏板的孔数快速地计算出纤维直径,为生产企业快速测定纤维直径提供了一个准确高效的方法。

ISO 2078:2022《玻璃纤维——纱——代号》,这是新修订标准,2022年3月16日出版。项目负责人是中国的徐琪。新标准增加了玻璃类别和纱线类别,使一些特种类别的玻璃纤维产品进入国际产品序列,有利于这些产品进入国际市场,融入全球产业链。

ISO/TS 23483:2022《碳纤维——聚丙烯腈(PAN)基碳纤维丝束特性的测定——表观热导率》,2022年8月4日出版。项目负责人是韩国全州大学的李海成(Haeseong Lee)教授,中国全程实质性地参加了该项目,为该方法的建立提供了许多建设性的意见。该技术规范提供了一种可借鉴的测定聚丙烯腈基碳纤维丝束表观热导率的方法,解决了当前碳纤维应用的急需。

ISO 24360:2022《复合材料和增强纤维——碳纤维增强塑料(CFRPs)和金属组件——十字拉伸强度的测定》。2022年4月1日出版,项目负责人是日本堀内信(Horiuchi Shin)博士。该标准给出了测定碳纤维复合材料与金属粘合板粘接面拉伸强度的方法,可用于:1.测定碳纤维复合材料和金属组件的粘结性能;
2.测定或防止物理性能损失——例如评估胶粘剂胶膜或注入嵌缝层或玻璃纤维增强塑料层中的胶粘剂离子迁移和随时间发生的退化;

3.证明符合飞机开发等工程中型号合格审定要求的规定条件;

4.评估碳纤维复合材料飞机等工程操作中的维护、修理和大修 (MRO) 程序等。该标准的发布为碳纤维复合材料的工程应用提供了一种安全可靠地评估方法,对推动碳纤维复合材料的工程应用无疑是十分有帮助的。

(1)ISO/DIS 2113《增强纤维——机织物——规格基础》项目负责人是徐琪(中国,南京玻璃纤维研究设计院有限公司),这是一个修订项目,根据ISO新的规则,ISO将不再有“规格基础”类别的标准,因此此次修订,项目负责人将标准名称修改为“增强纤维——机织物——要求和规格”,并以该名称在ISO中央秘书处完成备案。该项目目前正在进行DIS投票(截止日期为2022年10月5日)。

(2)ISO/DIS 3616《纺织玻璃——短切原丝和连续长丝毡——平均厚度、压缩厚度和压缩复原厚度的测定》,项目负责人是徐琪(中国,南京玻璃纤维研究设计院有限公司)。2022年7月5日完成了DIS投票,13票赞成,0票反对,10票弃权,ISO中央秘书处提出了4条编辑性意见。项目负责人全部接受了这4条意见,并对标准文本进行了修改。会议决议项目跳过FDIS阶段,修改后的文本直接送ISO中央秘书处出版。

(3)ISO/DIS 4410《工程纺织品面内渗透特性的测定》,项目负责人是德国复合材料研究院的施米尔(Schmeer)博士,2020年立项。2021年进行了CD投票,9票赞成,其中2票附带意见(美国,俄罗斯),0票反对,8票弃权。CD投票后,项目负责人又针对一些技术性问题进行了试验验证,2022年3月WG1召开专门工作组会议,对试验验证结果和修改后的草案文本进行了详细的讨论,经委员会内部投票,同意项目进入DIS阶段,2022年6月30日开放了DIS投票,目前该项目尚处于DIS投票过程中。中国已完成了DIS投票,并提出了14条意见,其中编辑性意见11条,技术性意见3条。

(4)ISO/DIS 14126《纤维增强塑料复合材料——面内压缩性能的测定》,这是根据2019年复审意见进行的修订项目,项目负责人是英国NPL的西姆斯(Sims)博士和高尔(Gower)先生。2019年标准复审时有专家认为,ISO/14126:1999是二十多年前制订的,如今的复合材料与二十年前相比已不可同日而语,无论是产品的种类还是应用领域都有很大发展。例如:编织物单胞结构以及热塑性基材的应用;
大尺寸试样的测试要求对测试方法提出了新的挑战;
新技术在测试领域的应用,如液压夹紧替代机械紧固,数字图像分析等等,标准应适应这些新的变化。高尔先生介绍了2021年和2022年项目组所做的工作,针对WD投票的一些意见和DIS文件新增的内容进行了解释,如,为DIC测量试样边缘的应变编写了一个新的附录H。该项目将进行国际实验室的比对试验,比对试验拟分为两步:第一步:选取大约10到15个实验室,先获得现有基本方法的精密度数据(r和R)。基本方法为组合加载夹具,应变片测量位移。第二步:针对新型夹具(如ASTM D695)、更广泛的材料、应变测量的新方法,更大尺寸的试样等几个方面,选取少量有代表性的实验室进行调查。目前已完成了DIS稿,2022年6月25日已经向ISO中央秘书处提出了DIS注册申请,一旦注册完成即进行DIS投票。

(5)ISO/DIS 20975-1《纤维增强塑料——贯穿厚度性能的测定——第1部分:直接拉伸和压缩》,项目负责人是英国国家物理实验室(NPL)的高尔(Gower)先生。2022年进行了DIS投票,高尔先生报告了DIS投票的结果和对意见的处理情况,13票赞成,其中2票附带意见(中国和日本),0票反对,9票弃权。中国派专家参加了该项目,并参加了该项目的国际循环比对试验。会议决议项目进入FDIS投票阶段。

(6)ISO/CD 23927《层合板和模塑料—预浸料—粘性的测定》,项目负责人是韩国韩南大学崔善雄(Sunwoong Choi)教授,中国派专家参加了该项目。目前该项目计时钟已停止,准备进行国际实验室间的循环比对试验,已有德国Zwick、英国Instron、英国国家物理实验室(NPL)、日本东丽 (Toray)、南京玻璃纤维研究设计院(NGF)、韩国碳纤维产业研究院(KCTECH)、韩国韩南大学(HNU)等实验室报名参加。考虑到预浸料需要低温贮存,而循环比对试验的样品需要邮寄,在邮寄过程中样品脱离低温,且寄往每个实验室样品的运输周期和热经历也不相同,可能会对样品产生影响。为此,韩国进行了预浸料粘性随时间和温度衰减行为的验证试验。将预浸料分别在23℃,30℃,40℃温度下放置4 h到672 h (28 d)进行粘性的测量,得到结果如图1所示。

图1 预浸料粘性在不同温度下随时间的变化

可以看出,在约170 h以内,贮存温度对粘性的影响不大,超过170 h,随着贮存温度的升高,粘性明显降低。在23℃,放置260小时,粘度可基本保持不变,超过这个时间,粘度明显降低。而在40℃, 200 h,粘度就降低了一半多。因此项目负责人认为,即使在23℃下,也必须保证10天之内完成运输和测试,否则计划不可行。WG1会议决定在2023年1月或2月召开一次WG1会议,讨论国际RRT试验的操作细则。

(7)ISO/DIS 23930《纤维增强塑料复合材料——拉挤FRP型材全截面压缩试验》,项目负责人是中国清华大学的冯鹏教授,项目于2020年立项,这也是我国在复合材料领域提出的第一个国际标准项目。冯教授报告了DIS投票的结果:14票赞成,其中2票附带意见(日本、英国),0票反对,8票弃权。共收到意见30条,其中技术性意见6条,其余为ISO/CS的编辑性意见。项目负责人全部接受了这些意见,并对文本进行了修改。会议决议项目跳过FDIS阶段直接送中央秘书处出版。

(8)ISO/AWI8203《纤维增强塑料——无损检测技术》

这是包含了5个不同无损检测方法的系列标准,分别是ISO/NP8203-2相控阵和空气耦合、 ISO/NP8203-3热成像技术、ISO/NP8203-4激光错位散斑干涉、ISO/NP8203-5微波。这些不同方法相互补充,以覆盖不同的FRP材料和应用领域。项目由英国NPL的高尔(Gower)先生提出,经过三次投票,2022年成功立项。中国派专家参加了该项目。高尔先生介绍了项目的现状和NP 投票结果,所有文件均已注册为 NP。高尔先生介绍说这4个项目是非常成熟的,已经在欧洲EMRP ENG57 VICEA(复合材料在能源应用中的有效检验技术(2014-2017)应用了多年。会议建议该项目的所有部分同步推进,在2022年12月前提交工作草案。

(9)ISO/AWI 8605《纤维增强塑料—片状模塑料(SMC)—要求和规范》,这是中国在2021年会议上提出的项目,是对ISO8605:2001《玻璃纤维增强塑料—片状模塑料(SMC)—规格基础》的修订,项目负责人是北京玻璃钢研究设计院的王占东工程师,项目从NP阶段开始。2022年进行了立项投票,赞成9票,其中1票(日本)附带意见,0票反对,10票弃权,有7个国家(中国、捷克、法国、意大利、日本、韩国、英国)提名了专家参加该项目工作,项目成功立项。

此次修订主要有6个方面的修改:1.标题由“玻璃纤维增强塑料—片状模塑料(SMC)—规格基础”,改为“纤维增强塑料—片状模塑料(SMC)—要求和规范”;
2.增加增强纤维的种类,增加碳纤维(包括回收碳纤维)、玄武岩纤维、玻璃纤维/碳纤维混杂纤维;
3.增加按固化收缩率的产品分类,分为:通用、低收缩、微收缩、A级(零收缩)四种类别;
4.增加SMC产品代号;
5.根据树脂类别、增强材料类别、增强材料长度和分布形式以及占比、固化收缩率等对SMC进行标记,以更好地识别这些材料;
6.增加更多的产品物理化学性能表征参数和试验方法。

在草案的起草过程中,广泛征求了国内复合材料行业的意见,充分考虑了我国SMC产品生产应用现状和发展趋势,体现了我国SMC产业的技术水平和行业利益。会上项目负责人报告了NP投票的情况、对意见的回复和此次修订主要技术内容的说明,得到了与会专家的一致认可,会议同意项目跳过CD阶段直接进入DIS。项目负责人将于2022年12月底前完成DIS稿,提交ISO/CS备案,并进行DIS投票。

(10)ISO/CD 14127《碳纤维增强复合材料—树脂,纤维和孔隙率的测定》,这是中国在2021年会议上提案的项目,是对ISO 14127: 2008的修订。项目负责人是中国航发北京航空材料研究院田垚暐工程师。项目负责人报告了2022年进行的CD投票结果:11票赞成,其中1票(英国)附带意见,0票反对,7票弃权。此次修订除在原有的方法A去除树脂法和方法B厚度测量法基础上增加方法C光学显微镜法之外,还对标准的结构进行较大的改进,由原来“原理”、“仪器”、“操作程序”等章节都分别按不同方法进行表述,即按“原理”、“仪器”、“操作程序”设章,按不同方法设条,修改为按不同方法对原理、仪器和操作程序进行表述,即按不同方法设章,按“原理”、“仪器”和“操作程序”设条,简化了标准的章节层次,使标准条理更加清晰。会议同意项目进入DIS投票阶段。

(11)ISO/DIS 15024《纤维增强塑料复合材料—单向增强材料Ⅰ型层间断裂韧性GIC的测定》,这是对ISO 15024:2001的修订项目,2021年立项,项目从DIS投票阶段开始,项目负责人是日本宇宙开发署的原荣一(Hara Eiichi)博士。此次修订除增加一种插入铰链替代粘合负载块的试样形式,以解决难以粘合的材料或高温条件下测试的难题外,还对标准文本的其他内容进行重新修订。项目负责人报告了DIS投票结果:14票赞成,其中3票附带意见(日本,意大利,美国),0票反对,9票弃权。共收到意见39条,其中技术性意见2条,编辑性意见37条。美国提出了对“第4章原理”的修改意见,认为“原理”第二段关于“纤维桥接”的表述不恰当,会使人误认为在 DCB 测试中出现“纤维桥接”是由于试样分层在零度单向层之间增长所引起的。然而,有大量的实验证据表明,在纤维不同取向的层之间发生分层时也会发生纤维桥接。项目负责人接受了这个意见,删除了可能引起误导的语句。(为便于读者理解“纤维桥接”,南京玻纤院刘承光博士提供了DCB试验过程的照片,见图2)。

图2 DCB试验中的试样

意大利提出“第10章GIC的计算”中,公式(2)大位移修正值F计算公式有 误,公 式 中 第3项 的 系 数 应 为3/2而 非2/3。

项目负责人接受了这个意见,将公式(2)改为

会议同意项目跳过FDIS阶段,直接送中央秘书处出版。

(12)ISO/DIS 1172《纺织玻璃增强塑料—预浸料、模塑配混料和层合板—纺织玻璃和矿物填料含量的测定—计算法》,这是2021年立项的对ISO1172:1996修订的项目,项目负责人是德国复合材料研究院的施米尔(Schmeer)博士。项目负责人报告了修订的主要内容,主要是增加对灼烧坩埚或试样时达到“质量恒定”的定义,规定为“当两次连续称量的质量差小于试样质量的 0.5% 时”即认为达到质量恒定。DIS 文件已经准备好并发送给 ISO/CS备案,一旦完成备案即进行 DIS 投票。

(13)ISO/CD 8057《碳纤维增强塑料(CFRPs)和涂层保护的金属组件在中性氯化钠溶液中电偶腐蚀速率电化学测试方法》,2021年立项,项目负责人是日本宇宙研究开发署森本(T.Morimoto)博士,中国提名专家参加了该项目。在航空领域CFRP和金属用铆钉和螺栓联接的组件是广泛应用的,该方法用于测试和评价金属联接件与CFRP之间的电偶腐蚀速率。项目于2022年进行了CD投票,9个国家赞成,其中中国附带意见,无反对票,10个国家弃权。

中国在CD投票时,对草案提出了8条意见,其中2条编辑性意见,5条技术性意见,这些技术性意见主要有:1.建议本文的结构进行重新调整,在“操作程序”之前,给出方法的原理,并给出了原理的表述供项目负责人参考;
2.标准文本中无需给出公式的推导过程,如果这个过程对于理解标准确有必要,建议以资料性附录的形式给出;
3.文本中对腐蚀速率的评估分别在不同的条款中进行表述,建议将这些条款合并;
4.每个公式中应给出公式中每个符号所代表的参数,并应进行必要的数字或单位计算和简化;
5.建议以资料性附录的形式给出一个腐蚀速率评估的实例,以帮助标准的使用者更好地理解。PL全部采纳了中国的意见,并对标准文本进行了相应的修改。

会议同意项目进入DIS投票阶段。

(14)ISO/CD 8060《复合材料和增强纤维——碳纤维增强塑料(CFRPs)和金属组件——粘接界面耐久性的楔型试验》,2021年立项,项目负责人为日本国立先进工业科学与技术研究所堀内信(Shin Horiuchi)博士,中国提名专家参加了该项目。该方法是评估碳纤维复合材料与金属两种异质材料采用粘接的方式结合,粘接界面耐久性的试验方法,对于评价CFRP与金属组件的可靠性是非常必要的。在2022年进行了CD投票,有10个国家赞成,中国和意大利附带了意见,没有反对票,9个国家弃权。

中国在CD投票时提出了3条意见,其中1 条编辑性意见,2条技术性意见,这3条意见是:1.规范性引用文件ISO 22841:2020有误,应为ISO 22838:2020;
2.为了避免边缘效应,建议将试样板的尺寸由150 mm×250 mm改为185 mm×300 mm;

3.标准文本中提到“插入楔块产生的初始裂纹稳定后,测量裂纹长度”,可是标准中没有给出“稳定”的条件,无法判定什么情况下达到了“稳定”,建议给出一个测量时间间隔,经过这个时间间隔后,裂纹长度不再变化,即认为达到“稳定”。PL采纳了中国的2条意见,对于试样板的尺寸,PL认为根据他们的经验,给出的试样板尺寸足够了,如果尺寸太大,制样困难,质量难以保证,费用也会更高。但他将会修改为给出一个尺寸范围,而不是限定为固定的尺寸,以保证对不同实验室的适用性。

会议同意该项目进入DIS投票阶段。

(15)ISO/CD 8065《复合材料和增强纤维——用于评估粘接裂纹扩展的机械发光可视化方法》,2021年立项,项目负责人是日本国立先进工业科学与技术研究所寺崎岛(Nao Terasaki)博士,中国提名专家参加了该项目。该方法是利用涂覆在试样表面的应力发光材料,在试样应力集中处产生光点,通过摄像机追踪光点观测试样发生破坏的过程。在2022年进行了CD投票,有9个国家赞成,其中中国附带了意见,没有反对票,10个国家弃权。

中国在CD投票时给出了12条意见,其中9条编辑性意见,3条技术性意见。技术性意见主要有:1.文本中对“范围”的表述不清,意见中给出了“范围”的表述供项目负责人参考;
2.对试样上标注测量标尺的要求与其他相关标准不一致,建议与其他标准一致;
3.关于“裂纹尖端监测”,在原始图像上,机械发光(ML)最高的点不是细线,而是较宽的光斑。文本中提到“从原始图像转换的ML轮廓图像应该更容易识别反映裂纹尖端位置的最高 ML 点”。建议明确以下两点:a.是否可以使用原始图像,如果使用,如何确定尖端的位置(例如给出:“读取ML点的前缘,或后缘的位置”)。b.如何将原始图像转换为轮廓图像,对轮廓图像有什么要求。项目负责人全部采纳了中国的意见,并表达了衷心的感谢。

接下来,项目将在德国复合材料研究院、英国国家物理实验室、日本先进工业科学与技术研究院筑波分院、日本先进工业科学与技术研究院九州分院、日本岛津制作所等5个实验室进行RRT试验,以验证方法的可行性和给出精密度数据。

会议同意该项目进入DIS投票阶段。

2022年对12个标准进行了复审,结果如表1所示。

表1 WG1复审标准投票结果及复审结论

在此次复审中,北京玻璃钢研究设计院的王占东工程师对ISO 8606: 1990和ISO 22314: 2006提出了进行修订的提案。对ISO 8606:1990提出的修订意见如下:

1.国际标准已不再有“规格基础(Basis for a specification)”这类标准,建议标准名称改为“要求和规范(Requirements and specifications)”;

2.范围由“玻璃纤维”扩充到“玻璃纤维,碳纤维”。以更好地适应碳纤维,包括回收碳纤维产业的发展。

3.增加纤维的类别和代号。例如增加玻璃纤维代号GF;
碳纤维代号CF;
混杂纤维代号HF;
玄武岩纤维代号BF;
回收碳纤维代号RC。

4.增加产品收缩率代号,明确收缩率指标。如,通用型S4,固化收缩率0.2%~0.5%;
低收缩率S3,固化收缩率0.05%~0.20%;
微收缩S2,固化收缩率小于0.05%;
零收缩S1,固化收缩率为0。

5.增加BMC和DMC的产品代号,以识别不同增强纤维,不同树脂基体和不同固化收缩率。

6.增加和更新试验方法标准。

7.更新规范性引用文件。

提案得到了会议的支持,会议同意对该标准进行修订,由于修订内容较多,尤其是涉及到标准范围的扩大,会议决定项目从NP阶段开始,由王占东担任项目负责人。

对ISO 22314: 2006提出的修订意见如下:

1.修改马弗炉的要求。由“能保持625℃± 25℃的温度”,修改为“位于通风罩下,能保持625℃±20℃的温度”。建议添加通风罩以保持局部通风并提高马弗炉内温度控制的准确度。

2.增加称样质量和煅烧时间的表述。煅烧时间与物料的质量相关。例如增加“试样量应在2g至5g范围内”,或“若在1 h 30 min内未充分煅烧,可适当延长煅烧时间”等。提案中还给出了不同基材(PP、PA)、不同称样量和不同煅烧时间试样的分解情况的试验数据。

3.修改纤维长度的测量个数。由“手动测量(300±60)根”修改为“手动法测量(240~360)根,半自动法测量不少于360根。”手动方法准确,但速度较慢。半自动方法快,更节省时间。为确保测量数据的有效性,如果使用半自动方法,建议测量的纤维根数不低于手动方法测量根数的上限。

4.缺少 Lp/Ln 的描述。Lp是纤维平均长度,Ln是加权纤维平均长度,Lp/Ln值越接近1,说明纤维长度分布越集中。应增加对Lp/Ln 的描述:“表征纤维长度分布宽度的系数”。

中国的提案得到会议支持,会议同意项目立项,从DIS投票阶段开始,由中国的王占东担任项目负责人。

(1)ISO/PWI 13094 CFRP/金属粘接应力试验,提案人是韩国测试技术研究院的崔炳日(Byungil Choi)。为了减轻结构件质量,越来越多地使用轻质材料,如使用铝(金属)和碳纤维增强塑料制造车辆(或航空航天器),因此将由不同材料制造的各部件组合成一个整体是必不可少的。通常使用的异质材料连接方法有:机械紧固联接、冶金结合(焊接)、胶粘剂粘接结合等。使用胶粘剂的优点是最大程度的轻量化。异种材料粘接技术是当前研究的热点,粘接强度对于纤维增强层合板在复合应力状态下的失效预测具有重要意义,测试方法的开发对于粘接技术的发展具有重要作用。

提案给出了一种测定碳纤维复合材料/金属粘接接头联合应力的方法,用于评估碳纤维复合材料与金属粘接接头的结合性能,目的是提供碳纤维复合材料和金属组件多轴向粘结性能测试方法的指南,通过使用标准试样和夹具最大限度地减少联合应力的不确定性。方法中将给出试样制备方法、测试程序和结果分析指导等。

前期通过采用单一材料和两种异质材料的狗骨试样、蝶形试样、多层试样进行了拉伸、剪切的理论模拟和采用阿坎法(Arcan´s method,见图3)试验,使用碳纤维复合材料/铝粘接蝶形试样(见图4)进行0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°角度的拉伸试验,验证了方法的可行性。韩国将继续进行试验研究,同时计划在今年(2022)年底前提出标准草案进行NP投票。

图3 Arcan法试验夹具

图4 碳纤维复合材料/铝粘接蝶形试样

(2)ISO/PWI 13104 CFRP/金属粘接剪切试验(反对称法),提案人是韩国测试技术研究院的朴承表(Seungphyo Park)。近年来,各工业领域,特别是在航空航天、飞机、船舶、汽车、风力发电等,对碳纤维复合材料等超轻材料的需求不断增加。但是目前还缺少测定碳纤维复合材料和金属两种异质材料粘结剪切强度的方法。

提案给出了一种采用双切口试样测定纤维增强塑料和金属组件剪切粘结性能的方法(见图5),目的是提供碳纤维复合材料和金属组件粘结性能测试的指南,通过使用标准试样和标准测试方法最大限度地减少剪切强度的不确定性。方法中将给出试样制备方法、试验程序和结果分析指导等。

图5 反对称法剪切试验装置及试样

前期已经通过采用不同胶粘剂,包括:天然橡胶、淀粉、丙烯酸、聚氨脂、环氧、聚醋酸乙烯酯、有机硅,和采用不同厚度2mm和5mm的试样进行了验证试验,初步得到以下结论:胶粘剂的剪切粘结强度因聚合物的种类而不同,大多数胶粘剂的剪切强度都在30MPa以下。太薄的试样(厚度小于5mm)测试结果离散性较大,不适用于这种方法,但5mm以上的试样应是可行的。韩国将继续进行试验研究,同时计划在今年(2022)年底前提出标准草案进行NP投票。

(3)“回收碳纤维——嵌入聚合物基体中的单丝拉伸强度分布和界面剪切强度的测定”(暂定名称),提案人是日本产业技术研究院(AIST)的杉本(Yoshiki SUGIMOTO)博士。在可持续发展的社会中,循环利用技术是扩大碳纤维复合材料应用的重要途径,而回收碳纤维(RCF)作为一种增强纤维使用,对其强度和表面状态的了解是非常重要的。目前对于长度很短(小于10mm)的回收碳纤维的强度还没有可以应用的测试方法,因此需要建立新的试验方法标准。

有一种新的试验方法(发表于《Carbon》2020年5月第161卷,第83~88页),适用于短纤维(5-10mm),可测试纤维的拉伸强度分布和纤维-聚合物基体界面间的剪切强度。

通过使用如图6所示的试样测量拉伸应变,可得到纤维应变和断点密度的双对数见图7。在小应变区,通过评估纤维强度的分布,其中m为威布尔形状参数,σ0为威布尔尺度参数,E为碳纤维拉伸模量。在饱和应变区,通过评估界面的剪切强度,其中Γ(x)为伽玛函数,λ∞为饱和断点密度。建立这个试验方法标准估评回收短碳纤维的强度分布和界面剪切强度,并可将该方法作为回收碳纤维用于增强纤维使用的潜在估评方法。

图6 试样示意图

图7 纤维应变和断点密度双对数图

(4)“纤维增强复合材料——微观力学单纤维拨出试验测量界面剪切强度”(暂定名称),提案人是德国Textechno(纺织测试技术)公司的英格斯伯格(Erich Ingelsberger)先生。关于增强纤维和聚合物的界面强度的测试方法,有宏观力学和微观力学法,宏观力学测试结果受纤维含量、纤维取向、纤维长度、孔隙含量、纤维分布的均匀性、纤维性能、纤维直径、基体性能、纤维与聚合物的粘合等因素的影响;
微观力学测试结果与纤维性能、纤维直径、基体性能、纤维与聚合物的粘合相关。微观力学的影响因素要少的多,更具有客观性。微观力学测试可分为两类:外部载荷直接施加到纤维上的试验:a)拨出(pull-out)、b)微脱黏(microbond)、c)压出(push-out)和载荷施加到基体上的试验:d)包埋试验(fragmentation test)、e)布劳特曼试验(Broutman test)。微观力学试验方法示意见图8。

图8 微观力学5种试验方法示意

拨出法(pull-out test)是微观力学试验中最通用的方法,适用于各种纤维(玻璃、碳)和基体(热塑性、热固性),德国在2022年8月新发布了DIN SPEC.19289《纤维增强复合材料——微观力学单纤维拨出试验测量界面剪切强度》标准,试验设备已产业化。英格斯伯格先生建议在此德国标准的基础上研制国际标准。该方法的试样见图9。

图9 拨出法试样

图10是一个玻璃纤维单丝从环氧树脂中拨出试验的典型力——位移曲线。当力开始作用于纤维时,纤维和树脂界面开始出现裂纹,随着力的增加,裂纹沿纤维和树脂界面逐渐扩展,直至到达纤维尖端,此时力值达到最大值。然后是纤维从树脂中逐渐拨出。通过最大力值出现之前的曲线(裂纹扩展过程)可以得到局部界面剪切强度τd和临界能释放率Gic,根据裂纹到达纤维尖端时的最大力值计算表观界面剪切强度τapp。

图10 玻璃纤维单丝从环氧树脂拨出试验典型力——位移曲线

提案得到了会议的支持,SC13同意2023年启动新工作项目,新工作项目将由WG1处理。

日本东丽公司山口(Yamaguchi)博士代表日本和韩国报告了成立“回收纤维”新工作组的计划。该项提案是为贯彻欧洲、日本、韩国等各个地区和国家提出的循环经济行动计划,应对公众严重关切的挑战,采取协调一致的行动,推动回收材料的应用研究,于2021年SC13第34届全会上提出的(详见2021年参加ISO/TC61/SC13年会报告)。山口博士介绍了成立新WG计划、WG的范围和WG短期及长期目标。计划2023年9月新工作组正式成立。2023年韩国负责提出回收纤维定义、命名和规范的新项目提案,日本负责提出回收纤维评价方法的新项目提案。到2030年形成较为完善的术语/命名/规范、机械性能、电性能、表面特性和包括化学及物理性能在内的其他性能评价的“回收纤维”标准体系。

韩国韩南大学崔善雄教授报告了韩国关于建立回收碳纤维标准体系的设想。标准体系将由3部分组成:第1部分:术语/命名/规范;
第2部分:试样和方法;
第3部:产品(织物、无纺布、配混料等)。术语标准,给出术语的定义,如recycled(回收), reused(再生),recovered(恢复)等名词的定义;
命名标准,将给出回收碳纤维(如图11所示)的命名方法,包括回收的途径,纤维的长度,形态等,如:标准长度12mm短切碳纤维丝束代号:RCF-Ct-12-S-XX;
规范标准:给出产品性能,例如表2所示。

图11 回收碳纤维

表2 设计的回收碳纤维表征参数

ISO/TC 61/SC 13 接受了成立“回收纤维”新工作组的提案,并同意开始筹建。经SC13成员讨论修改,新工作组的范围为:“致力于回收增强纤维,例如玻璃纤维和碳纤维等,重点评估回收纤维及其制品(例如机织物和毡)的性能和特性以及定义回收纤维和回收方法。但不包括复合材料中的原始/回收树脂和塑料”。

日本和韩国分别推荐了召集人的候选人。

日本推荐的候选人是岩下(Norio Iwashita)博士。1992年北海道大学获博士学位,目前就职于日本国立先进工业科学技术研究院 (AIST) 的日本国家计量研究所 (NMIJ)。专业特长:碳材料和碳纤维的表征,人造石墨和碳纤维增强复合材料的高温性能测量等。

韩国推荐了两位候选人,分别是:

李海成(Haeseong Lee)教授。韩国全州大学碳和纳米材料工程系教授。美国约翰霍普金斯大学获得博士学位。职业专长:利用SEM、TEM、XPS、AFM等对碳纳米管、石墨烯、炭黑、碳纤维等进行表征。CFRP和CF的加工和制造。韩国回收碳纤维咨询委员会成员。在2004年至2017年曾担任ISO/TC201/SC9主席,2011年至2013年曾担任IEC /TC119经理;
目前担任ISO/TC61 AHG2、ISO/TC201/SC9/WG6和IEC /TC113/WG14召集人。

崔善雄(Sunwoong Choi)教授。韩国韩南大学聚合物科学与工程系教授。美国伊利诺伊理工学院获得博士学位。职业专长:聚合物及复合材料的力学行为、设计、加工和制造;
实验室力学;
韩国回收碳纤维咨询委员会成员。曾担任ISO/TC61/SC9秘书;
目前担任ISO/TC61/SC2主席,ISO/TC61/SC2/WG7、ISO/TC61/SC10/WG12和ISO/TC38/SC5/WG17召集人。

会上日本和韩国就召集人人选进行了充分的辩论,SC13决定将通过投票的方式最终确定新WG的召集人和秘书。

今年会议中国取得了丰硕的成果,会议上 形成的20项2022年SC13新决议(决议 8/2022到 27/2022,决议 1/2022到 7/2022先前已做出)中与中国相关的有6项:

2022决议第8项,TC 61/SC 13 接受WG1的建议,同意ISO/DIS 3616《纺织玻璃——短切原丝和连续长丝毡——平均厚度、压缩厚度和压缩复原厚度的测定》跳过FDIS,直接送ISO/CS出版。项目负责人徐琪,中国。

2022决议第12项,TC 61/SC 13 接受WG2的建议,同意ISO/DIS 23930《纤维增强塑料复合材料——拉挤FRP型材全截面压缩试验》跳过FDIS,直接送ISO/CS出版。

提交修订草案的目标日期是2022年12月。项目负责人冯鹏,中国。

2022决议第14项,TC 61/SC 13 接受WG2的建议,同意ISO/AWI 8605《玻璃纤维增强塑料——片状模塑料(SMC)——规格基础》进入DIS投票阶段(跳过CD)。项目负责人王占东,中国。

2022决议第15项,TC 61/SC 13 接受WG2的建议,同意ISO/CD 14127《碳纤维增强复合材料——树脂、纤维和孔隙含量的测定》进入DIS投票阶段,提交草案的最后日期为2022年12月31日。项目负责人田垚暐,中国。

2022决议第18项,TC 61/SC 13 接受WG2的建议,同意修订ISO 8606:2001《塑料——预浸料——块状模塑料(SMC)和团状模塑料(DMC)——规格基础》,标准名称和范围改变,从NP投票阶段开始,提交NP投票文件的最后日期为2023年3月31日。项目负责人王占东,中国。

2022决议第19项 TC 61/SC 13 接受WG2的建议,同意修订ISO 22314:2006《塑料——玻璃纤维增强制品——纤维长度的测定》,从DIS投票阶段开始,提交DIS投票文件的最后日期为2023年3月31日,项目负责人王占东,中国。

今年会议中国的成绩主要有以下几方面:1.中国担任项目负责人2个项目,已提前完成起草阶段的全部工作,即将提交ISO中央秘书处出版发布(预计2023年上半年可出版);
2.中国担任项目负责人的3个在研项目顺利进行入下一阶段;
3.争取到2个新项目的项目负责人(其中一个项目将于2023年进行立项投票),这2个项目也是今年SC13会议上仅有的2 个新立项项目,展现出了中国在增强纤维和复合材料的国际标准化领域继续发挥着重要的作用。

目前,中国除有4名专家担任项目负责人主导的国际标准外,2022年新提名专家参加了4项新项目,新注册工作组专家2人。在研项目中,有中国专家参与的项目有:ISO/DIS 4410、ISO/DIS 20975-1、ISO/CD 23927、ISO/CD 8057、ISO/CD 8060、ISO/CD 8065、ISO/AWI 8203-2、ISO/AWI 8203-3、ISO/AWI 8203-4、ISO/AWI 8203-5。在这些研究项目中,中国都发挥了积极的作用:参加循环比对试验,为国际标准的建立提供验证数据;
对投票文本进行研究,提出实质性修改意见。2022年参加了1项循环比对试验,对5个项目草案提出了修改意见,共提出意见44条,大部分被采纳,其中技术性意见15条,全部被采纳。2022年完成复审标准12项,并对其中2个标准提出了修订意见,得到支持并承担项目负责人。为中国争取了更多的话语权,也更好的展现了中国的技术实力和科技发展水平。

通过参加国际标准化活动,我们能深刻地感受到作为新材料一个重要分支的增强纤维和复合材料产业和技术的快速发展。作为承担增强材料和复合材料国际标准制订的组织ISO/TC61/SC13,是一个非常活跃的技术委员会,每年都有新标准发布,每年都有新项目立项,特别是近些年新研制标准聚集于碳纤维复合材料的应用性能评价,如碳纤维复合材料和金属粘接的界面强度、韧性、电化学性、耐久性,机械结合的强度、电偶腐蚀的速度等这些都是表征碳纤维复合材料长期安全使用的关键特性,去年又提出了聚集于“回收纤维”技术标准的新工作领域,这些都是产业发展热点的风向标,展现了全球新材料产业发展的旺盛活力。

虽然近年来中国参加SC13的活动非常积极,每年都有新的突破,也得到了SC13各成员国的充分肯定和认可,但与先进国家相比,仍有很大的差距,基础科研的水平还不够,行业的整体实力还有较大差距。需要我们更加的勤奋,更多创造性思维,去努力争取实现新的突破。

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