纤维增强材料渗透性测量：ISO 4410:2023标准浅析

引言：复合材料制造中的关键参数

在现代复合材料制造领域，液体复合成型(LCM)技术已成为生产纤维增强复合材料部件的核心工艺，广泛应用于汽车、航空航天、船舶和能源等行业。这一工艺过程中，干燥的纤维增强材料被低粘度液态树脂系统(粘度通常<1Pa·s)浸渍，随后固化形成刚性基体。浸渍过程由施加压力(注射)或真空(灌注)或两者共同驱动。要实现短周期时间和高稳健性——即快速浸渍和最小化不完全饱和风险——工艺设计必须基于对材料特性的深入理解。

在这一背景下，纤维增强材料的渗透性成为决定工艺成败的关键参数。达西定律(Darcy's law)被证明主导着浸渍进程，它将相平均流速与施加的压力梯度、动态树脂粘度和增强材料的流体渗透性联系起来。渗透性作为一个等效参数，代表了这种本质上非均质材料的均质化特性，其单位为m²，与增强材料的结构几何形状相关。由于纤维排列的方向性，渗透性通常呈现各向异性，并由对称的二阶张量描述。

一、行业痛点：缺乏统一测量标准

尽管LCM工艺应用广泛且渗透性参数至关重要，但直到2023年前，行业内始终缺乏统一的渗透性测量标准。数十年来，全球研究人员一直在努力理解增强材料渗透性测量变化背后的影响因素。这一研究领域迅速发展，文献中报道了众多实验方法。实验渗透性表征在系统研究和为工艺模拟提供输入方面发挥了关键作用，成为工艺和材料优化的基础。

然而，由于织物的特殊性质和结构，现有的针对土壤、包装或服装材料的空气、水或蒸汽渗透性标准均不适用甚至无法调整。过去十年的研究表明，虽然渗透性实验原理简单、易于设置和实施，但要获得高质量且可重复的测量结果却相当复杂。正如第一次基准测试活动所显示，不同研究人员对同一种织物测得的渗透性值可能存在数量级上的差异。

二、标准化之路：从基准测试到国际标准

面对这一挑战，科学界采取了系统性行动。在2019年初，这一议题首次通过DIN塑料标准委员会被引入德国标准化机构DIN。由于曾组织过最后一次国际基准测试的Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe(IVW)在该委员会中已有代表，DIN委员会决定支持这一提案，并接触ISO委员会ISO/TC61/SC13/WG1，后者负责纤维增强塑料的测试方法标准化工作。

经过三次基准测试研究和专门的标准化项目，ISO 4410:2023标准终于在2023年7月发布。这一标准为LCM用增强材料的不饱和面内渗透性实验表征提供了明确指南，规定了测试设备、测试方法和数据分析的要求，以确保结果的最佳准确性和可重复性。

三、标准核心内容与行业影响

ISO 4410:2023标准的诞生标志着纤维增强材料渗透性测量进入了规范化时代。该标准系统性地解决了长期以来困扰研究者和工程师的测量一致性问题，其科学价值和工业意义主要体现在三个维度。

在测试设备方面，标准对模具系统、压力控制系统和数据采集设备等关键组件提出了精确的技术要求。这些规定并非简单的技术参数堆砌，而是基于多次国际基准测试得出的最优平衡点。例如，对模具平整度的严格要求直接源于基准测试中发现微小间隙会导致显著测量偏差的教训。这种"技术参数背后的科学考量"贯穿整个标准，使设备制造商和用户都能理解每项要求的必要性。

测试方法的标准化是该标准最具突破性的部分。通过将学术界多年积累的两种主流方法——恒定流量法和恒定压力法——进行系统梳理和优化，标准创造性地保留了方法灵活性同时确保了结果可比性。这种平衡体现了标准制定者的智慧：既不一刀切地强制单一方法，也不放任各种方法随意发展。标准中对操作流程的详细规定，实际上是对过去二十年来各实验室最佳实践的提炼和固化。

在数据分析领域，标准带来的变革尤为显著。传统上，不同研究团队采用的数据处理方法各异，导致同样的原始数据可能得出相差数倍的结果。新标准通过规范数据滤波算法、达西定律应用形式和不确定度评估方法，从根本上解决了这一问题。这种标准化不仅提升了研究质量，更为工业界建立统一的产品性能数据库奠定了基础。

四、挑战与未来展望

尽管ISO 4410:2023标准取得了重大突破，但复合材料渗透性测量的标准化进程仍面临诸多挑战，这些挑战也指明了未来发展方向。

当前标准的适用范围主要局限于面内不饱和渗透性，这反映了标准制定过程中"先易后难"的务实策略。面外渗透性和饱和状态的测量标准化工作已在全球多个实验室展开，初步基准测试结果显示，这些领域的测量一致性挑战更大。特别是饱和渗透性受树脂固化过程影响显著，需要开发新的测试理念和装置。

工业应用的复杂性提出了更深层的问题。实际生产中，多层、多取向的复合材料结构是常态，而现有标准主要针对单层材料。如何建立从单层测量到复杂结构性能的可靠预测模型，需要材料科学家、数学家和应用工程师的跨学科合作。一些前沿研究已经开始探索基于数字图像相关技术的全场测量方法，这可能为未来标准的扩展提供技术支撑。

随着复合材料制造向智能化方向发展，渗透性数据的应用场景也在扩展。数字孪生技术需要实时、可靠的渗透性数据支持，这对测量速度和数据格式都提出了新要求。未来的标准修订可能需要考虑与智能制造系统的兼容性，开发标准化的数据接口和传输协议。同时，多物理场耦合效应——如温度场、应力场对渗透性的影响——的标准化表征也是亟待解决的难题。

这些挑战恰恰说明了ISO 4410:2023标准的重要历史地位：它既是过去研究的总结，更是未来工作的起点。标准的真正价值不仅在于当前文本中的技术条款，更在于它建立了一个可持续发展的标准化框架。随着新技术的出现和新问题的发现，这一标准必将不断演进，推动整个复合材料行业向着更精确、更高效的方向发展。

参考资料

1、D. May et al., A new ISO standard for the experimental characterization of in-plane permeability of fibrous reinforcements,Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,Volume 190,2025,108592,ISSN 1359-835X,https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108592.