GBT 47407-2026 复合材料液体成型用纤维增强材料面内渗透特性的试验表征方法标准立项发展报告

复合材料液体成型用纤维增强材料面内渗透特性的试验表征方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:TestandCharacterizationMethodsforIn-PlanePermeabilityofFiberReinforcementsforLiquidCompositeMolding摘要液体成型工艺（LiquidCompositeMolding,LCM）是高性能纤维增强树脂基复合材料构件低成本、高效率制造的核心技术路线，其成型质量高度依赖于纤维增强材料在模具型腔内的渗透特性。面内渗透率作为描述树脂在纤维预成型体中流动行为的关键物理参数，直接决定了充模时间、模腔压力分布以及最终制品的孔隙含量与力学性能。然而，长期以来我国在该领域缺乏统一的国家标准，各研究机构和企业采用的测试装置、试样方案与数据处理方法差异显著，导致测试结果可比性差、数据复用率低，严重制约了工艺仿真精度的提升与材料数据库的共建共享。本报告基于GB/T47407—2026《复合材料液体成型用纤维增强材料面内渗透特性的试验表征方法》标准的研制立项，系统阐述了标准的编制背景、技术框架与核心内容，重点分析了径向流动法与单向流动法两类测试原理的技术特征与适用边界，梳理了试样制备、测试参数设置、数据处理及结果报告等关键技术环节的规范要求，并对标准的主要参与单位进行了介绍。本报告的编制旨在为标准发布后的宣贯实施提供技术参考，并为后续开展层间渗透特性表征、织物变形耦合渗透率测试等延伸性标准研制奠定基础。关键词：复合材料；液体成型；纤维增强材料；面内渗透率；试验表征；国家标准；标准化Keywords:Composites;LiquidCompositeMolding;FiberReinforcement;In-PlanePermeability;TestCharacterization;NationalStandard;Standardization1引言1.1研究背景复合材料液体成型技术是将液态树脂在压力驱动下注入铺放有干态纤维增强材料（即预成型体）的闭合模具中，待树脂充分浸润纤维后经固化成型获得复合材料构件的一类工艺方法，主要包括树脂传递模塑（RTM）、真空辅助树脂传递模塑（VARTM）、树脂膜熔渗（RFI）及结构反应注射模塑（SRIM）等工艺形式。与传统的热压罐预浸料工艺相比，液体成型技术具有制造成本低、生产周期短、构件尺寸不受热压罐限制、可实现复杂结构整体化成形等突出优势，已广泛应用于航空航天、风力发电、轨道交通、舰船制造以及新能源汽车等领域。近年来，随着碳纤维成本下降与大尺寸风电叶片、航空次级结构件等应用需求激增，液体成型工艺的市场占比持续攀升，已成为复合材料低成本制造的首选技术方案。在液体成型过程中，树脂在纤维预成型体中的流动行为决定了充模质量。作为表征多孔纤维介质对流体传输阻力的本征参数，渗透率（Permeability）是Darcy定律中的核心物理量，其数值大小及方向性直接影响充模时间、注射压力、流动前沿形态以及干斑（DrySpot）等缺陷的形成与演化。对于典型的多层纤维织物预成型体而言，面内渗透率（In-PlanePermeability）决定了树脂在织物平面方向的流动速率，是开展充模过程数值模拟、模具流道优化设计以及工艺窗口制定的关键输入参数。值得强调的是，纤维增强材料的渗透特性并非仅由纤维本身属性决定，而是纤维体积分数、织物组织结构、铺层方式、层间界面状态以及测试流体性质等多因素耦合作用的综合表现，这使得渗透率的准确测定面临巨大的方法论挑战。1.2国内外标准化现状与问题分析从国际范围来看，目前尚无关于纤维增强材料渗透特性测试的统一国际标准。尽管ISO/TC61（塑料）和ISO/TC41/SC13（复合材料增强纤维）等分技术委员会关注到相关需求，但尚未发布专门针对面内渗透率测试的正式标准文件。当前国际上影响较广的技术参考主要是由美国Delaware大学复合材料中心（UD-CCM）发起的Benchmark系列实验比对活动。其中，来自全球多个国家的若干知名研究机构联合开展的渗透率比对研究，对单向流动法和径向流动法的测试规程进行了系统评估，识别出导致测试结果离散的主要误差源，并提出了改进实验设计的系列建议。此外，日本工业标准调查会（JIS）和欧洲航空航天标准化组织（AECMA）虽在复合材料测试标准方面较为活跃，但尚未发布等效的面内渗透率测试标准。这意味着，国际上各实验室普遍依据自行建立的测试规程或学术文献中发表的方法开展测量，跨实验室的数据可比性始终未能得到有效解决。就国内而言，全国纤维增强塑料标准化技术委员会（SAC/TC39）归口管理着大量纤维增强塑料试验方法标准，但在渗透特性表征方向上尚存在明显空白。现行国家标准体系中，有关纤维增强材料物理性能测试的标准主要聚焦于面密度、厚度、拉伸强度、织物结构参数等常规指标的测定，尚未覆盖渗透率这一关键的工艺性能参数。行业内各复合材料研发机构、生产企业及高校实验室多参考国外学术文献或企业内部规范开展渗透率测试，所采用的测试模具结构差异显著（包括腔体尺寸、注入口形式、传感器布设方案等），试样尺寸与铺层方案互有不同，流体介质选择与数据归算方法亦不尽一致。这种"各自为政"的测试格局所造成的最直接后果包括：其一，不同来源的渗透率数据离散度过大，文献间的数据无法横向比较；其二，由于测试条件与数据归算方法不统一，材料供应商提供的渗透率数据在数值上缺乏可靠的物理意义，难以直接作为工艺仿真的输入参数；其三，工艺仿真模型的验证工作因缺乏基准数据而面临根本性障碍。1.3标准立项的必要性在上述背景下，研制并发布统一的面内渗透特性试验表征方法国家标准具有如下必要性与紧迫性：-统一测试方法与数据可比性的内生需求。建立统一规范的测试规程，系统规定试验装置要求、试样制备流程、测试参数选取原则以及数据处理与结果表达方法，是消除实验室间系统偏差、实现渗透率数据跨机构互认的基础性前提。-支撑复合材料液体成型工艺数字化发展的迫切要求。随着工艺仿真技术（如RTM-Worx、PAM-RTM、Flow-3D等）在航空复材结构研制和风电叶片开发中的深度应用，高精度、高可信度的渗透率输入数据已成为制约仿真预测精度的关键瓶颈之一。1.4标准编制目的与适用范围本标准的编制旨在建立一套科学、规范、可操作且具有良好重复性和复现性的纤维增强材料面内渗透特性试验表征方法，面向液体成型工艺用单向织物、机织物、多轴向经编织物、针织物及非织造毡等多种纤维增强材料结构形式。标准涵盖单向流动法与径向流动法两类基本测试原理，规定了稳态与非稳态（流动前沿追踪）两类测试模式的技术要求，适用于纤维体积分数范围通常在40%~65%之间的预成型体（具体适用体积分数范围与测试流体和织物压缩特性相关）。标准的发布将为复合材料液体成型工艺的研究开发、材料选型评价、工艺仿真输入数据获取以及质量控制提供统一的技术依据。2标准编制原则与依据2.1编制原则本标准的编制遵循"科学性、适用性、协调性和开放性"四大原则。科学性原则体现为测试方法的建立以Darcy定律和多孔介质渗流力学理论为基础，每一技术环节的设定均有明确的物理依据或实验验证支撑；适用性原则要求标准不仅适用于标准化实验室条件下的理想测试，还需兼顾工程实践中的多样化材料类型和测试需求，设置必要的参数调整空间；协调性原则要求在条目设置和技术指标方面与我国现行复合材料试验方法标准体系保持协调一致，避免冲突与重复；开放性原则则意味着标准在技术内容框架设置上充分吸收国际先进研究成果与Benchmark比对经验，为后续修订升级预留接口。2.2编制依据本标准的编制以下列文件和研究成果作为技术依据：-GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》-GB/T1446《纤维增强塑料性能试验方法总则》-GB/T18374《纤维增强塑料术语》-ISO14110《纤维增强塑料复合材料——预浸料、复合成型化合物和层压板——渗透性的测定》中可参考的技术框架-国际复合材料界渗透率测试Benchmark比对研究（包括美国Delaware大学发起的国际比对项目及后续相关研究）所形成的研究成果与建议-国内外在流体饱和多孔介质渗流表征领域的经典理论与实验研究成果3标准主要内容3.1术语体系与符号定义标准首先建立了完整的术语体系，对以下核心概念给出明确定义：面内渗透率（In-PlanePermeability），指在预成型体平面方向上，饱和流体在压力梯度驱动下通过多孔纤维介质的传输能力；渗透率张量主方向（PrincipalDirections），即纤维织物平面内渗透率达到最大值和最小值所对应的两个相互正交的方向；达西速度（DarcyVelocity）与孔隙流速（PoreVelocity）的区别及换算关系；测试腔体（TestCavity）、流动前沿（FlowFront）、注入口（InletPort）与排气口（VentPort）等试验装置术语。符号系统涵盖面内渗透率张量的分量表示（K₁₁、K₂₂）、纤维体积分数\(V_f\)、测试流体动力黏度μ、体积流量Q和压力梯度ΔP/L等关键参数的规范化表达。3.2测试原理：两类基本方法3.2.1单向流动法（UnidirectionalFlowMethod）单向流动法采用具有恒定截面积的矩形流道测试腔体。将裁剪至规定尺寸的纤维增强材料按设定铺层方案装入模腔，合模后获得具有规定厚度（通常设定为2~4mm，可通过垫片控制）的纤维预成型体。测试时，流体（通常采用黏度已知且为牛顿型的硅油或矿物油，黏度范围建议为50~500mPa·s以确保流动前沿稳定推进）在恒定压力或恒定流量驱动下从流道一端注入，沿纤维平面方向（即长度方向）一维流动至另一端排出。在稳态测试模式下，待流量和进出口压差达到稳定后，同时测量体积流量Q和进出口压差ΔP，按式（3-1）计算渗透率：\[K=\frac{Q\cdot\mu\cdotL}{A\cdot\DeltaP}\tag{3-1}\]式中：K为面内渗透率（m²）；Q为体积流量（m³/s）；μ为流体动力黏度（Pa·s）；L为流体在渗透方向上的流动长度（m）；A为垂直于流动方向的截面积（m²）；ΔP为进出口之间的压力差（Pa）。对于非稳态模式，则通过追踪流动前沿位置随时间的变化历程，利用Darcy定律的积分形式对渗透率进行拟合求解。单向流动法的核心优势在于流场简单、数据归算直接、理论模型成熟；其局限性在于仅能表征沿流道方向的单一渗透率分量，若需确定织物面内渗透率张量的两个主值，则需分别沿经向（0°）和纬向（90°）方向裁剪试样进行两次独立测试。此外，试样边缘与模腔内壁之间的密封效应可能导致边缘优先流动而引入测量偏差，需要精心的密封设计加以抑制。3.2.2径向流动法（RadialFlowMethod）径向流动法采用圆形测试腔体。纤维增强材料预成型体平铺于圆盘形模腔内，流体通过位于腔体中心（或偏置以实现各向异性表征）的注入口注入预成型体，在恒定注入压力或恒定体积流量的驱动下沿径向流动，在平面内形成逐渐扩展的圆形或椭圆形湿润区域。依据在试样边缘或特定位置布设的压力传感器阵列，结合流动前沿的实时追踪图像，可在单次测试中同时获取面内渗透率张量的两个主值及其主方向方位角。对于各向异性织物，流动前沿呈椭圆形，其长轴和短轴分别对应渗透率的主方向。非稳态径向流动的数据处理基于以下关系式（以椭圆流动前沿为例）：\[x_f^2=\frac{2K_x\cdott}{\mu(1-V_f)}\cdot\frac{\DeltaP}{\ln\left(\dfrac{r_f}{r_0}\right)}\tag{3-2}\]实际数据处理过程中，通常以流动前沿位置平方\(r_f^2\)对时间t作图，利用线性段斜率结合注入压力数据进行张量求解。径向流动法避免了单向流动法中试样边缘密封效应的影响，并且在单次试验中即可获取完整的渗透率张量信息，具有实验效率高、物理信息丰富的优势。然而，其数据归算过程相对复杂，对传感器布设和图像采集系统的空间分辨率要求较高。标准对两类方法的基本原理、适用范围、装置要求和操作规程分别进行规定，材料研发和质量控制为目的的测试可优先选用操作更为简便的单向流动法，而以获取完整的渗透率张量数据为目标的工艺仿真输入数据的测定则应优先选用径向流动法。标准亦明确两种方法可以相互验证，鼓励有条件的研究机构使用两种方法进行比对。3.3试验装置与仪器要求标准对试验装置各组成单元的功能和技术性能提出明确规定，核心装置构成及要求如下：-模腔系统：单向流动法模腔为矩形流道（典型规格：长度100~300mm、宽度50~100mm），径向流动法模腔为圆盘形腔体（典型直径：200~300mm）。模腔壁面需具有足够的刚度和平面度，合模后模腔内预成型体的厚度均匀性偏差不应超过±0.05mm。模腔设计需充分考虑密封方式，确保测试过程中无沿边缘或层间的优先泄漏通道。-压力控制与测量单元：采用压力传感器进行注入口和排气口压力采集，传感器量程和精度需与典型测试条件匹配（量程通常为0~500kPa，精度不低于满量程的±0.5%）；压力控制推荐采用高精度压力调节阀，实现恒压或恒流驱动模式。-流体注入与计量系统：注射泵宜采用可在恒定流量与恒定压力模式间切换的精密计量泵，流量精度不低于设定值的±1%；流体系统应设置过滤和脱泡装置以避免气泡进入预成型体影响测试结果。-流动前沿实时追踪单元：推荐采用高分辨率工业相机（建议分辨率不低于1200万像素，帧频不低于10fps）配合透明模腔盖板（采用高刚度钢化玻璃或透明PC板）进行流动前沿的图像记录；也可在模腔上下盖板内嵌布设基于介电或电阻原理的线性传感器阵列进行流动前沿电信号追踪。3.4试样制备与参数设定织物裁剪与铺层：依据所用测试方法，将纤维增强材料裁剪至规定尺寸。对单向流动法，分别沿经向（0°）和纬向（90°）裁剪两组试样以分别测定两个方向渗透率；对径向流动法，单张织物圆片即可满足测试要求。多轴向经编织物等非正交结构织物应根据实际铺层要求确定铺设角度方案。铺层层数应确保预成型体厚度满足测试腔体设定厚度要求。纤维体积分数与模腔厚度的关系：纤维体积分数由织物面密度、铺层层数和模腔厚度共同决定。按式（3-3）计算：\[V_f=\frac{n\cdotG}{\rho_f\cdoth}\times100\%\tag{3-3}\]式中：n为铺层层数；G为单层织物面密度（g/m²）；ρ_f为纤维体积密度（g/cm³）；h为模腔厚度（mm）。测试报告应明确给出实测纤维体积分数值，并在试样数量上满足统计学要求以便计算标准差。测试流体选择：标准推荐采用黏度稳定、化学惰性良好、牛顿流体特性明确的硅油或矿物油作为测试流体，动力黏度推荐范围为50~1000mPa·s（具体数值应根据纤维体积分数和预期渗透率范围调整，以保证流动前沿以可控速度推进