布里斯托大學復合材料中心（ACCIS）于2018年研究出HiPerDiF（High Performance-Discontinuous Fibre）裝置，用于制造高度定向排列的短纖維復合材料。研究發現，高度定向排列的不連續纖維復合材料在纖維的縱橫比足夠支持荷載傳遞時，短纖維增強復合材料也可以獲得優異的性能。
這種短纖維增強復合材料主要有兩個方面的優點：第一，可以改善纖維復合材料產生裂紋時的局部失效程度；第二，可以將纖維廢料例如碳纖維布裁剪后的余料很好的利用起來，達到節能減排的目的。
纖維廢料通常是纖維布在裁剪后的余料，其尺寸有限不足以再制作常規復合材料。因此，利用短纖維增強原理，可以很好地將工業生產中的纖維廢料進行回收利用，制成短纖維增強復合材料。本文主要介紹HiPerDiF短纖維增強復合材料制造工藝。
一、制造工藝——HiPerDiF
目前幾種常用的將短纖維定向排列的制造工藝分別是電場排列法、磁場排列法和氣動排列法。
其中電場排列法和磁場排列法只能將特定類型或特定長度的短纖維進行定向排列，但通常只能保證70%的纖維定向排列在±20°的范圍內；氣動排列法生產效率更高，且適用于多種纖維材料，常用于生產玻纖氈增強熱塑性片材（GMT），但該方法精度較低，大多數纖維只能在±52°的范圍內定向排列。若想要定向排列的短纖維復合材料達到或者接近同等條件下連續纖維增強復合材料的力學性能，則需要能將纖維高度定向排列的更精密的制造工藝。
研究表明，流體排列法制造出的短纖維復合材料定向排列程度高，可以保證60%的纖維排列在±3°的范圍內。ACCIS的研究人員試圖采用流體排列法對短纖維進行一個高效的定向排列，并在2014年首次提出纖維定向排列裝置的初始概念，之后于2018年研發出HiPerDiF（High Performance-Discontinuous Fibre）裝置。HiPerDiF裝置利用纖維懸浮液的動量變化來排列纖維，可以將短纖維高度定向排列形成纖維帶。
制作定向排列纖維帶可分為以下幾個步驟：
1）將準備好的短纖維均勻分散在低粘度分散介質中（例如水），形成懸浮液；
2）通過泵加速懸浮液使其通向噴嘴，纖維將預排列；
3）加速通過噴嘴的懸浮液快速的噴射到定向板上，使纖維與定向板平行；
4）與板平行的纖維紛紛落在定向板底部的傳送帶上，形成定向排列的纖維帶；
5）在傳送帶兩旁抽走分散介質（可重復利用）；
6）干燥制備好的定向排列纖維帶以供后續使用。
圖一為HiPerDiF法的示意圖，其中第（1）部分為噴嘴和定向板，第（2）部分為傳送帶，第（3）部分為干燥后的纖維帶與樹脂膜結合的示意圖。圖二為ACCIS實驗室的HiPerDiF裝置。
圖一 HiPerDiF示意圖
圖二 ACCIS實驗室的HiPerDiF裝置
干燥后的纖維帶與常規纖維布類似，與樹脂結合固化后即形成復合材料。在HiPerDiF相關實驗中，研究人員首先將HiPerDiF法制成的纖維帶與樹脂膜結合制成“預浸料”，再經過鋪層固化后形成短纖維增強復合材料。之后研究人員對用該方法制作而成的復合材料進行了各項物理表征試驗及力學試驗。
圖三為短纖維增強復合材料在顯微鏡下的纖維排列狀況，可以看出，纖維排列方向高度有序，纖維體積分數為55%的復合材料定向排列程度高于體積分數為41%的復合材料。圖四為顯微鏡下的短纖維增強復合材料切面。
圖三 顯微鏡下的纖維排列狀況：（a）纖維體積分數為41% （b）纖維體積分數為55%
圖四 顯微鏡下的短纖維復合材料切面：(a）纖維體積分數為41% （ b）纖維體積分數為55%
研究人員還進行了多項相關研究，以討論懸浮液中纖維體積比、定向板間距、短纖維種類、短纖維長度等因素對制造出的纖維帶質量的影響，來更好的控制復合材料的性能。
2019年英國國家復合材料中心（NCC）與ACCIS達成合作，在NCC建立了一套更完善的HiPerDiF設備，用于短纖維復合材料的研究。
二、HiPerDiF數值模擬分析
在研究的過程中，研究人員也結合數值模擬分析方法對HiPerDiF過程進行仿真模擬。通常情況下，數值模擬常采用基于網格劃分的有限元分析法，然而這些基于網格的方法無法解決自由表面流動、可變形邊界、移動界面等問題。
在HiPerDiF過程中，纖維與水混合后的懸浮液被加速噴射到定向板上，為了研究纖維的最終排列狀態，需要一個能模擬自由表面流動的模型。SPH（平滑粒子流體力學模型）方法是一種無網格方法，用小顆粒代替流體來模擬流體的行為，可以得到流體動力學方程的近似數值解，進而模擬流體的真實情況。
SPH方法有以下幾個優點：
1）可以模擬純平流過程
2）可以解決界面作用的問題
3）可以自然的過渡流體和粒子之間的空隙
因此，研究人員基于SPH方法，建立相關數值模型來模擬HiPerDiF過程中纖維排列的過程，仿真了不同影響因素下的纖維排列結果，并與實驗結果進行比較和分析。
圖五為研究人員基于SPH方法建立的HiPerDiF過程的仿真模型，可以看到仿真的液體（藍色部分）及噴射到定向板后落在傳送帶的纖維（紅色部分）。
圖五 SPH方法模擬HiPerDiF過程的模型
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