摘要

本研究致力于用再生碳纖維制備并加工高取向纖維帶。研究先通過改良型梳理機(jī)對(duì)再生碳纖維進(jìn)行加工處理，經(jīng)專用后續(xù)工藝實(shí)現(xiàn)纖維取向排列，再將其復(fù)合成型為半成品纖維帶。為探索高取向再生材料制備復(fù)合材料的全新技術(shù)路徑，研究采用改良后的自動(dòng)鋪絲技術(shù)，將這類再生碳纖維帶鋪覆于二維模具之上。隨后，研究人員利用熱壓機(jī)對(duì)疊層放置的半成品進(jìn)行復(fù)合固化處理，并依據(jù)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制作試件開展性能測(cè)試。

研究采用拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及纖維體積含量測(cè)試等方法，對(duì)再生碳纖維帶的性能展開全面評(píng)估。通過加工多批次再生碳纖維帶，對(duì)比不同批次間的力學(xué)性能參數(shù)，并與采用同種碳纖維和基體制成的原生碳纖維帶力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，以此完成力學(xué)性能指標(biāo)的評(píng)測(cè)工作；同時(shí)借助顯微成像技術(shù)，分析最終成型復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在纖維體積含量約為40%的情況下，該再生碳纖維帶沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)1100兆帕，剛度最高可達(dá)80吉帕。這一研究成果充分彰顯了高取向再生碳纖維帶具備極大的應(yīng)用潛力與實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也證實(shí)了纖維鋪放技術(shù)對(duì)于這類再生材料的適配性。

1.引言

工業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)張，使得全球資源需求急劇攀升。每當(dāng)一款新型工業(yè)產(chǎn)品投入市場(chǎng)，市場(chǎng)對(duì)其原材料的關(guān)注度與消耗量都會(huì)隨之增加。但自然資源儲(chǔ)量有限，在激烈的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)與快速的經(jīng)濟(jì)增長雙重作用下，資源極易被快速消耗殆盡。因此，社會(huì)各界、行業(yè)領(lǐng)域及各國政府均需積極推動(dòng)資源高效利用的發(fā)展模式。在此背景下，減少并杜絕浪費(fèi)、推進(jìn)資源回收利用以及降低二氧化碳排放，已然成為實(shí)現(xiàn)未來可持續(xù)發(fā)展的核心要素。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）相較于金屬材料，具備顯著的材料使用效率優(yōu)勢(shì)，該特性使其在輕量化結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域中占據(jù)關(guān)鍵地位。然而，碳纖維的生產(chǎn)依賴化石原料，且是一種高耗能的生產(chǎn)過程。基于此，碳纖維行業(yè)應(yīng)采用循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，推動(dòng)碳纖維在多生命周期內(nèi)重復(fù)利用。盡管碳纖維回收能夠構(gòu)建可持續(xù)的材料循環(huán)體系，但目前該回收利用方式仍面臨諸多限制因素。

再生碳纖維的二氧化碳排放量顯著更低。多項(xiàng)研究表明，依據(jù)所采用的回收工藝不同（如熱解法、溶劑解法、蒸汽熱解法等），其單位能耗約為30-49兆焦/千克。相比之下，原生碳纖維的生產(chǎn)能耗則高出許多，單位能耗介于262-464兆焦/千克之間。用再生碳纖維替代原生碳纖維，可大幅降低成本，部分研究顯示，其成本降幅最高有望達(dá)到50%。再生碳纖維的生產(chǎn)成本與回收工藝緊密相關(guān)，據(jù)相關(guān)報(bào)道，經(jīng)機(jī)械加工或熱解處理的再生碳纖維，單價(jià)可控制在每千克10歐元以內(nèi)，而原生碳纖維的單價(jià)通常超過每千克10歐元。

當(dāng)前主流的再生碳纖維材料多為非織造材料，力學(xué)性能較為一般。由于這類材料中的纖維呈各向同性且相互纏繞的分布狀態(tài)，若想使纖維體積含量超過35%，往往會(huì)因纖維受損、長度縮短而導(dǎo)致材料力學(xué)性能大幅下降，因此實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)難度較大。不過，隨著纖維取向度的提升，材料可實(shí)現(xiàn)更高的纖維堆積密度。纖維取向性與高纖維體積含量這兩大特性，在再生碳纖維加工過程中尤為關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到復(fù)合材料性能的提升。

提高纖維取向度的一種有效方式，是制備高取向熱塑性再生碳纖維帶。該制備過程需在形成纖維網(wǎng)后，額外增加一道牽伸工序。已有多家機(jī)構(gòu)報(bào)道過這類以棉條為基礎(chǔ)的纖維帶結(jié)構(gòu)。借助自動(dòng)鋪絲技術(shù)，可將此類纖維帶沿精準(zhǔn)的受力路徑進(jìn)行鋪放，這一特性使其能夠滿足航空航天等對(duì)材料性能要求嚴(yán)苛的高端領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

此外，再生碳纖維帶的短切纖維結(jié)構(gòu)，使其具備極高的覆型性與流動(dòng)性。只要基體處于熔融狀態(tài)，且熔融區(qū)域內(nèi)的再生碳纖維可相互滑動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)小半徑鋪放成型，而這一成型效果是當(dāng)前單向纖維材料難以達(dá)成的。本研究旨在研發(fā)一套能夠提升再生碳纖維復(fù)合材料性能的完整生產(chǎn)線，使該材料能夠替代性能更優(yōu)的高端材料，甚至原生碳纖維材料。

本研究采用技術(shù)就緒度6-7級(jí)的設(shè)備開展相關(guān)測(cè)試，以此驗(yàn)證再生碳纖維材料具備較高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值與技術(shù)轉(zhuǎn)化潛力。這就需要大量的材料用于生產(chǎn)與加工試驗(yàn)，而巨大的材料需求量限制了性能評(píng)估測(cè)試的開展次數(shù)，因此本研究著重以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為核心展開相關(guān)探索。以往的研究多是單獨(dú)針對(duì)再生碳纖維的纖維取向性、力學(xué)性能或纖維帶成型等單一維度展開，而本研究的創(chuàng)新之處在于，將這些研究維度整合為一套統(tǒng)一且適配工業(yè)生產(chǎn)的完整工藝。

通過改良自動(dòng)鋪絲技術(shù)以適配高取向再生碳纖維帶的加工需求，本研究提出了一種極具應(yīng)用前景且可規(guī)?；茝V的技術(shù)方案，該方案能推動(dòng)再生材料向高性能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用領(lǐng)域邁進(jìn)。此外，本研究的另一大顯著特色在于，成功實(shí)現(xiàn)了高非均質(zhì)性再生碳纖維原料的加工處理，這類原料的顯著特點(diǎn)是纖維長度分布范圍廣，且長度偏差較大。

2.材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

本研究聚焦于以再生碳纖維短切纖維為增強(qiáng)相、聚酰胺6（PA6）纖維（型號(hào)：EMSGrilonP300）為熱塑性基體的復(fù)合纖維帶。所用再生碳纖維（rCF）源自航空航天領(lǐng)域T700S型原生碳纖維（vCF）織物的裁切廢料。碳纖維與聚合物纖維的具體性能參數(shù)如表1所示。

由于再生碳纖維的纖維長度存在較大離散性，且原料中因裁切誤差混入了部分超長纖維，導(dǎo)致其纖維長度標(biāo)準(zhǔn)差顯著偏高。經(jīng)羅拉梳理工藝處理后，纖維長度分布區(qū)間收窄，平均纖維長度有所縮短。

表1

2.2再生碳纖維帶的制備

為制備高取向纖維帶中間體，首先對(duì)再生碳纖維進(jìn)行開松處理，并與聚酰胺6（PA6）基體纖維進(jìn)行混合。經(jīng)預(yù)開松與共混處理后，再生碳纖維/聚酰胺6（rCF/PA6）混合纖維送入改良型羅拉梳理機(jī)，在梳理機(jī)內(nèi)完成纖維的進(jìn)一步分離、取向排列及棉條成型。該制備流程如圖1所示。

圖1

2.2再生碳纖維帶的制備（續(xù)）

經(jīng)上述工藝制得的再生碳纖維/聚酰胺6（rCF/PA6）棉條，作為后續(xù)成帶工藝的原料（成帶流程如圖2所示）。首先對(duì)棉條進(jìn)行牽伸處理，以提高纖維的取向規(guī)整度并達(dá)到目標(biāo)線密度；隨后將其加工為預(yù)設(shè)截面形態(tài)，通過“先熔融PA6基體纖維、后冷卻固化”的方式，使纖維帶形成連續(xù)無限長的帶狀結(jié)構(gòu)。該固化定型過程需精確控制工藝參數(shù)，既要保證纖維帶保持設(shè)計(jì)目標(biāo)截面形狀，又需確保其具備足夠柔韌性，以便在卷繞與退繞操作中不發(fā)生纖維損傷。

圖2

目前再生碳纖維帶（rCF-tape）的最大可生產(chǎn)寬度約為30毫米。因此，在采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)（AFP）進(jìn)行鋪放作業(yè)時(shí)，選用1英寸（25.4毫米）的標(biāo)準(zhǔn)寬度。本研究制備了兩代再生碳纖維帶，二者的生產(chǎn)工藝存在差異：第一代纖維帶寬度約為30毫米（圖3a），需對(duì)側(cè)邊進(jìn)行裁切加工以獲得1英寸寬度（圖3b）；第二代纖維帶通過新型成帶模具制備，可直接生產(chǎn)出1英寸寬度的產(chǎn)品（圖3c），無需額外裁切工序，不僅減少了一道生產(chǎn)步驟，還降低了環(huán)境影響。此外，第二代再生碳纖維帶的單位面積質(zhì)量更高，這使其在剛度、穩(wěn)定性及加工適配性方面均有顯著提升。

圖3

2.3試驗(yàn)面板的制備

為制備碳纖維半成品并加工為再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP）制件，本研究采用自動(dòng)鋪絲（AFP）工藝進(jìn)行再生碳纖維帶（rCF-tape）的鋪層作業(yè)，鋪層設(shè)備選用科里奧利復(fù)合材料公司（CoriolisComposites）的Csolo型自動(dòng)鋪絲機(jī)（圖4a）。鋪層過程中，再生碳纖維帶沿0°方向平行鋪放，鋪層層數(shù)根據(jù)目標(biāo)厚度需求靈活調(diào)整。為填充平行鋪放的纖維帶之間的間隙，后續(xù)鋪層的纖維帶需對(duì)準(zhǔn)前一層纖維帶的中心線進(jìn)行鋪設(shè)，該鋪層方式既實(shí)現(xiàn)了間隙填充，又確保各鋪層通過纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)相互粘結(jié)（圖4b）。

由于再生材料固有的厚度與寬度離散性，其纖維帶尺寸一致性相較于原生材料纖維帶更差，因此需對(duì)Csolo型自動(dòng)鋪絲機(jī)的工藝參數(shù)進(jìn)行適配調(diào)整。具體調(diào)整如下：將鋪層速度降至250毫米/秒，激光功率提升至400瓦；同時(shí)，將自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪層壓輥的壓實(shí)壓力設(shè)定為500牛，以產(chǎn)生足夠的局部表面壓力，確保纖維帶充分固定。此次參數(shù)調(diào)整的必要性在于，再生碳纖維帶中的粘結(jié)劑分布不夠均勻，易導(dǎo)致纖維帶與基材發(fā)生局部剝離。通過上述參數(shù)組合——400瓦激光功率（對(duì)應(yīng)壓合點(diǎn)溫度約220℃）、250毫米/秒的低速鋪層——鋪層流動(dòng)性與鋪層質(zhì)量得到顯著改善。

鋪層完成后，采用朗曹納有限公司（LangzaunerGmbH）生產(chǎn)的LZT-OK-130-L型熱壓機(jī)，通過變溫?zé)釅汗に噷亴盈B合體壓制成面板（圖4c）。熱壓工藝參數(shù)設(shè)定為：加熱溫度245℃，壓制壓力維持在20巴。從壓制完成的面板中截取拉伸試驗(yàn)與彎曲試驗(yàn)所需試件，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)測(cè)。

圖4

2.4力學(xué)性能測(cè)試

由于再生碳纖維帶中的短切纖維取向度高，該材料的性能特征介于單向復(fù)合材料與各向同性非織造材料之間。目前，針對(duì)這類混合材質(zhì)，尚無明確統(tǒng)一且專屬適配的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。因此，為全面評(píng)估再生碳纖維帶的性能，本研究同時(shí)參照單向復(fù)合材料與非織造材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)制備的復(fù)合材料開展測(cè)試。

拉伸試驗(yàn)沿0°方向進(jìn)行，測(cè)試要求分別遵循《DINENISO527纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)的第4部分與第5部分——其中第4部分適用于各向同性及各向異性纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料，第5部分適用于單向纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的試件尺寸存在差異：依據(jù)DINENISO527-4標(biāo)準(zhǔn)，試件尺寸為250毫米×25毫米×2毫米；依據(jù)DINENISO527-5標(biāo)準(zhǔn)，試件尺寸則為250毫米×15毫米×1毫米。

四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參照《DINENISO14125纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料彎曲性能測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。該試驗(yàn)同樣將再生碳纖維材料歸入兩類范疇進(jìn)行評(píng)估，具體為Ⅱ類（采用氈材、連續(xù)氈、織物及混合形態(tài)材料增強(qiáng)的塑料）與Ⅳ類（碳纖維體系單向復(fù)合材料）。此類試驗(yàn)的試件統(tǒng)一設(shè)定為15毫米寬、2毫米厚，長度則隨類別調(diào)整：Ⅱ類試件長度為40毫米，Ⅳ類試件長度為100毫米。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1纖維體積含量

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的纖維體積含量（FVC）由弗勞恩霍夫IGCV研究所實(shí)驗(yàn)室依據(jù)DINEN2564標(biāo)準(zhǔn)采用化學(xué)分析法測(cè)定。該參數(shù)是開展性能對(duì)比的核心基礎(chǔ)，因?yàn)閺?fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)隨纖維體積含量的變化而改變。試驗(yàn)結(jié)果顯示：原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（vCFRP）的纖維體積含量為52.75%；采用第一代再生碳纖維帶（rCF-Tape_Gen1）制備的再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP_Gen1）纖維體積含量為40.72%（±0.16%）；采用第二代再生碳纖維帶（rCF-Tape_Gen2）制備的復(fù)合材料（rCFRP_Gen2）纖維體積含量為40.45%（±1.51%）。

3.2第一代與第二代再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能對(duì)比

如圖5所示，盡管采用不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，同一代次復(fù)合材料的拉伸性能未呈現(xiàn)顯著差異，但rCFRP_Gen1的整體拉伸性能普遍高于rCFRP_Gen2。

通過ImageJ圖像編輯與處理軟件（1.54d版本）進(jìn)行光學(xué)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：rCFRP_Gen1試件的孔隙面積占比平均為0.58%，rCFRP_Gen2試件的孔隙面積占比平均為1.13%（見圖6）。這表明rCFRP_Gen2試件中的潛在薄弱點(diǎn)數(shù)量約為rCFRP_Gen1的兩倍。該差異暫無法明確歸因于某一特定影響因素，推測(cè)可能與再生碳纖維帶的生產(chǎn)過程或試驗(yàn)面板的制備環(huán)節(jié)中存在的質(zhì)量波動(dòng)相關(guān)。一個(gè)最可能的影響因素是第二代再生碳纖維帶的復(fù)合固化質(zhì)量相對(duì)較差——若將熱壓壓力從20巴提升至30巴，有望優(yōu)化復(fù)合固化效果并降低孔隙率；此外，提高熱壓溫度可增強(qiáng)熔融態(tài)聚酰胺6（PA6）基體纖維的流動(dòng)性，同樣有助于改善材料致密性。但受限于試驗(yàn)材料的可獲得量，后續(xù)試驗(yàn)未能開展上述工藝優(yōu)化驗(yàn)證。

圖5

圖6

3.3原生與第一代再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能對(duì)比

為實(shí)現(xiàn)與再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP）的精準(zhǔn)對(duì)比，本研究采用混合法則（RuleofMixture,ROM）公式，將原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（vCFRP）的拉伸強(qiáng)度與彈性模量從52%纖維體積含量（FVC）歸一化至40%。該歸一化處理對(duì)vCFRP的適用性優(yōu)于rCFRP，原因在于再生碳纖維帶（rCF-tape）中的碳纖維并非完全單向排列，且纖維長度存在局限性，因此無法假設(shè)其性能與纖維體積含量呈嚴(yán)格線性關(guān)系。

依據(jù)DINENISO527-5標(biāo)準(zhǔn)的拉伸測(cè)試結(jié)果對(duì)比顯示，盡管纖維體積含量存在差異，rCFRP的拉伸強(qiáng)度仍達(dá)到vCFRP的68%以上；而當(dāng)將兩者強(qiáng)度歸一化至相同纖維體積含量后，rCFRP的拉伸強(qiáng)度約為vCFRP的88%，拉伸彈性模量約為vCFRP的89%（見圖7）。

按照DINENISO527-4標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試2毫米厚試件時(shí)，rCFRP_Gen1的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)1141.33兆帕（±74.09兆帕），拉伸剛度為77.04吉帕（±7.99吉帕）；采用DINENISO527-5標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試1毫米厚試件時(shí)，其拉伸強(qiáng)度為1037.15兆帕（±127.98兆帕），拉伸剛度為79.65吉帕（±5.93吉帕）。綜上，DINENISO527-4與527-5兩種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試得出的拉伸強(qiáng)度及拉伸剛度結(jié)果基本一致。

圖7

3.4再生與原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在0°和90°方向的彎曲性能對(duì)比

如圖8所示，盡管纖維體積含量存在差異，歸類為Ⅱ類的第一代再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP_Gen1）在0°方向的彎曲強(qiáng)度仍達(dá)到了歸類為Ⅳ類的原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（vCFRP）彎曲強(qiáng)度的81%。與之不同的是，歸類為Ⅳ類的第二代再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP_Gen2），其0°方向的彎曲強(qiáng)度僅為同歸類原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（vCFRP）的70%。

圖8

歸類為Ⅱ類的第一代再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP_Gen1），其彎曲彈性模量達(dá)到歸類為Ⅳ類的原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（vCFRP）的60%；而在同一測(cè)試類別（Ⅳ類）下，第二代再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRP_Gen2）的彎曲彈性模量為同類別vCFRP的61%。

具體數(shù)值方面：rCFRP_Gen1在0°方向的彎曲強(qiáng)度為742.99兆帕（±58.18兆帕），彎曲剛度為66.49吉帕（±2.06吉帕）；rCFRP_Gen2的彎曲強(qiáng)度略低（640.01兆帕，±26.72兆帕），彎曲剛度則略高（68.08吉帕，±1.88吉帕）。

在90°方向，rCFRP_Gen1的彎曲強(qiáng)度顯著高于rCFRP_Gen2，前者為126.39兆帕（±15.06兆帕），后者為85.87兆帕（±4.37兆帕）?？傮w而言，再生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（rCFRPs）在90°方向的彎曲性能優(yōu)于原生碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（vCFRPs），這一現(xiàn)象的原因在于：rCFRPs在0°方向的纖維取向更均勻且呈各向異性特征，因此在90°方向的纖維數(shù)量相對(duì)更多。