單向回收碳纖維增強聚合物（rCFRP）循環行為及剩余強度特性研究

摘要

領域具有廣闊應用前景，但其循環載荷下的力學行為與剩余強度特性尚未得到充分研究。本文綜述了單向（UD）和無皺褶織物（NCF）兩種rCFRP的準靜態拉伸性能、疲勞行為、剩余強度演化及微觀損傷機制，重點分析了材料微觀結構對失效模式的影響，總結了聲發射分析與顯微計算機斷層掃描（μCT）相結合的原位測試技術在損傷表征中的應用，為rCFRP在結構件中的工程應用提供技術支撐。

 一、研究背景與意義

纖維增強塑料等輕量化材料在交通等工業重要領域不可或缺，其中碳纖維增強塑料（CFRP）憑借優異的比力學性能占據關鍵地位。然而，碳纖維生產過程能耗極高，推動高效循環經濟發展至關重要。通過纖維-基體分離技術，可從生產廢料或報廢部件中回收碳纖維（rCF），進一步加工成短切纖維紗，實現準連續纖維增強，相較于短切纖維氈的隨機纖維取向，其可實現纖維沿載荷方向的定向排列，顯著提升材料性能。此外，rCF短切纖維紗還可加工為無皺褶織物（NCF），實現雙向纖維增強，且無機織物的波紋缺陷，避免力學性能損失。 目前，關于rCFRP的準靜態拉伸性能已有相關研究，但循環載荷下的疲勞性能尚未得到充分探究。許多結構件在服役過程中需承受循環載荷，疲勞性能是材料應用的關鍵指標。現有研究表明，非回收連續纖維復合材料的疲勞失效存在明確規律：單向層合板疲勞多始于基體裂紋萌生，隨后垂直于載荷方向擴展；無皺褶織物層合板則先在90°層形成裂紋，進而擴展至相鄰0°層，最終導致分層或纖維斷裂。而rCFRP因纖維回收過程中的損傷、纖維-基體相容性等問題，其疲勞行為與傳統CFRP可能存在顯著差異。 基于此，該研究聚焦短切纖維紗制備的準連續纖維增強rCFRP，首次系統探究單向rCFRP和無皺褶織物復合材料的疲勞性能，揭示其與非回收連續纖維材料的疲勞行為差異，通過疲勞測試、剩余強度測試及原位表征技術，闡明材料失效機制，為rCF短切纖維紗在結構件中的應用提供理論依據與數據支撐。

二、實驗材料與測試方法

1 實驗材料 

研究采用的rCFRP以環氧樹脂為基體（亨斯邁Araldite LY 1135-1環氧樹脂、Aradur 917固化劑、960-1促進劑，質量比100:90:2），增強相為回收碳纖維短切纖維紗，分為兩種纖維結構：單向（UD）材料和無皺褶織物（NCF）層合板（對稱鋪層順序[0/90/90/0]s）。其中，單向材料的短切纖維紗含90wt% rCF和10wt%聚酰胺6（PA6）粘合紗；無皺褶織物含80wt% rCF和20wt% PA6纖維。 單向材料通過濕法纏繞工藝制備，鋪設四層粗紗；無皺褶織物復合材料采用手糊工藝制備，鋪設四層NCF。兩種材料均在熱壓罐中固化，最高固化溫度140℃，保溫6h。不同板材的厚度與rCF體積分數存在差異，單向材料UD1（厚度2.50mm，rCF體積分數35%）用于疲勞測試與剩余強度測試，UD2（厚度2.12mm，rCF體積分數40%）用于原位剩余強度測試；NCF復合材料各層合板因材料不均勻性，視為力學等效，分別用于不同測試。微觀觀察顯示，兩種材料無明顯孔隙，但存在樹脂富集區、纖維富集區及纖維取向偏差等不均勻性（見圖1）。

圖1 制備板材的顯微照片

2 測試方法

2.1 準靜態拉伸測試

依據EN ISO 527-5和DIN EN ISO 527-1標準，試樣尺寸250mm×25mm，每種材料測試5個試樣，加載速度2mm/min，采用100kN載荷傳感器測量力，ARAMIS v6.3.0數字圖像相關系統評估應變。 

2.2疲勞測試

基于ISO 13003標準，采用載荷控制模式，應力比R=0.1，測試頻率5Hz，室溫環境下進行。單向材料選取80%、70%、60%靜態極限拉伸強度（UTSs）三個應力水平，繪制S/UTSs-Nf曲線；NCF復合材料因材料限制，僅選取50% UTSs作為最大循環應力。通過伺服液壓試驗機的橫梁位移計算動態剛度退化。

2.3剩余強度測試

選取單向材料70% UTSs、NCF復合材料50% UTSs作為預循環應力水平，預循環次數分別為對應應力水平下最低失效循環次數的25%、50%、75%，隨后進行拉伸測試，探究預損傷對材料剩余承載能力的影響。 

2.4. 原位剩余強度測試

采用Deben CT5000原位測試裝置與Carl Zeiss Xradia 520 X射線顯微鏡結合，對預循環后的錐形試樣進行拉伸測試（加載速度1mm/min），同步集成聲發射傳感器（檢測閾值43dB），記錄材料損傷過程中的聲學信號，在不同載荷水平下中斷測試進行μCT掃描，三維表征裂紋萌生與擴展行為（見圖2）。

圖2 原位測試相關裝置

三、實驗結果與分析

1 準靜態拉伸性能

兩種材料在準靜態拉伸測試中均表現出應力-應變準線性關系直至失效。單向材料UD1的平均UTSs為871MPa，彈性模量68,834MPa，斷裂應變為1.20%；UD2的平均UTSs為846MPa，彈性模量71,940MPa，斷裂應變為1.09%；NCF復合材料G1的平均UTSs為403MPa，彈性模量40,374MPa，斷裂應變為1.02%。 失效模式方面，單向材料表現為沿試樣長度方向的顯著裂紋形成，而NCF復合材料則傾向于形成一條或多條近似垂直于載荷方向的裂紋。已有研究表明，單向材料的失效機制以纖維拔出和纖維間斷裂為主，這與纖維-基體粘合性較差密切相關。

圖3 準靜態拉伸測試后的斷裂試樣

2 疲勞行為 

疲勞測試結果通過歸一化S/UTSs-Nf曲線和剛度退化曲線表征。單向材料的失效循環次數分散度較大，約一個數量級，其S/UTSs-Nf曲線可通過對數方程描述：S/MPa=1000.78-87.97·log(Nf)，未發現明顯疲勞極限。與非回收連續纖維復合材料（vCFRP）相比，兩者曲線斜率相近，但vCFRP的S/UTSs比值高出約10%，疲勞抗性更優。

圖4 疲勞測試的S/UTSs-Nf曲線

剛度退化方面，兩種材料均呈現三階段特征：第一階段動態剛度快速下降至初始值的98.8%左右，隨后單向材料剛度回升甚至超過初始值（可能與纖維取向重排相關）；第二階段剛度持續下降；第三階段單向材料在失效前出現剛度快速下降（部分試樣因剝落導致），而NCF復合材料剛度退化加速直至失效（見圖5）。宏觀失效行為均表現為最后一個載荷循環中的突發失效，與準靜態拉伸測試特征相似。

圖5 疲勞測試過程中的剛度退化

3 剩余強度特性 

剩余強度測試結果顯示，兩種材料均呈現“猝死”行為，即剩余強度在失效前僅輕微下降。單向材料的剩余強度相較于未預循環試樣有下降趨勢，但未呈現與預循環次數相關的規律，預循環3150次的試樣平均剩余強度接近未預循環試樣水平。NCF復合材料的平均剩余強度與未預循環試樣幾乎無偏差，僅預循環1225次的試樣出現剩余強度下降，且該試樣在預循環末期出現剛度驟降，表明即將發生“猝死”失效。材料的不均勻性導致裂紋萌生與擴展存在個體差異，進而影響剩余強度行為，使得預循環次數與剩余強度無明確相關性。

圖6 預循環后的材料剩余強度

4 微觀損傷機制 

原位測試與表征結果揭示了兩種材料的微觀損傷演化過程。對于NCF復合材料，預循環后（LL0載荷水平）已出現90°層裂紋和樹脂富集區裂紋，部分基體裂紋由近表面孔隙萌生，垂直于載荷方向擴展至相鄰0°層，且存在纖維橋接基體裂紋，隨載荷增加（LL1）橋接纖維發生斷裂（見圖7）；LL2載荷水平下，損傷進一步發展，表現為0°層纖維拔出、纖維斷裂及層間界面裂紋擴展；失效后（LL3）主要失效機制為粗紗拔出（見圖8）。

圖7 無皺褶織物復合材料的μCT圖像（LL0和LL1載荷水平）

圖8 無皺褶織物復合材料的μCT圖像（LL2和LL3載荷水平）

單向材料在預循環后（LL0），樹脂富集區出現裂紋，試樣邊緣因加工損傷存在初始纖維斷裂；LL1載荷水平下，可觀察到粗紗內部及界面處的纖維間斷裂和纖維斷裂，與準靜態拉伸測試的典型失效模式一致（見圖9）。 

圖9 單向材料的μCT圖像

四、研究結論與展望

該研究通過系統實驗，揭示了短切纖維紗制備的兩種rCFRP的力學行為與損傷特性，核心結論如下：單向rCFRP的S/UTSs-Nf曲線與vCFRP斜率相同，但vCFRP整體強度更高；兩種rCFRP的疲勞剛度退化均呈現三階段特征，但失效模式存在差異，單向材料以縱向分裂為主，NCF層合板失效前出現橫向裂紋；循環載荷對兩種材料的剩余強度影響較小，均表現出“猝死”行為；聲發射分析與μCT結合是表征材料微觀失效機制的有效手段，可精準捕捉裂紋萌生與擴展過程。 研究成果為短切纖維紗rCFRP的力學性能優化提供了方向，未來可通過改善纖維分布減少樹脂富集區，抑制裂紋萌生與擴展；進一步對比相同纖維和基體體系下rCFRP與連續纖維材料的疲勞性能差異；深入分析基體裂紋與短切纖維紗的相互作用機制；優化聲發射分析與μCT及原位測試裝置的自動化聯動，實現聲學信號與損傷機制的關聯預測。 該研究填補了rCFRP疲勞性能研究的空白，為其在結構件中的工程應用奠定了基礎，對推動回收碳纖維的高價值利用、發展可持續復合材料具有重要意義。