基于自动铺丝工艺的高取向再生碳纤维带力学性能

摘要

本研究致力于用再生碳纤维制备并加工高取向纤维带。研究先通过改良型梳理机对再生碳纤维进行加工处理，经专用后续工艺实现纤维取向排列，再将其复合成型为半成品纤维带。为探索高取向再生材料制备复合材料的全新技术路径，研究采用改良后的自动铺丝技术，将这类再生碳纤维带铺覆于二维模具之上。随后，研究人员利用热压机对叠层放置的半成品进行复合固化处理，并依据对应标准制作试件开展性能测试。

研究采用拉伸试验、弯曲试验及纤维体积含量测试等方法，对再生碳纤维带的性能展开全面评估。通过加工多批次再生碳纤维带，对比不同批次间的力学性能参数，并与采用同种碳纤维和基体制成的原生碳纤维带力学性能进行对标分析，以此完成力学性能指标的评测工作；同时借助显微成像技术，分析最终成型复合材料的内部质量。

试验结果显示，在纤维体积含量约为40%的情况下，该再生碳纤维带沿纤维方向的拉伸强度最高可达1100兆帕，刚度最高可达80吉帕。这一研究成果充分彰显了高取向再生碳纤维带具备极大的应用潜力与实用价值，同时也证实了纤维铺放技术对于这类再生材料的适配性。

1.引言

工业规模的持续扩张，使得全球资源需求急剧攀升。每当一款新型工业产品投入市场，市场对其原材料的关注度与消耗量都会随之增加。但自然资源储量有限，在激烈的产业竞争与快速的经济增长双重作用下，资源极易被快速消耗殆尽。因此，社会各界、行业领域及各国政府均需积极推动资源高效利用的发展模式。在此背景下，减少并杜绝浪费、推进资源回收利用以及降低二氧化碳排放，已然成为实现未来可持续发展的核心要素。

碳纤维增强复合材料（CFRP）相较于金属材料，具备显著的材料使用效率优势，该特性使其在轻量化结构制造领域中占据关键地位。然而，碳纤维的生产依赖化石原料，且是一种高耗能的生产过程。基于此，碳纤维行业应采用循环经济发展模式，推动碳纤维在多生命周期内重复利用。尽管碳纤维回收能够构建可持续的材料循环体系，但目前该回收利用方式仍面临诸多限制因素。

再生碳纤维的二氧化碳排放量显著更低。多项研究表明，依据所采用的回收工艺不同（如热解法、溶剂解法、蒸汽热解法等），其单位能耗约为30-49兆焦/千克。相比之下，原生碳纤维的生产能耗则高出许多，单位能耗介于262-464兆焦/千克之间。用再生碳纤维替代原生碳纤维，可大幅降低成本，部分研究显示，其成本降幅最高有望达到50%。再生碳纤维的生产成本与回收工艺紧密相关，据相关报道，经机械加工或热解处理的再生碳纤维，单价可控制在每千克10欧元以内，而原生碳纤维的单价通常超过每千克10欧元。

当前主流的再生碳纤维材料多为非织造材料，力学性能较为一般。由于这类材料中的纤维呈各向同性且相互缠绕的分布状态，若想使纤维体积含量超过35%，往往会因纤维受损、长度缩短而导致材料力学性能大幅下降，因此实现这一目标难度较大。不过，随着纤维取向度的提升，材料可实现更高的纤维堆积密度。纤维取向性与高纤维体积含量这两大特性，在再生碳纤维加工过程中尤为关键，因为它们直接关系到复合材料性能的提升。

提高纤维取向度的一种有效方式，是制备高取向热塑性再生碳纤维带。该制备过程需在形成纤维网后，额外增加一道牵伸工序。已有多家机构报道过这类以棉条为基础的纤维带结构。借助自动铺丝技术，可将此类纤维带沿精准的受力路径进行铺放，这一特性使其能够满足航空航天等对材料性能要求严苛的高端领域的应用需求。

此外，再生碳纤维带的短切纤维结构，使其具备极高的覆型性与流动性。只要基体处于熔融状态，且熔融区域内的再生碳纤维可相互滑动，就能实现小半径铺放成型，而这一成型效果是当前单向纤维材料难以达成的。本研究旨在研发一套能够提升再生碳纤维复合材料性能的完整生产线，使该材料能够替代性能更优的高端材料，甚至原生碳纤维材料。

本研究采用技术就绪度6-7级的设备开展相关测试，以此验证再生碳纤维材料具备较高的工业应用价值与技术转化潜力。这就需要大量的材料用于生产与加工试验，而巨大的材料需求量限制了性能评估测试的开展次数，因此本研究着重以实验验证为核心展开相关探索。以往的研究多是单独针对再生碳纤维的纤维取向性、力学性能或纤维带成型等单一维度展开，而本研究的创新之处在于，将这些研究维度整合为一套统一且适配工业生产的完整工艺。

通过改良自动铺丝技术以适配高取向再生碳纤维带的加工需求，本研究提出了一种极具应用前景且可规模化推广的技术方案，该方案能推动再生材料向高性能结构材料应用领域迈进。此外，本研究的另一大显著特色在于，成功实现了高非均质性再生碳纤维原料的加工处理，这类原料的显著特点是纤维长度分布范围广，且长度偏差较大。

2.材料与方法

2.1试验材料

本研究聚焦于以再生碳纤维短切纤维为增强相、聚酰胺6（PA6）纤维（型号：EMSGrilonP300）为热塑性基体的复合纤维带。所用再生碳纤维（rCF）源自航空航天领域T700S型原生碳纤维（vCF）织物的裁切废料。碳纤维与聚合物纤维的具体性能参数如表1所示。

由于再生碳纤维的纤维长度存在较大离散性，且原料中因裁切误差混入了部分超长纤维，导致其纤维长度标准差显著偏高。经罗拉梳理工艺处理后，纤维长度分布区间收窄，平均纤维长度有所缩短。

表1

2.2再生碳纤维带的制备

为制备高取向纤维带中间体，首先对再生碳纤维进行开松处理，并与聚酰胺6（PA6）基体纤维进行混合。经预开松与共混处理后，再生碳纤维/聚酰胺6（rCF/PA6）混合纤维送入改良型罗拉梳理机，在梳理机内完成纤维的进一步分离、取向排列及棉条成型。该制备流程如图1所示。

图1

2.2再生碳纤维带的制备（续）

经上述工艺制得的再生碳纤维/聚酰胺6（rCF/PA6）棉条，作为后续成带工艺的原料（成带流程如图2所示）。首先对棉条进行牵伸处理，以提高纤维的取向规整度并达到目标线密度；随后将其加工为预设截面形态，通过“先熔融PA6基体纤维、后冷却固化”的方式，使纤维带形成连续无限长的带状结构。该固化定型过程需精确控制工艺参数，既要保证纤维带保持设计目标截面形状，又需确保其具备足够柔韧性，以便在卷绕与退绕操作中不发生纤维损伤。

图2

目前再生碳纤维带（rCF-tape）的最大可生产宽度约为30毫米。因此，在采用自动铺丝技术（AFP）进行铺放作业时，选用1英寸（25.4毫米）的标准宽度。本研究制备了两代再生碳纤维带，二者的生产工艺存在差异：第一代纤维带宽度约为30毫米（图3a），需对侧边进行裁切加工以获得1英寸宽度（图3b）；第二代纤维带通过新型成带模具制备，可直接生产出1英寸宽度的产品（图3c），无需额外裁切工序，不仅减少了一道生产步骤，还降低了环境影响。此外，第二代再生碳纤维带的单位面积质量更高，这使其在刚度、稳定性及加工适配性方面均有显著提升。

图3

2.3试验面板的制备

为制备碳纤维半成品并加工为再生碳纤维增强复合材料（rCFRP）制件，本研究采用自动铺丝（AFP）工艺进行再生碳纤维带（rCF-tape）的铺层作业，铺层设备选用科里奥利复合材料公司（CoriolisComposites）的Csolo型自动铺丝机（图4a）。铺层过程中，再生碳纤维带沿0°方向平行铺放，铺层层数根据目标厚度需求灵活调整。为填充平行铺放的纤维带之间的间隙，后续铺层的纤维带需对准前一层纤维带的中心线进行铺设，该铺层方式既实现了间隙填充，又确保各铺层通过纤维网结构相互粘结（图4b）。

由于再生材料固有的厚度与宽度离散性，其纤维带尺寸一致性相较于原生材料纤维带更差，因此需对Csolo型自动铺丝机的工艺参数进行适配调整。具体调整如下：将铺层速度降至250毫米/秒，激光功率提升至400瓦；同时，将自动铺丝机铺层压辊的压实压力设定为500牛，以产生足够的局部表面压力，确保纤维带充分固定。此次参数调整的必要性在于，再生碳纤维带中的粘结剂分布不够均匀，易导致纤维带与基材发生局部剥离。通过上述参数组合——400瓦激光功率（对应压合点温度约220℃）、250毫米/秒的低速铺层——铺层流动性与铺层质量得到显著改善。

铺层完成后，采用朗曹纳有限公司（LangzaunerGmbH）生产的LZT-OK-130-L型热压机，通过变温热压工艺将铺层叠合体压制成面板（图4c）。热压工艺参数设定为：加热温度245℃，压制压力维持在20巴。从压制完成的面板中截取拉伸试验与弯曲试验所需试件，依据标准试验方法对其性能进行评测。

图4

2.4力学性能测试

由于再生碳纤维带中的短切纤维取向度高，该材料的性能特征介于单向复合材料与各向同性非织造材料之间。目前，针对这类混合材质，尚无明确统一且专属适配的标准测试方法。因此，为全面评估再生碳纤维带的性能，本研究同时参照单向复合材料与非织造材料的相关标准，对制备的复合材料开展测试。

拉伸试验沿0°方向进行，测试要求分别遵循《DINENISO527纤维增强塑料拉伸性能测定》标准的第4部分与第5部分——其中第4部分适用于各向同性及各向异性纤维增强塑料复合材料，第5部分适用于单向纤维增强塑料复合材料。不同标准对应的试件尺寸存在差异：依据DINENISO527-4标准，试件尺寸为250毫米×25毫米×2毫米；依据DINENISO527-5标准，试件尺寸则为250毫米×15毫米×1毫米。

四点弯曲试验参照《DINENISO14125纤维增强塑料复合材料弯曲性能测定》标准执行。该试验同样将再生碳纤维材料归入两类范畴进行评估，具体为Ⅱ类（采用毡材、连续毡、织物及混合形态材料增强的塑料）与Ⅳ类（碳纤维体系单向复合材料）。此类试验的试件统一设定为15毫米宽、2毫米厚，长度则随类别调整：Ⅱ类试件长度为40毫米，Ⅳ类试件长度为100毫米。

3试验结果

3.1纤维体积含量

碳纤维增强复合材料（CFRP）的纤维体积含量（FVC）由弗劳恩霍夫IGCV研究所实验室依据DINEN2564标准采用化学分析法测定。该参数是开展性能对比的核心基础，因为复合材料的力学性能会随纤维体积含量的变化而改变。试验结果显示：原生碳纤维增强复合材料（vCFRP）的纤维体积含量为52.75%；采用第一代再生碳纤维带（rCF-Tape_Gen1）制备的再生碳纤维增强复合材料（rCFRP_Gen1）纤维体积含量为40.72%（±0.16%）；采用第二代再生碳纤维带（rCF-Tape_Gen2）制备的复合材料（rCFRP_Gen2）纤维体积含量为40.45%（±1.51%）。

3.2第一代与第二代再生碳纤维增强复合材料的拉伸性能对比

如图5所示，尽管采用不同测试标准，同一代次复合材料的拉伸性能未呈现显著差异，但rCFRP_Gen1的整体拉伸性能普遍高于rCFRP_Gen2。

通过ImageJ图像编辑与处理软件（1.54d版本）进行光学测量发现：rCFRP_Gen1试件的孔隙面积占比平均为0.58%，rCFRP_Gen2试件的孔隙面积占比平均为1.13%（见图6）。这表明rCFRP_Gen2试件中的潜在薄弱点数量约为rCFRP_Gen1的两倍。该差异暂无法明确归因于某一特定影响因素，推测可能与再生碳纤维带的生产过程或试验面板的制备环节中存在的质量波动相关。一个最可能的影响因素是第二代再生碳纤维带的复合固化质量相对较差——若将热压压力从20巴提升至30巴，有望优化复合固化效果并降低孔隙率；此外，提高热压温度可增强熔融态聚酰胺6（PA6）基体纤维的流动性，同样有助于改善材料致密性。但受限于试验材料的可获得量，后续试验未能开展上述工艺优化验证。

图5

图6

3.3原生与第一代再生碳纤维增强复合材料的拉伸性能对比

为实现与再生碳纤维增强复合材料（rCFRP）的精准对比，本研究采用混合法则（RuleofMixture,ROM）公式，将原生碳纤维增强复合材料（vCFRP）的拉伸强度与弹性模量从52%纤维体积含量（FVC）归一化至40%。该归一化处理对vCFRP的适用性优于rCFRP，原因在于再生碳纤维带（rCF-tape）中的碳纤维并非完全单向排列，且纤维长度存在局限性，因此无法假设其性能与纤维体积含量呈严格线性关系。

依据DINENISO527-5标准的拉伸测试结果对比显示，尽管纤维体积含量存在差异，rCFRP的拉伸强度仍达到vCFRP的68%以上；而当将两者强度归一化至相同纤维体积含量后，rCFRP的拉伸强度约为vCFRP的88%，拉伸弹性模量约为vCFRP的89%（见图7）。

按照DINENISO527-4标准测试2毫米厚试件时，rCFRP_Gen1的拉伸强度最高可达1141.33兆帕（±74.09兆帕），拉伸刚度为77.04吉帕（±7.99吉帕）；采用DINENISO527-5标准测试1毫米厚试件时，其拉伸强度为1037.15兆帕（±127.98兆帕），拉伸刚度为79.65吉帕（±5.93吉帕）。综上，DINENISO527-4与527-5两种标准测试得出的拉伸强度及拉伸刚度结果基本一致。

图7

3.4再生与原生碳纤维增强复合材料在0°和90°方向的弯曲性能对比

如图8所示，尽管纤维体积含量存在差异，归类为Ⅱ类的第一代再生碳纤维增强复合材料（rCFRP_Gen1）在0°方向的弯曲强度仍达到了归类为Ⅳ类的原生碳纤维增强复合材料（vCFRP）弯曲强度的81%。与之不同的是，归类为Ⅳ类的第二代再生碳纤维增强复合材料（rCFRP_Gen2），其0°方向的弯曲强度仅为同归类原生碳纤维增强复合材料（vCFRP）的70%。

图8

归类为Ⅱ类的第一代再生碳纤维增强复合材料（rCFRP_Gen1），其弯曲弹性模量达到归类为Ⅳ类的原生碳纤维增强复合材料（vCFRP）的60%；而在同一测试类别（Ⅳ类）下，第二代再生碳纤维增强复合材料（rCFRP_Gen2）的弯曲弹性模量为同类别vCFRP的61%。

具体数值方面：rCFRP_Gen1在0°方向的弯曲强度为742.99兆帕（±58.18兆帕），弯曲刚度为66.49吉帕（±2.06吉帕）；rCFRP_Gen2的弯曲强度略低（640.01兆帕，±26.72兆帕），弯曲刚度则略高（68.08吉帕，±1.88吉帕）。

在90°方向，rCFRP_Gen1的弯曲强度显著高于rCFRP_Gen2，前者为126.39兆帕（±15.06兆帕），后者为85.87兆帕（±4.37兆帕）。总体而言，再生碳纤维增强复合材料（rCFRPs）在90°方向的弯曲性能优于原生碳纤维增强复合材料（vCFRPs），这一现象的原因在于：rCFRPs在0°方向的纤维取向更均匀且呈各向异性特征，因此在90°方向的纤维数量相对更多。