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對再生碳纖維進行加工處理，經專用后續工藝實現纖維取向排列，再將其復合成型為半成品纖維帶。為探索高取向再生材料制備復合材料的全新技術路徑，研究采用改良后的自動鋪絲技術，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對疊層放置的半成品進行復合固化處理，并依據對應標準制作試件開展性能測試。

研究采用拉伸試驗、彎曲試驗及纖維體積含量測試等方法，對再生碳纖維帶的性能展開全面評估。通過加工多批次再生碳纖維帶，對比不同批次間的力學性能參數，并與采用同種碳纖維和基體制成的原生碳纖維帶力學性能進行對標分析，以此完成力學性能指標的評測工作；同時借助顯微成像技術，分析最終成型復合材料的內部質量。

試驗結果顯示，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度最高可達1100兆帕，剛度最高可達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用潛力與實用價值，同時也證實了纖維鋪放技術對于這類再生材料的適配性。

1.引言

工業規模的持續擴張，使得全球資源需求急劇攀升。每當一款新型工業產品投入市場，市場對其原材料的關注度與消耗量都會隨之增加。但自然資源儲量有限，在激烈的產業競爭與快速的經濟增長雙重作用下，資源極易被快速消耗殆盡。因此，社會各界、行業領域及各國政府均需積極推動資源高效利用的發展模式。在此背景下，減少并杜絕浪費、推進資源回收利用以及降低二氧化碳排放，已然成為實現未來可持續發展的核心要素。

碳纖維增強復合材料（CFRP）相較于金屬材料，具備顯著的材料使用效率優勢，該特性使其在輕量化結構制造領域中占據關鍵地位。然而，碳纖維的生產依賴化石原料，且是一種高耗能的生產過程。基于此，碳纖維行業應采用循環經濟發展模式，推動碳纖維在多生命周期內重復利用。盡管碳纖維回收能夠構建可持續的材料循環體系，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。多項研究表明，依據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到50%。再生碳纖維的生產成本與回收工藝緊密相關，據相關報道，經機械加工或熱解處理的再生碳纖維，單價可控制在每千克10歐元以內，而原生碳纖維的單價通常超過每千克10歐元。

當前主流的再生碳纖維材料多為非織造材料，力學性能較為一般。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，若想使纖維體積含量超過35%，往往會因纖維受損、長度縮短而導致材料力學性能大幅下降，因此實現這一目標難度較大。不過，隨著纖維取向度的提升，材料可實現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鍵，因為它們直接關系到復合材料性能的提升。

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后，額外增加一道牽伸工序。已有多家機構報道過這類以棉條為基礎的纖維帶結構。借助自動鋪絲技術，可將此類纖維帶沿精準的受力路徑進行鋪放，這一特性使其能夠滿足航空航天等對材料性能要求嚴苛的高端領域的應用需求。

此外，再生碳纖維帶的短切纖維結構，使其具備極高的覆型性與流動性。只要基體處于熔融狀態，且熔融區域內的再生碳纖維可相互滑動，就能實現小半徑鋪放成型，而這一成型效果是當前單向纖維材料難以達成的。本研究旨在研發一套能夠提升再生碳纖維復合材料性能的完整生產線，使該材料能夠替代性能更優的高端材料，甚至原生碳纖維材料。

本研究采用技術就緒度6-7級的設備開展相關測試，以此驗證再生碳纖維材料具備較高的工業應用價值與技術轉化潛力。這就需要大量的材料用于生產與加工試驗，而巨大的材料需求量限制了性能評估測試的開展次數，因此本研究著重以實驗驗證為核心展開相關探索。以往的研究多是單獨針對再生碳纖維的纖維取向性、力學性能或纖維帶成型等單一維度展開，而本研究的創新之處在于，將這些研究維度整合為一套統一且適配工業生產的完整工藝。

通過改良自動鋪絲技術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用前景且可規模化推廣的技術方案，該方案能推動再生材料向高性能結構材料應用領域邁進。此外，本研究的另一大顯著特色在于，成功實現了高非均質性再生碳纖維原料的加工處理，這類原料的顯著特點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試驗材料

本研究聚焦于以再生碳纖維短切纖維為增強相、聚酰胺6（PA6）纖維（型號：EMSGrilonP300）為熱塑性基體的復合纖維帶。所用再生碳纖維（rCF）源自航空航天領域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，導致其纖維長度標準差顯著偏高。經羅拉梳理工藝處理后，纖維長度分布區間收窄，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，首先對再生碳纖維進行開松處理，并與聚酰胺6（PA6）基體纖維進行混合。經預開松與共混處理后，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，在梳理機內完成纖維的進一步分離、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）

經上述工藝制得的再生碳纖維/聚酰胺6（rCF/PA6）棉條，作為后續成帶工藝的原料（成帶流程如圖2所示）。首先對棉條進行牽伸處理，以提高纖維的取向規整度并達到目標線密度；隨后將其加工為預設截面形態，通過“先熔融PA6基體纖維、后冷卻固化”的方式，使纖維帶形成連續無限長的帶狀結構。該固化定型過程需精確控制工藝參數，既要保證纖維帶保持設計目標截面形狀，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生纖維損傷。

圖2

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

圖3

2.3試驗面板的制備

為制備碳纖維半成品并加工為再生碳纖維增強復合材料（rCFRP）制件，本研究采用自動鋪絲（AFP）工藝進行再生碳纖維帶（rCF-tape）的鋪層作業，鋪層設備選用科里奧利復合材料公司（CoriolisComposites）的Csolo型自動鋪絲機（圖4a）。鋪層過程中，再生碳纖維帶沿0°方向平行鋪放，鋪層層數根據目標厚度需求靈活調整。為填充平行鋪放的纖維帶之間的間隙，后續鋪層的纖維帶需對準前一層纖維帶的中心線進行鋪設，該鋪層方式既實現了間隙填充，又確保各鋪層通過纖維網結構相互粘結（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Csolo型自動鋪絲機的工藝參數進行適配調整。具體調整如下：將鋪層速度降至250毫米/秒，激光功率提升至400瓦；同時，將自動鋪絲機鋪層壓輥的壓實壓力設定為500牛，以產生足夠的局部表面壓力，確保纖維帶充分固定。此次參數調整的必要性在于，再生碳纖維帶中的粘結劑分布不夠均勻，易導致纖維帶與基材發生局部剝離。通過上述參數組合——400瓦激光功率（對應壓合點溫度約220℃）、250毫米/秒的低速鋪層——鋪層流動性與鋪層質量得到顯著改善。

鋪層完成后，采用朗曹納有限公司（LangzaunerGmbH）生產的LZT-OK-130-L型熱壓機，通過變溫熱壓工藝將鋪層疊合體壓制成面板（圖4c）。熱壓工藝參數設定為：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與彎曲試驗所需試件，依據標準試驗方法對其性能進行評測。

圖4

2.4力學性能測試

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合材料與各向同性非織造材料之間。目前，針對這類混合材質，尚無明確統一且專屬適配的標準測試方法。因此，為全面評估再生碳纖維帶的性能，本研究同時參照單向復合材料與非織造材料的相關標準，對制備的復合材料開展測試。

拉伸試驗沿0°方向進行，測試要求分別遵循《DINENISO527纖維增強塑料拉伸性能測定》標準的第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塑料復合材料，第5部分適用于單向纖維增強塑料復合材料。不同標準對應的試件尺寸存在差異：依據DINENISO527-4標準，試件尺寸為250毫米×25毫米×2毫米；依據DINENISO527-5標準，試件尺寸則為250毫米×15毫米×1毫米。

四點彎曲試驗參照《DINENISO14125纖維增強塑料復合材料彎曲性能測定》標準執行。該試驗同樣將再生碳纖維材料歸入兩類范疇進行評估，具體為Ⅱ類（采用氈材、連續氈、織物及混合形態材料增強的塑料）與Ⅳ類（碳纖維體系單向復合材料）。此類試驗的試件統一設定為15毫米寬、2毫米厚，長度則隨類別調整：Ⅱ類試件長度為40毫米，Ⅳ類試件長度為100毫米。

3試驗結果

3.1纖維體積含量

碳纖維增強復合材料（CFRP）的纖維體積含量（FVC）由弗勞恩霍夫IGCV研究所實驗室依據DINEN2564標準采用化學分析法測定。該參數是開展性能對比的核心基礎，因為復合材料的力學性能會隨纖維體積含量的變化而改變。試驗結果顯示：原生碳纖維增強復合材料（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復合材料（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復合材料的拉伸性能對比

如圖5所示，盡管采用不同測試標準，同一代次復合材料的拉伸性能未呈現顯著差異，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）進行光學測量發現：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數量約為rCFRP_Gen1的兩倍。該差異暫無法明確歸因于某一特定影響因素，推測可能與再生碳纖維帶的生產過程或試驗面板的制備環節中存在的質量波動相關。一個最可能的影響因素是第二代再生碳纖維帶的復合固化質量相對較差——若將熱壓壓力從20巴提升至30巴，有望優化復合固化效果并降低孔隙率；此外，提高熱壓溫度可增強熔融態聚酰胺6（PA6）基體纖維的流動性，同樣有助于改善材料致密性。但受限于試驗材料的可獲得量，后續試驗未能開展上述工藝優化驗證。

圖5

圖6

3.3原生與第一代再生碳纖維增強復合材料的拉伸性能對比

為實現與再生碳纖維增強復合材料（rCFRP）的精準對比，本研究采用混合法則（RuleofMixture,ROM）公式，將原生碳纖維增強復合材料（vCFRP）的拉伸強度與彈性模量從52%纖維體積含量（FVC）歸一化至40%。該歸一化處理對vCFRP的適用性優于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，因此無法假設其性能與纖維體積含量呈嚴格線性關系。

依據DINENISO527-5標準的拉伸測試結果對比顯示，盡管纖維體積含量存在差異，rCFRP的拉伸強度仍達到vCFRP的68%以上；而當將兩者強度歸一化至相同纖維體積含量后，rCFRP的拉伸強度約為vCFRP的88%，拉伸彈性模量約為vCFRP的89%（見圖7）。

按照DINENISO527-4標準測試2毫米厚試件時，rCFRP_Gen1的拉伸強度最高可達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標準測試1毫米厚試件時，其拉伸強度為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527-5兩種標準測試得出的拉伸強度及拉伸剛度結果基本一致。

圖7

3.4再生與原生碳纖維增強復合材料在0°和90°方向的彎曲性能對比

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復合材料（rCFRP_Gen1）在0°方向的彎曲強度仍達到了歸類為Ⅳ類的原生碳纖維增強復合材料（vCFRP）彎曲強度的81%。與之不同的是，歸類為Ⅳ類的第二代再生碳纖維增強復合材料（rCFRP_Gen2），其0°方向的彎曲強度僅為同歸類原生碳纖維增強復合材料（vCFRP）的70%。

圖8

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

具體數值方面：rCFRP_Gen1在0°方向的彎曲強度為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）。總體而言，再生碳纖維增強復合材料（rCFRPs）在90°方向的彎曲性能優于原生碳纖維增強復合材料（vCFRPs），這一現象的原因在于：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°方向的纖維數量相對更多。