揭示再生碳纤维复合材料可靠测试方法
图1 碳纤维回收工艺。来源 | ELG Carbon Fibre
全球碳纤维产品需求指数级增长及其消费废弃物引发诸多可持续性议题。碳纤维本征能量堪比铝（广泛回收），碳纤维废弃物处置严重冲击循环经济。于是水解、溶解、热解等回收技术近二十年获发展。如ELG Carbon Fibre Ltd.（英国Coseley）采用链床热解技术，工业化规模运行，2017年年回收碳纤维超1,300公吨。
热解主要技术挑战在于无法以源形式回收碳纤维。热解回收终产物为蓬松纠缠的不连续纤维团（见图1）。高效经济处理再生碳纤维（rCF）的方法是转化为纺织织物，类似羊毛毡制织物。ELG将rCF转化为随机分布、干法铺网、针刺无纺织物，经环氧树脂压缩模塑。因织物多孔特性，所得层板纤维体积分数通常仅约30%。
因这些材料行为特性，rCF复合材料区别于常规长/连续纤维增强原生碳纤维（vCF）复合材料，性能亦异。为理解rCF复合材料能力、力学行为与设计极限，必须开发可靠数据集并用合适测试方法表征。不幸的是，宏观测试规范标准针对连续纤维增强复合材料制定。此外，文献和行业中甚至常规复合材料试样级测试也存多处差异。更复杂的是，Airbus等OEM用自有内部测试规范表征vCF复合材料。rCF复合材料以其独特的不连续无纺增强架构引入，进一步加剧复合材料测试协议模糊性。且单一性能测量方法选择宽泛。虽识别最适测试耗时，但理解材料力学行为根本所在。作者研究首要目标：确定无纺rCF复合材料是否需开发专用标准测试协议，以评估其在现有及潜在新应用中的使用。
看似直观的静态拉伸测试方法指导，在不连续无纺rCF复合材料下变得不明确。通用做法用直边矩形试样，因制备简便。但rCF复合材料按ASTM D3039或ISO 527-4类型2或3（带/不带端部衬片）用矩形试样，导致试样规距段附近或处失效，因应力传递差。150矩形试样中不足12.5%产生可接受规距失效。
可能原因含制备不良、加载方式、夹具、测试速度、试样几何等。美军材料力学研究中心试用于随机玻纤复合材料的蝴蝶结试样，对rCF复合材料亦未改善。该试验中，按ASTM D638哑铃形几何试样显著改善，超80%试样在中心规距区失效，如图2所示。该试样设计对拉伸特性有显著影响，矩形几何试样倾向过早失效。
我方研究用同源rCF复合材料矩形与哑铃形试样，结果显示矩形试样拉伸强度和刚度分别比哑铃形降10%和20%。循环疲劳中改进几何设计在张力载荷下亦明显。特定应力水平张-张疲劳载荷下，矩形试样失效循环数介于几百至300万次以上，哑铃形试样失效循环变异性大幅降低。
图2. 哑铃形试样规距段应力传递改善。来源 | Karthik Krishna Kumar
类似模式见于面外和面内剪切评估。虽面外剪切/层间剪切仅质控测试，但已建立多种评估方法：ASTM D2344和ISO 14130短梁剪切（SBS）、ASTM D3846双缺口剪切（DNS）、ISO 19927最新双梁剪切（DBS）。遗憾的是，这些测试对rCF复合材料均未呈现理想纯层间剪切失效。常见趋势为拉伸或压溃等非期望模式失效，而非剪切主导失效。
使材料（复合或金属）处纯剪切状态的有效方法是Iosipescu剪切测试，用V型缺口几何试样。但评估层间剪切时，ASTM D5379建议用76毫米厚板，不引入缺陷几乎无法制备。替代方案粘接拼板至76毫米，成功制备后可能导致V缺口试样夹持段压溃失效。重新设计标准试样仅重构V缺口关键段，避免此问题，在rCF复合材料中实现纯层间剪切失效。
但Iosipescu剪切测试不适用rCF复合材料面内剪切测试。趋势为拉伸主导失效，符合其层板XY平面纤维分布。替代方案或为ISO 15310板扭法，通用于木复合材料。显然纤维增强架构本质显著影响基础静态宏观试样级测试的力学行为与材料响应。进而，rCF复合材料循环载荷力学行为与常规vCF复合材料或短纤增强复合材料截然不同。
再生碳纤维复合材料有多材料加工变量影响力学特性：成型工艺、纤维含量、纤维模量等级、回收源树脂等级、纤维-基体界面。无专用标准测试实践，分析这些参数徒劳繁琐。英国标准协会（BSI）已为纺织玻纤增强塑料、SMC、BMC热固性复合材料、木聚合物/天然纤维复合材料、拉挤增强复合材料等非传统复合体系制定专用标准明确适用测试方法。再生碳纤维复合材料现需同等方法实现可靠表征。
参考文献：
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Karthik Krishna Kumar为英国牛津布鲁克斯大学博士生。研究涉及再生无纺碳纤维复合体系适配测试实践开发、疲劳行为与环境耐久性评估，为碳纤维工程应用安全可持续使用提供支撑。
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