确定回收碳纤维复合材料的测试程序的挑战
图。 1 碳纤维回收工艺。来源 | ELG 碳纤维
全球对碳纤维产品的需求——以及与其消费相关的废物——呈指数级增长，引发了许多可持续性问题。碳纤维的隐含能量与铝一样高，可广泛回收利用，而碳纤维废弃物的处理对循环经济有着严重的影响。因此，在过去的几十年中，水解、溶剂分解和热解等回收利用技术不断发展 1 .例如，ELG 碳纤维有限公司（英国科斯利）采用的链床热解技术已达到工业规模，截至 2017 年，每年可回收超过 1,300 公吨 CF 2 ,3 .
然而，热解的主要技术挑战是无法以与其来源相同的形式回收碳纤维。热解回收的最终产品是蓬松的、缠结的不连续纤维团块（见图 1）。处理再生碳纤维 (rCF) 的一种高效、经济的方法是将纤维转化为纺织面料，就像将羊毛转化为织物一样。使用这种方法，ELG 将 rCF 转化为随机分布的干法针刺无纺布，这些织物在环氧树脂中模压成型。然而，由于这些织物的多孔性，所得到的层压材料通常只能达到 30% 左右的纤维体积分数。
由于这些材料行为特性，rCF 复合材料不同于传统的、长而连续的纤维增强原始 CF (vCF) 复合材料，并且同样表现出不同的特性。要了解 rCF 复合材料的能力、机械行为和设计限制，必须开发可靠的数据集并使用合适的测试方法对其进行表征。不幸的是，宏观测试的规范和标准是为连续纤维增强复合材料开发的。此外，即使对于传统复合材料，文献和工业中也存在许多试样级测试的差异 4 .更复杂的是，一些 OEM（例如空客）使用他们自己的内部测试实践来表征 vCF 复合材料 5 .在不连续的非织造复合材料中引入具有独特增强结构的 rCF 复合材料进一步增加了复合材料测试协议中的这种模糊性。此外，还有多种测试方法可供选择，用于测量单个属性。虽然确定最合适的测试很耗时，但它是了解材料机械性能的基础。作者研究的主要目的是确定非织造 rCF 复合材料是否需要制定一套特定的标准测试协议，以评估和分析其在现有和潜在新应用中的使用。
对于不连续的非织造 rCF 复合材料，似乎与静态拉伸测试一样简单的测试方法指南变得不清楚。由于试样制备简单，通常的做法是使用直边矩形试样。然而，对于 rCF 复合材料，使用 ASTM D3039 或 ISO 527-4 类型 2 或 3 所描述的矩形试样，带或不带端部凸片，由于应力传递到量规的不良导致凸片处或附近失效试样的长度。从 150 个矩形试样的样本大小中，不到 12.5% 的量规失效是可以接受的。
造成这种情况的可能原因有很多，包括试样制备不良、载荷引入方法、夹具、测试速度、试样几何形状等。 美国陆军材料和力学研究中心对随机玻璃纤维进行试验的领结试样复合材料，也没有对 rCF 复合材料产生改进的结果 6 .在该试验中，使用 ASTM D638 所述的狗骨几何形状大大提高了性能，超过 80% 的试样在中心规格区域内失效，如图 2 所示。该试样设计具有重大影响拉伸特性，因为矩形几何试样容易过早失效。
我们的研究使用相同的 rCF 复合矩形和狗骨样品，与狗骨样品相比，矩形样品的拉伸强度和刚度分别降低了 10% 和 20%。拉伸载荷中改进的几何设计在循环疲劳中也很明显。在拉-拉疲劳载荷的特定应力水平下，矩形挂片可能会在几百个循环到超过 300 万个疲劳循环之间的任何地方失效，而狗骨挂片失效循环的可变性要低得多。
图。 2. 改进了狗骨标本中试样标距长度的应力传递。来源 | Karthik Krishna Kumar
当评估面外和面内剪切时，观察到类似的模式。虽然面外剪切或层间剪切只是一种质量控制测试，但已经建立了许多测试方法对其进行评估，例如ASTM D2344和ISO 14130描述的短梁剪切（SBS）测试方法，双缺口剪切(DNS) 由 ASTM D3846 和最近开发的双梁剪切 (DBS) 由 ISO 19927 提供。不幸的是，这些测试都没有提供 rCF 复合材料的纯层间剪切破坏的理想结果。常见的趋势是通过拉伸或挤压等不良模式导致失效，而不是试样中以剪切为主的失效。
使材料、复合材料或金属经受纯剪切状态的一种非常成功的方法是 Iosipescu 剪切试验，它使用 V 形缺口几何试样。然而，对于层间剪切的评估，ASTM D5379 建议使用 76 毫米厚的面板，如果不引入缺陷，这是完全不可能制造的。另一种方法是将面板粘合到 76 毫米厚，这在成功的试样制造中可能会导致 V 型缺口试样的夹持部分的压碎失败。重新修改的标准试样设计仅重建 V 型缺口试样的临界截面，避免了这个问题，并导致 rCF 复合材料产生纯层间剪切破坏。
然而，Iosipescu 剪切试验不适用于 rCF 复合材料的面内剪切试验。考虑到其在层压板的 XY 平面中的纤维分布，这种趋势是由于预期的拉伸主导失效而失效。一种可能的替代方法是 ISO 15310 中描述的板扭曲方法，通常用于木材复合材料。很明显，纤维增强结构的性质对基本静态宏观试样水平测试的机械性能和材料响应有显着影响。此外，已经发现rCF复合材料在循环载荷下的力学行为与传统的vCF复合材料或短纤维增强复合材料非常不同。
再生碳纤维复合材料有许多影响机械特性的材料加工变量，包括成型工艺、纤维含量、纤维模量等级、再生材料来源形式的树脂等级和纤维-基体相互作用。如果没有为刚刚进入市场的材料制定专门的标准测试实践，对这些参数的分析是徒劳且繁琐的。英国标准协会 (BSI) 制定了非常规复合材料系统的规范，例如纺织玻璃增强塑料、片状模塑料 (SMC) 和块状模塑料 (BMC) 热固性复合材料、木质聚合物/天然纤维复合材料、拉挤增强复合材料等确定适用测试方法的专用标准。再生碳纤维复合材料现在需要相同的方法来实现可靠的表征。
参考：
1 Job, S.、Leeke, G.、Mativenga, P.T.、Oliveux, G.、Pickering, S. 和 Shuaib, N.A.，2016 年。复合材料回收：我们现在在哪里。 Composites UK Ltd.：英国伯哈姆斯特德 .
2 雅各布，A.（2019 年）。 建立对再生碳纤维的信心 . [在线] 可在：https://www.compositesworld.com/blog/post/building-confidence-in-recycled-carbon-fiber [2019 年 7 月 29 日访问]。
3 Inston, D.（2019 年）。 ELG 碳纤维开放日展示回收技术 . [在线] 可在：https://www.compositesworld.com/news/elg-carbon-fiber-open-house-showcases-recycling-technology [2019 年 7 月 29 日访问]。
4 亚当斯，D.（2019 年）。 纺织复合材料的力学测试 . [在线] 可在：https://www.compositesworld.com/blog/post/mechanical-testing-of-textile-composites [2019 年 7 月 29 日访问]。
5 Spendley, P.R.，2012 年。复合航空航天结构的设计容许量 .
6 奥林格、D.W.、甘地、K.R.和 Parker, B.S.，1982 年。复合材料测试的张力测试样本研究 （编号 AMMRC-TR-82-27）。陆军材料与力学研究中心沃特敦马
Karthik Krishna Kumar 是一名博士。英国牛津布鲁克斯大学学生 他的研究包括为回收的非织造碳纤维复合材料系统开发适当的测试实践，评估其疲劳行为和环境耐久性，以便在实际应用中安全和可持续地使用碳纤维。
纤维