「学术前沿」再生碳纤维铺层取向优化及复合材料性能

摘要：碳纤维复材的回收再利用是实现复材行业绿色发展的重要途径。再生碳纤维多为蓬松杂乱的短纤维束，基于湿法纤维取向技术对其重新取向，并通过纤维铺层取向优化提升开孔复合材料结构性能，拓宽了再生碳纤维/环氧树脂复合材料结构设计自由度，可为碳纤维复材在航空航天和风力发电等领

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碳纤维复材的回收再利用是实现复材行业绿色发展的重要途径。再生碳纤维多为蓬松杂乱的短纤维束，基于湿法纤维取向技术对其重新取向，并通过纤维铺层取向优化提升开孔复合材料结构性能，拓宽了再生碳纤维/环氧树脂复合材料结构设计自由度，可为碳纤维复材在航空航天和风力发电等领域的绿色、循环、高值利用提供技术基础。

2024年第7期

再生碳纤维铺层取向优化及复合材料性能

Recycled carbon fiber layering orientation optimization and its performance of composites

收稿日期：2023–09–13；录用日期：2023–11–19

作者：黄海鸿* 1, 孔令成1, 刘威豪2, 阮浩达1

单位：1. 合肥工业大学机械工程学院；2. 合肥学院先进制造工程学院

基金项目：国家自然科学基金联合基金(U20A20295)

关键词：再生碳纤维；纤维取向；路径规划；再利用；力学性能

创新点

Innovation points

利用湿法纤维取向技术，通过自主搭建纤维取向工作台，沿曲线路径方向有序排列再生碳纤维，使其形成高性能增强网络，并通过模压成型制备开孔复合材料，有效提升了再生碳纤维复合材料性能。

选题依据

碳纤维增强树脂基复合材料以其高比强度和比模量、抗疲劳、可设计性等特点，广泛且大量应用于航空航天、汽车交通等领域。为应对大量碳纤维复合材料废弃物引发的资源浪费和环境污染问题，碳纤维复合材料的回收再利用迫在眉睫。目前，国内外均已成功从碳纤维复合材料废弃物中回收得到碳纤维材料，然而，碳纤维形态发生严重退化，由原生的连续取向退化为短切杂乱状态，导致其难以形成有序纤维增强网络，增强效果无法有效发挥。此外，在复合材料的实际应用中，许多制件都需要开口以适应门窗和螺栓等结构的设计，开口部位的承载能力大大下降，传统铺层方法难以有效提高开孔件的结构性能。

研究方案或路线

研究目的：再生碳纤维在基体中难以有序排列，传统铺层方法对开孔件承载性能提升效果不明显。

方法提出：基于湿法纤维取向工艺调控纤维铺层路径，针对开孔试样采用纤维曲线铺层方法。

制备与测试：利用搭建的纤维取向调控装置，采用模压成型方法制备不同铺层路径的再生碳纤维/环氧树脂复合材料开孔试样，研究了不同铺层路径对其弯曲性能的影响。

研究内容与数据

HEC粘度对RCF取向效果影响

2D FFT表征纤维取向

三点弯曲试验结果

圆形纤维毡显微图像

RCF/EP复合材料断裂面显微图像

主要结论

1）纤维曲线排列对试样抗弯曲性能的增强效果优于纤维单向排列，有效减少了开孔处的应力集中，为制备力学性能优异的定制化再生碳纤维复合材料零件提供了思路。

2）通过表征水平取向纤维毡和圆形纤维毡的显微图像，验证装置的取向调控能力；同时分析了羟乙基纤维素含量对纤维分散效果的影响，当6 mm再生碳纤维含量为6 g/L时，最佳羟乙基纤维素浓度为14 g/L。

3）结合吊钩构件的具体工况和无人机支架的应用需求，制备吊钩和无人机支架纤维毡试样，为实现碳纤维的循环、高值再利用提供了新策略。

作者简介

第一/通信作者

黄海鸿，合肥工业大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为绿色智能制造、再制造与再利用。主持承担国家重点研发计划项目等，以第一/通讯作者在IJMTM、JMPT、CIRP Annals等期刊发表高水平学术论文50多篇。先后获安徽省技术发明一等奖等省部级奖励7项。担任中国再生资源产业技术创新战略联盟青年专家委员会主任委员，兼任CIMS、中国机械工程等杂志编委。