回收碳纤维针刺非织造材料弹性模量预测框架：工艺-结构-性能关系的三维整合

本研究针对回收碳纤维(rCF)针刺非织造材料弹性性能预测难题，创新性地建立了融合3D取向平均和长度分布的"工艺-结构-性能"理论框架。通过X射线显微CT分析量化纤维取向状态，将针刺工艺参数与材料弹性模量相关联，预测值与实验结果吻合良好，为rCF非织造材料的设计与应用提供了重要理论指导。

　　

随着复合材料产业的快速发展，碳纤维增强复合材料(CFRCs)因其优异的比模量、比强度和耐疲劳特性，在过去二十年实现了12.5%的年均增长率。然而，这种快速增长也带来了严重的环境问题——大量碳纤维废料被填埋或焚烧，而原生碳纤维的生产又具有高能耗、高碳排放等缺点。如何实现碳纤维的循环利用成为亟待解决的难题。回收碳纤维(rCF)通过针刺工艺制成的非织造材料为这一问题提供了解决方案，但其弹性模量比原生纤维低3-4个数量级，且缺乏有效的性能预测模型。

针对这一挑战，国外研究人员在《Mechanics of Materials》上发表研究，开发了一个系统的理论框架来预测rCF针刺非织造材料的弹性模量。研究采用X射线显微CT技术分析材料3D形态特征，结合"纸物理学"方法建立预测模型，将针刺工艺参数、纤维取向分布和厚度方向纤维长度比例等关键因素纳入考量。

关键技术方法包括：1)采用X射线显微CT对两种不同rCF针刺非织造材料(rCF-NP100和rCF-NP300)进行3D结构表征；2)基于纤维追踪算法量化纤维取向分布函数(ODF)；3)建立包含针刺工艺参数的弹性模量预测模型；4)通过单轴拉伸试验验证模型准确性。

研究结果部分，"工艺-结构-性能关系"小节详细阐述了针刺工艺如何通过带刺针将部分纤维从水平面重新定向到垂直方向。理论模型考虑了纤维特性、非织造材料3D形态特征以及厚度方向纤维长度比例等因素。"厚度方向纤维长度比例"小节量化了针刺过程中被针捕获的纤维数量与总纤维数量的关系，建立了与针刺密度、针几何参数相关的数学模型。

"rCF基针刺非织造材料的弹性模量"小节将Cox的开创性工作与"纸物理学"方法相结合，推导出包含纤维取向和长度因子的弹性模量预测公式。实验验证部分显示，预测值与实测值在机器方向(MD)和横机器方向(CD)上都呈现良好的一致性。

"结构分析"部分通过SEM和X射线显微CT揭示了两种材料的形态差异：rCF-NP100呈现优先取向结构，而rCF-NP300则呈现准随机结构。相应的取向参数<>₂

和<>₄
量化了这种结构差异。"应力-应变行为"分析将拉伸曲线分为四个区域，指出初始弹性区域主要由纤维拉伸变形主导。

研究结论指出，该理论框架成功预测了rCF针刺非织造材料的弹性模量，其值比原生纤维低3-4个数量级，达到几十MPa量级。模型不仅解释了材料的结构各向异性，还为优化针刺工艺参数提供了理论指导。未来研究可进一步考虑纤维摩擦特性、针刺深度等参数，完善模型预测能力。

这项研究的创新之处在于首次将针刺工艺参数与rCF非织造材料弹性性能直接关联，建立了完整的"工艺-结构-性能"关系框架。该成果不仅对rCF非织造材料的设计和应用具有重要意义，其建模思路还可拓展至其他纤维基材料系统，如再生胶原组织工程支架等生物医学材料领域。