回收碳纤维增强热塑/热固复合材料的力学性能研究：干法成网与湿法成网非织造技术的对比分析

本研究针对回收碳纤维(rCF)在复合材料中的应用瓶颈，通过对比干法成网(DL)和湿法成网(WL)两种非织造技术结合热固性(TS)环氧树脂与热塑性(TP)PA66/6I基体，系统评估了材料的拉伸/压缩/弯曲性能。结果表明DL非织造材料在横向上具有更高刚度(18-28 GPa)，而WL材料表现出更均匀的力学响应，为汽车轻量化提供了兼具高性能与可持续性的解决方案。

　　

随着全球对轻量化材料需求的激增，碳纤维增强塑料(CFRP)因其卓越的强度重量比成为汽车、航空等领域的宠儿。然而，传统CFRP生产不仅能耗高达464-704 MJ/kg，更面临严峻的废弃物处理难题——仅生产环节就有40%的碳纤维成为边角料被填埋或焚烧。这种"高性能却高污染"的矛盾促使学术界将目光投向回收碳纤维(rCF)的再利用，但现有研究对rCF非织造复合材料的力学行为认知仍存在显著空白。

针对这一挑战，德国弗劳恩霍夫IGCV研究所联合意大利研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表重要成果。研究人员创新性地采用两种工业化非织造技术——干法成网(DL)和湿法成网(WL)，分别处理长度100 mm和6-10 mm的回收碳纤维，并与热固性环氧树脂(TS)、热塑性PA66/6I(TP)复合，通过压缩模塑制备层压板。研究采用ASTM标准化的三轴力学测试（拉伸/压缩/弯曲），结合显微结构分析和纤维体积含量(FVC)测定，首次系统比较了不同工艺组合的力学性能差异。

关键技术方法包括：1) 采用工业级DL/WL设备制备100 g/m²非织造布；2) 通过湿压缩模塑(TS)和热压成型(TP)工艺制备2 mm厚层压板；3) 基于DIN EN 2564标准进行硫酸溶蚀法测定FVC；4) 运用光学/电子显微镜分析纤维分布与断裂形貌；5) 采用Welch's T-Test统计方法评估数据显著性。

研究结果揭示：

1. 纤维体积含量与微观结构：TP材料实现27-28% FVC且孔隙更少，WL工艺使纤维分散更均匀，而DL材料存在纤维束聚集现象。显微分析显示DL材料在90°方向呈现明显纤维取向（椭圆截面占比85%），WL材料则呈现各向同性特征。

2. 力学性能各向异性：DL-TS在90°方向展现最高拉伸强度(308 MPa)和模量(25.6 GPa)，证实卡网工艺导致的纤维定向排列效应；WL-TP则表现出最优的均衡性能，其压缩强度达357 MPa，弯曲强度突破532 MPa，且0°/90°性能差异<15%。

3. 失效机制分析：SEM显示TP材料断裂面存在大量塑性变形基质，纤维-基体结合紧密；而TS材料以纤维脱粘为主导失效模式，WL样品因纤维分散均匀表现出更陡峭的断裂曲线。

4. 汽车应用潜力：通过建立材料选择指数评估，WL-TP在弯曲刚度效率(2.17 GPa^1/3·cm³/g)和比强度(407 MPa·cm³/g)上超越商用片状模塑料(SMC)基准值30%，特别适用于车身面板等半结构件。

这项研究的重要意义在于：首次建立了rCF非织造复合材料工艺-结构-性能的全链条数据库，证实WL-TP组合在保持28 GPa高刚度同时，其各向同性特征更适合复杂载荷工况。从可持续发展视角，相比原生碳纤维，该技术可降低90%能耗（仅需2.03-30 MJ/kg），为欧盟ELV指令的回收配额要求提供了技术储备。未来研究需重点解决TS材料的孔隙控制（当前FVC仅22-28%）和工业化生产中的纤维长度一致性难题，以进一步释放rCF在风电叶片等大型结构件中的应用潜力。