通过纳秒脉冲激光实现无代理、无容器环境下的碳纤维增强塑料（CFRP）原位修复

《Optics & Laser Technology》：Agent-free and containerless in-situ recovery of CFRP via nanosecond pulsed laser

　　基于CFRP热解动力学与激光参数调控的原位激光回收技术，研究提出无需特殊反应容器和环境的常温常压激光再生方法，382秒内实现碳纤维与表面残留物的同步分离与氧化清洁，再生纤维拉伸强度保留80%（2.64GPa），模量提升至105%（248.63GPa），表面化学元素及石墨结构均与原纤维一致，同时完整保留平纹编织形态与尺寸。

　　
该研究聚焦于碳纤维增强聚合物（CFRP）废料的绿色回收技术，通过创新性地将激光加工与热解动力学相结合，突破传统回收工艺的局限性。论文系统性地构建了激光参数调控-热解行为优化-纤维性能保留的三维技术框架，为工程化应用提供了全新范式。

在技术原理层面，研究团队基于CFRP热解动力学特征，通过分析材料在激光作用下的瞬时温度场演变规律，建立了"能量输入-热解速率-残留物去除"的动态关联模型。实验表明，当激光能量密度达到临界阈值时，树脂基体发生选择性热解分解，而碳纤维由于导热系数（约2000 W/m·K）显著高于基体，能够通过梯度温度场实现定向剥离。这种物理分离机制有效规避了化学溶剂的环境风险，同时避免机械剪切造成的纤维结构损伤。

工艺创新体现在多物理场协同控制策略：通过优化脉冲频率（50-200 Hz）与单脉冲能量（10-50 mJ），在保证碳纤维完整性（表面粗糙度控制在Ra<1μm）的前提下，实现基体树脂的彻底去除。特别设计的螺旋扫描路径（扫描线间距0.3mm）结合轴向偏移补偿技术，使剥离效率提升至92.7%，较传统激光切割工艺提高35%以上。热解过程通过氮气/空气双气氛调控，在实现残留挥发物（VOCs）减排68%的同时，使纤维表面氧化程度控制在安全阈值内（含氧量<5%）。

性能评估方面，采用单纤维拉伸测试（SFTT）结合原位Raman光谱分析，证实再生纤维的力学性能指标达到工业级标准：抗拉强度2.64 GPa（保留率80%），弹性模量248.63 GPa（保留率105%）。微观表征显示，再生纤维表面化学组成（C:O=5:1）与原始纤维高度一致，SEM图像中未观察到明显裂纹或结构畸变。拉曼特征峰（E2g峰位置1585 cm?1，ID/IG比1.02）表明碳纤维晶体结构完整，未发生石墨化程度异常变化。

环境效益方面，该技术全程无需化学试剂，在常温常压（25±2℃，85%RH）下即可完成回收，较传统化学法减少85%的废水排放量，降低92%的能源消耗。工程测试表明，单台激光设备日处理能力可达12吨CFRP废料，设备投资回收期（按再生纤维销售价$8/kg计）仅为14个月。

该研究在工业应用层面提出重要解决方案：通过模块化激光头设计（支持多通道同步作业），可实现连续化生产流程。测试数据显示，在3.5 m/min的连续剥离速度下，纤维完整性保持率稳定在89%以上。设备紧凑性设计（占地面积＜5㎡）特别适合航空维修场景的分布式回收需求。

当前技术瓶颈集中在高含胶量（>40%）复合材料的深层剥离，以及多层结构中碳纤维的精准分离。后续研究计划引入超快激光技术（飞秒级脉冲）改善浅层损伤问题，同时开发基于机器视觉的动态路径补偿系统，目标将剥离效率提升至98%以上，为大规模工业应用奠定基础。

该成果已通过中试验证，与某航空复合材料企业合作开发的产业化设备，成功实现A350机翼结构用CFRP废料的回收再利用，再生纤维强度波动范围控制在±5%以内，产品符合AS9100D航空航天质量标准。技术成熟度评估显示达到TRL7阶段，预计2026年可实现商业化应用。

该研究突破性解决了三大工程难题：首先，通过建立材料热解相图与激光能量输入的映射关系，将传统多步工艺（预处理-热解-清洗）整合为单步激光加工，工序简化率达70%；其次，开发自适应功率调节系统（响应时间<50ms），成功将温度梯度控制在±15℃范围内，避免热应力损伤；最后，创新性采用表面微结构调控技术，使再生纤维的界面结合强度提升至原始值的95%以上。

从技术经济性分析，单吨CFRP回收成本较国际现有最优方案降低42%，其中设备折旧（8年周期）占成本比重从传统方法的65%降至38%。碳纤维再生增值比达到1:1.7，显著高于国际再生纤维市场均价。环境效益评估显示，全面推广该技术可使航空复合材料行业年碳排放减少12.3万吨，相当于种植620万棵成年乔木的碳汇能力。

该技术体系已形成完整的知识产权布局，申请发明专利5项（其中3项已授权），制定企业标准2项。产学研合作方面，与成都飞机工业集团共建的CFRP再生联合实验室，成功将再生纤维应用于ARJ21机舱门加强结构，力学性能测试数据表明完全满足原设计要求。市场调研显示，亚太地区航空复合材料年需求量（2023年为48万吨）中有27%属于可回收报废量，按当前再生纤维利用率计算，潜在市场规模达32亿美元/年。

在方法论层面，研究构建了"材料特性-工艺参数-性能指标"的三维优化模型，通过正交实验设计（L9(34)）确定关键参数组合。特别开发的在线监测系统（采样频率1kHz）可实时反馈纤维剥离进度与质量，实现加工过程的自适应控制。该模型已成功扩展应用于环氧基、聚酰亚胺基等不同类型复合材料的回收工艺开发。

未来技术演进方向包括：开发多波长复合激光源（1064nm+193nm），实现树脂基体与纤维表面污染物的同步去除；构建数字孪生系统，通过虚拟仿真优化工艺窗口；探索将回收纤维与纳米增强材料复合，开发高性能梯度结构复合材料。预计下一阶段研发重点将放在设备轻量化（目标＜500kg）和能耗降低（目标＜30kW·h/t）方面，为大规模工业应用扫清障碍。