绿色高效回收碳纤维复合材料研究进展

绿色高效回收碳纤维复合材料研究进展

杨西滨,林开锦,黄灵利

山东昌润钻石股份有限公司

摘要：碳纤维复合材料(carbon－fiber－reinforced－polymer－composites，CFＲP)轻质高强的特性可以显著提升桥梁极限跨度，其耐腐蚀、抗疲劳特性可以从根本上解决钢拉索的腐蚀疲劳问题，能有效应对恶劣的服役环境，实现服役寿命突破，减少全寿期运营维护成本，是未来大跨桥梁的重要革命性材料。本文对绿色高效回收碳纤维复合材料研究进展进行分析，以供参考。

关键词：绿色；高效回收；碳纤维复合材料；研究进展

引言

传统的钢索在索支撑桥梁工程中得到了广泛的应用。然而，当前以钢拉索为核心构件的大跨桥梁，面临着跨越能力和长寿服役两大瓶颈。一方面，传统钢材由于自重过大导致承载效率低、垂度效应大而制约了桥梁跨越能力的进一步突破。另一方面，由于传统钢材长期腐蚀劣化问题突出，大跨度桥梁也面临严峻的服役耐久性挑战，甚至由此导致重大安全事故，如2019年南方澳跨海大桥服役仅20多年因钢吊杆腐蚀垮塌等。

1概述

碳纤维复合材料(carbon－riber－reinforced－plastics，CFRP)由于其“轻质高强”等优良特点，被广泛应用于航空航天等重要领域。而碳纤维复合材料在生产过程中主要采用螺栓或铆钉的连接方式，因此装配质量受到钻孔质量的影响。目前，国内外学者对碳纤维复合材料钻孔加工质量方面的研究日益增多。针对钻削参数和钻头的几何参数对于分层损伤的影响进行了研究。发现通过增大进给速度和钻头直径会减轻分层损伤现象的出现。通过对刀具的刃倾角方向研究，发现减小刃倾角，孔分层现象减小，能够有效提高孔的加工质量。在复合材料切削机理的基础之上，研究了不同切削角度对制孔表面质量的影响。选择不同工艺用量和不同的刀具几何参数，进行钻削碳纤维复合材料的实验，分析出口和入口侧的撕裂分层影响，发现出口侧的撕裂情况优于入口侧的撕裂，各因素对出、入口侧撕裂的显著性有所不同。采用高低频复合振动钻削和超声钻削与普通钻削CFRP/钛合金复合材料进行了研究，对比得出最佳的加工方式。使用Memetic算法对铺层顺序进行计算，得出铺层角度对制孔质量的影响。建立了虑及纤维所受法向及切向约束，且兼虑树脂及界面温变特性的单纤维切削模型，为后续有关损伤抑制的研究提供理论依据。选择超声振动对钻削CFRP/Ti进行辅助，得出超声振动可以减小切削力。选择低频振动对钻削CFRP/钛合金叠层辅助，结果发现由于钻削温度降低，CFRP的分层缺陷得到良好的解决。分析了切削速度，进给量对CFRP/Ti钻孔质量的影响规律，结果表明，钻削临界区域时，钻削温度达到峰值，钛合金层的孔径始终大于CFRP层的孔径，随着主轴转速升高分层损伤增大。

2端面磨削毛刺预测模型

根据复合材料管端面磨削特点，考虑到磨削过程的复杂性及随机性，在复合材料管端面磨削毛刺模型建立过程中作出如下假设。(1)单层复合材料预浸料内，纤维相互平行。(2)磨粒在砂轮表面均匀分布，且不同磨粒从砂轮基体上凸出的高度相等。(3)磨粒具有锋利的切削刃，刃口圆弧半径极小，磨粒压入纤维较小深度便可达到纤维断裂强度，未断裂纤维的断裂始发于纤维率先与磨粒相接触的位置。在建模过程中，首先分析宏观尺度下复合材料管结构特征及毛刺出现位置定义切出角度，同时对端面磨削用圆柱砂轮的尺寸进行描述，然后分析微观尺度下切削区域内砂轮与纤维的相互作用关系，计算纤维率先发生断裂的位置，最后根据纤维发生断裂的位置结合纤维方向计算毛刺长度。

3切削截面内砂轮与纤维相互作用

切出角度φ为砂轮切出点A处砂轮线速度方向与复合材料管切向的夹角，取点A附近区域进一步分析。考虑到复合材料管的壁厚相对管径相差较大，且在切出点附近选取的分析区域极小，因此将选取区域简化为平板壳。使用过切出点A且平行于平板壳轮廓的切削截面1-1剖切端面磨削区域。在切削截面内，砂轮的等效几何参数发生变化，在切削截面内砂轮倒角长度为cb′，砂轮倒角角度为β'。同时定义纤维方向角为θ，表示切削截面内砂轮进给方向逆时针旋转至与纤维方向平行时所转过的角度；且轴向磨削深度为ap，砂轮每转进给量为f。根据切削截面内砂轮倒角角度β'和纤维方向角θ的相对关系、轴向磨削深度ap与砂轮倒角沿轴线方向长度的相对关系可将切削截面内砂轮与纤维的相互作用关系分为5种类型。

4碳纤维复合材料资源化循环的主要方法

4.1物理回收法

传统的物理回收法将废弃复合材料机械粉碎成不同颗粒大小的树脂和纤维，将回收的CFRP破碎物以填料的形式添加到混凝土等建筑材料中，虽然树脂基体的黏接性改善了其与混凝土连结，从而提高了混凝土的延展性和韧性，但这是一种高排碳处理方式。这种方法利用机械仪器无差别地将老化材料中未老化部分粉碎成低值的填料产品，在此过程中大大增加了碳排放量，不符合当下提倡的“碳中和”理念。

4.2动态键回收法

在化学回收方法中，更为先进的是动态键回收法，其可从根本上解决热固性树脂不可再加工的问题。研究发现：二硫化键的动态特性使固化的环氧树脂像热塑性树脂一样具有可再加工的特性，在3个加工周期内仍能保持90%的抗拉强度。以木质素衍生物香兰素和甲基环己二胺为原料，合成了一种含亚胺环氧固化剂（ICH），经ICH固化的环氧树脂，其玻璃化转变温度（Tg）略有提高，抗拉强度保留率为90%。受到Diels-Alder可逆共价键反应启发，通过环氧树脂和聚氨酯侧链上二烯和亲二烯基之间的反应，构建了自愈合复合材料的交联网络结构。这些研究结果使汽车、风力发电和航空工业中热固性复合材料朝着可回收复合材料发展。

5树脂分解基质的再利用进展

不仅要对未老化部分进行低碳循环利用，也要对经过降解的低聚物高值化利用，才能实现复合材料整个周期的资源化回收。一些研究者发现，树脂分解基质具有活性基团，如-NH2和-OH，可与固化剂或环氧单体作用形成新环氧树脂，仍能保持较高的强度和模量。此外，树脂分解基质（DEPs）具有疏水性和可加工性，可直接作为疏水材料使用。利用超声仪将硝酸处理后的树脂分解基质浸涂在三聚氰胺泡沫（MF）上，制备高效吸油剂，吸油速率超快，吸油量较高，达116g/g，扩展了DEPs在油水分离领域的应用。基于上述结果，进一步研究了分解树脂在油水分离材料中的应用，通过微波辅助溶胀可使分解树脂产生纳米级孔洞；且孔的大小与溶剂的极性密切相关，分离效率可达99.99%，通量可达2000L/(m2h)以上，为利用废弃聚合物进行污染修复开辟了新途径。

结束语

综上所述，通过建立钻削T300碳纤维复合材料仿真模型，对钻削轴向力进行仿真，得到不同切削角度对钻孔质量的影响规律，切削角度为135°附近的孔壁损伤最为严重。在钻削碳纤维复合材料过程中由于受到挤压、拉伸、弯曲和剪切的作用，碳纤维发生脆性断裂，形成粉末状切屑。

参考文献

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