【文章內(nèi)容簡介】 熔化后可以浸潤金屬基體中的陶瓷顆粒[27]。用于熔化回收金屬基復(fù)合材料的設(shè)備有很多種，一般是感應(yīng)爐、反射爐、膛式爐或筒式旋轉(zhuǎn)爐等設(shè)備，回收得到相對應(yīng)的金屬鑄錠[29]?；厥者^程的熔化和精煉工藝與鋁及其合金生產(chǎn)工藝相似。Nishida[26，27]將鋁基復(fù)合材料分解的方法歸納為以下兩種：機(jī)械方法和化學(xué)方法。機(jī)械方法可以擠出復(fù)合材料中熔融狀態(tài)的金屬，或者過濾出增強(qiáng)填料。化學(xué)方法就是利用上面提到的分解技術(shù)先使金屬熔化，然后再浸潤增強(qiáng)顆粒，并最終達(dá)到分離的目的。最近Kamavaram介紹了一種新的回收方法[29]，此方法使用由1丁基3甲基咪唑氯化物（BMIC）和無水氧化氯配制的電解液對鋁基復(fù)合材料進(jìn)行電解提純。Duralcan174。材料（Al380中含有20%的SiC）中的金屬鋁在103℃下被陽極溶解后，可以在陰極（銅）上沉積得到純鋁（純度98%）。電解電流在200－500 A/m2之間，電解效率則可達(dá)到70－90%，但與機(jī)械方法等常見的回收方法相比，單位熱量消耗（－）要高的多。 纖維增強(qiáng)金屬層合板的回收纖維增強(qiáng)金屬層合板（FMLs）是由金屬、纖維和樹脂組成的多組分材料，典型的FMLs是交替鋪放金屬薄片和纖維/樹脂預(yù)浸料并利用壓機(jī)和熱壓罐固化成型。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Vogelsang等人和ALCOA在20世紀(jì)80年代率先開發(fā)出芳綸纖維增強(qiáng)鋁基層合板（ARALL），ARALL由鋁片和芳綸/環(huán)氧預(yù)浸料組成。1991年發(fā)明了玻璃纖維后[30]，由玻璃纖維替代芳綸纖維開發(fā)出了玻璃纖維增強(qiáng)金屬層合板（GLARE）。FMLS兼具金屬和復(fù)合材料的優(yōu)良特性，非常適合航空航天領(lǐng)域。GLARE已經(jīng)在空客A380的機(jī)身上得到了使用，有希望在航空航天領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。FMLs可以看作為是一種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，雖然它的產(chǎn)量很有限且大都集中在航空航天工業(yè)，但生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢料和報(bào)廢產(chǎn)品的回收仍然是個(gè)不小的問題并應(yīng)該得到認(rèn)真對待?？紤]到GLARE的低產(chǎn)量、玻璃纖維的低價(jià)格和高昂的回收成本，人們對是否有必要回收GLARE有很多的爭議[31]。目前尚且可以對FMLs進(jìn)行直接填埋，但這種方法將來很有可能會(huì)被禁止，所以現(xiàn)在著手開發(fā)纖維增強(qiáng)鋁基層合板的回收技術(shù)十分必要。技術(shù)的可行性關(guān)鍵在于，與填埋相比，F(xiàn)MLs的回收過程對環(huán)境造成的影響要更小，尤其是在小規(guī)模生產(chǎn)時(shí)。 機(jī)械分離技術(shù)低溫－渦電流分離Tempelman[32]首先對玻璃纖維增強(qiáng)鋁基層合板的回收進(jìn)行了研究，但考慮到玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的價(jià)格太低，重點(diǎn)放在了鋁合金的回收上。又考慮到至少2030年之后都會(huì)產(chǎn)生GLARE報(bào)廢產(chǎn)品，此時(shí)只關(guān)注生產(chǎn)過程廢料如何回收。回收鋁合金的第一步是要使層合板分層，Tempelman利用鋁（105/K）和玻璃纖維熱膨脹系數(shù)（105/K）間巨大的差異性，通過一種低溫技術(shù)使鋁片與纖維/樹脂分離。GLARE廢料先在液氮環(huán)境中（196℃）通過造粒機(jī)低溫分離成10mm大小的碎塊，再對鋁塊和未被分離的GLARE碎塊進(jìn)行渦電流分離處理。渦電流分離利用復(fù)合材料中各組分密度和電導(dǎo)率不同的特點(diǎn)，分離出10mm左右大小的鋁塊。提高分離效率的前提是：低溫渦電流分離過程不會(huì)對最終的分離造成不利影響且不會(huì)影響鋁塊的質(zhì)量。但從技術(shù)商業(yè)化的角度來看，低溫回收的成本卻又高于再生鋁的市場價(jià)格。 熱分層技術(shù)荷蘭代爾夫特理工大學(xué)對比研究了低溫和高溫分離技術(shù)。Templeman利用敞口爐220℃的高溫使環(huán)氧樹脂熔解分離出的鋁片上帶有固體殘留物，還須進(jìn)一步的噴沙打磨處理，熱分層也可以通過硫化床進(jìn)行。代爾夫特理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)最近的研究表明，熱分層可以在500℃的空氣環(huán)境下進(jìn)行，整個(gè)反應(yīng)過程會(huì)隨碎塊的大小不同而產(chǎn)生不同的效果。熱分層可以得到比較純凈的玻璃纖維和鋁片，其中玻璃纖維可在性能要求不高的產(chǎn)品中使用，鋁片可通過重熔爐（含有NaCl、KCl和氟鋁酸鈉）提純得到鋁錠。理想的情況下，鋁（合金）可以重新提純并回復(fù)至原始性能，作為生產(chǎn)玻璃纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的原料。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)當(dāng)下的研究重點(diǎn)就是重新提純鋁（合金）。一間綜合回收工廠不僅可以利用環(huán)氧樹脂（~10wt.%、~32%）燃燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行熱分層處理，多余的熱量還可以用于鋁片的重熔和提純過程，而且環(huán)氧樹脂在完全燃燒的情況下只產(chǎn)生無污染的CO2和水。 航空、汽車和風(fēng)力發(fā)電工業(yè)的復(fù)合材料回收 航空工業(yè)復(fù)合材料的回收發(fā)展現(xiàn)狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的開發(fā)并應(yīng)用于軍用飛機(jī)已經(jīng)有超過50的歷史，民用飛機(jī)這些年在金屬零件和結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料化同樣發(fā)展迅速。高比例復(fù)合材料化的新一低飛機(jī)正準(zhǔn)備投入市場，世界上最知名的飛機(jī)制造商歐洲空客和美國波音公司已經(jīng)將復(fù)合材料從原來的飛機(jī)表面和次結(jié)構(gòu)部件逐漸應(yīng)用到了主結(jié)構(gòu)部件上。飛機(jī)復(fù)合材料化的推動(dòng)力主要來自各大航空公司節(jié)約燃油成本的需要，這就要在飛機(jī)中使用更加輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料。例如，纖維增強(qiáng)鋁基層合板與鋁合金相比就可以減重15~30%。圖7中描述了這些年民用飛機(jī)中復(fù)合材料的發(fā)展趨勢[33]。空客A380和未來的A350已經(jīng)打破了20%的復(fù)合材料使用量上限，表2列舉出了空客和波音公司各機(jī)型中復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展趨勢。人們主要考慮到碳纖維復(fù)合材料回收產(chǎn)品無法重新再用于復(fù)合材料的生產(chǎn)，而且每年會(huì)產(chǎn)生大量的復(fù)合材料生產(chǎn)廢料，所以一般情況下碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)過程廢料都直接進(jìn)行填埋?？紤]到各種經(jīng)濟(jì)因素的原因，飛機(jī)退役后大都被遺棄在沙漠中，此時(shí)飛機(jī)的擁有者還沒有意思到這些機(jī)身材料潛在的市場價(jià)值。碳纖維價(jià)格最高可達(dá)50美元/磅，碳纖維回收循環(huán)利用將會(huì)帶來不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。飛機(jī)的擁有者將退役的飛機(jī)直接丟棄在沙漠里，是因?yàn)樗麄冎豢吹搅藞?bào)廢飛機(jī)的賬面價(jià)值。退役飛機(jī)即使隨著閑置過久不再適合繼續(xù)飛行，但此時(shí)它仍具有幾百萬的賬面價(jià)值，一旦將退役飛機(jī)進(jìn)行粉碎回收反而要損失最高75%的賬面價(jià)值。但是波音公司認(rèn)為飛機(jī)的回收循環(huán)利用不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益，而且不會(huì)對環(huán)境造成破壞。波音公司計(jì)劃到2012年飛機(jī)的回收利用率能夠達(dá)到90~95%，再生材料可以直接用于高價(jià)值產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)[37]。在過去的幾十年里，波音和空客公司都 在致力于碳纖維的回收技術(shù)的研究。圖7 復(fù)合材料在商業(yè)航空和通用航空領(lǐng)域的發(fā)展趨勢EPSRC（英國工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)）的報(bào)告綜合性的介紹了飛機(jī)報(bào)廢后如何進(jìn)行復(fù)合材料的回收[36]。下面我還會(huì)提到提到的AFRA（飛機(jī)回收協(xié)會(huì)）和PAMELA公司在這方面做出的努力。 波音公司2006年，波音公司[37，38]聯(lián)合其它10家航空飛機(jī)制造商成立了飛行回收協(xié)會(huì)（AFRA），一致承諾不斷完善退役飛機(jī)的管理工作[38]。AFRA成立的目標(biāo)包括解決退役飛機(jī)處理對環(huán)境的影響，持續(xù)研發(fā)飛機(jī)的回收技術(shù)并與其它廠商做到技術(shù)共享。AFRA要使人們意識到飛機(jī)退役和報(bào)廢是兩個(gè)不同的觀念，通過不斷改進(jìn)使回收技術(shù)可以得到可持續(xù)發(fā)展，并利用回收報(bào)廢飛機(jī)的再生材料重新加工組裝成新的飛機(jī)。表2 波音和空客飛機(jī)中復(fù)合材料使用情況飛機(jī)型號復(fù)合材料用量（wt.%）主要的復(fù)合材料部件空客公司[33－35]A300方向舵、雷達(dá)天線罩A3106垂直尾翼、空氣制動(dòng)器、擾流板、電梯A32010全部尾翼、整流罩、前后緣、底部艙門等A34013水平尾翼、后壓力艙壁、龍骨、機(jī)翼固定式前緣A38025玻纖增強(qiáng)金屬基層合板：前整流罩、機(jī)身外殼頂部、頂板和側(cè)板；碳纖/玻纖增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料：機(jī)翼、機(jī)身、垂尾表層、框架、艙門；蜂窩板：機(jī)腹整流罩A35053碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼、機(jī)身、外殼、框架、龍骨、全部垂直和水平尾翼波音公司[33，36，37]B77710全復(fù)合材料尾翼（包括水平和垂直尾翼、方向舵）、整流罩、地板、機(jī)翼后緣表層以及起落架艙門B78750全復(fù)合材料的機(jī)身、翼盒、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片和外殼在過去的幾十年里，波音公司一直在與第三方研發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)航空級復(fù)合材料的回收技術(shù)。最近波音公司對777和787的主體復(fù)合材料進(jìn)行了回收實(shí)驗(yàn)，對比研究了再生纖維的強(qiáng)度及其與基體的粘結(jié)性能，認(rèn)為再生纖維極有可能被用于高端工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括電子產(chǎn)品的無線電屏蔽外殼和高端汽車的復(fù)合材料部件。波音公司還致力于涂有含鉻底漆碳纖維復(fù)合材料的回收技術(shù)研究[39]，因?yàn)榱鶅r(jià)鉻是一種有毒物質(zhì)，如果能夠分離出鉻而不是直接將含鉻的材料直接進(jìn)行填埋，會(huì)使得此項(xiàng)回收技術(shù)具有極大的吸收力。波音公司已經(jīng)著手進(jìn)行了民用和軍用飛機(jī)上非結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的回收技術(shù)研究，研究指出再生纖維替代原生纖維可以用于生產(chǎn)多種高端工業(yè)產(chǎn)品，同時(shí)可以節(jié)約生產(chǎn)成本并減少CO2的排放。波音公司估計(jì)，原生碳纖維的生產(chǎn)成本為15~30美元/磅，能量消耗為25~75 kWH/lb；再生碳纖維的生產(chǎn)成本為8~12美元/磅，~ kWH/lb，碳纖維的回收總成本為原生纖維生產(chǎn)總成本的70%左右[37]。經(jīng)過材料創(chuàng)新技術(shù)公司（MIT）、再生碳纖維有限公司（RCF）（）聯(lián)合波音公司及其材料供應(yīng)商的共同努力，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高價(jià)值碳纖維的回收循環(huán)利用。這兩家公司都采用熱分解技術(shù)，此技術(shù)是利用樹脂（快）和碳纖維（慢）氧化速度的差異性使纖維和樹脂分離。目前已開發(fā)出使用再生碳纖維和原生熱塑性樹脂的注射模塑產(chǎn)品，整個(gè)生產(chǎn)過程中，使航空碳纖維預(yù)浸料邊角料和報(bào)廢復(fù)合材料儀表盤作為原材料，同時(shí)混入熱塑性樹脂。通過MIT的工藝生產(chǎn)的再生碳纖維性能與填充級碳纖維相當(dāng)甚至更好，完成可以滿足目前復(fù)合材料生產(chǎn)的需要。而RCF公司使用其再生產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)的注射模塑產(chǎn)品性能在除了模量外的其它性能都有明顯的下降，性能的損失可能來自熱裂分解過程對纖維的影響，或者來自原料混合和注塑過程。但是，這種注射模塑產(chǎn)品性能仍然要好于原生樹脂，產(chǎn)品的剛性較原生碳纖維還有所改善。這可能是因?yàn)闊岱纸膺^程并沒有破壞高模量航空碳纖維的性能[40]。波音公司希望生產(chǎn)出可以投入熱塑性復(fù)合材料生產(chǎn)的再生碳纖維，這樣就能夠緩解處理報(bào)廢碳纖維材料的迫切壓力，并可擺脫原生碳纖維材料的市場制約。 空客公司空客公司在2005年就成立了“PAMELA” 項(xiàng)目組（退役飛機(jī)高級管理項(xiàng)目），目標(biāo)是在未來幾年內(nèi)可以將飛機(jī)中可回收材料的比例從目前的70－75%提高到90%[41]?？湛凸静捎门c波音公司相同的熱分解回收技術(shù)并努力擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，目的使新一代飛機(jī)中的大量復(fù)合材料可以得到最好的循環(huán)利用。通過對現(xiàn)有退役飛機(jī)主/次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行熱分解回收，整個(gè)航空工業(yè)短期內(nèi)就可以從過程廢料和退役飛機(jī)中回收得到1000－1500萬磅的再生碳纖維。預(yù)計(jì)到2029年，再生碳纖維的產(chǎn)量將會(huì)超過5000萬磅[40]。要回收如此大量的復(fù)合材料將面臨一個(gè)很大的問題：待回收材料的多樣性，如預(yù)浸料、其它邊角料和報(bào)廢材料等在性質(zhì)在的巨大差異；高模量的航空復(fù)合材料與其它模量的復(fù)合材料也要同時(shí)進(jìn)行回收，而且還要確保不同的待回收材料得到的再生材料在性能上的一致性。RCF公司對航空飛機(jī)和一級方程式賽車中的高模量碳纖維進(jìn)行回收，再生產(chǎn)品的模量過高往往不適合一般工業(yè)領(lǐng)域使用，這反而要求其在實(shí)際回收過程中混入一般的復(fù)合材料廢料以生產(chǎn)出性能穩(wěn)定一致的產(chǎn)品[39]。當(dāng)下最大的障礙就是如何打開再生材料的應(yīng)用市場，為了比較再生碳纖維與其它材料，或者碳纖維回收與直接填埋處理上在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面具有的優(yōu)勢，必須設(shè)計(jì)出適用于再生材料的壽命周期分析方法。首先要明確再生材料的潛在市場及價(jià)格，根據(jù)再生碳纖維性能的不同制定不同的價(jià)格，這個(gè)過程一般會(huì)很長[42]。 汽車工業(yè)復(fù)合材料回收發(fā)展現(xiàn)狀汽車工業(yè)是目前應(yīng)用復(fù)合材料最大的領(lǐng)域之一，新一代汽車中復(fù)合材料用量處于穩(wěn)步增長。復(fù)合材料的使用已經(jīng)為普通車輛減重200KG以上，在將來重量減輕幅度會(huì)更大。汽車減重可以有效的提高燃油效率，以歐洲年產(chǎn)1700萬輛汽車計(jì)算，這