碳纖維復合材料集高強度和輕質量與一身,被很多人譽為實現中“清潔經濟”的神奇材料?,F在,這種材料已被用于推動風電革命以及提升飛機的燃油經濟性。
不僅如此,相比于傳統的玻璃纖維葉片,碳纖維制成的渦輪葉片不僅具有更好的耐用性,而且剛性更高,因此能在風力大時確保穩(wěn)定可靠,在風力小時又能更有效地進行發(fā)電。
另一方面,汽車制造廠家們也在不遺余力地挖掘這一材料的潛能,用于制作更加輕量化、更節(jié)能的汽車。
邁凱倫最近宣布,它計劃在英國的謝菲爾德開設一家生產碳纖維跑車的工廠,而寶馬也不甘示弱地表示,它旗下的i3汽車將配備碳纖維制成的乘客座椅,這將是在量產車上的首次嘗試。
但是,碳纖維也有一個不為人知的缺點:這種高科技材料的生產過程之中會引起嚴重浪費,而且難以回收利用。
回收難是個大問題
為了制造這種工業(yè)界愛不釋手的質量輕、強度高的復合材料,碳纖維首先要與塑料聚合物樹脂結合。但是在該材料的使用過程中,需要手工鋪設復合材料片,這一環(huán)節(jié)會引起大量的浪費。
根據碳纖維再生公司ELG碳纖維的數據,碳纖維材料板在修剪到理想尺寸后,大約有近三分之一的原材料會被丟棄,并最終會進入垃圾填埋場。
在環(huán)保慈善機構“綠色聯盟”二月份起草的一份報告中,它將碳纖維列為可能成為未來“廢物源”的幾種新材料之一,除非人們能夠采取有效行動,對碳纖維材料進行回收與再利用。
研究人員和眾多初創(chuàng)公司正爭先恐后地進入這一領域,試圖解決這一棘手難題。如果他們能夠使得碳纖維免于垃圾填埋的命運,那么人們或許能將這些再生碳纖維用于汽車、自行車以及其它數十種應用中。同時,實現碳纖維的循環(huán)利用也將節(jié)省大量的能源,因為原始材料的生產過程是整個生產中耗能最為嚴重的部分。
但是,關鍵問題在于,碳纖維無法像普通塑料或者金屬一樣,可以通過簡單地熔化變形而重新投入使用。碳纖維復合材料的超高強度源自于其固定于樹脂中、纖長且精密排列著的碳纖維。一旦這些聚合物固化之后,大多數的聚合物是無法簡單熔融的,只能焚化或者利用化學溶劑,回收其中有價值的纖維。
ELG碳纖維公司的廠區(qū)位于英國西米德蘭郡杜德利市附近,早在2009年,他們就在那里通過焚化樹脂來回收碳纖維。而另一家位于科羅拉多州的創(chuàng)業(yè)公司Vartega,則利用化學手段對樹脂進行類似的處理。
諾丁漢大學機械、材料和制造工程系主任史蒂夫·皮克林(Steve Pickering)表示,上述兩種方法都會導致纖維變短,而且相比原生纖維,再生纖維大多混亂無章,會導致承重能力下降。
皮克林說,再生的碳纖維常常用于制作網球拍和高爾夫球桿。這兩種器材對于輕量化的考量要遠勝過強度。他補充道,“盡管再生的碳纖維仍然算得上是一種非常好的材料,但是這種材料的性能比不上其他更加廉價的材料,比如鋁合金以及其他復合材料。”
碳纖維的未來
皮克林的研究團隊正努力研究將再生纖維均勻地分散在液體中,然后讓它們通過一個微型噴嘴,迫使碳纖維實現重新排列。他認為,這一工藝最終將使得再生的碳纖維擁有足夠的強度,從而能夠運用于汽車行業(yè)之中。
皮克林表示,更加有效地回收再利用碳纖維,將能顯著降低這一神奇材料的使用成本。就目前來說,根據捷豹路虎的研究,當碳纖維用作汽車零部件材料時,其成本高達鋼材的20倍,或者是鋁的10倍。
科羅拉多州的Mallinda是一家專注碳纖維的初創(chuàng)企業(yè),他的首席執(zhí)行官克里斯·卡佛(Chris Kaffer)同樣認為再生碳纖維將有助于降低成本。該公司開發(fā)了一款具有良好重塑能力的新型聚合物,這種聚合物可以在較低的溫度下進行澆鑄和修復,這將使得他們能在不到一分鐘的時間里,利用沖壓技術將碳纖維汽車零件成型,而不是現在的幾個小時。
卡佛說:“我們希望通過打造一個將再生纖維納入新產品中的二級市場,來實現碳纖維使用成本的下降。”
毫無疑問,這種改變絕不可能一蹴而就。美國的幾家主要汽車廠商在采用新材料方面一向是拖泥帶水、磨磨蹭蹭。例如,福特公司花了6年時間和十億美元的代價,才將F150卡車原有的鋼制底盤換成鋁制的。
卡弗說:“況且,傳統的碳纖維化學工藝已經發(fā)展了50年之久,要趕上它們的發(fā)展進度,我們任重道遠。”
不過好消息是,碳纖維材料通常十分耐用:至少在未來的十年內,目前的這一代風電渦輪葉片和電動汽車,都不會被人扔進垃圾堆?;蛟S當第二代風輪葉片退役的時候,比起在地上挖個洞,我們能為這些寶貴的碳纖維找到一個更好的歸宿。