【前沿技术】日本早稻田大学开发出一种使用直接放电电脉冲技术回收碳纤维复材的新方法

碳纤维增强聚合物在推动全球技术和工业进步方面发挥着关键作用，这些复合材料轻质且高强度，使其成为航空、航天、汽车、风力发电和运动器材等各种领域应用的理想选择。

然而，CFRP的回收仍然是一个值得关注的问题。传统的回收方法需要高温加热或化学处理，这导致环境影响大和成本上升。此外，回收高质量碳纤维一直是个难题。

在最近的一项研究中，日本早稻田大学的研究人员展示了一种新的直接放电电脉冲方法，用于高效、有效且环保地分离CFRP以回收高质量的碳纤维。在这种技术中，通过沿不同材料界面施加强烈的冲击波脉冲，利用高压放电等离子体来分离各种组分。

该团队由创意科学与工程系的教授Chiharu Tokoro领导，成员包括Keita Sato、Manabu Inutsuka和Taketoshi Koita，他们提出这种新的直接放电电脉冲方法，用于高效回收CFRP。相关研究成果发表在2024年11月30日的《科学报告》杂志上。

Tokoro谈到了他们目前工作的动机，他说：“在我们以前的研究中，我们已经在利用电脉冲现象在水中产生冲击波以高效破碎难以处理的材料方面建立了研究专长。然而，在锂离子电池等应用中，我们发现直接放电，即利用材料本身的焦耳加热和蒸汽膨胀，比依赖冲击波更有效于高效率分离。我们现在将这种方法应用于CFRP，假设它可能比当前方法实现更高效的分离。”

直接放电电脉冲技术利用焦耳热产生、热应力产生以及等离子体产生引起的膨胀力，无需加热或化学品。研究人员通过检查回收碳纤维的相应物理属性，包括长度、抗拉强度、树脂粘附和结构退化，以及在纤维分离方面的能源效率，将这种方法与电液破碎进行了比较。他们发现这项新技术在碳纤维回收方面更有效。它保留了相对较长且强度更高的纤维，并且能够精确地将CFRP分离成单纤维，而不会在表面残留任何残留树脂。

此外，与传统替代方法相比，直接放电方法将能源效率提高了至少10倍，同时减少了环境影响并促进了资源利用。

因此，这项技术有望加速CFRP回收，为可持续社会的发展做出重大贡献。据Tokoro称，该项研究成果有许多应用，涉及从报废飞机部件、汽车废物和风力涡轮机叶片中回收CFRP。因此，这一创新通过实现高效资源回收和减少环境影响，有望支持各行业的可持续发展。

该论文为开源文章网址链接：https://www.nature.com/articles/s41598-024-76955-0