超硬材料網(wǎng)

       目前碳納米管（CNT）的年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)千噸。到本十年末，它們作為電池中導(dǎo)電添加劑的需求將增加到 50 kt/y 以上。事實(shí)上，世界各地實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)的宏觀碳納米管纖維和片材的拉伸機(jī)械性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性均高于這些材料。據(jù)報道，定向碳納米管纖維的比拉伸強(qiáng)度通常高于 3 GPa/SG，模量高于 100 GPa/SG，等于或優(yōu)于碳纖維。縱向熱導(dǎo)率高達(dá) 770 W/mK，電導(dǎo)率約為 105–106 S/m，或高達(dá) 10.68 MS/m，在引入摻雜劑后質(zhì)量接近銅。據(jù)研究人員表示，目前沒有任何嘗試從復(fù)合材料中回收碳納米管宏觀材料，鑒于當(dāng)今碳納米管的廣泛使用以及其數(shù)量級增加的前景，現(xiàn)在是時候開始研究回收它們的方法了。

       傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料很難回收，因?yàn)樵谌コ酆衔锵嗪蠡厥绽w維面臨挑戰(zhàn)。由于在回收過程中去除聚合物時引入缺陷和消除漿料，碳（CF）或玻璃（GF）纖維很容易斷裂。因此，它們最多只能以未上漿的短不連續(xù)纖維的形式回收。盡管分解聚合物基體需要能量，但CF主要在聚合物熱解過程后回收，這被認(rèn)為是最先進(jìn)的方法。使用可再生能源供應(yīng)的 CFRP 回收過程將產(chǎn)生 3 MJ/kg 的最低蘊(yùn)含能量。

       通過熱解回收的單根 CF 長絲可以保留高達(dá) 98% 的原始纖維特性，但長度顯著縮短，從而形成顆粒粉末的宏觀形式。因此，工業(yè)回收加工能力僅為10%（約10噸/年），回收的研磨或切碎的CF主要用作填料。采用溶劑分散法，短再生CF可重新加工成無紡墊，但其強(qiáng)度和模量僅為原始纖維的6.5%左右，因此適合低檔非結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用成分。通過將單獨(dú)的短切長絲對齊和排列成緊密堆積的預(yù)成型件，可以實(shí)現(xiàn)更高的性能保留，但需要額外的多步驟處理。

       越來越多的工作表明，碳納米管纖維和片材的制造、結(jié)構(gòu)和性能與高性能延性聚合物更加相似而不是脆性 CF，盡管化學(xué)成分相似。事實(shí)上，碳納米管被認(rèn)為是具有大持久長度的高度共軛分子的“終極聚合物”。類似于聚合物纖維，紗線狀碳納米管纖維表現(xiàn)出平滑的屈服和拉伸塑性變形，并且有可能在負(fù)載循環(huán)下經(jīng)歷應(yīng)變硬化和一定程度的蠕變。所證明的結(jié)效率和彈道速度下的強(qiáng)度與高性能聚合物相當(dāng)，然而，其回收方式非常不同，不能保留其纖維形式本身。另一方面，CNT 材料完全由 sp2氫化碳組成，在環(huán)境條件下（包括暴露于紫外線輻射下）不會降解，不具有熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并且可以在空氣中承受大量加熱，類似于CF。碳納米管片材和相關(guān)納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的回收前景可能與傳統(tǒng)的整體纖維材料截然不同。

       IMDEA 材料研究所的研究人員展示了從熱固性復(fù)合材料層壓板回收宏觀碳納米管片材的可能性，以及它們保留其宏觀片材形狀及其原始電氣和機(jī)械性能的能力。它們在回收后的耐損傷性和由此產(chǎn)生的性能保留與不同系列的材料進(jìn)行了比較：傳統(tǒng)的碳纖維具有共同的化學(xué)主鏈和織物格式，而聚合物和延性金屬則具有類似的來自微結(jié)構(gòu)塑性變形機(jī)制的高內(nèi)在韌性。這種高水平的回收潛力源于碳納米管片材固有的耐損傷性，這是通過斷裂概念的基本工作來評估的。

       研究證明，碳化學(xué)和納米級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是碳納米管片材高強(qiáng)度和卓越韌性的獨(dú)特結(jié)合的先決條件，從而能夠有效回收和再利用相同的應(yīng)用。此研究也是首次證明了高性能碳納米管片材的可回收性，同時保持了其基本的機(jī)械和電氣性能。

       相關(guān)研究成果以“Network structure enabling re-use and near full property retention in CNT sheets recycled from thermoset composites”為題發(fā)表于《Carbon》。該研究代表了可持續(xù)納米結(jié)構(gòu)材料的重大進(jìn)步，并有望使碳納米管纖維、片材和紡織品在未來向綠色能源的過渡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。據(jù)研究人員解釋，“人們對回收碳納米管材料也沒什么興趣，而這項(xiàng)研究是這個方向的首次嘗試。”

       “它表明，由碳納米管制成的高性能材料可以重新用作結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料或電導(dǎo)體。這是因?yàn)樗鼈兊倪B續(xù)性、排列和機(jī)械性能以及導(dǎo)電性都不會受到這種回收過程的影響。這些將能夠取代廣泛使用的CO2密集型材料，例如傳統(tǒng)碳纖維和銅等一些金屬，從而減少我們未來的CO2排放足跡。”