浙江大学CEJ：废旧风机叶片2秒变吸波材料！焦耳热原位合成SiC/FeSi，反射损耗−62.18 dB，合成气联产！

通讯作者孙晨、杨彬通讯单位浙江大学DOIhttps://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177197核心导读浙江大学孙晨/杨彬团队提出一种基于间接焦耳热IJH的电驱动升级回收策略以碳毡包裹废旧风机叶片WTBs粉末通过2秒内的超快高温脉冲峰值3400 °C升温速率6800 K/s将废旧玻璃纤维增强聚合物同步转化为高纯合成气H₂CO达94 vol%和高性能SiC/FeSi电磁波吸收材料。所合成SiC/FeSi异质界面复合吸波粉末最低反射损耗达−62.18 dB厚度2.4 mm生命周期评估显示碳排放较焚烧法降低87%每吨废料可产生约$14,083收益为风电退役叶片高值化利用开辟了崭新路径。一、背景与问题随着全球风电装机容量的爆发式增长退役风机叶片的处置挑战愈发严峻。风机叶片主要由玻璃纤维增强聚合物GFRP构成热固性树脂基体与玻纤的永久交联结构使其极难降解与回收。据预测至2050年全球退役叶片累计质量将达4300万吨而现行的机械破碎、化学溶剂解、传统热解等路线分别面临材料降级、成本高昂、纤维损伤和残碳污染等痛点难以实现废弃叶片的高值化循环利用。如何在温和条件下将叶片中的无机组分SiO₂玻纤、微量金属Fe等精准转化为高附加值功能材料同时将有机树脂高效裂解为清洁合成气是领域内亟待突破的核心科学与工程问题。二、论文概要浙江大学孙晨/杨彬团队提出了一种基于间接焦耳热IJHIndirect Joule Heating的废旧风机叶片升级回收新策略以导电碳毡作为加热元件将叶片粉末包裹其中通过直流脉冲20–80 A在毫秒至秒级时间尺度内将体系升温至800–2600 °C裸碳毡峰值可达3400 °C升温速率高达6800 K/s。在超快高温场驱动下热固性树脂基体分解为以H₂CO为主94 vol%的高纯合成气而玻纤中的SiO₂经树脂衍生碳的碳热还原原位生成晶态SiC体系中微量Fe则经由CO₂氧化→FeO→SiC还原的级联氧化还原反应生成FeSi二者共同构建出致密SiC/FeSi异质界面。所得复合吸波粉末在80 A条件下表现出优异的介电损耗主导型电磁波衰减性能最低反射损耗RL_min达−62.18 dB厚度2.4 mm有效吸收带宽3.54 GHz综合性能在同类SiC基吸波材料中处于领先水平。此外该工艺的全生命周期碳排放仅为722.2 kg CO₂-eq/t较传统焚烧法降低87%加工成本约$820/t仅为溶剂解成本的8.25%每吨废料产品总收益约$14,083经济优势显著。三、图文解读图1全球风电格局与退役叶片预测图1以全球视角呈现了风电行业的发展规模与末端处置压力图1a展示了2025年全球各地区累计风电装机容量分布数据来源GWEC《2025全球风电报告》图1b则给出了2026–2050年中国、美国、欧洲等主要市场退役叶片的质量增长预测曲线。到2050年全球累计退役叶片总量将突破4300万吨年退役规模持续加速这一规模空前的固废挑战为本研究提供了明确的现实动机也凸显了开发高效、经济、低碳叶片回收技术的迫切性。图2IJH实验装置与热响应表征图2系统呈现了间接焦耳热工艺的装置示意与热响应特性图2a展示了以塞银FJH-2023APlus脉冲焦耳热反应器为核心、碳毡包裹叶片粉末的整体实验流程及电磁波吸收机制示意图2b的红外热像与光学影像记录了碳毡在不同电流下的温度场分布直观体现了焦耳加热的高效性与均一性图2c给出了电流强度与体系峰值温度的定量关系在80 A下2秒内即可达到2600 °C叶片负载态最高升温速率6800 K/s验证了IJH策略的超快加热能力图2d的TGA分析显示叶片粉末在300–400 °C区间存在明显失重28.8 wt%对应热固性基体的热解过程图2e的XRF组成分析确认了叶片中Si和Fe元素的存在为后续原位合成SiC和FeSi奠定了组成基础。图3电热热解三相产物分布与气体组成演变图3从三相产物角度揭示了IJH工艺参数对热解产物分布的调控规律随电流从20 A升至80 A固相收率降低而气相收率显著提升气体组成也从H₂、CH₄、CO、CO₂及C₂–C₄烃类的复杂混合物逐步演变为以H₂CO为主的高品质合成气在60 A和80 A条件下H₂CO体积分数高达94 vol%远超传统炉式热解水平低热值LHV也达到与常规可燃气相当的区间油相GC-MS分析表明低电流下油相以酚类化合物为主双酚A型环氧网络裂解产物高电流下因IJH超快冷却的冻结效应出现长链烷烃体现了非平衡热力学特征碳热还原SiO₂3C→SiC2CO在80 A时的显著增强也与CO产率的额外提升完美对应形成了气固协同转化的完整图景。关键数据60 A / 80 A条件下H₂CO体积分数达94 vol%是目前FRP废料热解合成气纯度的最高报道值之一直接决定了气相产品的能源品质与下游应用潜力。图4固相产物物相演变与SiC/FeSi形成机制图4从多尺度综合解析了固相产物的物相演变和SiC/FeSi异质结构的形成机制XRD图谱图4a清晰展示了随电流增大SiO₂宽峰消失、SiC111衍射峰35.60°及FeSi特征峰相继出现的物相转变历程XPS的C 1s和Si 2p谱图4b-c在60–80 A样品中检测到C–Si键283.3 eV和Si–C键100.5 eV的特征信号并观察到随电流升高Si 2p结合能向低能方向移动的趋势佐证了高温氧脱除过程HAADF-STEM/EDS面扫图4d与HRTEM/FFT图4e-f直接验证了SiC和FeSi晶格结构及二者形成的致密异质界面Raman光谱图4g揭示了80 A下无序碳转变为高石墨化结构最低ID/IG比以及晶态SiC790–970 cm⁻¹ TO/LO声子模的同步生成基于HSC Chemistry计算的Gibbs自由能图图4h和反应机制示意图4i揭示了SiC形成的双路径SiO₂→气相SiO→液态Si→SiC与2460 °C直接还原以及FeSi经CO₂氧化Fe→FeO、再由SiC还原FeO的级联反应机制为整个多相非平衡反应网络提供了完整的热力学解释。图5SiC/FeSi复合物电磁参数与损耗机制分析图5系统表征了SiC/FeSi复合物的宽频2–18 GHz电磁特性与损耗机制复介电常数ε′, ε″随电流增大呈阶跃式增强80 A60 A40 A20 A其中ε″在80 A下选择性放大主要源于SiC/FeSi、C/SiC、非晶/晶态界面处的Maxwell–Wagner–SillarsMWS界面极化介电损耗角正切tanδε与导电损耗/极化损耗分量的频率依赖分析图5c-d表明低频段2–6 GHz以传导损耗为主εc″/ε″0.5高频段则以极化损耗主导εp″/ε″0.8复导磁率μ′, μ″在整个频段内接近1且几乎无色散磁滞回线图5g显示饱和磁化强度Ms仅约0.68 emu/g、矫顽力可忽略证明FeSi主要作为异质界面极化中心而非磁损耗贡献者Cole–Cole图图5h中复杂叠加的变形半圆与突出的线性尾征以及单调递增的衰减系数α图5i在X和Ku波段最为显著共同确认了80 A样品凭借传导损耗界面弛豫双重损耗机制获得最优电磁衰减性能。图6反射损耗表现与阻抗匹配机制图6通过传输线理论将前述介电参数转化为实际微波吸收性能的直观呈现传统管式炉热解样品600 °C, 2 h的RL图图6a显示无明显有效吸收区域而IJH-80 A样品图6c在2.4 mm厚度处实现RL_min −62.18 dB、有效吸收带宽EAB3.54 GHz的优异性能阻抗匹配图图6d-f中IJH样品沿1/f趋势出现连续的|Z_in/Z₀|≈1匹配廊道且匹配区域与RL深谷空间精确吻合80 A样品的匹配廊道明显向薄层区3 mm偏移说明高ε″被磁介电协同效应有效平衡、规避了趋肤效应雷达图图6h定量对比了20–80 A四组样品在厚度-RL_min-EAB三维指标上的演变趋势最终以与近期SiC基及碳基吸波材料的文献对标图6i验证了本工作的领先优势实现了超薄层下的极深反射损耗。性能亮点RL_min −62.18 dB厚度2.4 mm有效吸收带宽3.54 GHz综合性能在近年SiC基及碳基微波吸收材料中处于领先地位覆盖民用电磁屏蔽及雷达通信应用需求。图7生命周期评估与技术经济分析图7从摇篮到大门cradle-to-gate视角对比了焚烧、化学溶剂解和IJH热解三种退役叶片处理路线的环境与经济指标累计能源需求CED方面IJH热解仅为50,288 MJ/t较焚烧路线低41%电力消耗是主要能源支出图7b碳足迹方面图7cIJH热解排放722.2 kg CO₂-eq/t与溶剂解734.68 kg CO₂-eq/t相当但较焚烧低87%经济分析图7d显示IJH加工成本约$820/t仅为溶剂解的8.25%、焚烧的58.96%而每吨总收益高达$14,082.6其中SiC/FeSi吸波粉末贡献$14,000/t、合成气$35/t、热解油$47.6/t图7e的综合雷达图总结了IJH路线在能源效率、碳足迹、水足迹、经济效益等多维度上的全面优势确立了IJH热解作为破坏性颠覆性升级利用范式的地位。四、总结与展望本工作以电驱动间接焦耳热为核心手段建立了废旧风机叶片向高附加值能源与功能材料同步转化的全新范式毫秒级热脉冲在2秒内完成热固性基体热解产出94 vol% H₂CO合成气与无机组分碳热还原原位构建SiC/FeSi异质界面所得吸波复合粉末实现−62.18 dB的极深吸收生命周期评估确认了87%的减碳效益与$14,083/t的高回报经济性赋予IJH策略突出的可持续性竞争力。未来随着连续化给料系统螺旋进料/传送带与多电极模块化反应器设计的工程化推进IJH有望从实验室克级规模扩展至工业连续处理产能同时针对组成异质性叶片的工艺参数自适应优化、新兴绿电与可再生电力的耦合接入以及SiC/FeSi吸波粉末在隐身涂层、电磁兼容防护等高端场景的应用验证均是推动该技术走向大规模商业落地的关键研究方向。原文He H, Bi H, Sun C, Li Z, Hou Y, Lei L, Yang B. Flash electrothermal fabrication of SiC/FeSi heterointerface from waste turbine blades for enhanced electromagnetic wave absorption.Chemical Engineering Journal, 2026, CEJ 177197. DOI: 10.1016/j.cej.2026.177197