2022
12/14
相关创新主体

创新背景

现代社会高度依赖金属使用,每年生产17亿吨钢和9400万吨铝。它们支持工业生产、建筑和运输以及能源供应、电信和医药。到2050年,某些材料每年生产和使用的金属材料数量可能会再次翻一番,甚至三倍。然而,从矿石中提取金属是非常耗能的,并且会产生大量的二氧化碳,从而导致气候变化。钢铁和铝生产商排放的温室气体占全球工业公司排放的温室气体的30%。

 

创新过程

社会生产和环境保护导致对金属材料的需求增加和二氧化碳排放的减少,马克斯普朗克研究所和麻省理工学院的研究人员认为,金属行业有机会有效减少二氧化碳。在短期内,可持续合金的开发方面有许多潜在的基础研究领域,研究人员阐明了工业公司和研究人员可以而且必须积极参与的五个领域:

提高生产和加工的可持续性

为了减少生产排放的二氧化碳,工业必须回收更多的废料。熔化金属比从矿石中提取金属消耗的能量要少得多。这首先适用于金属工业本身产生的废物,因为涉及大量废物,并且可以相对均匀地分离它们说。

在金属及其合金的生产中,二氧化碳越来越需要中性流程。通过这种方式,可以通过再生电直接电解还原相应的矿石。然而,金属也可以全部或部分借助再生氢获得。公司还可以节省大量能源,从而在加工金属时节省二氧化碳。

分类和回收

为了能够增加回收金属的比例,必须更好地对废料进行分类,因为合金只有在不含太多杂质的情况下才能发挥其功能。因此,回收需要复杂的技术来识别、分离、清洁和粉碎合金。在这些工艺完善和竞争之前,金属工业的研究可以开发出性能几乎不受杂质影响或根本不受杂质影响的合金。

可回收材料的可持续合金设计

一方面,研究人员已经在研究各种应用的合金,其性能不受杂质的显着影响。然而,他们必须先了解其他元素的最小痕迹如何影响实际上不应该发生的合金。另一方面,材料科学家正在改进控制金属材料行为的可能性,不仅通过其化学成分,还通过其微观和纳米结构。当化学差异的合金数量减少时,分离和回收废金属变得更加容易。在类似的方向上,正在努力组成交叉或单一合金。这种合金应该能够执行以前开发专用材料的各种任务。

通过防腐蚀和重复使用延长使用寿命

通过使合金(或由它们制成的部件)更耐用可以大大减少金属工业的生态足迹。防腐蚀保护将产生巨大的影响。金属工业和材料科学家处理不同类型的腐蚀,具体取决于涉及哪种金属以及材料在哪种化学环境中使用。这包括从传统的生锈或其他形式的电化学腐蚀到由重机械应力和氢脆引起的磨损。对抗它们的努力与腐蚀作用本身一样多种多样。

该行业保护许多金属免受牺牲阳极(其材料首先被腐蚀)的电化学分解。材料科学家也在研究通过改变其微观结构来治愈裂纹和其他损伤的合金。他们还在开发可以消除(或至少减轻)腐蚀损坏的涂层。

然而,并非所有金属部件都会因为磨损或腐蚀而被丢弃或更换。在其他地方使用它们而不先将它们熔化,然后再次生产相同的组件也会节省大量能源。为了创建适当的回收链,需要在政治层面制定适当的激励措施。

通过轻质结构和更好的耐温性实现能源效率

金属产品本身的生态平衡可以通过尽可能长时间地使用来改善。但是,如果相应地优化材料和组件的设计,也可以节省能源。例如,车身较轻的汽车消耗的燃料更少,而可以在较高温度下运行的涡轮机则从化石燃料的热量中产生更有效的电力。在某些情况下,仍然可以通过组件的设计来提高应用程序的效率。

在许多情况下,冶金学家再次被要求开发合适的合金。通过改变成分和微观结构,它们可以增加材料的强度,降低其密度或增加其耐高温性。

 

创新关键点

研究从生产、回收、设计、防腐蚀加工和优化结构五个方面阐明使金属材料可持续生产使用的方法。

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