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鋼材減產(chǎn)需求不減，木材替代鋼可行嗎？科學(xué)家陸續(xù)給出答案，再也不怕鋼材短缺了！
“ 近日，鋼之家鋼鐵發(fā)展研究中心發(fā)布了《2021年鋼鐵市場(chǎng)秋季報(bào)告》，報(bào)告指出，2022年，“雙碳”背景下能耗雙控將嚴(yán)格執(zhí)行，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量將繼續(xù)下降，預(yù)計(jì)粗鋼產(chǎn)量為10.3億噸左右，同比下降1.9%。”
中國(guó)鋼鐵行業(yè)是化石能源消耗密集型行業(yè)，煤炭和焦炭占比高達(dá)92.0%，我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)非常艱巨，未來(lái)各項(xiàng)要求更加剛性，是鋼材減產(chǎn)的必然要求。然而，需求方面，基建、工程機(jī)械、汽車(chē)、造船等行業(yè)需求繼續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)鋼材等硬質(zhì)材料的需求只增不減。
在全球“脫碳”大潮下，以減少碳足跡、降低碳排放量為中心的傳統(tǒng)鋼鐵冶金工藝技術(shù)變革成為鋼鐵行業(yè)綠色發(fā)展的新趨勢(shì)。但這非唯一一條緩解鋼材需求的路徑，近日，科學(xué)家們陸續(xù)最近研發(fā)出了用纖維素新材料代替鋼材的新方法!
1、木制硬質(zhì)材料的優(yōu)勢(shì)
硬質(zhì)材料，如鎳基和鈦基合金、金屬的氮化物和碳化物、氮化碳、氮化硼和鉆石，在許多領(lǐng)域都引起了極大的興趣，包括切割和拋光工具、連接和固定材料以及耐磨涂層。然而，這些廣泛使用的硬質(zhì)材料通常不可再生且價(jià)格昂貴。
我們幾乎天天離不開(kāi)硬材料，許多硬材料的合成需要超高溫和超高壓等極端條件，因此構(gòu)成了潛在安全挑戰(zhàn)，也會(huì)消耗巨大能量。此外，合成過(guò)程往往會(huì)排出大量廢氣。因此，非常有必要制備一種工藝簡(jiǎn)單、可持續(xù)、且低成本的硬材料替代品。
而且，我國(guó)正在大力發(fā)展新能源汽車(chē)，輕量化對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)一直都是難題，并且還要解決高成本問(wèn)題，而用木材替代鋼鐵的方法出現(xiàn)給汽車(chē)輕量化帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)，木漿制成的材料重量?jī)H占鋼鐵的五分之一，然而強(qiáng)硬度卻是鋼鐵的五倍以上。
以制備木刀的硬化木材為例，制備同樣強(qiáng)度的合金刀和陶瓷刀，至少需要多出 10 倍的溫度和壓力。硬化木材的優(yōu)勢(shì)由此可見(jiàn)一斑!
超硬木材做成的餐刀，用于切牛排。
2、李騰教授研發(fā)的超硬木材，硬度提升23倍!
纖維素，作為木材的主要組成部分(40-45 wt%)，是地球上最豐富的生物聚合物，具有卓越的內(nèi)在機(jī)械性能。為了解決開(kāi)發(fā)潛在低成本、可持續(xù)硬質(zhì)材料的挑戰(zhàn)，馬里蘭大學(xué)李騰教授課題組展示了一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)將大塊天然木材加工成硬化木材(HW)。
與天然木材相比，HW的硬度增加了23倍。與此同時(shí)，HW展現(xiàn)出豐富的潛在應(yīng)用，研究人員將HW進(jìn)一步加工為餐刀，其鋒利度幾乎是商用餐刀(例如，由鋼、塑料和天然木材制成的餐刀)的3倍。
此外，HW釘可以達(dá)到與鋼釘相當(dāng)?shù)男阅，并且可以輕松地將其打入天然木板并將它們固定在一起。這些豐富的應(yīng)用表明HW有望成為傳統(tǒng)硬質(zhì)材料的可再生和低成本替代品，并且具有使用HW的額外優(yōu)勢(shì)。相關(guān)研究成果以題為“Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic”發(fā)表在最新一期《Matter》上。
李騰課題組采用的做法是盡量保持天然木材中的纖維素含量和結(jié)構(gòu)，并且大幅度降低材料中的缺陷(比如孔洞，通道等)。過(guò)程分為兩步：
第一步是將木材脫掉木質(zhì)素，即將木材浸泡在含有氫氧化鈉和亞硫酸鈉的溶液中，當(dāng)溫度達(dá)到 100℃ 下將溶液煮沸幾個(gè)小時(shí)。天然木材的剛性大，不易變形，而在去除木質(zhì)素后，它會(huì)變得柔軟、靈活。
第二步，給已被進(jìn)行化學(xué)加工的木材施加壓力和熱度，過(guò)程中它會(huì)受到熱壓，水分會(huì)被去除，密度也會(huì)變得更大，然后在 100℃ 左右干燥，最終制備出硬化木材。
3、科學(xué)家研發(fā)出能替代鋼材的“超級(jí)木材”
其實(shí)，在更早之前，美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校(UMD)的工程師們已經(jīng)找到了一種方法，可以使木頭的強(qiáng)度增強(qiáng)十倍以上，制造出比許多鈦合金更堅(jiān)硬的天然物質(zhì)。該研究于2018年2月8日在《自然》上發(fā)表。
“它是如此堅(jiān)固耐用，可能是鋼鐵，甚至是鈦合金的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。它也可以和碳纖維相比，但便宜得多。”UMD材料科學(xué)與工程副教授、該研究的技術(shù)主管Liangbing Hu說(shuō)道。
研究小組的另一位技術(shù)主管Teng Li負(fù)責(zé)測(cè)試該木材的機(jī)械特性。“它和鋼一樣結(jié)實(shí)，但比鋼輕六倍。斷裂能量是天然木材的10倍。它甚至可以在形成的過(guò)程中彎曲和成型。”
研究小組還對(duì)這種新型木材和天然木材進(jìn)行了射擊試驗(yàn)。子彈直接穿透了天然木材，但沒(méi)有完全穿透新型木材。
該文章提供了一種非常有前途的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了輕質(zhì)、高性能的結(jié)構(gòu)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景，具有高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)越的抗沖擊性能。特別令人興奮的是，這種方法對(duì)于各種木材來(lái)說(shuō)是萬(wàn)能的，而且很容易實(shí)現(xiàn)。這種木材可以用于汽車(chē)、飛機(jī)、建筑——任何使用鋼材的地方。
4、日本汽車(chē)用木漿替代鋼鐵，成本立減80%
豐田最大的供應(yīng)商Daikyo Nishikawa Corp等主要零部件供應(yīng)商正在用納米纖維塑料制造零部件，通過(guò)將木漿纖維分解成幾百微米(千分之一毫米)來(lái)制造的。
在汽車(chē)中的潛在用途已經(jīng)通過(guò)“京都工藝”實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，化學(xué)處理的木纖維被揉成塑料，同時(shí)被分解成納米纖維，這將使生產(chǎn)成本削減到其他流程的大約五分之一，換句話說(shuō)，成本被削減了80%。
京都大學(xué)教授Hiroaki Yano領(lǐng)導(dǎo)研究人員說(shuō)：“這是成本最低、性能最高的納米纖維，這就是為什么我們專(zhuān)注于汽車(chē)和飛機(jī)零件的使用。
Yano博士說(shuō)，他的研究靈感來(lái)自于一艘由美國(guó)億萬(wàn)富翁企業(yè)家霍華德·休斯(Howard Hughes)于1947年完成的木材貨機(jī)。
目前，汽車(chē)制零件制造商還需要解決高制造成本的問(wèn)題，然后才能看到在批量車(chē)中使用新的，重量更輕的材料，總體而言，納米纖維作材料在商業(yè)上可行還有很長(zhǎng)的路要走。
京都大學(xué)的研究人員表示，大量生產(chǎn)一公斤納米纖維的成本約為1000日元，約9美元。希望到2030年將這一成本減半，使其成為一種經(jīng)濟(jì)上可行的產(chǎn)品。
它將與塑料相結(jié)合，并且與高強(qiáng)度鋼和鋁合金競(jìng)爭(zhēng)，目前每公斤成本約為2美元。行業(yè)專(zhuān)家預(yù)計(jì)到2025年，納米纖維價(jià)格將跌至每公斤5美元。
5、胡良兵教授將竹子加工成一強(qiáng)度高的散裝結(jié)構(gòu)材料
畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授胡良兵教授，帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單而有效的自頂向下的方法，將天然竹子加工成一種重量輕但強(qiáng)度高的散裝結(jié)構(gòu)材料，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)1 GPa，韌性為9.74 MJ/m 3 。
竹子的密度是由部分去除其木質(zhì)素和半纖維素，其次是熱壓，長(zhǎng)而整齊的纖維素納米纖維顯著增加了氫鍵，大大減少了竹材結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)缺陷，使竹材具有較高的機(jī)械拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和韌性。
經(jīng)過(guò)密實(shí)處理的竹子中木質(zhì)纖維素的低密度導(dǎo)致其比強(qiáng)度為777 MPa cm 3 g ?1 ，顯著高于其他報(bào)道的竹子材料和大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料(如天然聚合物、塑料、鋼和合金)。
這項(xiàng)工作展示了用豐富的、快速生長(zhǎng)的和可持續(xù)的竹子大規(guī)模生產(chǎn)輕質(zhì)、堅(jiān)固的塊狀結(jié)構(gòu)材料的潛力。
結(jié)語(yǔ)
在短期時(shí)間內(nèi)，由于技術(shù)的不成熟和商用化試驗(yàn)下，植物為材的硬質(zhì)材料仍未能完全替代鋼材的使用，但在全球“脫碳”的大潮下，鋼材的使用場(chǎng)景或許會(huì)慢慢被一些成本更低、環(huán)境更友好的纖維素新材料所侵占。
來(lái)源：中國(guó)鎂質(zhì)材料網(wǎng)
易耐網(wǎng)公眾號(hào)