据外媒报道，马克斯·普朗克可持续材料研究所（MPI-SusMat）的研究团队开发出新的低热膨胀合金（又称为因瓦合金，Invar alloys）生产方法，既不排放二氧化碳，又能节省大量能源。研究人员通过一步法来实现这一目标，将金属萃取、合金化和热机械加工集成到单一反应器和工艺步骤中。这种方法打破了萃取冶金和物理冶金之间的一些传统界限，启发人们通过单一固态操作过程将氧化物直接转化为有应用价值的产品。相关研究成果发表在期刊《自然（Nature》上。
（图片来源：nature.com）
通过一步冶金来减少能耗和CO2排放
传统合金生产过程通常分为三个步骤：首先，将矿石还原为金属形式，然后混合液化元素以制造合金，最后进行热机械处理以达到所需性能。每个步骤都需要消耗大量能源，并且依赖碳作为能量载体和还原剂，从而产生大量的CO2排放。
该研究的第一作者Dr. Shaolou Wei表示：“关键理念是了解每种元素的热力学和动力学，并使用在700°C左右具有相似还原性和可混合性的氧化物。这个温度远低于体熔点（bulk melting point），这使我们仍然可以从氧化物态中提取金属，并通过单固态工艺步骤混合成合金，而无需重新加热。”
相比之下，该团队的新方法使用氢作为还原剂，而传统方法使用碳来还原矿石，可能产生碳污染金属。MPI-SusMat总经理、该研究的通讯作者Dierk Raabe教授表示：“用氢来代替碳具有四个关键优势。首先，氢基还原只产生副产物水，这意味着零CO2排放；第二，这可以直接生成纯金属，无需从最终产品清除碳，从而节省了时间和能源；第三，研究人员在相对较低的温度和固体状态下进行这一过程；第四，这避免了常规冶金过程需要频繁进行冷却和再加热的特点。”
通过这种技术生产的因瓦合金，不仅具有可媲美传统生产方法的低热膨胀性能，而且由于从该工艺中自然传承的细化颗粒尺寸，可以提供卓越的机械强度。
研究人员已经证明，通过快速、无碳和节能的工艺来生产因瓦合金不仅极具可能性，而且富有前景。然而，扩展这种方法以满足工业需求存在三个关键挑战：首先，研究人员是使用纯氧化物来进行概念验证研究，但工业应用很可能涉及到传统的含杂质氧化物。这就需要调整工艺以处理不够细化的材料，同时保持合金质量；其次，在还原过程中使用纯氢虽然有效，但大规模操作成本较高。目前，该团队正在升高温度下进行较低氢浓度的实验，以在氢使用和能源成本之间实现最佳平衡，使该过程在工业上更具经济可行性；第三，当前方法采用无压力烧结，但在工业规模上生产细化体材可能需要增加压制步骤。将机械变形融入同一过程，可以进一步提高材料的结构完整性，同时保持精简化生产。
展望未来，这个单步工艺的多功能性开辟了新的可能性。由于铁、镍、铜和钴都可以通过这种方式进行加工，因此下一个可能是焦点高熵合金。这些合金具有广泛的成分并能保持独特的性能，有望用于开发新材料，例如适合高科技应用的软磁合金。另一个有前景的方向是使用冶金废料来代替纯氧化物。通过从废料中去除杂质，这种方法可以将工业副产品转化为有价值的原料，进一步提高金属生产的可持续性。
由于不需要高温和化石燃料，这种单步氢基工艺可以大幅减少合金生产的环境足迹，有助于冶金行业实现更环保、更可持续的未来。
