鋁合金中添加適量的鈧（Sc）元素可以顯著改善金屬材料的各向性能。金屬鈧的高成本、高難度的燒結工藝限制了鋁鈧合金和輕質Al-Sc合金的發展。Al-Sc合金強度高、塑韌性好、耐蝕性能和可焊接性能等優異，Al-Sc合金正在商業化生產，是目前用於製造新一代軍工、航天航空、艦船等輕質昂貴結構產品材料。然而，與Sc冶煉工藝相關的高成本需要一種替代的廉價工藝，以擴大Sc作為節能結構材料的廣泛應用。
近日來自日本的東京工業大學、衝繩科學技術大學院大學及東北大學聯合一項最新研究表明，利用微波輻射處理生產Al-Sc合金，以更低的能量輸入和更少的溫室氣體排放而獲得廉價生產工藝，大大降低了其生產成本。相關論文以題為「Microwave Irradiation Process for Al–Sc Alloy Production」於2月14日發表在Scientific Reports。
論文連結：
https://doi.org/10.1038/s41598-020-59664-2
在微波輻射下進行的化學反應通常具有高速率和高選擇性，與傳統加熱相比，可以使用更小的反應器和更節能的工藝過程。因此，以微波化學加工與合成作為一種提高工藝效率、節能降耗的手段，正朝著「綠色化學」和「綠色工程」的方向發展引起了人們的廣泛關注。一些研究人員還建議使用微波加熱來冶鍊金屬以減少二氧化碳排放。
該項研究在先前證明了微波輻射在金屬冶煉中的可行性，其中以高收率（71％）和較低的能耗（傳統的皮江法（the conventional Pidgeonprocess）需要的三分之一）獲得了1.7g鎂金屬。此外，還證明了基於微波的碳熱還原。在本項研究中，研究了一種新的製備Al-Sc合金的微波輻射工藝，與傳統的方法相比，該工藝具有更低的能量輸入和更少的溫室氣體排放。以微波輻射為熱源進行以下化學反應：
Sc2O3(s)+Mg(g)+Al(s)Al-Sc alloy metal +MgO
具體的工藝實驗結果如下圖所示：
圖1. 鋁-鈧生產過程的實驗裝置示意圖
圖2.(a)化學反應在不同反應溫度下殘留物和產物混合物的XRD圖譜；(b)還原反應後的型煤圖
圖3. (a)反應產物的掃描電鏡圖像、(b)Al、(c)Sc、(d)Mg和(e)O的強度分布
圖4.光學光譜測量結果
總的來說，這項工作展示了一種利用微波輻射生產Al-Sc合金的新工藝，由於該項研究採用的溫度(660℃)是迄今報導的最低的，因此有望在工業生產降低能耗並簡化加工設備。並且該項研究者認為，在較低的反應溫度下，通過優化反應條件，未反應的氧化鈧可以充分完全反應，而且作為副產物的氧化鎂很容易用鹽酸脫除。該微波輻射處理方法有望在其他合金等中得到運用，這項技術如果得以推廣，將有望替代傳統工藝，以超低能耗、環保、廉價的生產工藝大大規模生產。
來源：材料科學與工程公眾號，作者：馮馮。
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