盖世汽车讯 未来十年，预计将有大量来自汽车车身面板的铝材进入回收和再利用系统。目前，由于污染导致纯度过低，这些材料大多无法用于关键汽车零部件。这一限制降低了其价值。

据外媒报道，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员致力于改变这一现状。该团队研发了一种名为RidgeAlloy的新型铝合金，可以将低价值的回收铝转化为美国制造汽车结构件的可靠材料。

图片来源： ORNL

铝之所以被列入美国能源部的关键材料清单，是因为它在许多能源技术中发挥着重要作用，包括用于发电、输电、储能和节能的系统。

RidgeAlloy的制造方法是将从废旧产品中回收的铝重新熔化，并铸造成一种新型合金，旨在满足车辆结构部件的强度、延展性和碰撞安全性要求。ORNL的研究人员开发了一种针对性的合金设计方法，可以加速新材料的研发。

“该团队仅用了15个月的时间，就从纸上概念发展到成功制作出新型合金的全尺寸部件，”ORNL轻金属核心项目主任Allen Haynes表示。“在开发复杂结构合金方面，这种创新速度前所未闻。”

汽车铝材回收利用面临的日益严峻的挑战

大量使用铝材的汽车大约在2015年开始出现在美国市场，其中包括福特F-150系列皮卡，这是首批大规模生产的铝材密集型车型之一。预计到2030年代初，这些车辆中的许多都将达到使用寿命的终点。届时，北美地区的回收系统每年可能会收到多达35万吨的铝制车身废料。

这些废料中的很大一部分最终可能被用于生产低价值的铸造产品或出口。这意味着错失了将这种金属作为高质量铝材的国内来源进行再利用的机会。

“你可以将消费后的铝材重新用于制造非结构性产品，例如发动机缸体，” ORNL计算耦合物理小组负责人Alex Plotkowski表示，“但它不具备用于制造高价值、结构坚固的车身所需的性能。”

主要挑战来自车辆拆解过程中引入的污染。铆钉和其他紧固件等部件中的少量铁会混入回收金属中。这些杂质使化学成分难以预测，并降低性能，导致材料无法达到汽车结构合金所需的严格标准。

因此，大多数轻量化汽车零部件仍然采用从矿石中提取的原铝制造。而这一过程需要消耗大量能源。

将废铝转化为国内资源

尽管美国大部分原铝依赖进口，但该国拥有完善的车辆拆解和废铝回收网络。“据估计，使用重熔废铝代替原铝，可使零件加工所需的能源减少高达 95%。” ORNL合金行为与设计小组负责人Amit Shyam表示。

为了研发RidgeAlloy，研究人员利用先进的科学工具设计了合金成分。他们运用高通量计算进行了超过两百万次的计算，预测哪些元素组合能够提供所需的机械性能。研究团队还在ORNL的散裂中子源（Spallation Neutron Source，美国能源部科学办公室的用户设施）进行了详细的材料分析和中子衍射实验。

这些实验帮助科学家们了解不同杂质如何影响合金的性能。中子尤其适用于研究金属，因为它们可以穿透致密材料而不造成损伤，从而使研究人员能够在原子尺度上观察其内部结构和变化。

从计算机模型到实际汽车零部件

研究人员通过仿真和实验室测试确定了最佳合金配方后，在实际生产条件下对RidgeAlloy进行了评估。

PSW集团旗下位于芝加哥的Trialco Aluminum公司利用与RidgeAlloy设计相匹配的混合汽车车身板材废料，生产了再生铝锭。这些铝锭随后被送往位于密歇根州的Falcon Lakeside Manufacturing公司，在那里熔化并采用高压压铸技术铸造成汽车零部件。

“我们选择的零件尺寸适中，结构也比较复杂，”Plotkowski表示。“最终目标是铸造更大的零件，甚至可能是汽车巨型铸件，但这只是第一步。”

测试证实，RidgeAlloy含有铝、镁、硅、铁和锰，这些元素的组合符合车辆结构铸件的要求，即使回收金属中铁和硅的含量较高。该材料具有车辆底盘、车架部件和其他关键结构件等高要求应用所需的强度、耐腐蚀性和延展性。

这项技术有望显著改变北美地区汽车铝废料的分类、估价和再利用方式。

拓展实验室之外的影响

“这个团队找到了充分利用国家实验室世界一流能力的方法，迅速填补了我们对轻量化汽车材料认知上的巨大空白，”Haynes说道。

到2030年代初，RidgeAlloy有望实现再生结构铝铸件的产量，至少达到美国目前年原铝产量的一半。

“RidgeAlloy提供的这项技术是首个能够重新利用即将到来的、规模空前的国内高品质再生汽车铝合金板材价值的技术，”Haynes表示。“这正是我们团队旨在实现的对整个供应链的深远影响。”

这项技术的应用范围可能不仅限于乘用车。潜在应用领域包括工业设备、农业机械、航空航天系统、移动发电设备、雪地摩托和摩托车等越野车辆，以及水上摩托艇等水上交通工具。