钢材减产需求不减，木材替代钢可行吗？科学家陆续给出答案

“ 近日，钢之家钢铁发展研究中心发布了《2021年钢铁市场秋季报告》，报告指出，2022年，“双碳”背景下能耗双控将严格执行，我国粗钢产量将继续下降，预计粗钢产量为10.3亿吨左右，同比下降1.9%。”

中国钢铁行业是化石能源消耗密集型行业，煤炭和焦炭占比高达92.0%，我国碳达峰、碳中和任务非常艰巨，未来各项要求更加刚性，是钢材减产的必然要求。然而，需求方面，基建、工程机械、汽车、造船等行业需求继续增长，对钢材等硬质材料的需求只增不减。

在全球“脱碳”大潮下，以减少碳足迹、降低碳排放量为中心的传统钢铁冶金工艺技术变革成为钢铁行业绿色发展的新趋势。但这非唯一一条缓解钢材需求的路径，近日，科学家们陆续最近研发出了用纤维素新材料代替钢材的新方法！

1、木制硬质材料的优势

硬质材料，如镍基和钛基合金、金属的氮化物和碳化物、氮化碳、氮化硼和钻石，在许多领域都引起了极大的兴趣，包括切割和抛光工具、连接和固定材料以及耐磨涂层。然而，这些广泛使用的硬质材料通常不可再生且价格昂贵。

我们几乎天天离不开硬材料，许多硬材料的合成需要超高温和超高压等极端条件，因此构成了潜在安全挑战，也会消耗巨大能量。此外，合成过程往往会排出大量废气。因此，非常有必要制备一种工艺简单、可持续、且低成本的硬材料替代品。

而且，我国正在大力发展新能源汽车，轻量化对于车身来说一直都是难题，并且还要解决高成本问题，而用木材替代钢铁的方法出现给汽车轻量化带来了转机，木浆制成的材料重量仅占钢铁的五分之一，然而强硬度却是钢铁的五倍以上。

以制备木刀的硬化木材为例，制备同样强度的合金刀和陶瓷刀，至少需要多出 10 倍的温度和压力。硬化木材的优势由此可见一斑！

超硬木材做成的餐刀，用于切牛排

2、李腾教授研发的超硬木材，硬度提升23倍！

纤维素，作为木材的主要组成部分（40-45 wt％），是地球上最丰富的生物聚合物，具有卓越的内在机械性能。为了解决开发潜在低成本、可持续硬质材料的挑战，马里兰大学李腾教授课题组展示了一种简单有效的方法来将大块天然木材加工成硬化木材(HW)。

与天然木材相比，HW的硬度增加了23倍。与此同时，HW展现出丰富的潜在应用，研究人员将HW进一步加工为餐刀，其锋利度几乎是商用餐刀（例如，由钢、塑料和天然木材制成的餐刀）的3倍。

此外，HW钉可以达到与钢钉相当的性能，并且可以轻松地将其打入天然木板并将它们固定在一起。这些丰富的应用表明HW有望成为传统硬质材料的可再生和低成本替代品，并且具有使用HW的额外优势。相关研究成果以题为“Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic”发表在最新一期《Matter》上。

李腾课题组采用的做法是尽量保持天然木材中的纤维素含量和结构，并且大幅度降低材料中的缺陷（比如孔洞，通道等）。过程分为两步：

第一步是将木材脱掉木质素，即将木材浸泡在含有氢氧化钠和亚硫酸钠的溶液中，当温度达到 100℃ 下将溶液煮沸几个小时。天然木材的刚性大，不易变形，而在去除木质素后，它会变得柔软、灵活。

第二步，给已被进行化学加工的木材施加压力和热度，过程中它会受到热压，水分会被去除，密度也会变得更大，然后在 100℃ 左右干燥，最终制备出硬化木材。

3、科学家研发出能替代钢材的“超级木材”

其实，在更早之前，美国马里兰大学帕克分校(UMD)的工程师们已经找到了一种方法，可以使木头的强度增强十倍以上，制造出比许多钛合金更坚硬的天然物质。该研究于2018年2月8日在《自然》上发表。

“它是如此坚固耐用，可能是钢铁，甚至是钛合金的竞争对手。它也可以和碳纤维相比，但便宜得多。”UMD材料科学与工程副教授、该研究的技术主管Liangbing Hu说道。

研究小组的另一位技术主管Teng Li负责测试该木材的机械特性。“它和钢一样结实，但比钢轻六倍。断裂能量是天然木材的10倍。它甚至可以在形成的过程中弯曲和成型。”
研究小组还对这种新型木材和天然木材进行了射击试验。子弹直接穿透了天然木材，但没有完全穿透新型木材。
该文章提供了一种非常有前途的设计方法，设计了轻质、高性能的结构材料，具有广阔的应用前景，具有高强度、高韧性和优越的抗冲击性能。特别令人兴奋的是，这种方法对于各种木材来说是万能的，而且很容易实现。这种木材可以用于汽车、飞机、建筑——任何使用钢材的地方。

4、日本汽车用木浆替代钢铁，成本立减80%

丰田最大的供应商Daikyo Nishikawa Corp等主要零部件供应商正在用纳米纤维塑料制造零部件，通过将木浆纤维分解成几百微米（千分之一毫米）来制造的。

在汽车中的潜在用途已经通过“京都工艺”实现，在这个过程中，化学处理的木纤维被揉成塑料，同时被分解成纳米纤维，这将使生产成本削减到其他流程的大约五分之一，换句话说，成本被削减了80%。

京都大学教授Hiroaki Yano领导研究人员说：“这是成本最低、性能最高的纳米纤维，这就是为什么我们专注于汽车和飞机零件的使用。
Yano博士说，他的研究灵感来自于一艘由美国亿万富翁企业家霍华德·休斯（Howard Hughes）于1947年完成的木材货机。
目前，汽车制零件制造商还需要解决高制造成本的问题，然后才能看到在批量车中使用新的，重量更轻的材料，总体而言，纳米纤维作材料在商业上可行还有很长的路要走。

京都大学的研究人员表示，大量生产一公斤纳米纤维的成本约为1000日元，约9美元。希望到2030年将这一成本减半，使其成为一种经济上可行的产品。
它将与塑料相结合，并且与高强度钢和铝合金竞争，目前每公斤成本约为2美元。行业专家预计到2025年，纳米纤维价格将跌至每公斤5美元。

5、胡良兵教授将竹子加工成一强度高的散装结构材料

毕业于中国科学技术大学、马里兰大学材料科学与工程学院副教授胡良兵教授，带领他的团队设计了一种简单而有效的自顶向下的方法，将天然竹子加工成一种重量轻但强度高的散装结构材料，其抗拉强度高达1 GPa，韧性为9.74 MJ/m 3 。

竹子的密度是由部分去除其木质素和半纤维素，其次是热压，长而整齐的纤维素纳米纤维显著增加了氢键，大大减少了竹材结构的结构缺陷，使竹材具有较高的机械拉伸强度、弯曲强度和韧性。

经过密实处理的竹子中木质纤维素的低密度导致其比强度为777 MPa cm 3 g ?1 ，显著高于其他报道的竹子材料和大多数结构材料(如天然聚合物、塑料、钢和合金)。

这项工作展示了用丰富的、快速生长的和可持续的竹子大规模生产轻质、坚固的块状结构材料的潜力。

结语

在短期时间内，由于技术的不成熟和商用化试验下，植物为材的硬质材料仍未能完全替代钢材的使用，但在全球“脱碳”的大潮下，钢材的使用场景或许会慢慢被一些成本更低、环境更友好的纤维素新材料所侵占。

来源：矿材人