把“再利用”写进我们身边的材料设计里-新东方前途出国

留学顾问卜凡

卜凡

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      把“再利用”写进我们身边的材料设计里

      • 研究生
      • 留学新闻
      2025-12-31

      卜凡美国研究生成都

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      在一个以材料发现、设计与加工为核心的领域里,冶金学家、MIT 校友 **Diran Apelian(ScD ’73)**提出了一个明确的主张:再利用与回收不应只是研究课题或创业方向,而应从材料与产品设计的起点就被“工程化”地纳入体系。

      Apelian 以过去 150 年人口增长与资源需求攀升为背景,指出铜、镍、铁、锰等关键金属的需求持续上行。与此同时,越来越多的日常产品依赖更复杂的材料体系。以芯片为例,他提到芯片在 1980 年使用约 11 种元素,而如今可能包含 52 种元素。材料复杂度提升,使得传统的回收路径更容易造成价值损失。

      他认为,如果仍沿用“开采—加工—使用—丢弃”的线性模式,即使经过回收系统,也常因效率不足、分选粗糙而发生“降级循环”(downcycling):材料被混熔后只能用于低附加值场景,原本的工程性能与价值难以保留。相比之下,更有潜力的路径是:在设计阶段就考虑如何回收材料中的价值,让“地球开采来的矿物”在经济系统中尽可能长时间循环流动,即他强调的“材料循环性(materials circularity)”。

      文章中给出若干案例来说明“从废弃物中创造价值”的思路:

      • 铝合金废料再利用:过去报废汽车经粉碎后得到混合金属并被熔化,往往只能转向低价值铸造用途。如今,随着自动化传感分选、机器学习与机器人分拣、以及更好的熔炼工艺发展,铝废料可被导向更高价值用途,例如航空航天部件、以及汽车结构件(车架梁与支撑件等)。

      • 航空级材料来自废铝:通过 AI 驱动的合金配比与混料优化,将废铝合金更精准地“调配”到满足高要求应用的成分窗口。

      • 锂电回收的“黑粉(black mass)”路径:通过粉碎锂离子电池得到富含钴、镍、锂的混合物(黑粉),再将其提纯为新一代电池正极材料的原料。

      在 MIT 材料科学与工程系(DMSE)的 Wulff Lecture 上,Apelian 回顾经典的“材料四面体”框架(加工—结构—性能—服役表现),指出传统材料教育与研发往往对“寿命终点”关注不足。他提出一个由同心圆构成的新框架,把材料生命周期从采矿、提取、加工、设计,扩展到 修复(repair)、再利用(reuse)、再制造(remanufacturing)、回收(recycling) 等多个阶段(他称之为 “all the R’s”)。

      他也强调:循环经济不只依赖技术,商业模式与政策机制同样关键。他举例设想:如果汽车在报废阶段的责任从车主转移到制造商(要求制造商回收并处理),那么企业在设计阶段就会更主动考虑可拆解、可修复、可回收,以及材料可追溯与可分选等问题,产品设计会随之改变。

      文章最后呈现了现场学生的反馈:他们对“把循环性嵌入商业与工程体系”持谨慎但希望的态度,并将其视作材料科学仍有大量工作空间的方向之一。

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