ทีมวิจัยพัฒนาสเตนเลสใหม่ เพิ่มความแข็งแรงและความยืดหยุ่น

นักวิจัยจากจีนและเยอรมนีได้พัฒนาสเตนเลสใหม่จำนวน 14 ชนิดจากวัสดุรีไซเคิล ซึ่งมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และต้นทุนต่ำกว่าวัสดุทางเลือกแบบดั้งเดิมมากกว่า 8% โครงการนี้ดำเนินการโดยมหาวิทยาลัยเจียงซูในเซี่ยงไฮ้ มหาวิทยาลัยเมืองฮ่องกง มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีตะวันออกเฉียงใต้ และสถาบันวิจัยวัสดุที่ยั่งยืนของ Max Planck ในเยอรมนี ในการวิจัย ทีมงานได้สร้างวิธีการเรียนรู้ของเครื่องที่เปลี่ยนสิ่งเจือปนในวัสดุโลหะรีไซเคิลให้เป็นสเตนเลสที่แข็งแรงขึ้น แทนที่จะกำจัดมัน วิธีการนี้ผลิตสเตนเลสใหม่จำนวน 14 ชนิดที่มีความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้น 15.2% หรือความยืดหยุ่นเมื่อแตกหักเพิ่มขึ้น 73.2%

Liuliu Han หัวหน้าทีมจากสถาบันวิจัยวัสดุที่ยั่งยืนของ Max Planck และหนึ่งในผู้เขียนร่วมของการศึกษา กล่าวว่า "วิธีการแบบดั้งเดิมคือการเจือจางสิ่งเจือปนในวัสดุโลหะรีไซเคิลด้วยการเพิ่มวัสดุใหม่" วิธีการใหม่ลดต้นทุนการผลิตลง 8.1%

ความหมายด้านสิ่งแวดล้อมของวิธีการใหม่

ทั่วโลกผลิตโลหะประมาณ 2,000 ล้านตันต่อปี ซึ่งส่วนใหญ่ได้มาจากวัสดุที่ขุดขึ้นใหม่ อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตนี้ยังเป็นสาเหตุของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในอุตสาหกรรมประมาณ 40% และการใช้พลังงานทั่วโลกประมาณ 10% แม้ว่าการรีไซเคิลจะสามารถลดปัญหาสิ่งแวดล้อมนี้ได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่โลหะรีไซเคล่มักมีสิ่งเจือปนและองค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้การผลิตสเตนเลสที่มีคุณสมบัติทางกลที่คาดการณ์ได้เป็นเรื่องซับซ้อน ผู้ผลิตมักจะเจือจางสิ่งเจือปนด้วยการเพิ่มโลหะใหม่ แต่กระบวนการนี้ต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมและเพิ่มการปล่อยคาร์บอน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยได้ใช้กรอบการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อมองว่าสิ่งเจือปนเป็นองค์ประกอบที่มีประโยชน์สำหรับการผลิตสเตนเลส

ระบบนี้ใช้อัลกอริธึมและเครือข่ายประสาทเทียมเพื่อค้นหาส่วนผสมโลหะและวิธีการผลิตที่เหมาะสมที่สุด และวิเคราะห์ปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ เวลาในการผลิต ความต้านทานแรงดึง และความยืดหยุ่น เพื่อคาดการณ์ว่าส่วนผสมใดจะให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า การออกแบบที่มีแนวโน้มดีที่สุดจะถูกทดสอบ และผลลัพธ์จะถูกส่งกลับไปยังระบบเพื่อการคาดการณ์ในอนาคต

เพื่อทดสอบวิธีการนี้ ทีมงานได้ใช้วัสดุอุตสาหกรรมทั่วไปที่มีความแข็งแรงและความยืดหยุ่น และสามารถทนต่อสิ่งเจือปนได้ นั่นคือ เหล็กหล่อ ซึ่งผลิตทั่วโลกประมาณ 120 ล้านตันต่อปี นักวิทยาศาสตร์ได้ประเมินการออกแบบสเตนเลส 17 ชนิดที่เสนอโดยกรอบการทำงาน ซึ่ง 14 ชนิดแสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงและความยืดหยุ่นที่ดีที่สุดในชุดข้อมูลเหล็กรีไซเคิลที่มีอยู่ ความต้านทานแรงดึงของสเตนเลสใหม่เพิ่มขึ้น 15.2% โดยไม่สูญเสียความยืดหยุ่น หรือความยืดหยุ่นเพิ่มขึ้น 73.2% โดยไม่สูญเสียความแข็งแรง ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าว สเตนเลสเหล่านี้ผลิตจากวัสดุรีไซเคิลทั้งหมด โดยไม่เพิ่มเหล็กดิบ

ศักยภาพในการใช้งานในอนาคต

พวกเขามั่นใจว่าเทคโนโลยีนี้สามารถขยายไปยังการรีไซเคิลเหล็ก อลูมิเนียม และทองแดง และสามารถนำไปใช้ในด้านการขนส่ง โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงาน และการผลิตอุตสาหกรรม

Liuliu Han ได้อธิบายถึงวิธีการที่สามารถเปลี่ยนสิ่งเจือปนในโลหะให้กลายเป็นข้อได้เปรียบ เขากล่าวในแถลงการณ์ว่า "ดังนั้น เราจึงพัฒนากลยุทธ์การเรียนรู้ของเครื่องใหม่ที่เปลี่ยนสิ่งเจือปนเหล่านี้จากปัญหาให้กลายเป็นข้อได้เปรียบ ทำให้เราสามารถออกแบบสเตนเลสที่ไม่เพียงแต่สามารถทนต่อมลพิษ แต่ยังสามารถได้รับประโยชน์จากมัน" การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances