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丁文江院士團(tuán)隊(duì)攻克鎂的世界性難題

丁文江院士團(tuán)隊(duì)攻克鎂的世界性難題

鎂的三大“劣根性”：易燃燒、強(qiáng)度低、易腐蝕，過去嚴(yán)重制約了我國(guó)鎂合金技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展

鎂合金是以鎂為原料的高性能輕型結(jié)構(gòu)材料，比重與塑料相近，剛度、強(qiáng)度不亞于鋁，具有較強(qiáng)的抗震、防電磁、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等優(yōu)異性能，并且可以全回收無污染。鎂合金質(zhì)量輕，其密度只有1.7 kg/m3，是鋁的2/3，鋼的1/4，強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，比剛度接近鋁合金和鋼，能夠承受一定的負(fù)荷，具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，容易加工，廢品率低，具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，非常適合用于汽車的生產(chǎn)中，同時(shí)在航空航天、便攜電腦、手機(jī)、電器、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用空間。

一、鎂合金的優(yōu)點(diǎn)

鎂合金密度小但強(qiáng)度高、剛性好。在現(xiàn)有工程用金屬中，鎂的密度小，是鋼的1/5，鋅的1/4，鋁的2/3。普通鑄造鎂合金和鑄造鋁合金的剛度相同，因而其比強(qiáng)度明顯高于鋁合金。鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，故而鎂合金制造剛性好的性能對(duì)整體構(gòu)件的設(shè)計(jì)十分有利。

鎂合金的韌性好、減震性強(qiáng)。鎂合金在受外力作用時(shí)，易產(chǎn)生較大的變形。但當(dāng)受沖擊載荷時(shí)，吸收的能量是鋁的1.5倍，因此，很適合應(yīng)于受沖擊的零件—車輪；鎂合金有很高的阻尼容量，是避免由于振動(dòng)、噪音而引起工人疲勞等場(chǎng)合的理想材料。

鎂合金的熱容量低、凝固速度快、壓鑄性能好。鎂合金是良好的壓鑄材料，它具有很好的流動(dòng)性和快速凝固率，能生產(chǎn)表面精細(xì)、棱角清晰的零件，并能防止過量收縮以保證尺寸公差。由于鎂合金熱容量低，與生產(chǎn)同樣的鋁合金鑄件相比，其生產(chǎn)效率高40%～50%，且鑄件尺寸穩(wěn)定，精度高，表面光潔度好。

鎂合金具有優(yōu)良的切削加工性。鎂合金是所有常用金屬中較容易加工的材料。加工時(shí)可采用較高的切削速度和廉價(jià)的切削刀具，工具消耗低。而且不需要磨削和拋光，用切削液就可以得到十分光潔的表面。

資源豐富。中國(guó)是鎂資源大國(guó)，菱鎂礦、白云石礦和鹽湖鎂資源等優(yōu)質(zhì)煉鎂原料在中國(guó)的儲(chǔ)量十分豐富，為中國(guó)的原鎂工業(yè)及“下游”產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和不斷進(jìn)步提供了物質(zhì)保證。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著改革開放和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷深入發(fā)展，中國(guó)鎂工業(yè)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。2000年全國(guó)鎂產(chǎn)量約為200 kt，幾乎占世界鎂產(chǎn)量的40%，位居全球。2005年，原鎂產(chǎn)量達(dá)到354 kt，原鎂產(chǎn)能接近600 kt，比2004年凈增100kt，同比增長(zhǎng)32.1%，占全球鎂產(chǎn)量的2/3，成為中國(guó)繼鋁、銅、鉛、鋅之后的第五大有色金屬。

二、鎂合金的缺點(diǎn)

1 易燃性

鎂元素與氧元素具有極大的親和力，其在高溫下甚至還處于固態(tài)的情況下，就很容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，放出大量熱，且生成的氧化鎂導(dǎo)熱性能不好，熱量不能及時(shí)發(fā)散，繼而促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，形成了惡性循環(huán)，而且氧化鎂疏松多孔，不能有效阻隔空氣中氧的侵入。

2 室溫塑性差

鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其在室溫下只有1個(gè)滑移面和3個(gè)滑移系，因此它的塑性變形主要依賴于滑移與孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作，但鎂晶體中的滑移僅發(fā)生在滑移面與拉力方向相傾斜的某些晶體內(nèi)，因而滑移的過程將會(huì)受到極大地限制，而且在這種取向下孿生很難發(fā)生，所以晶體很快就會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。在溫度超過250℃時(shí)，鎂晶體中的附加滑移面開始起作用，塑性變形能力變強(qiáng)。

3 耐蝕性差

鎂具有很高的化學(xué)活潑性，其平衡電位很低，與不同類金屬接觸時(shí)易發(fā)生電偶腐蝕，并充當(dāng)陽(yáng)極作用。在室溫下，鎂表面與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鎂薄膜，但由于氧化鎂薄膜比較疏松，其致密系數(shù)僅為0.79，即鎂氧化后生成氧化鎂的體積縮小，因此耐蝕性很差。

交大丁文江院士團(tuán)隊(duì)攻克鎂的世界性難題

鎂的三大“劣根性”：易燃燒、強(qiáng)度低、易腐蝕，過去嚴(yán)重制約了我國(guó)鎂合金技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展。

丁文江院士科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上較早地開展阻燃鎂合金的研究，讓鎂合金燃點(diǎn)從520℃大幅提高至935℃以上。燃點(diǎn)大大提升，使大氣中無保護(hù)的鎂合金熔煉與生產(chǎn)成為可能，目前，該技術(shù)已應(yīng)用于電子產(chǎn)品外殼和汽車變速箱等產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

常規(guī)鎂合金比較軟，承力比較差。丁文江院士提出將中國(guó)的優(yōu)勢(shì)資源稀土與鎂相結(jié)合來研制具有中國(guó)特色的高性能鎂合金，采用Gd、Y等重稀土元素進(jìn)行合金化并結(jié)合固溶強(qiáng)化、時(shí)效強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等手段，發(fā)明了室溫和250℃下抗拉強(qiáng)度都較高的高強(qiáng)度變形鎂合金(JDM2)，成為目前世界上工業(yè)應(yīng)用強(qiáng)度高的鎂合金，已成功應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵承力件。

鎂活性大、易反應(yīng)、產(chǎn)生大量氧化渣的這一世界性難題，在丁文江院士團(tuán)隊(duì)幾十年不斷的研發(fā)和探索中，被攻克了！丁文江院士團(tuán)隊(duì)發(fā)明了大尺寸方孔多級(jí)電磁凈化方法、多級(jí)多介質(zhì)連續(xù)深度凈化方法等新的凈化方法與裝備，解決了一系列的世界性難題，為高品質(zhì)輕合金制品批量生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的材料保障。

三鎂合金3D打印

“鎂”好未來

鎂，對(duì)人體溫和，具有很好的可吸收性和生物相容性。醫(yī)用鎂合金在骨科植入物中具有與骨接近的密度和彈性模量，且具有可控的腐蝕速率。清華大學(xué)溫教授認(rèn)為，鎂合金在心血管植入和骨修復(fù)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

WE43合金是一種較有潛力的可實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的生物可降解金屬材料，但目前的應(yīng)用比較有限。鎂合金多孔支架的應(yīng)用難點(diǎn)在于成形過程中鎂的高易氧化、蒸發(fā)、熱膨脹和粉末附著等問題，利用增材制造技術(shù)制作的生物可降解金屬多孔支架，有望解決結(jié)構(gòu)定制化和生物降解的雙重挑戰(zhàn)。

多孔鈦關(guān)節(jié).png