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丁文江院士團隊攻克鎂的世界性難題

丁文江院士團隊攻克鎂的世界性難題

鎂的三大“劣根性”：易燃燒、強度低、易腐蝕，過去嚴重制約了我國鎂合金技術和產品的發展

鎂(mei)(mei)合(he)(he)金是以鎂(mei)(mei)為(wei)原料的(de)(de)(de)高性能(neng)(neng)輕(qing)型(xing)結(jie)構材料，比重與塑料相近(jin)，剛(gang)度、強度不亞于鋁(lv)，具有(you)(you)較強的(de)(de)(de)抗震(zhen)、防電(dian)磁、導(dao)熱、導(dao)電(dian)等(deng)優異性能(neng)(neng)，并且(qie)可以全(quan)回收無污染(ran)。鎂(mei)(mei)合(he)(he)金質(zhi)量輕(qing)，其密度只有(you)(you)1.7 kg/m3，是鋁(lv)的(de)(de)(de)2/3，鋼(gang)的(de)(de)(de)1/4，強度高于鋁(lv)合(he)(he)金和鋼(gang)，比剛(gang)度接近(jin)鋁(lv)合(he)(he)金和鋼(gang)，能(neng)(neng)夠承受一定的(de)(de)(de)負(fu)荷，具有(you)(you)良好(hao)的(de)(de)(de)鑄(zhu)造性和尺(chi)寸穩(wen)定性，容易加工，廢品率低，具有(you)(you)良好(hao)的(de)(de)(de)阻(zu)尼系數，減振量大于鋁(lv)合(he)(he)金和鑄(zhu)鐵，非(fei)常適合(he)(he)用于汽車的(de)(de)(de)生產中，同時在航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)、便攜(xie)電(dian)腦(nao)、手機、電(dian)器、運動器材等(deng)領域有(you)(you)著廣泛的(de)(de)(de)應用空(kong)間(jian)。

一(yi)、鎂合(he)金(jin)的(de)優點

鎂(mei)(mei)合(he)金(jin)(jin)密(mi)度小(xiao)但強(qiang)度高(gao)、剛(gang)性(xing)好。在(zai)現有(you)工程用金(jin)(jin)屬中，鎂(mei)(mei)的(de)(de)密(mi)度最小(xiao)，是鋼的(de)(de)1/5，鋅的(de)(de)1/4，鋁的(de)(de)2/3。普通鑄造(zao)鎂(mei)(mei)合(he)金(jin)(jin)和鑄造(zao)鋁合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)剛(gang)度相同，因而其比強(qiang)度明顯高(gao)于鋁合(he)金(jin)(jin)。鎂(mei)(mei)合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)剛(gang)度隨厚度的(de)(de)增加而成(cheng)立方比增加，故而鎂(mei)(mei)合(he)金(jin)(jin)制(zhi)造(zao)剛(gang)性(xing)好的(de)(de)性(xing)能對整體(ti)構件的(de)(de)設(she)計十分有(you)利。

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

鎂合金(jin)的(de)熱容量低、凝固速(su)度(du)快(kuai)、壓鑄性能好。鎂合金(jin)是良好的(de)壓鑄材料(liao)，它具有(you)很好的(de)流動性和快(kuai)速(su)凝固率，能生產表面(mian)精細、棱角清(qing)晰的(de)零件，并能防止(zhi)過(guo)量收縮以(yi)保證(zheng)尺(chi)寸公差。由于鎂合金(jin)熱容量低，與生產同(tong)樣的(de)鋁(lv)合金(jin)鑄件相比，其生產效(xiao)率高(gao)40%～50%，且鑄件尺(chi)寸穩定，精度(du)高(gao)，表面(mian)光潔度(du)好。

鎂(mei)合(he)(he)金具有優良的(de)切(qie)(qie)(qie)削加工(gong)(gong)性。鎂(mei)合(he)(he)金是所有常用金屬中較(jiao)容易加工(gong)(gong)的(de)材料。加工(gong)(gong)時可采用較(jiao)高的(de)切(qie)(qie)(qie)削速度(du)和廉價的(de)切(qie)(qie)(qie)削刀具，工(gong)(gong)具消(xiao)耗低。而且不(bu)需(xu)要磨(mo)削和拋光，用切(qie)(qie)(qie)削液(ye)就可以得到(dao)十分光潔的(de)表面(mian)。

資源(yuan)豐富。中國是鎂(mei)資源(yuan)大國，菱鎂(mei)礦、白(bai)云石礦和鹽湖鎂(mei)資源(yuan)等優質煉鎂(mei)原料(liao)在中國的(de)(de)儲量(liang)十分豐富，為中國的(de)(de)原鎂(mei)工業(ye)及“下游”產業(ye)的(de)(de)蓬勃發展和不(bu)斷進(jin)步提供了物質保證(zheng)。進(jin)入(ru)20世紀90年代(dai)以來(lai)，隨(sui)著改革開放和市場經(jing)濟的(de)(de)不(bu)斷深入(ru)發展，中國鎂(mei)工業(ye)也有(you)了突(tu)飛猛進(jin)的(de)(de)發展。2000年全(quan)國鎂(mei)產量(liang)約為200 kt，幾乎占世界鎂(mei)產量(liang)的(de)(de)40%，位居全(quan)球(qiu)第(di)(di)一。2005年，原鎂(mei)產量(liang)達到354 kt，原鎂(mei)產能接近600 kt，比2004年凈(jing)增100kt，同比增長32.1%，占全(quan)球(qiu)鎂(mei)產量(liang)的(de)(de)2/3，成為中國繼鋁、銅、鉛、鋅之(zhi)后(hou)的(de)(de)第(di)(di)五大有(you)色金屬(shu)。

二、鎂合(he)金的缺點

1 易燃性

鎂(mei)元(yuan)素與氧(yang)元(yuan)素具有極大(da)的(de)(de)親(qin)和力，其在高溫(wen)下甚至還處(chu)于固(gu)態的(de)(de)情(qing)況下，就很容易(yi)與空氣(qi)中的(de)(de)氧(yang)氣(qi)發(fa)生反應，放(fang)出大(da)量熱(re)，且生成的(de)(de)氧(yang)化(hua)鎂(mei)導熱(re)性能不好，熱(re)量不能及時發(fa)散，繼(ji)而(er)促進了氧(yang)化(hua)反應的(de)(de)進一(yi)步進行，形成了惡性循(xun)環，而(er)且氧(yang)化(hua)鎂(mei)疏松(song)多孔，不能有效阻隔(ge)空氣(qi)中氧(yang)的(de)(de)侵(qin)入。

2 室溫塑性差

鎂(mei)屬于(yu)密排(pai)六(liu)方(fang)晶(jing)體(ti)(ti)結構，其在(zai)室溫下只有1個(ge)滑移(yi)面(mian)和3個(ge)滑移(yi)系(xi)，因(yin)此它的(de)(de)塑(su)性變(bian)形主要依賴于(yu)滑移(yi)與(yu)孿生的(de)(de)協調動作，但鎂(mei)晶(jing)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)滑移(yi)僅發(fa)生在(zai)滑移(yi)面(mian)與(yu)拉(la)力(li)方(fang)向相傾(qing)斜的(de)(de)某些晶(jing)體(ti)(ti)內(nei)，因(yin)而滑移(yi)的(de)(de)過程將會受到極大(da)地限制(zhi)，而且在(zai)這種取向下孿生很難發(fa)生，所(suo)以(yi)晶(jing)體(ti)(ti)很快就會出現脆性斷(duan)裂。在(zai)溫度超過250℃時，鎂(mei)晶(jing)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)附加滑移(yi)面(mian)開始(shi)起作用，塑(su)性變(bian)形能力(li)變(bian)強。

3 耐蝕性差

鎂具有很高的(de)化(hua)學(xue)活潑性，其(qi)平衡電位(wei)很低，與不同類金屬接觸時(shi)易(yi)發生(sheng)電偶(ou)腐蝕，并(bing)充當(dang)陽極作用。在室溫(wen)下，鎂表面(mian)與空氣中的(de)氧(yang)(yang)發生(sheng)反應，形成氧(yang)(yang)化(hua)鎂薄膜(mo)，但(dan)由(you)于氧(yang)(yang)化(hua)鎂薄膜(mo)比較疏松，其(qi)致密系(xi)數僅(jin)為0.79，即鎂氧(yang)(yang)化(hua)后生(sheng)成氧(yang)(yang)化(hua)鎂的(de)體(ti)積(ji)縮小，因(yin)此耐蝕性很差。

 交大丁(ding)文江院(yuan)士(shi)團隊攻克鎂的世(shi)界性(xing)難(nan)題

鎂的(de)三大“劣根(gen)性”：易燃燒(shao)、強度(du)低(di)、易腐蝕，過去嚴重制約了(le)我國鎂合(he)金(jin)技術和產品的(de)發展。 

丁文江院士科研團隊在國際上(shang)(shang)較(jiao)早(zao)地開展阻(zu)燃(ran)鎂(mei)(mei)合金(jin)的研究，讓鎂(mei)(mei)合金(jin)燃(ran)點從(cong)520℃大幅(fu)提(ti)(ti)高至935℃以上(shang)(shang)。燃(ran)點大大提(ti)(ti)升，使大氣(qi)中無保護(hu)的鎂(mei)(mei)合金(jin)熔煉(lian)與生產(chan)(chan)成為可能，目前，該技(ji)術已應用于電子產(chan)(chan)品外殼和汽車變速箱等(deng)產(chan)(chan)品批量生產(chan)(chan)。

常規鎂合(he)(he)(he)金(jin)(jin)比較軟，承力比較差(cha)。丁(ding)文江院士提出(chu)將中國的(de)優勢(shi)資源稀土與鎂相結(jie)(jie)合(he)(he)(he)來(lai)研制(zhi)具(ju)有中國特色的(de)高性(xing)能(neng)鎂合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，采用Gd、Y等(deng)重(zhong)稀土元(yuan)素進行合(he)(he)(he)金(jin)(jin)化(hua)(hua)并結(jie)(jie)合(he)(he)(he)固溶強(qiang)化(hua)(hua)、時效強(qiang)化(hua)(hua)、細晶強(qiang)化(hua)(hua)等(deng)手段，發明了室溫和250℃下抗拉強(qiang)度(du)都較高的(de)高強(qiang)度(du)變(bian)形(xing)鎂合(he)(he)(he)金(jin)(jin)(JDM2)，成(cheng)為(wei)目前世(shi)界上工業應用強(qiang)度(du)最高的(de)鎂合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，已成(cheng)功應用于航空航天等(deng)領域的(de)關鍵(jian)承力件。

鎂活性(xing)大(da)、易反應、產生大(da)量氧(yang)化渣的這一世界性(xing)難題，在(zai)丁(ding)文(wen)江院(yuan)士團隊(dui)(dui)幾(ji)十(shi)年不斷的研發(fa)和探索中(zhong)，被攻克了！丁(ding)文(wen)江院(yuan)士團隊(dui)(dui)發(fa)明了大(da)尺寸方(fang)孔多級(ji)(ji)電磁凈化方(fang)法(fa)(fa)、多級(ji)(ji)多介質(zhi)(zhi)連續(xu)深度凈化方(fang)法(fa)(fa)等新的凈化方(fang)法(fa)(fa)與裝(zhuang)備，解決了一系(xi)列的世界性(xing)難題，為高品(pin)質(zhi)(zhi)輕(qing)合金制(zhi)品(pin)批(pi)量生產提供了堅實的材(cai)料(liao)保障。

三鎂合金3D打(da)印

“鎂”好未來

鎂(mei)，對人體溫和，具(ju)有很(hen)好的(de)可(ke)吸收性(xing)(xing)和生物相容性(xing)(xing)。醫用(yong)鎂(mei)合金(jin)在(zai)骨(gu)科植入物中具(ju)有與骨(gu)接近的(de)密度(du)和彈性(xing)(xing)模量，且具(ju)有可(ke)控的(de)腐蝕速(su)率。清華(hua)大學溫教授認為，鎂(mei)合金(jin)在(zai)心血管植入和骨(gu)修復領域具(ju)有很(hen)好的(de)應用(yong)前景。

WE43合金是一種較有潛力的可實現臨床應(ying)用(yong)(yong)的生(sheng)物可降(jiang)解(jie)(jie)金屬材料(liao)，但目前的應(ying)用(yong)(yong)比較有限。鎂(mei)合金多孔支架的應(ying)用(yong)(yong)難(nan)點在于(yu)成形過程中鎂(mei)的高(gao)易氧化、蒸發(fa)、熱膨脹和(he)粉末附著等問題，利用(yong)(yong)增材制造技術制作(zuo)的生(sheng)物可降(jiang)解(jie)(jie)金屬多孔支架，有望解(jie)(jie)決結構(gou)定制化和(he)生(sheng)物降(jiang)解(jie)(jie)的雙(shuang)重挑戰。

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