业界视点 | 曾荣昌：创新技术推进镁合金产业发展

2019-09-19 14:49:32 作者：殷鹏飞来源：《腐蚀与防护之友》分享至：

镁合金是在钢铁和铝合金之后发展起来的第三大金属结构材料，并且现在已经成为世界研究热点。在汽车、电子、电器、航空航天、国防军工、交通等领域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景。在很多传统金属矿产趋于枯竭的今天，加速开发镁合金是中国社会可持续发展的重要措施之一。镁合金有哪些特点和优势？我国目前镁合金开发利用情况如何？镁合金未来发展方向在哪？带着这些问题，我们采访了山东科技大学曾荣昌教授。

曾荣昌，山东科技大学教授，博士生导师，中国腐蚀与防护学会常务理事，山东省腐蚀与防护学会副理事长，在镁合金的研究方面有很高的造诣。

记者：您的主要研究方向是材料腐蚀与保护，并且您在镁合金的研究方面也颇有建树。镁合金作为21 世纪的绿色环保工程材料，近年来已成为学术界的一个研究热点，请重点谈谈您对镁合金的看法和见解。

曾老师：回首人类发展历史长河，一幅幅材料史画卷呈现在我们面前。人类从远古原始时期的燧木取火、到史前时期石器材料的利用，再到五千多年前的青铜器和随后铁器时代的冶金术，金属材料的冶炼和器件的制做水平逐渐达到目前先进材料生产的鼎盛时期。1825年金属铝的获得、1852 年镁的电解法生产，再到当今的超级钢、信息技术、3D打印技术，无不体现人类利用自然和征服自然的高超智慧和精湛工艺。可以说，人类文明史就是人类利用、创造、发明、生产材料的发展历史。

然而，人类只有一个地球。随着人口增加和人类生活水平的提高，地球矿产资源需求旺盛。我国所倡导的“一带一路”所涉及的沿线国家高速公路、桥梁、高铁及建筑物等大规模的基础设施建设消耗大宗钢铁及铝合金等金属材料。金属材料作为最重要的结构材料，必须走可持续发展循环利用的道路，才能为子孙后代留下可用之材。

镁在地壳中蕴藏量达2.7%，仅次于铝和铁元素。在全球铁和铝资源日益枯竭的今天，镁的历史地位显得日益重要。镁及合金具有质量轻、比强度高、阻尼性能好、散热性能好、电磁屏蔽能力强、易于回收循环利用等优点。镁的密度仅为1.74 g/cm3，只有钢的1/4、铝的2/3。可以说，镁是人类可用的最轻金属结构材料。另外，镁合金还具有良好的生物相容性和力学相容性，可作为生物医用金属材料。

金属镁的每次大发展都与时代需求相关。回顾世界金属镁的发展史，可以思考我国镁产业下一步发展路线图。1808 年英国化学家戴维制得纯镁，1852年德国化学家本生发明电解法制镁，1886 年德国建设了世界首个镁厂。第一次、第二次世界大战金属镁被大量应用于飞机和汽车制造。我国镁的生产则是新中国解放之后。直到1957 年抚顺铝厂镁分厂建成。当时镁产量远远不能满足工业化生产需求，还需大量进口。1999 年我国镁产量达12 万吨，首次超过美国成为世界上最大镁生产国。2000年师昌绪等5 位院士共同联名向科技部提交“加速我国金属镁工业发展的建议”。这一建议书为我国金属镁指明了发展方向。金属镁的发展得到中央和地方政府的高度重视。2011 年北京第391次香山会议“生物可降解金属研究发展与临床应用面临的挑战”推动了国家层面对医用镁合金研究的重视。可以说，各级政府、高校及科研院所和民营企业家们共同铸就了我国金属镁产业发展的宏伟蓝图。基于我国独特的镁自然资源、丰富的人力资源和高速发展的经济驱动，我国金属镁从小众金属材料快速地发展成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被称为“2l 世纪的绿色工程材料”。

镁腐蚀有其独特性，存在负差数效应。（1）不同于钢铁及铝合金，镁及其合金表面氧化膜疏松不致密，保护性较差。（2）镁发生析氢腐蚀而不是吸氧腐蚀，阴极析氢导致表面涂层鼓泡剥落。（3）镁的电极电位很低，镁与其它金属或合金连接易于发生电偶腐蚀。（4）镁杂质（如Fe、Ni、Co）容许极限偏低，高品质原镁的获得及稳定性与实际需求有比较大的差距。（5）铸态镁合金强度偏低，变形镁合金加工易于产生不均匀变形和织构。（6）第二相或金属间化合物在加工和腐蚀过程中的作用还不十分清楚。（7）位错和孪晶在腐蚀中的作用关注不够。（8）环境因素如力学、化学和生物因素比较复杂，材料与其交互作用机制还不清楚。（9）研究方法和分析尺度上需要革新。需要采用原位分析和新的测试技术从微纳层次去观察。解决这些问题，归根结底，将涉及到材料与腐蚀科学本身的发展，需要我们努力发展新的理论和防护技术。腐蚀大数据、材料基因组学、微区电化学分析和可视化以及材料计算模拟将在镁合金腐蚀研究上发挥重要作用。

记者：请您详细介绍一下您和您的团队在镁合金研究方面所做的工作和取得的成就。并谈谈这些科研工作成果或技术的应用前景。

曾老师：我们团队研究方向主要包括下面三个：

（1）轻合金合金化原理及腐蚀机理研究

围绕镁合金在汽车、轨道交通、3C和航空航天领域的应用，基于金属合金化、电化学腐蚀基本原理和理论，利用现代先进分析技术和微区原位分析与观察技术，研究镁合金材料与化学交互作用对镁合金腐蚀动力学的影响，建立镁合金合金成分、晶粒度、第二相、加工成型工艺、热处理与腐蚀性能之间的关系，探讨镁合金腐蚀机理，推动镁合金腐蚀理论的发展。

（2）镁合金表面结构-功能一体化涂层研究

围绕镁合金在汽车、轨道交通、3C和航空航天领域应用存在的腐蚀保护技术问题，通过化学转化、微弧阳极氧化、水热法、磁控溅射和涂装等方法，获得化学转化膜、阳极氧化膜、水滑石膜、高分子材料和其它无机有机涂层以及它们的复合涂层，构建具有良好耐蚀、抗菌、疏水、阻燃、自愈合、自清洁等多功能复合涂层体系，探讨其成膜、腐蚀防护及阻燃机理，为镁合金的应用提供途径。

（3）医用镁合金降解机理及功能涂层改性

围绕镁合金生物医用以及高血糖微环境降解问题，通过化学转化、阳极氧化、微弧氧化、水热法和层层组装以及分子识别的方法，构建具有良好耐蚀性、生物相容性、抗菌性的多功能微纳米复合涂层体系，探讨环境（无机离子、有机物（葡萄糖、氨基酸、蛋白质））、力学、物理以及生物等多因素耦合对医用镁合金体外和在体降解行为和速率的影响，揭示其降解、防护机理；为医用镁合金的临床应用提供基本数据。

团队主要工作成果和特色

在镁合金腐蚀领域开展了系统的创新性工作，在生物医用镁合金腐蚀和表面改性方面的工作特色鲜明，特别是在医用镁合金腐蚀机理、表征方法和表面功能化改性方面有了一些开拓性的工作。这些工作受到国内外同行专家的关注。

（1）腐蚀机理方面

构建了化学成分- 晶粒度- 第二相- 腐蚀动力学之间的关系。发现了镁合金两种腐蚀形态：晶间腐蚀和剥蚀，并阐释其腐蚀机理；建立了Ca 和Li 含量与镁合金腐蚀速率的关系；指出Mg-Ca 合金晶粒度与第二相对腐蚀速率的贡献具有对立关系；揭示了晶粒度与镁合金腐蚀速率反常机理；探讨了模拟体液阴离子、Tris 对医用镁合金腐蚀动力学的影响；提出了腐蚀产物膜PB 比概念、双相Mg-Li-Ca 合金的氧化膜结构模型、发现表面膜Li2CO3 的存在；提出了葡萄糖酸化机制和对镁合金腐蚀的影响机理。

（2）表面改性复合涂层

研究了第二相Mg2Ca 对镁合金阳极氧化成膜和降解机理的影响；通过分析通孔在镁合金阳极氧化膜降解过程中的作用，阐明了镁合金阳极氧化膜化学腐蚀和电化学腐蚀机理；揭示阳极氧化膜表面Mg（OH）2、硅烷、单宁酸、壳聚糖和聚乳酸复合涂层降解机理、自愈合性能、抗菌性和生物相容性。

采用共沉淀- 水热合成法、尿素原位生长法和蒸汽法，研究了镁合金表面镁铝碳酸根、镁铝钼酸根和镁铝硝酸根、镁铝、锌铝钒酸根水滑石涂层制备工艺及耐蚀性能。再分别利用Mg（OH）2、聚乳酸、硬脂酸、甲基三甲氧基硅烷、硝酸铈在镁合金上水滑石表面制备复合涂层，提出了水滑石涂层和复合涂层的成膜机理和腐蚀机理。揭示了钼酸根水滑石涂层离子交换和自愈合机理；还确定了不同水滑石作为腐蚀抑制剂添加到腐蚀溶液中对镁合金进行有效地长期防护作用。

利用磷化液水浴处理的方法，在镁合金表面制备了一层致密的含Ca 和Ce 的四水合磷酸锌涂层。基于分子识别机制，利用水热法和添加不同的诱导剂（EDTA、葡萄糖、DNA），在镁合金表面制备了自愈合Ca-P 涂层。发现基体微观结构对磷酸盐转化膜具有遗传性影响。

提出了“载药多层膜诱导羟基磷灰石”的方法，通过将以层层组装的形式装载到镁合金表面得到多层膜，然后以这种载药多层膜作为模板，原位改善水热合成的羟基磷灰石的形貌；通过分子间静电吸附，制备镁合金表面层层组装庆大霉素、环丙沙星、阿莫西林耐蚀抗菌复合涂层，实现功能化生物界面的设计构建一体化。

（3）研究方法上，发明了一种镁合金表面薄液膜电化学实验装置及其实验方法及一种镁合金静压应力腐蚀电化学行为模拟实验装置及其实验方法。

记者：请您谈谈镁合金在海洋材料领域发展前景。

曾老师：虽然镁合金耐蚀性能较差，镁合金在海水及海洋大气环境中仍然具有广泛的应用前景。镁合金作为牺牲阳极可以有效保护海洋金属结构件如桥梁、海洋平台、码头和水下管道、海水蒸馏器、轮船壳体、海洋支架和石油管道等。耐蚀镁合金可以作为产品的主体组成部分，用于海岛设施的建设。例如，镁合金可以作为海岛天线支架及其他民用设施。镁合金还可作为海水电池材料。镁电池可为深海装置提供离岸电源，为海岛提供照明或信号；也可作为应急电池，为飞机迫降或船舶海损提供灯光和发射信号。

记者：请您谈谈我国在镁合金材料的应用研究和产业化方面取得的进展和成就，与国外相比，有哪些优势和差距，应如何取长补短？

曾老师：镁合金在我国汽车、航空航天领域得到应用。多条镁合金汽车轮毂生产线在国内投产。随着中国高铁、汽车工业的飞速发展，镁合金行业发展前景广阔。我国主导的镁合金产品国际标准化工作取得显著进展。虽然我国在镁合金研究和应用发展势头迅速，但是在产业化上还是着重于原镁的出售和初级镁制品的加工。高品质镁产品的研发和使用仍需时日。与国外相比，我国的优势在自然资源、产能和人力资源以及市场。差距在于研究基础薄、数据积累少、产业链不完整。下一步工作可能在以下几方面：（1）基础研究和数据积累；（2）标准化工作；（3）国际国内深度交流与合作；（4）平台建设；（5）创新文化建设。

记者：镁合金作为一种轻质工程材料，尚有很大的潜力需要挖掘。在很多传统金属矿产趋于枯竭的今天，加速开发镁是中国社会可持续发展的重要举措之一。请您结合自身研究，谈谈镁合金研究未来应如何更好的发展？

曾老师：我国皮江法生产用的白云石储量居世界前列。另外，我国西部盐湖钾、锂、镁资源丰富。提取钾、锂元素后，盐湖富含氯化镁。脱水后的氯化镁是电解法炼镁的理想原料。我国察尔汗盐湖氯化镁储量达40 多亿吨，理论上可生产原镁10 亿吨，按每年产量10 万吨，可开采1000 年。而且，海洋中还有取之不尽的镁。因此，金属镁是人类发展不可或缺的材料。

目前世界经济发展、贸易不平衡与环境问题矛盾冲突日益尖锐。世界贸易战、能源危机和温室效应等问题威胁人类的和平生存与发展。温室效应引起极地冰层和高原冰川融化。汽车减排、轨道交通的轻量化已迫在眉睫。高性能镁合金是汽车及高铁轻量化的首选材料之一。在国家产业政策引导下，高性能及变形镁合金在交通领域的应用将获得进一步推广。镁合金在汽车制造、轨道交通、航空航天、电子通讯、军工兵器及钢铁脱硫和阴极保护等领域有着广泛的应用前景。

镁还是很好的功能材料。镁可做生物材料、储氢材料和电池材料。医用金属镁作为新一代生物医用材料，既具有金属材料的强度，又具有高分子材料的可降解性。镁植入材料可替代惰性的或不可降解的不锈钢和钛合金等，在人体内自动降解而消失，所以无需二次手术。

目前镁合金发展瓶颈涉及应用市场、原料供应稳定性、产品设计、加工技术成熟度、成本以及资源循环利用和环境保护。虽然我国皮江法炼镁工艺及环保方面取得了显著的进步，资源消耗减少和产出大幅提高。但我国地域因素似乎对镁厂的生存发展起着至关重要的影响。以前具有资源、人员优势的山西、河南镁厂已退出第一梯队。近年陕西榆林地区镁厂异军突起，产量稳居全球及国内第一位。其原因无不与生产所用能源或生产成本有关。需要指出的是，皮江法炼镁也会产生大量二氧化碳的排放、粉尘和废渣。企业工艺流程、原镁品质和环境保护特别是对生产工人的职业保护有待进一步提升。高素质产业工人和人才队伍的培训及稳定对行业的发展很重要。从发展的眼光来看，优化皮江法炼镁工艺，扶持和发展电解法炼镁符合我国西部开发国情国策。西部水电、太阳能的开发与利用将为盐湖镁资源利用提供发展机遇。

后记

海到无边天作岸，山登绝顶我为峰。当前，我国在镁合金在开发和利用方面取得了可喜成就，但仍面临一系列的困难和挑战。相信在像曾荣昌教授这样的科研工作者们不懈努力和刻苦攻关下，我国镁合金技术与产业定能迎来更辉煌的明天！

人物简介

曾荣昌，博士，教授，博导，享受国务院政府特殊津贴专家，博士毕业于中科院金属所；德国GKSS材料研究所访问学者；主要研究方向为材料腐蚀与防护、医用镁合金等。承担和参与加拿大魁北克-山东省国际合作项目、国家“863”、国家自然科学基金、省部级项目27项；合作出版著作、教材6部；授权国家发明专利21项；发表学术论文180余篇，其中SCI收录论文120多篇、ESI高被引论文6篇；SCI被引3100余次，H因子28. 担任波兰国家自然科学基金、中国国家科技奖励、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等评审专家；中国腐蚀与防护学会常务理事、中国防腐蚀工业技术协会理事、中国生物材料学会医用金属材料分会委员、中国材料研究学会镁合金分会理事、山东省腐蚀与防护学会副理事长、山东省轻质高强金属材料重点实验室学术委员会委员；《J. Magnes. Alloys》、《Front. Mater. Sci.》、《Heliyon》、《表面技术》、《中国组织工程研究》和《山东科技大学学报》（自然科学版）等期刊编委；40多个国内外期刊审稿专家；获Publons 2019 材料学和交叉学科顶尖审稿专家，省部级奖项6项；领衔的“”材料腐蚀与保护“团队获中国腐蚀与防护学会四十年贡献奖优秀科研团队；指导的研究生获评2018年全国高校”百名研究生党员标兵“。

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