我國(guó)每年因金屬材料腐蝕造成的損失高達(dá)5000億元，約占國(guó)民生產(chǎn)總值的5%。說到腐蝕，人們首先想到的是如何進(jìn)行防護(hù)，而丁文江院士卻給了我們一個(gè)新的認(rèn)識(shí)：腐蝕并不一定是壞事，在有些領(lǐng)域，材料的腐蝕反而大有裨益。比如在生物材料領(lǐng)域，由于鎂及其合金容易腐蝕，在人體內(nèi)可以完全降解，通過正常代謝排出體外，如果對(duì)鎂的腐蝕控制得當(dāng)，可以解決諸如醫(yī)用金屬植入材料需要再次手術(shù)取出等方面的問題。腐蝕的利弊，在于其是否得到了合理的控制。

 

    本刊記者/趙澤南

 

    在中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所召開的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)上，本刊記者有幸采訪到了中國(guó)工程院院士丁文江教授。丁院士長(zhǎng)期從事先進(jìn)鎂合金材料及加工方面的研究，在本次采訪中，丁院士向本刊記者介紹了鎂與鎂合金的知識(shí)、應(yīng)用研究及腐蝕問題。

 

    鎂與鋁：性相近 合金相遠(yuǎn)

 

    鎂和鋁都是在19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)的。1808 年，英國(guó)化學(xué)家漢弗萊？戴維用鉀還原氧化鎂制得了金屬鎂。1827年，德國(guó)化學(xué)家弗里德里希？維勒用金屬鉀還原無水氯化鋁， 制備出了較純的鋁。鎂和鋁在元素周期表中處于相鄰位置，化學(xué)特性相近，鎂在鋁的前一位，比鋁更活潑。全世界大概有400 種鋁合金，而鎂合金卻不超過30種。“原因是鎂的耐腐蝕性能不好。”丁院士說。

 

    “鎂和鋁都是活潑金屬，空氣中易與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在其表面生成一層的氧化膜。鋁表面形成的氧化鋁薄膜是致密的，可以保護(hù)內(nèi)層金屬不被繼續(xù)氧化，而鎂表面形成的氧化鎂薄膜是疏松的，阻止不了繼續(xù)氧化，導(dǎo)致鎂極易被腐蝕。”丁院士接著說。

 

    鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金，它的腐蝕實(shí)質(zhì)上是鎂被氧化成氧化鎂或氫氧化鎂的電化學(xué)和化學(xué)過程。鎂的腐蝕過程是自發(fā)的、極易發(fā)生的，且是不可逆的。

 

    比重小：鎂合金的最大優(yōu)勢(shì)

 

    材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。丁院士介紹說：“鎂在實(shí)用金屬結(jié)構(gòu)材料中是比重最小的（密度約為鋁的2/3，鋼的1/4）， 它最大優(yōu)點(diǎn)的就是輕，主要用于航空航天、高鐵汽車等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，材料的輕量化可以減少對(duì)能源的消耗，有利于環(huán)保。”

 

    以汽車為例，根據(jù)有關(guān)研究，汽車所用燃料的60%是消耗于汽車自重，汽車自重每減輕10%，其燃油效率可提高5%以上。汽車自重每降低100kg，每百公里油耗可減少0.7L左右，每節(jié)約1L燃料可減少CO2 排放2.5g，年排放量減少30%以上。減輕汽車重量對(duì)環(huán)境和能源的影響，輕量化是其必然趨勢(shì)。

 

    常規(guī)鎂合金的燃點(diǎn)僅為540-600℃，遠(yuǎn)低于鎂合金的熔點(diǎn)，導(dǎo)致其易燃而生產(chǎn)困難。丁院士帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上較早地開展了阻燃鎂合金的研究，讓鎂合金燃點(diǎn)提高至935℃以上，改變了傳統(tǒng)鎂合金需要進(jìn)行熔劑等特殊保護(hù)的局限，實(shí)現(xiàn)了大氣中無保護(hù)的鎂合金熔煉與生產(chǎn)，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)的鎂合金強(qiáng)度低，承力比較差，難以應(yīng)用到承力要求比較高的方面。丁院士團(tuán)隊(duì)采用稀土與鋅固溶時(shí)效強(qiáng)化和鋯細(xì)化的方法，發(fā)明了一種兼具高強(qiáng)度和高韌性的鑄造鎂合金（JDM1），可以應(yīng)用到汽車輪轂、缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等傳統(tǒng)鎂合金難以應(yīng)用的承力結(jié)構(gòu)上，有利于汽車的輕量化。

 

    “3C產(chǎn)品的外殼如手機(jī)及電腦，它們的支撐框架和背面的殼體上使用鎂合金， 不僅減輕了移動(dòng)設(shè)備的重量， 外觀及觸摸質(zhì)感也非常好。” 丁院士表示。

 

    新能源：代替鋰電池和液氫

 

    丁院士介紹說： “最近發(fā)展起來的關(guān)于鎂的能源材料，一個(gè)是鎂離子電池，用于取代鋰離子電池。鎂離子電池和鋰離子電池相比，更加廉價(jià)并且具有更高的儲(chǔ)能密度。鋰離子電池安全性差，如果做為動(dòng)力電源的話，還有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。”

 

    鎂元素分布廣泛，中國(guó)鎂資源儲(chǔ)量世界第一，原鎂產(chǎn)能充足，鎂離子電池的價(jià)格會(huì)很低廉。由于鎂離子具有兩個(gè)正電荷，而鋰離子只有一個(gè)，鎂離子電池比鋰離子電池具有更大的儲(chǔ)能能力，單位質(zhì)量的鎂離子電池可以存儲(chǔ)更多能量。鎂離子電池具有能量高（是同等體積鋰電池的三倍、是鉛酸電池的十倍、是鎳電池的十倍以上）、體積小、重量輕、容量大、貯存壽命長(zhǎng)、工作度范圍寬、應(yīng)用領(lǐng)域廣、性價(jià)比優(yōu)勢(shì)大、環(huán)保無污染、可二次回收的特點(diǎn)，鎂應(yīng)用于電池是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

 

    “另外一個(gè)就是鎂可以作為儲(chǔ)氫材料使用。鎂的微觀物理結(jié)構(gòu)有孔，而孔的大小恰好又能讓氫以原子的形式儲(chǔ)存在這些孔中，氫的兩個(gè)原子之間的距離以原子的形式存在要比以分子形式存在時(shí)小30% 左右。因此，單位體積鎂的儲(chǔ)氫量比液態(tài)氫還要高。把鎂合金儲(chǔ)氫的技術(shù)應(yīng)用到交通領(lǐng)域，可以用來做清潔能源車的燃料電池。”丁院士接著說。

 

    普通汽車的油箱儲(chǔ)油量相當(dāng)于5公斤 - 6公斤的氫產(chǎn)生的能量，需要80公斤-90公斤的鎂合金容器，這與普通油箱的重量差不多，但體積較小。用氫作為動(dòng)力并不是通過燃燒氫來獲得，而是把氫直接轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而為汽車提供動(dòng)力。汽油燃料的效率為20%-30%，而氫通過能源電池直接轉(zhuǎn)換為電能，效率可達(dá)70%-80%。

 

    生物材料：利用腐蝕來降解

 

    丁院士講道：“鎂合金可以用來做生物材料。就重要性而言，在人體內(nèi)僅次于鈣的礦物質(zhì)就是鎂。鎂在細(xì)胞里負(fù)責(zé)重要的能量傳輸功能，它幫助細(xì)胞膜適量調(diào)節(jié)對(duì)鈣質(zhì)的需要，促使生理功能正常化。醫(yī)學(xué)上很多病癥都和缺鎂有著直接關(guān)系，鎂是對(duì)人體非常有益的元素，日本、美國(guó)、歐洲現(xiàn)在都有補(bǔ)鎂劑。鎂合金在人體環(huán)境中容易腐蝕，可以降解，被歐美等國(guó)家稱為具有革命性的生物醫(yī)用金屬材料。目前，鎂在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用有心血管支架、骨固定材料等。”

 

    “關(guān)于心血管支架，目前臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦合金等幾大類。這些支架的植入存在很大的問題，會(huì)永久地保留在體內(nèi)不能降解，可能需要病人長(zhǎng)期服用抗排異的藥物。另外，容易出現(xiàn)支架內(nèi)再狹窄的情況，也就是說支架內(nèi)可能出現(xiàn)再堵塞，需要二次手術(shù)，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)是很大的。如果選用鎂材料，進(jìn)行可控降解，這個(gè)問題就可以得到很好的解決。”

 

    鎂合金支架在植入初期可對(duì)病變血管產(chǎn)生支撐作用，防止病變血管發(fā)生負(fù)性重構(gòu)。隨著病變血管周圍環(huán)境的改善及血管結(jié)構(gòu)重塑的完成，血管壁內(nèi)的鎂合金支架可以緩慢腐蝕，最終完全降解。鎂合金支架的腐蝕產(chǎn)物對(duì)生物體不僅沒有毒害，而且還可以起到補(bǔ)鎂的作用，多余的腐蝕產(chǎn)物，會(huì)通過人體正常的新陳代謝排出。這樣可以有效地避免在植入的后期，由于支架對(duì)血管壁的刺激而導(dǎo)致的內(nèi)膜增生及再狹窄的發(fā)生。

 

    “腐蝕的可控制性，還表現(xiàn)在針對(duì)不同的人群，要使鎂合金材料有著不同的降解速度。”丁院士補(bǔ)充道，“比如孩童， 他們的血管恢復(fù)能力比較快，異物留在體內(nèi)越少越好，要盡快地消耗掉，更快地腐蝕掉。而年紀(jì)大的人血管恢復(fù)功能較慢， 需要使鎂合金的耐腐蝕性能有所提高，使之與病人的血管恢復(fù)能力相匹配。”

 

    “另外，青少年和孩童身體是不斷發(fā)育的，不同時(shí)期需要不同尺寸的支架，而傳統(tǒng)的不可降解金屬支架一旦植入就很難取出更換，這是很麻煩的問題，可降解的鎂合金支架可以對(duì)此很好的解決。同樣， 類似的還有對(duì)于小孩子的顱骨修補(bǔ)手術(shù)， 目前最常用的是鈦合金作為修復(fù)材料。這里面有很大的問題，鈦合金在人體內(nèi)是無法通過腐蝕而降解掉的，但小孩子的頭顱卻會(huì)漸漸長(zhǎng)大。我們?nèi)绻梢允褂面V合金材料進(jìn)行顱骨修補(bǔ)，控制其腐蝕速度，讓小孩子顱骨自我修復(fù)的速度和鎂降解的速度同步，最后鎂消失了，顱骨也長(zhǎng)好了， 這個(gè)問題也就解決了。”

 

    談到鎂合金作為骨固定材料，丁院士說：“目前，廣泛應(yīng)用于骨板、骨釘?shù)纳镝t(yī)用材料主要是鈦及鈦合金、不銹鋼等。但是，這些材料都存在一定的局限性。鈦及鈦合金、不銹鋼等金屬材料會(huì)發(fā)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，即將金屬材料植入人體后，因其與人骨材料的彈性模量不匹配產(chǎn)生人骨受力被遮擋效應(yīng)。另外，這些材料在人體內(nèi)是不可降解的，當(dāng)病人的骨頭長(zhǎng)好愈合后，需要通過二次手術(shù)取出。鎂合金骨固定材料與人骨的力學(xué)性能更加匹配，可以有效地避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)，在人體骨骼基本愈合后，降解成無毒無害的小分子，并經(jīng)人體循環(huán)系統(tǒng)排出體外，避免了患者二次手術(shù)取出鋼釘鋼板的痛苦和費(fèi)用。”

 

    “還有比如斷手再植手術(shù)的過程中，要做神經(jīng)導(dǎo)線，如果用鈦絲的話， 由于其在人體內(nèi)無法通過腐蝕而降解，會(huì)永遠(yuǎn)留在神經(jīng)里，如果用很細(xì)的鎂絲，當(dāng)神經(jīng)線長(zhǎng)好之后鎂絲就已經(jīng)通過降解而消失了。”

 

    不銹鎂：讓鎂更完美

 

    腐蝕問題長(zhǎng)期以來嚴(yán)重地制約著鎂合金的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，如何提高鎂合金的耐腐蝕性能，丁院士給出了兩個(gè)研究方向。
 

丁文江院士在第六屆中國(guó)包頭·稀土產(chǎn)業(yè)論壇上做主題演講

 

    “由于鎂合金表面的氧化膜疏松，鎂合金很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。雖然鎂的電階電位低，但是它的相間電位差很大，要提高鎂的耐腐蝕性能，就要想辦法使其相間電位差趨于零，這樣，就不會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕了。”丁院士介紹說。

 

    “另外一個(gè)研究方向就是把鎂合金表面的氧化膜由疏松變?yōu)橹旅埽捎貌煌脑兀纬刹煌难趸a(chǎn)物，用多元氧化物填補(bǔ)空隙，提高鎂合金的耐腐蝕性能， 這同不銹鋼的原理是一樣的。鐵本身是極易腐蝕的，而不銹鋼卻是耐腐蝕的。鐵表面形成的氧化膜成分為Fe2O3和Fe3O4，這層氧化膜也是非常疏松的，阻止不了其內(nèi)部的繼續(xù)氧化。不銹鋼耐腐蝕是因?yàn)樵谄洳馁|(zhì)中含有大量的鉻（Cr），一般不銹鋼中鉻的含量至少為10.5%。Cr元素容易氧化， 可以在鋼的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，這層鈍化膜使鋼與腐蝕介質(zhì)相隔離， 形成不銹鋼。”

 

    “鐵可以，鎂也可以。不銹鎂，是未來的發(fā)展方向。”采訪最后，丁院士堅(jiān)定地說。