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業(yè)界視點(diǎn) | 曾榮昌：創(chuàng)新技術(shù) 推進(jìn)鎂合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2019-09-19 14:49:32 作者：殷鵬飛來源：《腐蝕與防護(hù)之友》分享至：

鎂合金是在鋼鐵和鋁合金之后發(fā)展起來的第三大金屬結(jié)構(gòu)材料，并且現(xiàn)在已經(jīng)成為世界研究熱點(diǎn)。在汽車、電子、電器、航空航天、國防軍工、交通等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。在很多傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)趨于枯竭的今天，加速開發(fā)鎂合金是中國社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。鎂合金有哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢？我國目前鎂合金開發(fā)利用情況如何？鎂合金未來發(fā)展方向在哪？帶著這些問題，我們采訪了山東科技大學(xué)曾榮昌教授。

曾榮昌，山東科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事，山東省腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長，在鎂合金的研究方面有很高的造詣。

記者：您的主要研究方向是材料腐蝕與保護(hù)，并且您在鎂合金的研究方面也頗有建樹。鎂合金作為21 世紀(jì)的綠色環(huán)保工程材料，近年來已成為學(xué)術(shù)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)，請重點(diǎn)談?wù)勀鷮?duì)鎂合金的看法和見解。

曾老師：回首人類發(fā)展歷史長河，一幅幅材料史畫卷呈現(xiàn)在我們面前。人類從遠(yuǎn)古原始時(shí)期的燧木取火、到史前時(shí)期石器材料的利用，再到五千多年前的青銅器和隨后鐵器時(shí)代的冶金術(shù)，金屬材料的冶煉和器件的制做水平逐漸達(dá)到目前先進(jìn)材料生產(chǎn)的鼎盛時(shí)期。1825年金屬鋁的獲得、1852 年鎂的電解法生產(chǎn)，再到當(dāng)今的超級(jí)鋼、信息技術(shù)、3D打印技術(shù)，無不體現(xiàn)人類利用自然和征服自然的高超智慧和精湛工藝。可以說，人類文明史就是人類利用、創(chuàng)造、發(fā)明、生產(chǎn)材料的發(fā)展歷史。

然而，人類只有一個(gè)地球。隨著人口增加和人類生活水平的提高，地球礦產(chǎn)資源需求旺盛。我國所倡導(dǎo)的“一帶一路”所涉及的沿線國家高速公路、橋梁、高鐵及建筑物等大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)消耗大宗鋼鐵及鋁合金等金屬材料。金屬材料作為最重要的結(jié)構(gòu)材料，必須走可持續(xù)發(fā)展循環(huán)利用的道路，才能為子孫后代留下可用之材。

鎂在地殼中蘊(yùn)藏量達(dá)2.7%，僅次于鋁和鐵元素。在全球鐵和鋁資源日益枯竭的今天，鎂的歷史地位顯得日益重要。鎂及合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、阻尼性能好、散熱性能好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、易于回收循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。鎂的密度僅為1.74 g/cm3，只有鋼的1/4、鋁的2/3。可以說，鎂是人類可用的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料。另外，鎂合金還具有良好的生物相容性和力學(xué)相容性，可作為生物醫(yī)用金屬材料。

金屬鎂的每次大發(fā)展都與時(shí)代需求相關(guān)。回顧世界金屬鎂的發(fā)展史，可以思考我國鎂產(chǎn)業(yè)下一步發(fā)展路線圖。1808 年英國化學(xué)家戴維制得純鎂，1852年德國化學(xué)家本生發(fā)明電解法制鎂，1886 年德國建設(shè)了世界首個(gè)鎂廠。第一次、第二次世界大戰(zhàn)金屬鎂被大量應(yīng)用于飛機(jī)和汽車制造。我國鎂的生產(chǎn)則是新中國解放之后。直到1957 年撫順鋁廠鎂分廠建成。當(dāng)時(shí)鎂產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求，還需大量進(jìn)口。1999 年我國鎂產(chǎn)量達(dá)12 萬噸，首次超過美國成為世界上最大鎂生產(chǎn)國。2000年師昌緒等5 位院士共同聯(lián)名向科技部提交“加速我國金屬鎂工業(yè)發(fā)展的建議”。這一建議書為我國金屬鎂指明了發(fā)展方向。金屬鎂的發(fā)展得到中央和地方政府的高度重視。2011 年北京第391次香山會(huì)議“生物可降解金屬研究發(fā)展與臨床應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)”推動(dòng)了國家層面對(duì)醫(yī)用鎂合金研究的重視。可以說，各級(jí)政府、高校及科研院所和民營企業(yè)家們共同鑄就了我國金屬鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的宏偉藍(lán)圖。基于我國獨(dú)特的鎂自然資源、豐富的人力資源和高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)，我國金屬鎂從小眾金屬材料快速地發(fā)展成為繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料，被稱為“2l 世紀(jì)的綠色工程材料”。

鎂腐蝕有其獨(dú)特性，存在負(fù)差數(shù)效應(yīng)。（1）不同于鋼鐵及鋁合金，鎂及其合金表面氧化膜疏松不致密，保護(hù)性較差。（2）鎂發(fā)生析氫腐蝕而不是吸氧腐蝕，陰極析氫導(dǎo)致表面涂層鼓泡剝落。（3）鎂的電極電位很低，鎂與其它金屬或合金連接易于發(fā)生電偶腐蝕。（4）鎂雜質(zhì)（如Fe、Ni、Co）容許極限偏低，高品質(zhì)原鎂的獲得及穩(wěn)定性與實(shí)際需求有比較大的差距。（5）鑄態(tài)鎂合金強(qiáng)度偏低，變形鎂合金加工易于產(chǎn)生不均勻變形和織構(gòu)。（6）第二相或金屬間化合物在加工和腐蝕過程中的作用還不十分清楚。（7）位錯(cuò)和孿晶在腐蝕中的作用關(guān)注不夠。（8）環(huán)境因素如力學(xué)、化學(xué)和生物因素比較復(fù)雜，材料與其交互作用機(jī)制還不清楚。（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測試技術(shù)從微納層次去觀察。解決這些問題，歸根結(jié)底，將涉及到材料與腐蝕科學(xué)本身的發(fā)展，需要我們努力發(fā)展新的理論和防護(hù)技術(shù)。腐蝕大數(shù)據(jù)、材料基因組學(xué)、微區(qū)電化學(xué)分析和可視化以及材料計(jì)算模擬將在鎂合金腐蝕研究上發(fā)揮重要作用。

記者：請您詳細(xì)介紹一下您和您的團(tuán)隊(duì)在鎂合金研究方面所做的工作和取得的成就。并談?wù)勥@些科研工作成果或技術(shù)的應(yīng)用前景。

曾老師：我們團(tuán)隊(duì)研究方向主要包括下面三個(gè)：

（1）輕合金合金化原理及腐蝕機(jī)理研究

圍繞鎂合金在汽車、軌道交通、3C和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，基于金屬合金化、電化學(xué)腐蝕基本原理和理論，利用現(xiàn)代先進(jìn)分析技術(shù)和微區(qū)原位分析與觀察技術(shù)，研究鎂合金材料與化學(xué)交互作用對(duì)鎂合金腐蝕動(dòng)力學(xué)的影響，建立鎂合金合金成分、晶粒度、第二相、加工成型工藝、熱處理與腐蝕性能之間的關(guān)系，探討鎂合金腐蝕機(jī)理，推動(dòng)鎂合金腐蝕理論的發(fā)展。

（2）鎂合金表面結(jié)構(gòu)-功能一體化涂層研究

圍繞鎂合金在汽車、軌道交通、3C和航空航天領(lǐng)域應(yīng)用存在的腐蝕保護(hù)技術(shù)問題，通過化學(xué)轉(zhuǎn)化、微弧陽極氧化、水熱法、磁控濺射和涂裝等方法，獲得化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、陽極氧化膜、水滑石膜、高分子材料和其它無機(jī)有機(jī)涂層以及它們的復(fù)合涂層，構(gòu)建具有良好耐蝕、抗菌、疏水、阻燃、自愈合、自清潔等多功能復(fù)合涂層體系，探討其成膜、腐蝕防護(hù)及阻燃機(jī)理，為鎂合金的應(yīng)用提供途徑。

（3）醫(yī)用鎂合金降解機(jī)理及功能涂層改性

圍繞鎂合金生物醫(yī)用以及高血糖微環(huán)境降解問題，通過化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、微弧氧化、水熱法和層層組裝以及分子識(shí)別的方法，構(gòu)建具有良好耐蝕性、生物相容性、抗菌性的多功能微納米復(fù)合涂層體系，探討環(huán)境（無機(jī)離子、有機(jī)物（葡萄糖、氨基酸、蛋白質(zhì)））、力學(xué)、物理以及生物等多因素耦合對(duì)醫(yī)用鎂合金體外和在體降解行為和速率的影響，揭示其降解、防護(hù)機(jī)理；為醫(yī)用鎂合金的臨床應(yīng)用提供基本數(shù)據(jù)。

團(tuán)隊(duì)主要工作成果和特色

在鎂合金腐蝕領(lǐng)域開展了系統(tǒng)的創(chuàng)新性工作，在生物醫(yī)用鎂合金腐蝕和表面改性方面的工作特色鮮明，特別是在醫(yī)用鎂合金腐蝕機(jī)理、表征方法和表面功能化改性方面有了一些開拓性的工作。這些工作受到國內(nèi)外同行專家的關(guān)注。

（1）腐蝕機(jī)理方面

構(gòu)建了化學(xué)成分- 晶粒度- 第二相- 腐蝕動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)了鎂合金兩種腐蝕形態(tài)：晶間腐蝕和剝蝕，并闡釋其腐蝕機(jī)理；建立了Ca 和Li 含量與鎂合金腐蝕速率的關(guān)系；指出Mg-Ca 合金晶粒度與第二相對(duì)腐蝕速率的貢獻(xiàn)具有對(duì)立關(guān)系；揭示了晶粒度與鎂合金腐蝕速率反常機(jī)理；探討了模擬體液陰離子、Tris 對(duì)醫(yī)用鎂合金腐蝕動(dòng)力學(xué)的影響；提出了腐蝕產(chǎn)物膜PB 比概念、雙相Mg-Li-Ca 合金的氧化膜結(jié)構(gòu)模型、發(fā)現(xiàn)表面膜Li2CO3 的存在；提出了葡萄糖酸化機(jī)制和對(duì)鎂合金腐蝕的影響機(jī)理。

（2）表面改性復(fù)合涂層

研究了第二相Mg2Ca 對(duì)鎂合金陽極氧化成膜和降解機(jī)理的影響；通過分析通孔在鎂合金陽極氧化膜降解過程中的作用，闡明了鎂合金陽極氧化膜化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕機(jī)理；揭示陽極氧化膜表面Mg（OH）2、硅烷、單寧酸、殼聚糖和聚乳酸復(fù)合涂層降解機(jī)理、自愈合性能、抗菌性和生物相容性。

采用共沉淀- 水熱合成法、尿素原位生長法和蒸汽法，研究了鎂合金表面鎂鋁碳酸根、鎂鋁鉬酸根和鎂鋁硝酸根、鎂鋁、鋅鋁釩酸根水滑石涂層制備工藝及耐蝕性能。再分別利用Mg（OH）2、聚乳酸、硬脂酸、甲基三甲氧基硅烷、硝酸鈰在鎂合金上水滑石表面制備復(fù)合涂層，提出了水滑石涂層和復(fù)合涂層的成膜機(jī)理和腐蝕機(jī)理。揭示了鉬酸根水滑石涂層離子交換和自愈合機(jī)理；還確定了不同水滑石作為腐蝕抑制劑添加到腐蝕溶液中對(duì)鎂合金進(jìn)行有效地長期防護(hù)作用。

利用磷化液水浴處理的方法，在鎂合金表面制備了一層致密的含Ca 和Ce 的四水合磷酸鋅涂層。基于分子識(shí)別機(jī)制，利用水熱法和添加不同的誘導(dǎo)劑（EDTA、葡萄糖、DNA），在鎂合金表面制備了自愈合Ca-P 涂層。發(fā)現(xiàn)基體微觀結(jié)構(gòu)對(duì)磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜具有遺傳性影響。

提出了“載藥多層膜誘導(dǎo)羥基磷灰石”的方法，通過將以層層組裝的形式裝載到鎂合金表面得到多層膜，然后以這種載藥多層膜作為模板，原位改善水熱合成的羥基磷灰石的形貌；通過分子間靜電吸附，制備鎂合金表面層層組裝慶大霉素、環(huán)丙沙星、阿莫西林耐蝕抗菌復(fù)合涂層，實(shí)現(xiàn)功能化生物界面的設(shè)計(jì)構(gòu)建一體化。

（3）研究方法上，發(fā)明了一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法及一種鎂合金靜壓應(yīng)力腐蝕電化學(xué)行為模擬實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法。

記者：請您談?wù)勬V合金在海洋材料領(lǐng)域發(fā)展前景。

曾老師：雖然鎂合金耐蝕性能較差，鎂合金在海水及海洋大氣環(huán)境中仍然具有廣泛的應(yīng)用前景。鎂合金作為犧牲陽極可以有效保護(hù)海洋金屬結(jié)構(gòu)件如橋梁、海洋平臺(tái)、碼頭和水下管道、海水蒸餾器、輪船殼體、海洋支架和石油管道等。耐蝕鎂合金可以作為產(chǎn)品的主體組成部分，用于海島設(shè)施的建設(shè)。例如，鎂合金可以作為海島天線支架及其他民用設(shè)施。鎂合金還可作為海水電池材料。鎂電池可為深海裝置提供離岸電源，為海島提供照明或信號(hào)；也可作為應(yīng)急電池，為飛機(jī)迫降或船舶海損提供燈光和發(fā)射信號(hào)。

記者：請您談?wù)勎覈阪V合金材料的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化方面取得的進(jìn)展和成就，與國外相比，有哪些優(yōu)勢和差距，應(yīng)如何取長補(bǔ)短？

曾老師：鎂合金在我國汽車、航空航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。多條鎂合金汽車輪轂生產(chǎn)線在國內(nèi)投產(chǎn)。隨著中國高鐵、汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，鎂合金行業(yè)發(fā)展前景廣闊。我國主導(dǎo)的鎂合金產(chǎn)品國際標(biāo)準(zhǔn)化工作取得顯著進(jìn)展。雖然我國在鎂合金研究和應(yīng)用發(fā)展勢頭迅速，但是在產(chǎn)業(yè)化上還是著重于原鎂的出售和初級(jí)鎂制品的加工。高品質(zhì)鎂產(chǎn)品的研發(fā)和使用仍需時(shí)日。與國外相比，我國的優(yōu)勢在自然資源、產(chǎn)能和人力資源以及市場。差距在于研究基礎(chǔ)薄、數(shù)據(jù)積累少、產(chǎn)業(yè)鏈不完整。下一步工作可能在以下幾方面：（1）基礎(chǔ)研究和數(shù)據(jù)積累；（2）標(biāo)準(zhǔn)化工作；（3）國際國內(nèi)深度交流與合作；（4）平臺(tái)建設(shè)；（5）創(chuàng)新文化建設(shè)。

記者：鎂合金作為一種輕質(zhì)工程材料，尚有很大的潛力需要挖掘。在很多傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)趨于枯竭的今天，加速開發(fā)鎂是中國社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措之一。請您結(jié)合自身研究，談?wù)勬V合金研究未來應(yīng)如何更好的發(fā)展？

曾老師：我國皮江法生產(chǎn)用的白云石儲(chǔ)量居世界前列。另外，我國西部鹽湖鉀、鋰、鎂資源豐富。提取鉀、鋰元素后，鹽湖富含氯化鎂。脫水后的氯化鎂是電解法煉鎂的理想原料。我國察爾汗鹽湖氯化鎂儲(chǔ)量達(dá)40 多億噸，理論上可生產(chǎn)原鎂10 億噸，按每年產(chǎn)量10 萬噸，可開采1000 年。而且，海洋中還有取之不盡的鎂。因此，金屬鎂是人類發(fā)展不可或缺的材料。

目前世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展、貿(mào)易不平衡與環(huán)境問題矛盾沖突日益尖銳。世界貿(mào)易戰(zhàn)、能源危機(jī)和溫室效應(yīng)等問題威脅人類的和平生存與發(fā)展。溫室效應(yīng)引起極地冰層和高原冰川融化。汽車減排、軌道交通的輕量化已迫在眉睫。高性能鎂合金是汽車及高鐵輕量化的首選材料之一。在國家產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，高性能及變形鎂合金在交通領(lǐng)域的應(yīng)用將獲得進(jìn)一步推廣。鎂合金在汽車制造、軌道交通、航空航天、電子通訊、軍工兵器及鋼鐵脫硫和陰極保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

鎂還是很好的功能材料。鎂可做生物材料、儲(chǔ)氫材料和電池材料。醫(yī)用金屬鎂作為新一代生物醫(yī)用材料，既具有金屬材料的強(qiáng)度，又具有高分子材料的可降解性。鎂植入材料可替代惰性的或不可降解的不銹鋼和鈦合金等，在人體內(nèi)自動(dòng)降解而消失，所以無需二次手術(shù)。

目前鎂合金發(fā)展瓶頸涉及應(yīng)用市場、原料供應(yīng)穩(wěn)定性、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工技術(shù)成熟度、成本以及資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)。雖然我國皮江法煉鎂工藝及環(huán)保方面取得了顯著的進(jìn)步，資源消耗減少和產(chǎn)出大幅提高。但我國地域因素似乎對(duì)鎂廠的生存發(fā)展起著至關(guān)重要的影響。以前具有資源、人員優(yōu)勢的山西、河南鎂廠已退出第一梯隊(duì)。近年陜西榆林地區(qū)鎂廠異軍突起，產(chǎn)量穩(wěn)居全球及國內(nèi)第一位。其原因無不與生產(chǎn)所用能源或生產(chǎn)成本有關(guān)。需要指出的是，皮江法煉鎂也會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳的排放、粉塵和廢渣。企業(yè)工藝流程、原鎂品質(zhì)和環(huán)境保護(hù)特別是對(duì)生產(chǎn)工人的職業(yè)保護(hù)有待進(jìn)一步提升。高素質(zhì)產(chǎn)業(yè)工人和人才隊(duì)伍的培訓(xùn)及穩(wěn)定對(duì)行業(yè)的發(fā)展很重要。從發(fā)展的眼光來看，優(yōu)化皮江法煉鎂工藝，扶持和發(fā)展電解法煉鎂符合我國西部開發(fā)國情國策。西部水電、太陽能的開發(fā)與利用將為鹽湖鎂資源利用提供發(fā)展機(jī)遇。

后記

海到無邊天作岸，山登絕頂我為峰。當(dāng)前，我國在鎂合金在開發(fā)和利用方面取得了可喜成就，但仍面臨一系列的困難和挑戰(zhàn)。相信在像曾榮昌教授這樣的科研工作者們不懈努力和刻苦攻關(guān)下，我國鎂合金技術(shù)與產(chǎn)業(yè)定能迎來更輝煌的明天！

人物簡介

曾榮昌，博士，教授，博導(dǎo)，享受國務(wù)院政府特殊津貼專家，博士畢業(yè)于中科院金屬所；德國GKSS材料研究所訪問學(xué)者；主要研究方向?yàn)椴牧细g與防護(hù)、醫(yī)用鎂合金等。承擔(dān)和參與加拿大魁北克-山東省國際合作項(xiàng)目、國家“863”、國家自然科學(xué)基金、省部級(jí)項(xiàng)目27項(xiàng)；合作出版著作、教材6部；授權(quán)國家發(fā)明專利21項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文180余篇，其中SCI收錄論文120多篇、ESI高被引論文6篇；SCI被引3100余次，H因子28. 擔(dān)任波蘭國家自然科學(xué)基金、中國國家科技獎(jiǎng)勵(lì)、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等評(píng)審專家；中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國防腐蝕工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)理事、中國生物材料學(xué)會(huì)醫(yī)用金屬材料分會(huì)委員、中國材料研究學(xué)會(huì)鎂合金分會(huì)理事、山東省腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)副理事長、山東省輕質(zhì)高強(qiáng)金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員；《J. Magnes. Alloys》、《Front. Mater. Sci.》、《Heliyon》、《表面技術(shù)》、《中國組織工程研究》和《山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)》（自然科學(xué)版）等期刊編委；40多個(gè)國內(nèi)外期刊審稿專家；獲Publons 2019 材料學(xué)和交叉學(xué)科頂尖審稿專家，省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)6項(xiàng)；領(lǐng)銜的“”材料腐蝕與保護(hù)“團(tuán)隊(duì)獲中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)四十年貢獻(xiàn)獎(jiǎng)優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)；指導(dǎo)的研究生獲評(píng)2018年全國高校”百名研究生黨員標(biāo)兵“。

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