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鎂關注:2021年全球鎂及鎂合金研究進展

來自: JMACCMg 收藏 邀請
20209月,我國提出了“碳中和”和“碳達峰”的發展戰略,引起了全世界的廣泛關注,而鎂合金作為最輕的結構材料,其大規模應用是實現“雙碳”戰略目標的有效手段之一。此外,鎂及其合金由于具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼性能好、生物相容性好、儲氫容量大和電池理論比容量大等特點,在航空航天、汽車、3C、生物醫學和能源等領域具有極大的應用潛力。據統計,2021年在Web of scienceWoS核心合集數據庫中檢索到超過4000篇與鎂相關的論文,內容涉及鎂及鎂合金研究與應用的各個方面。然而,要進一步拓寬鎂合金的應用范圍,還需要克服許多困難,如結構用鎂合金的強度低、塑性差、耐蝕性較差,生物鎂合金的降解速度快,鎂儲氫材料充氫和放氫范圍窄等問題。

最近,重慶大學潘復生院士團隊宋江鳳博士等人通過文獻計量學分析了鎂合金的研究趨勢和研究熱點,綜述了2021年度鎂合金結構材料、鎂基功能材料、鎂合金制備加工技術、鎂合金腐蝕與防護、鎂合金國際標準、專利、產業和國際獎等方面取得的重要進展,指出了目前鎂合金研究還存在的問題和挑戰,為今后鎂合金的研究方向提出了具體建議。
首先通過文獻計量學的方法分析了2021年全球鎂及鎂合金發文分布特點和研究熱點。2021年在WoS核心合集數據庫中檢索有超過4000篇與鎂相關的論文,來自88個國家和地區,其中中國、印度、美國、德國和日本是發表論文最多的五個國家,如圖1(a)所示。圖1(b)為不同國家之間的鎂合金發文的網絡可視化圖譜,圖中圓圈的面積越大代表發表論文的數量越多,而不同組織之間連接線的越寬則表示合作越緊密。文獻計量學分析表明,基于國際合作發表的論文占比約23.81%,中國、美國、德國、澳大利亞、英國和印度之間的合作較為緊密。2021年全球發表鎂合金論文最多的前20個機構如圖2所示,其中重慶大學發表論文最多(2020年也為最多),其次是中國科學院、上海交通大學、東北大學、哈爾濱工業大學。德國亥姆霍茲研究所、伊朗的德黑蘭大學、澳大利亞的昆士蘭大學也位列前20名。不同機構間合作的論文超過了65.76%,表明不同機構之間的合作可以顯著加速鎂及鎂合金的研究?;跈z索數據,對論文中的出現頻次前150個關鍵詞進行可視化分析,如圖3所示,鎂合金的研究可大致分為四大類:1)結構材料,包括鑄造鎂合金和變形鎂合金,主要關注微觀組織和力學性能,2)功能材料,包括鎂電池、鎂儲氫材料和生物鎂材料等,3)鎂和鎂合金的加工技術,4)鎂和鎂合金的腐蝕和防護。

1 2021年發表至少5篇鎂及鎂合金論文的國家分布統計分析:(a)不同國家和地區論文百分比,(b)不同國家之間的網絡可視化

2 2021年發表至少15篇鎂及鎂合金論文的機構統計分析:(a)20名機構,(b)不同機構之間的網絡可視化

圖3 鎂及鎂合金相關論文關鍵詞的網絡可視化
在結構鎂合金方面,2021年鑄造和變形鎂合金取得了進展。對于鑄造鎂合金,開發的Mg-3Nd-4.5Gd-0.2Zn-0.5Zr合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率分別為343 MPa、200 MPa5.4%(表1)。開發的Mg-4Al-4RE-0.3Mn壓鑄鎂合金的抗拉強度超過280 MPa,延伸率為11%。對于商用變形鎂合金,通過“ECAP+EPT”技術制備的商用AZ61合金具有優異的力學性能(UTS=448 MPa,EL=15%),該技術若能商業化,將對鎂及鎂合金的產業化具有重要意義。對于超高強度含稀土變形鎂合金,擠壓和時效Mg-14.5Gd-2.3Y-1.1Zn-0.3Mn合金的抗拉強度最高為520 MPa(表2)。對于低成本變形鎂合金,Mg-1Ca-1Al-0.3Zn-0.4Mn合金的抗拉強度達到449 MPa,延伸率為4.2%。此外,2021年在超輕Mg-14Li-7Al合金中報道了一種新的調幅分解強化機制。
含稀土變形鎂合金的室溫力學性能

含稀土變形鎂合金的室溫力學性能

2021年,學者針對鎂基功能材料開展了大量研究。對于生物鎂合金,開發了一種新型Mg–Dy合金,該合金具有優異的力學性能和生物腐蝕性能,可替代WE43支架用于生物可吸收血管植入,有助于促進生物鎂合金的產業化。對于鎂電池,開發了一種簡單的低成本Mg(TFSI)2/DME電解質,并運用在Mg//Mg0.15MnO2電池中,其壽命為200次循環,平均放電電壓約為2.3 V,可逆容量為190 mAh g?1。此外,重慶大學通過對高容量硫化物/氧化物陰極、鎂合金陽極和低成本電解液進行大量的基礎研究,成功生產了軟包電池。對于儲氫鎂合金,成功合成了尺寸為4-5 nm的超細MgH2納米顆粒,在30 ℃下可實現6.7 wt.%的可逆儲氫。此外,重慶大學還建立了一個集成儲氫系統,包括輕型儲氫罐、太陽能水解系統和燃料電池,展示了它們的潛在應用能力。
鎂合金的制備和加工技術仍然是重要的研究方向。高強度鎂合金的離心鑄造和分步銅模亞快速凝固鑄造在過去一年中得到了發展。利用增材制造技術成功制備了生物鎂合金和具有復雜孔結構的結構鎂合金試件,然而,其商業化仍處于初級階段。2021年報道的幾種變形加工技術可以改善力學性能或弱化織構,但其商業化和成本控制仍然是一個巨大的挑戰。在連接和焊接方面,主要是關于攪拌摩擦焊方面的報道,焊接的鎂合金零件形狀也相對較簡單。
鎂合金的腐蝕與防護也是2021年的研究熱點之一。大氣溫度、氣體、濕度和紫外線輻射顯著影響鎂合金的腐蝕行為。據報道,在中國南海、沈陽工業大氣環境和高溫環境中,鎂合金表現出獨特的腐蝕行為。此外,第二相、金屬間化合物、腐蝕溶液的pH值和腐蝕產物層對鎂合金的腐蝕行為有很大影響。通過添加緩蝕劑和合金元素或進行表面處理,可以顯著提高鎂合金的耐蝕性。涂層方面,AZ91D合金表面的PEO封孔處理和Ni-P復合涂層表現出優異的耐蝕性,在3.5%NaCl溶液中,其腐蝕電流密度為0.001304±0.000110 μA?cm?2。
2021年,鎂合金國際標準、專利、產業等方面取得了重要進展。新發布的三項國際標準(ISO 23694:2021、ISO 23700:2021、ISO 8287:2021)均由中國主導制,這三項ISO標準得到了英國的高度認可,均被等同轉化為英國BS標準。對于鎂及鎂合金專利,利用SooPAT數據庫檢索到707項授權專利,中國授權的專利最多,其次是日本、美國、韓國和歐洲。許多超大型企業均對鎂行業表現出濃厚的興趣。例如,寶鋼金屬股份有限公司計劃投資182億元促進鎂及鎂合金的研發和產業化,并與重慶大學共同成立了“先進鎂技術聯合研發中心”。廣東省國研科技研究中心有限公司計劃在5年內總投資5億元,用于“固態鎂基儲氫材料與技術的開發與應用”以及鎂電池的研發。美國西部鎂業公司計劃投資10億美元建設原鎂生產基地。對于鎂合金國際獎,2021年國際鎂學會(IMS)和國際鎂協會(IMA)分別頒發了鎂及鎂合金相關的獎項,對鎂及鎂合金的研發和應用具有重要意義。
盡管鎂及鎂合金的研究和開發取得了很大進展,但對其大規模應用仍然存在一些挑戰。在材料研發方面,鎂合金結構材料在室溫和高溫的力學性能、鎂電池和儲氫鎂合金的產業化需要進一步提高。在加工技術方面,真空壓鑄件的微觀組織演變和熱處理技術、大型復雜鎂合金零部件的增材制造技術、低成本變形加工技術以及形狀復雜鑄件的焊接技術,都需要開展進一步研究。在鎂合金的腐蝕和防護方面,需要進一步開發高耐蝕鎂合金和有效的表面處理技術,以滿足大多數環境的應用要求。
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本文作者2022-5-18 13:42
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