镁关注：2021年全球镁及镁合金研究进展

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2020年9月，我国提出了“碳中和”和“碳达峰”的发展战略，引起了全世界的广泛关注，而镁合金作为最轻的结构材料，其大规模应用是实现“双碳”战略目标的有效手段之一。此外，镁及其合金由于具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼性能好、生物相容性好、储氢容量大和电池理论比容量大等特点，在航空航天、汽车、3C、生物医学和能源等领域具有极大的应用潜力。据统计，2021年在Web of science（WoS）核心合集数据库中检索到超过4000篇与镁相关的论文，内容涉及镁及镁合金研究与应用的各个方面。然而，要进一步拓宽镁合金的应用范围，还需要克服许多困难，如结构用镁合金的强度低、塑性差、耐蚀性较差，生物镁合金的降解速度快，镁储氢材料充氢和放氢范围窄等问题。

最近，重庆大学潘复生院士团队宋江凤博士等人通过文献计量学分析了镁合金的研究趋势和研究热点，综述了2021年度镁合金结构材料、镁基功能材料、镁合金制备加工技术、镁合金腐蚀与防护、镁合金国际标准、专利、产业和国际奖等方面取得的重要进展，指出了目前镁合金研究还存在的问题和挑战，为今后镁合金的研究方向提出了具体建议。

首先通过文献计量学的方法分析了2021年全球镁及镁合金发文分布特点和研究热点。2021年在WoS核心合集数据库中检索有超过4000篇与镁相关的论文，来自88个国家和地区，其中中国、印度、美国、德国和日本是发表论文最多的五个国家，如图1(a)所示。图1(b)为不同国家之间的镁合金发文的网络可视化图谱，图中圆圈的面积越大代表发表论文的数量越多，而不同组织之间连接线的越宽则表示合作越紧密。文献计量学分析表明，基于国际合作发表的论文占比约23.81%，中国、美国、德国、澳大利亚、英国和印度之间的合作较为紧密。2021年全球发表镁合金论文最多的前20个机构如图2所示，其中重庆大学发表论文最多（2020年也为最多），其次是中国科学院、上海交通大学、东北大学、哈尔滨工业大学。德国亥姆霍兹研究所、伊朗的德黑兰大学、澳大利亚的昆士兰大学也位列前20名。不同机构间合作的论文超过了65.76%，表明不同机构之间的合作可以显著加速镁及镁合金的研究。基于检索数据，对论文中的出现频次前150个关键词进行可视化分析，如图3所示，镁合金的研究可大致分为四大类：1）结构材料，包括铸造镁合金和变形镁合金，主要关注微观组织和力学性能，2）功能材料，包括镁电池、镁储氢材料和生物镁材料等，3）镁和镁合金的加工技术，4）镁和镁合金的腐蚀和防护。

图1 2021年发表至少5篇镁及镁合金论文的国家分布统计分析：(a)不同国家和地区论文百分比，(b)不同国家之间的网络可视化

图2 2021年发表至少15篇镁及镁合金论文的机构统计分析：(a)前20名机构，(b)不同机构之间的网络可视化

图3 镁及镁合金相关论文关键词的网络可视化

在结构镁合金方面，2021年铸造和变形镁合金取得了进展。对于铸造镁合金，开发的Mg-3Nd-4.5Gd-0.2Zn-0.5Zr合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为343 MPa、200 MPa和5.4%（表1）。开发的Mg-4Al-4RE-0.3Mn压铸镁合金的抗拉强度超过280 MPa，延伸率为11%。对于商用变形镁合金，通过“ECAP+EPT”技术制备的商用AZ61合金具有优异的力学性能（UTS=448 MPa，EL=15%），该技术若能商业化，将对镁及镁合金的产业化具有重要意义。对于超高强度含稀土变形镁合金，挤压和时效Mg-14.5Gd-2.3Y-1.1Zn-0.3Mn合金的抗拉强度最高为520 MPa（表2）。对于低成本变形镁合金，Mg-1Ca-1Al-0.3Zn-0.4Mn合金的抗拉强度达到449 MPa，延伸率为4.2%。此外，2021年在超轻Mg-14Li-7Al合金中报道了一种新的调幅分解强化机制。

表1 含稀土变形镁合金的室温力学性能

表2 含稀土变形镁合金的室温力学性能

2021年，学者针对镁基功能材料开展了大量研究。对于生物镁合金，开发了一种新型Mg–Dy合金，该合金具有优异的力学性能和生物腐蚀性能，可替代WE43支架用于生物可吸收血管植入，有助于促进生物镁合金的产业化。对于镁电池，开发了一种简单的低成本Mg(TFSI)₂/DME电解质，并运用在Mg//Mg_0.15MnO₂电池中，其寿命为200次循环，平均放电电压约为2.3 V，可逆容量为190 mAh g⁻¹。此外，重庆大学通过对高容量硫化物/氧化物阴极、镁合金阳极和低成本电解液进行大量的基础研究，成功生产了软包电池。对于储氢镁合金，成功合成了尺寸为4-5 nm的超细MgH₂纳米颗粒，在30 ℃下可实现6.7 wt.%的可逆储氢。此外，重庆大学还建立了一个集成储氢系统，包括轻型储氢罐、太阳能水解系统和燃料电池，展示了它们的潜在应用能力。

镁合金的制备和加工技术仍然是重要的研究方向。高强度镁合金的离心铸造和分步铜模亚快速凝固铸造在过去一年中得到了发展。利用增材制造技术成功制备了生物镁合金和具有复杂孔结构的结构镁合金试件，然而，其商业化仍处于初级阶段。2021年报道的几种变形加工技术可以改善力学性能或弱化织构，但其商业化和成本控制仍然是一个巨大的挑战。在连接和焊接方面，主要是关于搅拌摩擦焊方面的报道，焊接的镁合金零件形状也相对较简单。

镁合金的腐蚀与防护也是2021年的研究热点之一。大气温度、气体、湿度和紫外线辐射显著影响镁合金的腐蚀行为。据报道，在中国南海、沈阳工业大气环境和高温环境中，镁合金表现出独特的腐蚀行为。此外，第二相、金属间化合物、腐蚀溶液的pH值和腐蚀产物层对镁合金的腐蚀行为有很大影响。通过添加缓蚀剂和合金元素或进行表面处理，可以显著提高镁合金的耐蚀性。涂层方面，AZ91D合金表面的PEO封孔处理和Ni-P复合涂层表现出优异的耐蚀性，在3.5%的NaCl溶液中，其腐蚀电流密度为0.001304±0.000110 μA•cm⁻²。

2021年，镁合金国际标准、专利、产业等方面取得了重要进展。新发布的三项国际标准（ISO 23694:2021、ISO 23700:2021、ISO 8287:2021）均由中国主导制，这三项ISO标准得到了英国的高度认可，均被等同转化为英国BS标准。对于镁及镁合金专利，利用SooPAT数据库检索到707项授权专利，中国授权的专利最多，其次是日本、美国、韩国和欧洲。许多超大型企业均对镁行业表现出浓厚的兴趣。例如，宝钢金属股份有限公司计划投资182亿元促进镁及镁合金的研发和产业化，并与重庆大学共同成立了“先进镁技术联合研发中心”。广东省国研科技研究中心有限公司计划在5年内总投资5亿元，用于“固态镁基储氢材料与技术的开发与应用”以及镁电池的研发。美国西部镁业公司计划投资10亿美元建设原镁生产基地。对于镁合金国际奖，2021年国际镁学会（IMS）和国际镁协会（IMA）分别颁发了镁及镁合金相关的奖项，对镁及镁合金的研发和应用具有重要意义。

尽管镁及镁合金的研究和开发取得了很大进展，但对其大规模应用仍然存在一些挑战。在材料研发方面，镁合金结构材料在室温和高温的力学性能、镁电池和储氢镁合金的产业化需要进一步提高。在加工技术方面，真空压铸件的微观组织演变和热处理技术、大型复杂镁合金零部件的增材制造技术、低成本变形加工技术以及形状复杂铸件的焊接技术，都需要开展进一步研究。在镁合金的腐蚀和防护方面，需要进一步开发高耐蚀镁合金和有效的表面处理技术，以满足大多数环境的应用要求。

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