镁研究:2022年全球镁及镁合金研究进展

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镁是最轻的结构金属,也是非常有潜力的储能材料,在实现碳中和碳达峰双碳战略目标、缓解能源危机方面具有广阔前景。镁及其合金由于密度低、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,2022年在Web of scienceWoS)核心合集数据库中检索到超过4600篇与镁相关的论文,内容涉及镁及镁合金研究与应用的多个方面。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、镁电池材料电解质不相容、高性能阴极和阳极材料稀缺等问题。

最近,重庆大学潘复生院士团队杨艳教授、彭晓东教授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。镁合金的微观结构、力学性能和腐蚀防护仍是主要的研究热点,生物镁材料、镁离子电池和储氢镁材料备受关注。此外,本文综述了2022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、专利和国际奖励等方面取得的进展,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2022年全球镁及镁合金发文分布特点和研究热点。2022年在WoS核心合集数据库中检索有超过4600篇与镁相关的论文,来自79个国家和地区,中国、印度、美国、德国和日本仍然是发表论文最多的五个国家。文献计量学分析表明,基于不同国家的国际合作论文占比约20.85%,较2021年的23.81%有所下降。中国、美国、德国、澳大利亚、日本、韩国和印度之间有紧密的合作关系(图1)。2022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,达到228篇,较2021年的163篇显著提高。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、伊朗德黑兰大学和新加坡国立大学也位列前20名。不同机构间合作的论文超过了65.82%,较2021年的65.76%略有提高。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。


在结构镁合金方面,对于铸造镁合金,通过重力铸造制备的Mg-7.8Gd-2.7Y-2.0Ag-0.4Zr合金的抗拉强度为~411 MPa,断裂伸长率为~4.9%(表1)。对于变形镁合金,Mg-15Gd合金通过挤压、温轧和时效工艺后,抗拉强度和伸长率分别达到518 MPa4.5%(表2)。超轻变形镁合金的发展也有显著进步,通过常规挤压制备的Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金兼具324 MPa的抗拉强度和11.9%的延伸率(表3),力学性能优异。对于结构镁合金的缺陷控制,发展的固液气多相场Lattice-Boltzmann模型在气孔形成方面取得了重大进展,适用于解决固液气多相和多物理特性的问题。

含稀土铸造镁合金的室温力学性能

高强变形镁合金的室温力学性能

高强变形镁合金的室温力学性能

功能镁材料已经成为当前的研究热点,并在2022年开展了大量研究。在生物镁合金方面,开发的Mg-30Sc合金表现出可接受的体内降解率(0.06 mm/y),对MC3T3细胞模型没有细胞毒性,并且具有优异的力学性能,能在大鼠股骨中保持长达24周。在镁电池方面,开发了一种新的CuS0.96Te0.04可充电镁电池高性能正极材料,在20 mA g-1电流密度下可提供446 mAh g-1的高比容量,在1500次重复循环后具有良好的长寿命循环稳定性。在储氢镁材料方面,已经研究了一些新的催化剂,如YH2NiCp2Ni/BNNi/V2O3等,用来降低氢释放的活化能,并可以在等温条件下加速氢的解吸速率。此外,开发了一些新的制备方法,可以直接制备纳米粉末,同时改善储氢镁合金的动力学性能。在阻尼镁合金方面,研究人员主要关注热处理、变形过程和固溶体原子对镁合金阻尼性能的影响。开发的Mg-4Li-3Al-0.3Mn合金兼具良好的阻尼性能(0.028)和强塑性(UTS为332 MPaEL为14.3%)。

镁合金的制备和加工技术仍然是重要的研究方向。在铸造技术方面,采用新的双辊铸造工艺(TRC)制备的Mg-0.5Zn-0.5Ca合金表现出优异的组织细化效果,晶粒尺寸小于150 μmUTSEL分别为221.9 MPa9.3%。在塑性加工技术方面,发展了累积反向挤压(ABE)、倾斜挤压(SE)、非对称轧制(AR)、超声波表面轧制(USRP)等加工技术。对于增材制造技术,通过挤压增材制造,然后脱脂和烧结的工艺能够有效制备具有几何有序和完全互连的多孔结构镁合金支架。此外,镁的回收和再利用也得到了发展,对废弃镁合金粉尘进行惰性处理,能在粉尘颗粒表面形成复合转化膜,阻断外部水分子与Mg2+的接触,避免危害。

在腐蚀和防护方面,表面处理是一种简单有效的方法,受到了研究者的广泛关注。具有PEO/超分散聚四氟乙烯复合涂层的Mg-Mn-Ce合金表现出极低的腐蚀速率(3.4×10−5μA cm-2),与未涂层的镁合金相比降低了6个数量级以上。表面薄膜/涂层正朝着复合化、微纳米化和功能化的方向发展,应进一步开发高耐腐蚀的镁合金和有效的镁合金表面处理方法,以满足大多数场合的应用要求。

2022年,镁合金国际标准、专利和国际奖励等方面取得了重要进展。由中国提出的ISO 4155:2022国际标准成功发布,该标准重点研究了镁及镁合金中镍的含量,主要采用电感耦合等离子体发射光谱法测定。ISO 4155:2022国际标准与英国标准BS ISO 4155:022相当,标准质量得到了英国等发达国家的高度认可。对于镁及镁合金专利,利用SooPAT数据库检索到758项授权专利,中国授权的专利最多,其次是美国、日本、欧洲和韩国等。对于镁合金国际奖,2022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。

尽管已经广泛开展了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。对于结构镁合金,镁合金的综合性能还有待进一步提高。对于功能镁材料,生物镁合金的合金化设计和表面改性是提高耐腐蚀性的关键,但应系统考虑体内生物特性,包括愈合率、炎症反应和副作用。镁电池仍然面临着电解质不相容、高性能阴极和阳极材料稀缺等挑战。镁基储氢材料的大规模使用由于其高热力学稳定性和缓慢的反应动力学而受到阻碍,需要在合金化、纳米结构、催化剂、制备方法等方面进一步研究。在制备和加工技术方面,真空压铸镁合金的微观组织演变和热处理、降低增材制造复杂镁合金零件的成本以及镁合金铸件的焊接有待进一步研究。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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本文作者2023-11-8 13:27
镁途
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