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——訪中國工程院院士丁文江教授
【eCorr中國腐蝕與防護網(wǎng)消息 2014年6月18日】我國每年因金屬材料腐蝕造成的損失高達5000億元，約占國民生產(chǎn)總值的5%.說到腐蝕，人們首先想到的是如何進行防護，而丁文江院士卻給了我們一個新的認識：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，如果對鎂的腐蝕控制得當，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，在于其是否得到合理的控制。
2014年6月5日，本刊記者在中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所召開的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究”項目啟動會上有幸采訪到了中國工程院院士丁文江教授。丁院士長期從事先進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、應(yīng)用研究及腐蝕問題。
鎂與鋁：性相近 合金相遠
鎂和鋁都是在19世紀被發(fā)現(xiàn)的。1808年，英國戴維用鉀還原氧化鎂制得了金屬鎂。1827年，德國化學(xué)家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?！倍≡菏空f。
“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?！倍≡菏拷又f。
鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金，它的腐蝕實質(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?。烘V合金的最大優(yōu)勢
材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。丁院士介紹說：“鎂在實用金屬結(jié)構(gòu)材料中是比重最小的（密度為約為鋁的2/3,鋼的1/4），它最大優(yōu)點的就是輕，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能源的消耗，有利于環(huán)保?！?/div>
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。減輕汽車重量對環(huán)境和能源的影響，輕量化其是必然趨勢。
常規(guī)鎂合金的燃點僅為540-600℃，遠低于鎂合金的熔點，導(dǎo)致其易燃而生產(chǎn)困難。丁院士帶領(lǐng)科研團隊在國際上較早地開展了阻燃鎂合金的研究，讓鎂合金燃點提高至935℃以上，改變傳統(tǒng)鎂合金需要進行熔劑等特殊保護的局限，實現(xiàn)了大氣中無保護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。丁院士團隊采用稀土與鋅固溶時效強化和鋯細化的方法，發(fā)明了一種兼具高強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)動機支架等傳統(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)品的外殼如手機及電腦，它們的枝撐框架和背面的殼體上使用鎂合金，不僅減輕了移動設(shè)備的重量，外觀及觸摸質(zhì)感也非常好?！倍≡菏勘硎?。
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，更加廉價并且具有更高的儲能密度。鋰離子電池安全性差，如果做為動力電源的話，還有發(fā)生爆炸的危險?！?/div>
鎂元素分布廣泛，中國鎂資源儲量世界第一，原鎂產(chǎn)能充足，鎂離子電池的價格會很低廉。由于鎂離子具有兩個正電荷，而鋰離子只有一個，鎂離子電池比鋰離子電池具有更大的儲能能力，單位質(zhì)量的鎂離子電池可以存儲更多能量。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、工作度范圍寬、應(yīng)用領(lǐng)域廣、性價比優(yōu)勢大、環(huán)保無污染、可二次回收的特點，鎂應(yīng)用于電池是未來的發(fā)展趨勢。
“另外一個就是鎂可以作為儲氫材料使用，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存在這些孔中，氫的兩個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小30%左右。因此，單位體積鎂的儲氫量比液態(tài)氫還要高。把鎂合金儲氫的技術(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?！倍≡菏拷又f。
普通汽車的油箱儲油量相當于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，進而為汽車提供動力。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70%-80%.
生物材料：利用腐蝕來降解
 圖1：丁文江院士在與本刊記者交談
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。鎂在細胞里負責(zé)重要的能量傳輸功能，它幫助細胞膜適量調(diào)節(jié)對鈣質(zhì)的需要，促使生理功能正?；?。醫(yī)學(xué)上很多病癥都和缺鎂有著直接關(guān)系，鎂是對人體非常有益的元素，日本、美國、歐洲現(xiàn)在都有補鎂劑。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?！?/div>
“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，會永久地保留在體內(nèi)不能降解，可能需要病人長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)，這個風(fēng)險是很大的。如果選用鎂材料，進行可控降解，這個問題就可以得到很好的解決。”
鎂合金支架在植入初期可對病變血管產(chǎn)生支撐作用，防止病變血管發(fā)生負性重構(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)物對生物體不僅沒有毒害，而且還可以起到補鎂的作用，多余的腐蝕產(chǎn)物，會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?！?/div>
“另外，青少年和孩童身體是不斷發(fā)育的，不同時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此很好地解決。同樣，類似的還有對于小孩子的顱骨修補手術(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漸漸長大。我們?nèi)绻梢允褂面V合金材料進行顱骨修補，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，顱骨也長好了，這個問題也就解決了。”
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，當病人的骨頭長好愈合后，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用?！?/div>
“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，會永遠留在神經(jīng)里，如果用很細的鎂絲，當神經(jīng)線長好之后鎂絲就已經(jīng)通過降解而消失了?！?/div>
不銹鎂：讓鎂更完美
腐蝕問題長期以來嚴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，丁院士給出了兩個研究方向。
“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，就不會發(fā)生電化學(xué)腐蝕了?！倍≡菏拷榻B說。
“另外一個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?，形成不同的氧化產(chǎn)物，用多元氧化物填補空隙，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。不銹鋼耐腐蝕是因為在其材質(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?！?/div>
“鐵可以，鎂也可以。不銹鎂，是未來的發(fā)展方向?！辈稍L最后，丁院士篤定地說。
丁文江簡介
丁文江，1953年3月出生，中共黨員，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973）首席科學(xué)家，化工、冶金與材料工程學(xué)部院士?，F(xiàn)任輕合金精密成型國家工程研究中心主任，中國鎂業(yè)協(xié)會副會長，中國材料研究學(xué)會常務(wù)理事，中共上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院委員會委員。曾任上海交通大學(xué)副校長，上海市科委副主任，上海市科協(xié)副主席。
丁文江長期從事先進鎂合金材料及加工方面研究，獲國家科技進步二等獎、國家技術(shù)發(fā)明二等獎、國防工業(yè)科技進步二等獎、上海市技術(shù)發(fā)明一等獎，上海市科技進步二等獎，中國汽車工業(yè)科技進步二等獎各1項。在SCI源期刊上發(fā)表論文308篇，獲得授權(quán)發(fā)明專利114項，其中兩項獲中國專利優(yōu)秀獎。2000年，經(jīng)發(fā)改委（原計委）批準，創(chuàng)建了輕合金精密成型國家工程研究中心，將基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)、工程化研究和技術(shù)轉(zhuǎn)移有機融合，加快科研成果的轉(zhuǎn)化。培養(yǎng)了博士后8人、博/碩士研究生100余人。曾獲“中國優(yōu)秀青年科技創(chuàng)業(yè)獎”、“全國先進工作者”、“上海市勞動模范”、“全國優(yōu)秀科技工作者”等殊榮。多次擔任國家科技攻關(guān)重大專項“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”專家；第五、第六屆國務(wù)院學(xué)科評議組成員；中挪輕合金聯(lián)合研究中心中方主任；日本九州大學(xué)外部評價委員。
責(zé)任編輯：趙澤南 |
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