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從人類最早期的原始工具到第一次嘗試飛行，我們就一直在尋找又輕又強壯的材料。尤其是在汽車、飛行等產(chǎn)品的設(shè)計中，考慮到安全和可靠性的需求，金屬材料無疑是公認的首選，但鋼鐵的重量無疑讓設(shè)計人員倍感苦惱，那么，有沒有一種金屬可以滿足人們對輕量化設(shè)計的需求呢?鎂(合金)就是最佳的選擇。
鎂(Mg)是地殼中第八豐富的元素，比鋁輕33%，比鈦輕60%，比鋼輕75%。加入其他元素組成的鎂合金，同樣具有密度小、比強度高、彈性模量大、導(dǎo)熱性和消震性好、電磁屏蔽性能強、生物兼容性佳、易于回收等突出優(yōu)點，被美譽為“21世紀綠色結(jié)構(gòu)材料”，也被很多行業(yè)專家標榜為未來金屬界的明星材料之一。
在當今世界能源與環(huán)境問題日益突出的嚴峻形勢下，鎂合金在汽車工業(yè)、通訊電子業(yè)和航空航天工業(yè)等領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。我國是世界上鎂礦資源最豐富的國家之一，可利用的鎂礦資源產(chǎn)量約占世界總儲量的70%，因而在發(fā)展鎂材料產(chǎn)業(yè)上有顯著的資源優(yōu)勢。
圖2.1鎂合金的應(yīng)用示例 (a) 輕型導(dǎo)彈殼;(b) 座椅框架;(c) 汽車輪轂;(d) 筆記本外殼;(e) 犧牲陽極材料;(f) 醫(yī)用鎂合金縫合線
純鎂的密度為1.738 g/cm3，鎂合金的密度也僅為1.75-1.90 g/cm3，約是鋁合金的2/3，鋼的1/4。鎂合金的比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金相當，遠遠高于工程塑料。在當前汽車工業(yè)尤其是新能源汽車行業(yè)大幅發(fā)展的背景下，用鎂合金做結(jié)構(gòu)件可以顯著減輕汽車自重，有效降低燃油消耗，提高燃油經(jīng)濟性，同時降低污染排放。鎂合金在汽車上最具潛力的應(yīng)用是整體結(jié)構(gòu)部件，如方向盤、發(fā)動機罩、后備行李箱蓋、車頂板、車體加強板、內(nèi)側(cè)車門框架和后部車廂隔板，部分高強耐熱鎂合金甚至可以用于發(fā)動機汽缸體和汽車輪轂。
鎂合金與鋁合金、鋼、鐵相比，具有較低的彈性模量，在同樣受力條件下，可消耗更大的變形功，具有降噪、減振功能，可承受較大的沖擊震動負荷。鎂合金的這些特點可以滿足航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、減震和防輻射的要求，從而改善飛行器的氣體動力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。從20 世紀40 年代開始，鎂合金首先在航空航天部門得到了應(yīng)用。關(guān)注材料科學(xué)與工程公眾號學(xué)習(xí)更多。在國外，B-36重型轟炸機每架用到4086kg鎂合金簿板;“德熱來奈”飛船的起動火箭“大力神”曾使用了600kg的變形鎂合金;“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675kg的變形鎂合金;直徑約1米的“維熱爾”火箭殼體也是用鎂合金擠壓管材制造的。我國制造的殲擊機、轟炸機、直升機、運輸機、民用機、機載雷達、地空導(dǎo)彈、運載火箭、人造衛(wèi)星、飛船上也均選用了鎂合金構(gòu)件。
鎂合金具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，雖然鎂合金的導(dǎo)熱能力不及鋁合金，但遠高于塑料、樹脂，同時鎂合金具有良好的電磁屏蔽性能，非常適合用于制造電子產(chǎn)品的金屬外殼、機罩。一些電子通訊知名品牌企業(yè)已經(jīng)成功將鎂合金用于制造個人便攜式電腦、手機、攝錄影器材等電子產(chǎn)品外殼。在2003年全球出貨的3000萬臺筆記本電腦中，采用鋁和塑膠機殼的比重達75%，使用鎂合金的比重僅25%，但2004年筆記本電腦采用鎂合金機殼的比重就提高到了50%以上。
雖然鎂合金擁有眾多吸引人的性能優(yōu)勢，但由于其自身固有的一些性能缺點，以及當前的技術(shù)制約，使其仍然難以進行廣泛的推廣利用。材料界的泰斗——師昌緒院士就曾指出鎂合金的發(fā)展存在三大瓶頸, 即缺乏有效析出相、易腐蝕和難變形。這三大問題也是發(fā)展新型高性能鎂合金面臨的主要障礙。
鎂的電極電位低，化學(xué)性質(zhì)活潑，導(dǎo)致鎂合金產(chǎn)品容易腐蝕。因此，腐蝕問題也是阻礙鎂合金應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。改善鎂合金的耐蝕性能，目前主要有兩種技術(shù)方式，一種是通過合金化和純凈化處理來提高鎂合金基體本身的電極電位，或者形成表面自愈合防護膜，增強自身對環(huán)境腐蝕的抵抗能力;另一種是通過表面防護處理，形成表面保護膜而防止基體的腐蝕。由于前者受到鎂自身化學(xué)特性的限制，未取得應(yīng)用上的突破性進展，故目前國內(nèi)外多致力于表面防護技術(shù)的研究開發(fā)，在目前廣泛使用的微弧氧化表面處理技術(shù)基礎(chǔ)開拓了一些新的表面處理技術(shù)，并取得了較好的成果。
大力發(fā)展鎂合金的應(yīng)用，必須以加快鎂合金的基礎(chǔ)研究為前提。加強對鎂合金強韌化機理及塑性變形機制的基礎(chǔ)理論研究，從根本上認識鎂合金的強化及塑性變形機理，同時必須加強對鎂合金腐蝕機理和失效機制的研究。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造有利于鎂合金變形的應(yīng)力應(yīng)變條件，開發(fā)新型高性能鎂合金體系，通過先進變形鎂合金加工工藝，生產(chǎn)制備出具有高強、耐熱耐蝕，以及良好變形性能的優(yōu)質(zhì)鎂合金。
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