——访中国工程院院士丁文江教授
【eCorr中国腐蚀与防护网消息 2014年6月18日】我国每年因金属材料腐蚀造成的损失高达5000亿元，约占国民生产总值的5%.说到腐蚀，人们首先想到的是如何进行防护，而丁文江院士却给了我们一个新的认识：腐蚀并不一定是坏事，在有些领域，材料的腐蚀反而大有裨益。比如在生物材料领域，由于镁及其合金容易腐蚀，在人体内可以完全降解，通过正常代谢排出体外，如果对镁的腐蚀控制得当，可以解决诸如医用金属植入材料需要再次手术取出等方面的问题。腐蚀的利弊，在于其是否得到合理的控制。
2014年6月5日，本刊记者在中国科学院宁波材料技术与工程研究所召开的国家重点基础研究发展计划（973计划）“海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”项目启动会上有幸采访到了中国工程院院士丁文江教授。丁院士长期从事先进镁合金材料及加工方面的研究，在本次采访中，丁院士向本刊记者介绍了镁与镁合金的知识、应用研究及腐蚀问题。
镁与铝：性相近 合金相远
镁和铝都是在19世纪被发现的。1808年，英国戴维用钾还原氧化镁制得了金属镁。1827年，德国化学家维勒用金属钾还原无水氯化铝，制备出了较纯的铝。镁和铝在元素周期表中处于相邻位置，化学特性相近，镁在铝的前一位，比铝更活泼。全世界大概有400种铝合金，而镁合金却不超过30种。“原因是镁的耐腐蚀性能不好。”丁院士说。
“镁和铝都是活泼金属，空气中易与氧气发生化学反应，在其表面生成一层的氧化膜。铝表面形成的氧化铝薄膜是致密的，可以保护内层金属不被继续氧化，而镁表面形成的氧化镁薄膜是疏松的，阻止不了继续氧化，导致镁极易被腐蚀。”丁院士接着说。
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金，它的腐蚀实质上是镁被氧化成氧化镁或氢氧化镁的电化学和化学过程。镁的腐蚀过程是自发的、极易发生的，且是不可逆的。
比重小：镁合金的最大优势
材料分为结构材料和功能材料。丁院士介绍说：“镁在实用金属结构材料中是比重最小的（密度为约为铝的2/3,钢的1/4），它最大优点的就是轻，主要用于航空航天、高铁汽车等领域。在这些领域中，材料的轻量化可以减少对能源的消耗，有利于环保。”
以汽车为例，根据有关研究，汽车所用燃料的60%是消耗于汽车自重，汽车自重每减轻10%,其燃油效率可提高5%以上；汽车自重每降低100kg,每百公里油耗可减少0.7L左右，每节约1L燃料可减少CO2排放2.5g,年排放量减少30%以上。减轻汽车重量对环境和能源的影响，轻量化其是必然趋势。
常规镁合金的燃点仅为540-600℃，远低于镁合金的熔点，导致其易燃而生产困难。丁院士带领科研团队在国际上较早地开展了阻燃镁合金的研究，让镁合金燃点提高至935℃以上，改变传统镁合金需要进行熔剂等特殊保护的局限，实现了大气中无保护的镁合金熔炼与生产，该技术已应用于电子产品外壳和汽车变速箱等产品批量生产。常规的镁合金强度低，承力比较差，难以应用到承力要求比较高的方面。丁院士团队采用稀土与锌固溶时效强化和锆细化的方法，发明了一种兼具高强度和高韧性的铸造镁合金（JDM1），可以应用到汽车轮毂、缸体、发动机支架等传统镁合金难以应用的承力结构上，有利于汽车的轻量化。
“3C产品的外壳如手机及电脑，它们的枝撑框架和背面的壳体上使用镁合金，不仅减轻了移动设备的重量，外观及触摸质感也非常好。”丁院士表示。
新能源：代替锂电池和液氢
丁院士介绍说：“最近发展起来的关于镁的能源材料，一个是镁离子电池，用于取代锂离子电池。镁离子电池和锂离子电池相比，更加廉价并且具有更高的储能密度。锂离子电池安全性差，如果做为动力电源的话，还有发生爆炸的危险。”
镁元素分布广泛，中国镁资源储量世界第一，原镁产能充足，镁离子电池的价格会很低廉。由于镁离子具有两个正电荷，而锂离子只有一个，镁离子电池比锂离子电池具有更大的储能能力，单位质量的镁离子电池可以存储更多能量。镁离子电池具有能量高（是同等体积锂电池的三倍、是铅酸电池的十倍、是镍电池的十倍以上）、体积小、重量轻、容量大、贮存寿命长、工作度范围宽、应用领域广、性价比优势大、环保无污染、可二次回收的特点，镁应用于电池是未来的发展趋势。
“另外一个就是镁可以作为储氢材料使用，镁的微观物理结构有孔，而孔的大小恰好又能让氢以原子的形式储存在这些孔中，氢的两个原子之间的距离以原子的形式存在要比以分子形式存在时小30%左右。因此，单位体积镁的储氢量比液态氢还要高。把镁合金储氢的技术应用到交通领域，可以用来做清洁能源车的燃料电池。”丁院士接着说。
普通汽车的油箱储油量相当于5公斤-6公斤的氢产生的能量，需要80公斤-90公斤的镁合金容器，这与普通油箱的重量差不多，但体积较小。用氢作为动力并不是通过燃烧氢来获得，而是把氢直接转化为电能，进而为汽车提供动力。汽油燃料的效率为20%-30%,而氢通过能源电池直接转换为电能，效率可达70%-80%.
生物材料：利用腐蚀来降解
丁院士讲道：“镁合金可以用来做生物材料。就重要性而言，在人体内仅次于钙的矿物质就是镁。镁在细胞里负责重要的能量传输功能，它帮助细胞膜适量调节对钙质的需要，促使生理功能正常化。医学上很多病症都和缺镁有着直接关系，镁是对人体非常有益的元素，日本、美国、欧洲现在都有补镁剂。镁合金在人体环境中容易腐蚀，可以降解，被欧美等国家称为具有革命性的生物医用金属材料。目前，镁在生物材料领域的应用有心血管支架、骨固定材料等。”
“关于心血管支架，目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛合金等几大类。这些支架的植入存在很大的问题，会永久地保留在体内不能降解，可能需要病人长期服用抗排异的药物。另外，容易出现支架内再狭窄的情况，也就是说支架内可能出现再堵塞，需要二次手术，这个风险是很大的。如果选用镁材料，进行可控降解，这个问题就可以得到很好的解决。”
镁合金支架在植入初期可对病变血管产生支撑作用，防止病变血管发生负性重构。随着病变血管周围环境的改善及血管结构重塑的完成，血管壁内的镁合金支架可以缓慢腐蚀，最终完全降解。镁合金支架的腐蚀产物对生物体不仅没有毒害，而且还可以起到补镁的作用，多余的腐蚀产物，会通过人体正常的新陈代谢排出。这样可以有效地避免在植入的后期，由于支架对血管壁的刺激而导致的内膜增生及再狭窄的发生。
“腐蚀的可控制性，还表现在针对不同的人群，要使镁合金材料有着不同的降解速度。”丁院士补充道，“比如孩童，他们的血管恢复能力比较快，异物留在体内越少越好，要尽快地消耗掉，更快地腐蚀掉。而年纪大的人血管恢复功能较慢，需要使镁合金的耐腐蚀性能有所提高，使之与病人的血管恢复能力相匹配。”
“另外，青少年和孩童身体是不断发育的，不同时期需要不同尺寸的支架，而传统的不可降解金属支架一旦植入就很难取出更换，这是很麻烦的问题，可降解的镁合金支架可以对此很好地解决。同样，类似的还有对于小孩子的颅骨修补手术，目前最常用的是钛合金作为修复材料。这里面有很大的问题，钛合金在人体内是无法通过腐蚀而降解掉的，但小孩子的头颅却会渐渐长大。我们如果可以使用镁合金材料进行颅骨修补，控制其腐蚀速度，让小孩子颅骨自我修复的速度和镁降解的速度同步，最后镁消失了，颅骨也长好了，这个问题也就解决了。”
谈到镁合金作为骨固定材料，丁院士说：“目前，广泛应用于骨板、骨钉的生物医用材料主要是钛及钛合金、不锈钢等。但是，这些材料都存在一定的局限性。钛及钛合金、不锈钢等金属材料会发生应力遮挡效应，即将金属材料植入人体后，因其与人骨材料的弹性模量不匹配产生人骨受力被遮挡效应。另外，这些材料在人体内是不可降解的，当病人的骨头长好愈合后，需要通过二次手术取出。镁合金骨固定材料与人骨的力学性能更加匹配，可以有效地避免应力遮挡效应，在人体骨骼基本愈合后，降解成无毒无害的小分子，并经人体循环系统排出体外，避免了患者二次手术取出钢钉钢板的痛苦和费用。”
“还有比如断手再植手术的过程中，要做神经导线，如果用钛丝的话，由于其在人体内无法通过腐蚀而降解，会永远留在神经里，如果用很细的镁丝，当神经线长好之后镁丝就已经通过降解而消失了。”
不锈镁：让镁更完美
腐蚀问题长期以来严重地制约着镁合金的开发和广泛应用，如何提高镁合金的耐腐蚀性能，丁院士给出了两个研究方向。
“由于镁合金表面的氧化膜疏松，镁合金很容易发生电化学腐蚀。虽然镁的电阶电位低，但是它的相间电位差很大，要提高镁的耐腐蚀性能，就要想办法使其相间电位差趋于零，这样，就不会发生电化学腐蚀了。”丁院士介绍说。
“另外一个研究方向就是把镁合金表面的氧化膜由疏松变为致密，采用不同的元素，形成不同的氧化产物，用多元氧化物填补空隙，提高镁合金的耐腐蚀性能，这同不锈钢的原理是一样的。铁本身是极易腐蚀的，而不锈钢却是耐腐蚀的。铁表面形成的氧化膜成分为Fe2O3和Fe3O4,这层氧化膜也是非常疏松的，阻止不了其内部的继续氧化。不锈钢耐腐蚀是因为在其材质中含有大量的铬（Cr），一般不锈钢中铬的含量至少为10.5%.Cr元素容易氧化，可以在钢的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，这层钝化膜使钢与腐蚀介质相隔离，形成不锈钢。”
“铁可以，镁也可以。不锈镁，是未来的发展方向。”采访最后，丁院士笃定地说。
丁文江简介
丁文江，1953年3月出生，中共党员，上海交通大学教授，博士生导师，中国工程院院士，国家重点基础研究发展规划（973）首席科学家，化工、冶金与材料工程学部院士。现任轻合金精密成型国家工程研究中心主任，中国镁业协会副会长，中国材料研究学会常务理事，中共上海交通大学材料科学与工程学院委员会委员。曾任上海交通大学副校长，上海市科委副主任，上海市科协副主席。
丁文江长期从事先进镁合金材料及加工方面研究，获国家科技进步二等奖、国家技术发明二等奖、国防工业科技进步二等奖、上海市技术发明一等奖，上海市科技进步二等奖，中国汽车工业科技进步二等奖各1项。在SCI源期刊上发表论文308篇，获得授权发明专利114项，其中两项获中国专利优秀奖。2000年，经发改委（原计委）批准，创建了轻合金精密成型国家工程研究中心，将基础研究、应用开发、工程化研究和技术转移有机融合，加快科研成果的转化。培养了博士后8人、博/硕士研究生100余人。曾获“中国优秀青年科技创业奖”、“全国先进工作者”、“上海市劳动模范”、“全国优秀科技工作者”等殊荣。多次担任国家科技攻关重大专项“镁合金开发应用及产业化”专家；第五、第六届国务院学科评议组成员；中挪轻合金联合研究中心中方主任；日本九州大学外部评价委员。
责任编辑：赵泽南
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