绿色材料

镁，属于元素周期表上的IIA族碱土金属元素，化学元素符号是Mg，原子序数是12，是一种银白色的碱土金属。 在标准大气压下，镁的熔点为650℃，沸点为 1090℃。镁 的密度小，具有银白色光泽，略有延展性。镁资源丰富， 主要以菱镁矿、白云石、光卤石、橄榄石和蛇纹石等矿石存在，或以MgCl2存在于盐湖和海水中。镁矿石储量丰富， 镁在地壳中含量居第8位，约占地壳质量的2.35%，亦是宇宙中第九多元素。

我国是世界上镁资源为丰富的国家，可利用的镁储量占世界总储量的70%，我国的镁产量和出口量已连续十年居世界第一。我国镁矿石类型全储量大且分布广。菱镁 矿储量居世界首位 , 已探明菱镁矿资源总量34亿吨 , 占世界的33.8%。我国4大盐湖区镁盐矿产资源的远景储量达数十亿吨，其中，青海盐湖含有氯化镁32亿吨 , 硫酸镁16 亿吨。我国的镁资源，真可谓用之不竭。

镁合金是以镁为基体加入其它元素组成的合金。常用的合金元素是铝、锌、锰和锆等，其它合金元素包括钆、 钇、锶、锡、铈、钙、镧、钕、锂、钪等，杂质元素主要为铁、硅、镍、铜等。镁合金不仅具有镁的各种特性，同时可以提高或改善其力学、物理、化学等性能，满足不同领域和目标的需求。镁合金按制造工艺一般分为铸造镁合金和变形镁合金；按主要合金成分一般分为Mg-Al-Zn系镁合金、Mg-Zn-Zr系镁合金、Mg-Mn系镁合金、Mg-RE合金等； 按功能特性一般分为结构镁合金和功能镁合金。功能镁合金又可分为生物医用镁合金、高阻尼镁合金、电磁屏蔽镁合金、导热镁合金、电池用镁合金等。镁及镁合金产品还包括镁基复合材料、镁基储氢材料、镁牺牲阳极、镁粉等。

镁合金材料具有优异的性能，正受到越来越多的广泛 关注，主要体现在以下几个方面：

1. 镁合金具有高的比强度。镁合金的密度只有1.78g/ cm3左右，抗拉强度一般在200-500MPa之间。镁合金的比强度显著高于钢铁和铝合金，因此是国际公认有潜力的 轻量化材料之一，节能减排效益极其显著。

2. 镁合金具有高的阻尼性能，阻尼性能一般是铝合金的50倍以上，钢的25倍以上，使用镁合金可以带来显著的减振效果。在纯镁中添加适量 Zr、Ni、Si、Mn、Cu 等合金元素，以及结合塑性变形与热处理等方法，不仅极大地改善镁合金力学性能，还使其阻尼和力学性能得到平衡优化。

3. 镁合金具有高的导热性能和散热性能。室温下纯镁的热导率为158W/(m•K)，添加合金元素后，镁合金的热导率降低，但Mg-Zn系和Mg-Mn系变形镁合金的热导率仍可达到110-140W/(m•K)，具有较高的导热性能。尽管镁合金的热导率稍低于铝合金，但其总体散热性能优于铝合金。

4. 镁合金具有好的电磁屏蔽性能。常规商用Mg-AlZn、Mg-Zn-Zr和Mg-Al-Mn等系列镁合金在30-1500MHz频 率范围内的电磁屏蔽效能一般可达50dB以上，尽管低于铜 合金，但明显优于部分铝合金。利用微量合金化并结合塑性变形与热处理等手段，优化镁合金的电磁屏蔽性能，在30-1500MHz频率范围内可达75dB以上，可使镁合金材料 满足更高的使用要求。

5. 镁合金有良好的能源特性，作为储氢材料和电池负极材料展现出巨大的潜力。纯镁的理论储氢量高达7.6%， 储氢能力强，镁被认为是有发展前途的固态储氢介质。同时，金属镁标准电极电位低（约为-2.37V）、密度小， 是理想的电池负极材料。以镁作为电池负极材料的电池具有很高的理论比容量（2.22Ah·g-1），且成本低、无毒害、功率高。

6. 镁合金是一种环境友好材料。镁自身没有化学毒性， 是人体必须的元素，在人体内含量排位第四，含量仅次于钙、 钠、钾，参与人体许多重要新陈代谢过程。镁具有良好的生物相容性，可以应用于医用材料领域。镁及镁合金的腐蚀产物Mg(OH)2对环境无污染和毒害作用。

镁合金是世界上轻的工程结构材料，在交通工具、3C产品、航空航天、军工装备、通用机械、能源等领域正得到越来越广泛的应用。

随着全球资源和能源危机加剧，镁合金材料应用是缓解金属矿资源危机、降低能耗和污染、实现节能减排的重要途径之一。以汽车行业为例，据测算，汽车所用燃料的60%消耗于汽车自重，汽车自重减10％，耗油将减 少8-10%，如果每辆汽车能使用70公斤镁，CO2的年排放量就能减少30％以上。因此，镁合金的规模化应用将带来显著的社会和经济效应。

镁合金是国际公认有潜力的轻量化材料之一，发展和应用潜力巨大，被誉为21世纪绿色材料，受到了世界各国的高度关注。美国、德国、日本、澳大利亚等已将镁及 镁合金上升为国家战略，我国也将其列入国家中长期科技发展规划和《中国制造 2025》的重要内容。

近年来，制约镁合金产业发展的成本与环境因素已显著改善，镁合金新材料发展和加工技术创新方面有了重要突破，镁合金产品市场认同度不断增加，新的应用领域不断形成，可以说镁合金产业发展正处于非常好的机遇期。预期未来20年是世界镁合金生产和消费的高速增长期，镁极其有望成为继钢、铝之后的第三大基本金属材料。

作者：陈先华 、 宋江凤（重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心 ）

来源：《大学科普》杂志2018年第一期（第12卷总第42期）

陕镁V言编辑报道

Mg

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