蘭溪鎂合金半固態壓鑄中試基地，作業人員正在進行鎂合金產品的半固態注射成型生產。 共享聯盟·蘭溪 范湃青 攝

新材料是國家近年來大力發展的戰略性新興產業，被稱為制造業兩大“底盤技術”之一，已然成為國際競爭的兵家必爭之地。其中，被“馴服”的鎂材料在合金、儲能、生物醫藥等領域有望發揮廣泛用途，為制造業描繪出輕量、綠色、多元的嶄新遠景。

鎂是一種易燃、易爆炸的金屬，能與氧氣、水發生化學反應，性質極其活潑。

因暴躁“脾氣”難以控制，鎂及其合金的相關研究在過去的一段時間里坐穩了“冷板凳”。僅在節日慶典的焰火綻放之時，或是攝影中鎂光燈閃爍的瞬間，我們才能捕捉到那稍縱即逝的身影。

中國的鎂儲量占全世界約70%，如何能充分挖掘這一豐富資源的潛力？

在浙江蘭溪，一個浙中小縣，一系列鎂產品正加速研發、落地。近年來，在中國科學家的巧妙設計下，鎂的“暴脾氣”被“馴服”，廣泛應用于合金、儲能、生物醫藥等領域，有望成為新材料之一。

鎂合金華麗變身7月5日，盡管是周六，蘭溪鎂材料研究院副院長佘加還是早早來到了辦公室。這天上午，來自上海、杭州和金華本地的3家鎂材料企業代表到研究院洽談合作事宜。

近幾年，佘加迎來了一批又一批企業代表。到工廠車間進行考察指導、為鎂材料企業提供技術支持，早已成為這支團隊重要的工作內容。

這家由蘭溪市政府與重慶大學合作共建的研究院是在2023年成立的。佘加沒想到，這兩年，鎂材料能以如此迅疾的速度迎來發展的春天。

中國工程院院士、重慶大學教授、國家鎂合金材料工程技術研究中心名譽主任潘復生告訴記者，直到上世紀90年代，自己對合金材料的主要研究還集中在鋁合金。之后，他發現鎂與鋁有著許多相似的特性，比起有限的鋁礦資源，我國的鎂礦資源更加豐富，具有很大的發展潛力。

一個前沿的想法冒了出來：能不能把發展鎂合金新材料和新工藝作為重要研究方向，把鎂合金做成大宗金屬材料？

2000年7月，師昌緒、左鐵鏞等5位兩院院士向中央有關部門寫信，呼吁國家重視鎂合金產業的發展。2001年，在潘復生的牽頭下，重慶市鎂合金工程技術研究中心應運而生。2007年，國家鎂合金材料工程技術研究中心掛牌成立。

蘭溪，這座長期以傳統工業為支柱的小城，也是潘復生的故鄉。鎂的發展潛力，讓蘭溪的干部們看到了產業轉型升級的希望。每次去重慶拜訪潘復生，他們談鄉情、聊產業。

“我們常常會帶上蘭溪的特色野菜‘落湯青’和千張、豆腐干等土特產給潘院士。知道他特別鐘愛炒索粉干，有一次家鄉人托我們特意背了一大袋過去。”曾任蘭溪市高新區副主任的凌俊飛說。

潘復生的鼎力支持，促成蘭溪鎂材料研究院順利落戶。

平臺有了，如何做才是關鍵。

潘復生團隊研究發現，鎂存在一個顯著的缺陷：其六方晶體結構因獨特的原子排列方式，極大地限制了鎂的塑性性能——塑性越大的物體，發生永久形變所需的最小力越小；換句話說，就是鎂材料的變形能力不夠強，而這會給大規模應用帶來難題。

潘復生反復思考：金屬元素在固溶強化，也就是加入合金提高硬度和強度的同時，一般會導致塑性降低。但對于鎂合金來說，這一定是必然的嗎？

他開始研究以置換原子的方法來提高鎂合金的塑性。“這非常難，因為原子固溶一般要降低塑性。原子排列順序如何置換？換什么原子進去？換進去之后會有怎樣的效果？這些都需要我們不停地進行實驗。”團隊成員表示。

他們提出了“固溶強化增塑”的合金設計新思路。“通過調控基面和非基面的臨界分切應力改變原子的滑移阻力，最后實現強度和塑性同步提升。”潘復生說，借助該技術，團隊成功研發了一批高塑性高性能新型鎂合金，其中16個已成為國家牌號合金，9個已被批準為國際標準牌號。

這支勇于攻堅的團隊不斷開拓，計劃未來將鎂合金的強度提升至600兆帕以上。“我們曾用10年的時間，把鎂合金的強度從200兆帕提升到500兆帕。用了5年的時間，將鎂合金的延伸率從3%~5%提升至10%~15%。這并不是一件難以企及的事情。”團隊成員說，600兆帕強度的鎂合金與鋁合金的絕對強度相當，且密度僅有鋁合金的2/3，在實際應用中能給同樣大小的產品減重約30%。

“大量采用鎂合金后，汽車在顛簸路段可以減輕晃動幅度，計算機也會變得更輕薄。”團隊成員說，鎂合金產品散熱性能好，能屏蔽電磁輻射，而且減震性能比鋼產品高幾倍、比鋁合金產品高幾十倍，在航空領域也有很大的應用空間。

潘復生（右前）指導團隊和學生科研。 受訪者供圖

探索鎂材料更多可能

在蘭溪鎂材料研究院一樓展廳，鎂合金冷鏈箱體、鎂合金輪轂、鎂骨板等數十種鎂材料產品讓佘加頗為自豪：“一開始很多業內人士都不相信，鎂合金型材也能有這么多應用。”這些產品是研究院成立后，聚焦新能源汽車、電動自行車等行業和企業發展痛點研發的。目前，十余個項目已在推進，其中不少已進入量產階段。

從研發的進度來看，我國科學家步步為營，已掌握多項鎂材料的關鍵技術。

比如燃點低的問題。一般金屬都是熔點低于燃點，鎂剛好相反，其燃點低于熔點，往往還沒熔化，就會與氧氣發生反應并燃燒。可是，在制造任何產品之前，都需要先經過熔化材料這個環節。很多人都會疑惑，這該如何解決？

答案同樣在鎂材料本身。鎂在與空氣中的氧氣接觸時，極易在其表面迅速形成一層氧化膜。這層氧化膜原本具有保護性質，能夠有效阻隔鎂與氧氣的進一步接觸，從而抑制鎂的繼續氧化。然而，這層氧化膜存在間隙，成為了氧氣侵入的通道，導致氧化過程并未被完全阻止。現在，科學家已研究出使用摻雜稀土元素，讓其和鎂的氧化膜實現互補，進而開發了阻燃鎂合金，成功將鎂的燃點提升到800℃以上。

除此之外，鎂材料領域還有太多的未知，讓潘復生團隊著迷。

國際鎂協會自1943年成立以來僅頒發三次“鎂未來技術獎”，均由潘復生團隊摘得。2023年，“鎂基固態儲氫材料與系統”項目獲該獎，更預示著鎂作為一種潛力巨大的材料，在氫能源儲存領域即將發揮重要作用。

鎂儲氫技術，并不是簡單地類似于傳統的鋼罐儲氫。重慶大學材料學院院長、蘭溪鎂材料研究院執行院長陳先華介紹，鎂的固態儲氫技術無需依賴外部容器，而是能夠將氫氣如同被海綿吸收一般，融入鎂的內部，轉化為氫化鎂——一種全新的化合物。當需要釋放氫氣時，氫化鎂又能與氫反應，恢復為原始的鎂與氫氣的組合，這一過程在常溫常壓下即可輕松實現。鎂的固態儲氫密度是氣態氫的1000倍，液態氫的1.5倍。

形象地說，這種儲氫方式就像制作和存放蜂窩煤一樣簡便。氫化鎂塊可以方便地儲存和運輸，無需特殊的容器或高壓環境。

同時，鎂本身就是一種能源材料，其獨特之處在于，鎂的存在即意味著氣體的存在。在當前許多地區氫氣供應不足的情況下，鎂與水的水解反應便成為了一種高效的氫氣生成方式。以燃料電池車為例，一般情況下，它們需要搭載35兆帕的高壓氣罐才能巡航300至500公里。如果采用鎂的固態儲氫技術，續航里程可提升至800至1000公里。在潘復生團隊的暢想中，如果將鎂的固態儲氫與水解反應相結合，燃料電池車的續航里程甚至可達到1500至2000公里。

潘復生及其團隊在科研領域的創新與探索步伐從未停歇，已在鎂電池技術、大型鎂鑄件制造，以及鎂基生物降解材料等多個前沿陣地取得了重要進展。

產業落地****向“鎂”而行

2024年年初，一個里程碑式的合作誕生：浙企超威電源集團聯合潘復生團隊在重慶布局開發鎂電池商業化產品。

當前，電瓶自燃、充電寶自燃等鋰電池的安全事故，讓氫燃料電池、硫系全固態電池、鈉離子電池、鎂電池等新型材料進入科學家的視野。

作為全球首款安時級鎂電池電芯的研發團隊，潘復生團隊為新一代高效環保安全的電池提供了一個新方向。

在2024年的之江院士講壇上，潘復生前瞻性提出，鎂電池體積理論能量密度不比鋰電池差。鎂成本只有鋰的2%到4%。此外，鎂電池的六方晶體結構意味著其不會像鋰電池易長枝晶，也不容易穿透隔膜，安全性能高且污染排放少，我國發展鎂電池有相當充足的優勢。

在發達國家和地區，鎂電池的研發同樣是一場競賽。歐盟把鎂電池明確為重點研究項目；美國能源部也支持一批著名研究單位，介入鎂電池研究；日本電池行業更是認為，鎂電池可能成為鋰電池的顛覆者。

據業內分析，鎂電池若能成功實現技術瓶頸的突破，可緩解我國資源短缺問題，對能源轉型和新能源汽車競爭力提升都有著重要意義。

生物醫用的鎂產業同樣蓄勢待發。

近日，蘭溪鎂材料研究院牽頭的可降解鎂合金釘板系統項目完成了最后一次動物體內實驗，正申請開展臨床試驗。

“鎂合金骨釘骨板的最大優勢在于其可降解性，這一特性省去了二次手術取出的需要，減輕了患者的痛苦、降低了醫療成本。”佘加說。

他舉了一個例子：“想象一個骨折初愈人靠在一根水泥柱子上，如果水泥柱子突然被移走，這個人肯定會感到不適應。但如果這個骨折的人靠的是另一個人，而那個人緩慢地走開，這種不適應感就會大大減輕。”鎂合金骨釘骨板在一年內會逐漸降解，為剛愈合的骨組織提供了寶貴的緩沖時間。

然而，純鎂骨釘、骨板雖能在體內保持力學性能一年左右，但強度不夠，需要加入生物相容性較好的其他元素。佘加說，骨骼愈合期需要3個月，骨釘骨板的力學性至少需要保持這么長時間。但加入其他合金元素后，鎂合金容易發生電化學腐蝕，這也就意味著，鎂合金骨釘、骨板在人體內保持力學性能的時間，很可能達不到3個月。

這個矛盾，是科研中最大的難點。“我們前后進行了數十次動物實驗，最開始，一個月時間就降解得只剩下50%。”參與項目的廣州醫科大學附屬第三醫院研究員周蕾說，經過多次調整實驗，最后一次動物體內實驗中，鎂合金骨釘、骨板在動物體內十周時間，降解程度還不到10%。

不管是生物醫療，還是工業制造領域，實驗室的研究成果想要成為企業的規模化產品，還需要補足“最后一納米”——生產環節。

以金華當地的英洛華公司為例，早前，該企業生產的鎂合金一體車架需要半固態注射成型工藝，而這一工藝只能在重慶完成。

經過一年多謀劃，今年4月，由蘭溪鎂材料研究院平臺公司（蘭創集團子公司）和浙江一速運動器材制造有限公司聯合投資共建的鎂合金半固態壓鑄中試基地在蘭溪投用，還將逐步建成擠壓、精密加工和表面處理等智能化中試車間，構建鎂材料產業“實驗室—中試—產業化”的全流程轉化體系。

一速運動負責人黃華幾年前就開始關注鎂材料運用。現在，一速運動攜手蘭溪鎂材料研究院，與自行車行業的領軍企業強強聯合，共同致力于自行車鎂合金把手與避震器的研發工作。“目前，這些產品已進入試制階段，客戶需求迫切，訂單催促不斷。”黃華說，還攜帶樣品奔赴德國，參加國際自行車貿易展覽會，為鎂合金產品開拓新市場。

產業鏈條的拓展，無疑將為鎂的成果轉化注入強勁動力，推動更多創新成果從實驗室邁向市場應用。

延伸閱讀

各領域中的鎂合金應用

汽車工業：方向盤骨架、車身框架、車門、變速器殼體、輪轂等

鎂合金是最輕的常用金屬材料，密度僅為鋁合金的66%，可以有效減輕交通/運輸工具的負載，達到節能減排的同時增加續航，還能提升車輛的操控性能。

航空航天：機座椅支架、內飾件、儀表盤、無人機框架等

鎂合金的輕量化優勢能夠顯著降低飛行器的自身重量，提高燃油效率，增加航程和有效載荷，并利用其良好的電磁屏蔽性能保障設備的正常運行。

電子通訊：手機外殼、筆記本電腦框架、攝像機部件等

鎂合金輕便、強度高，電磁屏蔽性能好、導熱性能優異，滿足高端消費電子需求。

生物醫用：骨科植入物、血管支架、口腔植入物、醫療設備外殼和固定裝置等

鎂合金的可降解性使其在骨科植入物中具有獨特的應用潛力，降解后無需二次手術取出；低彈性模量使其在負載下與人體骨骼表現出更接近的力學特性，有效避免“應力屏蔽效應”；其降解產物無毒無害，與人體和環境完全兼容。

其他消費性結構材料：門窗、家具、水杯、眼鏡框、自行車車架等

鎂合金的強度在研發過程中不斷提升，可以逐漸替代部分的鋁合金產品，在減輕重量的同時，可節約更多成本。

（潘復生團隊協助整理）

來源: 浙江省科普聯合會