(完整版)什么是鎂合金？鎂材料的應(yīng)用在哪些方面？

1、什么是鎂合金？鎂材料的應(yīng)用在哪些方面？鎂合金由于其比強(qiáng)度高、彈性模量大、散熱好、 消震性好、承受沖擊載荷能力比鋁合金大、耐有機(jī)物 和堿的腐蝕性能好等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、航 天、運輸、化工、火箭等領(lǐng)域。除此之外，鎂合金在 醫(yī)療器械上的應(yīng)用潛力很大；如果金屬鎂企業(yè)能在加 工性能和產(chǎn)品價格上取得突破，那么鎂合金也將在 LED 產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用。什么是鎂合金？鎂材料的應(yīng) 用在哪些方面？接下來，就帶你了解一下吧！左鐵鏞院士在今年新材料發(fā)展趨勢高層論壇中說 到：“就鎂材料來說， 近 20 年來， 我國的鎂材料已取 得了三個“第一”的好成績，分別是鎂產(chǎn)量第一，鎂 儲量第一和鎂出口量第一?，F(xiàn)在我國在上海

2、交通大學(xué) 和重慶大學(xué)分別建立了鎂材料研究中心，在山西、陜 西等省份形成產(chǎn)業(yè)一體化的布局，大大促進(jìn)了我國鎂 合金的研究應(yīng)用。目前，鎂金屬與鋁金屬相比，價格 只高出 20%，相較之前有大幅度降低，這也能極大的 促進(jìn)鎂合金的研究發(fā)展和應(yīng)用?！蹦敲?，鎂合金的優(yōu)勢在哪？1 什么是鎂合金？ 鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，鎂的 比重是 1.74g/cm3 ，只有鋁的 2/3 、鈦的 2/5 、鋼的 1/4； 鎂合金比鋁合金輕 36%、比鋅合金輕 73%、比鋼輕 77%。 鎂具有比強(qiáng)度、 比剛度高，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好 , 并具有很 好的電磁屏蔽、阻尼性、減振性、切削加工性以及加 工成本低、加工能量僅為鋁合

3、金的 70%和易于回收等 優(yōu)點。鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。鎂 合金的比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，略低于比強(qiáng)度最高的 纖維增強(qiáng)塑料；比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng) , 遠(yuǎn)高于纖維 增強(qiáng)塑料；耐磨性能比低碳鋼好得多 , 已超過壓鑄鋁合 金 A380；減振性能、磁屏蔽性能遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金。鎂合金是制造工業(yè)中可使用的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料 之一，其性能特點決定了眾多的應(yīng)用優(yōu)勢：一是減輕 資源壓力，鎂合金產(chǎn)品的應(yīng)用可以緩解鐵礦和鋁礦資 源短缺的壓力；二是減輕能源和環(huán)境壓力，以汽車為 例，鎂合金大規(guī)模應(yīng)用可降低 10% 15%的油耗和排放； 三是鎂合金產(chǎn)品減震性能優(yōu)越；四是鎂合金能源特性 好，在某種程度上可以說有鎂

4、就有電；五是鎂合金產(chǎn) 品可屏蔽電子輻射，可廣泛用于手機(jī)和電腦外殼 中國有豐富的鎂資源（占世界 70%以上）和巨大的應(yīng) 用市場，為制造業(yè)減重的同時必將提升中國制造業(yè)的 競爭力。2 輕量化應(yīng)用 鎂合金作為目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料之一 , 廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、軍工領(lǐng)域、交通領(lǐng)域（包 括汽車工業(yè)、飛機(jī)工業(yè)、摩托車工業(yè)、自行車工業(yè)等）、 3C領(lǐng)域等。航空航天領(lǐng)域：鎂合金的特點可滿足于航空航天 等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、 減震、防輻射的要求， 可大大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(jì) 40 年代開始，鎂合金首先在航空航 天部門得到了優(yōu)先應(yīng)用。軍工領(lǐng)域：在國外， B-36

5、 重型轟炸機(jī)每架用 4086kg 鎂合金簿板；噴氣式殲擊機(jī)“洛克希德 F-80” 的機(jī)翼用鎂板，使結(jié)構(gòu)零件的數(shù)量從 47758 個減少到 16050 個；“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”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。我國的殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運輸機(jī)、民用 機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運載火箭、人造衛(wèi)星、飛 船上均選用了鎂合金構(gòu)件：一個型號的飛機(jī)最多選用 了 300-400 項鎂合金構(gòu)件；一個零件的重量最重近 300kg；一個構(gòu)件的最大尺寸達(dá) 2m多。在軍工方面需 要

6、鎂合金板材以提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度 , 減輕裝備重量 , 提高 武器命中率。目前國內(nèi)需要的板帶材不得不從國外進(jìn) 口。鎂合金在汽車工業(yè)領(lǐng)域：近二十年來，世界汽車 產(chǎn)量持續(xù)增長，年均增長率為 2.5%。汽車工業(yè)發(fā)展程 度是一個國家發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一，而金屬材料 是汽車工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。 出于節(jié)能與環(huán)保的要求， 汽車設(shè)計專家們想方設(shè)法減輕汽車體重，以達(dá)到減少 汽油消耗和廢氣排放量的雙重效果。鎂合金作為最輕 的結(jié)構(gòu)材料，能滿足日益嚴(yán)格的節(jié)能的尾氣排放的要 求；可生產(chǎn)出重量輕、耗油少、環(huán)保型的新型汽車。 鎂合金汽車零件的好處可簡單歸納為：密度小，可減輕整車重量，間接減少燃油消耗量； 鎂的比強(qiáng)度高于鋁合金和

7、鋼，比剛度接近鋁合金 和鋼，能夠承受一定的負(fù)荷；鎂具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，容易加工， 廢品率低；鎂具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄 鐵，用于殼體可降低噪聲，用于座椅、輪圈可以減少 振動，提高汽車的安全性和舒適性。鎂合金壓鑄件在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)顯示出長期的 增長態(tài)勢。在過去十年里，其年增長速度超過 15%。 在歐洲，已經(jīng)有 300 種不同的鎂制部件用于組裝汽車， 每輛歐洲生產(chǎn)的汽車上平均使用 2.5kg 鎂。樂觀的估 計認(rèn)為，出于減重的需求，每輛汽車對鎂的需求將提 高至 70120kg。目前，汽車儀表、座位架、方向操 縱系統(tǒng)部件、引擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、輪轂、發(fā) 動機(jī)和安全部件上

8、都有鎂合金壓鑄產(chǎn)品的應(yīng)用。摩托車領(lǐng)域： 50 多年來，經(jīng)過不斷的技術(shù)革新， 鎂合金在摩托車上的應(yīng)用也不斷在廣度和深度上進(jìn)行 擴(kuò)展，應(yīng)用車型從賽車擴(kuò)展到運動型摩托、輕便型摩 托、概念型摩托，覆蓋歐美日十幾種主要摩托車品牌， 鎂合金應(yīng)用部件涵蓋動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)以及各種摩 托車附件四十余種，其中僅英國的 Dymay輪轂就應(yīng)用 多達(dá) 400 種車型。國內(nèi)摩托車鎂合金的應(yīng)用目前尚屬 空白，重慶隆鑫率先試制出型號為 LXl50 的“鎂合金 綠色概念摩托車”，在國內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，所采 用的 12個零部件如今已有 3 個實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。3C 領(lǐng)域：3C產(chǎn)品 Computer，Communication

9、， Consum·erElectronicProduct（ 計算機(jī)類、通訊類、 消費類電子產(chǎn)品 ） 是當(dāng)今全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)， 數(shù)字化 技術(shù)導(dǎo)致了各類數(shù)字化產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)。鎂合金 3C 產(chǎn)品最早出現(xiàn)于日本， 1998 年，日本廠商開始在各種 可攜式商品 （ 如 PDA.手機(jī)等 ） 采用鎂合金材質(zhì)， 如今運 用鎂合金最普遍的 3C產(chǎn)品是筆記本電腦， 也是由日本 Sony 公司率先推出的。在 3C 產(chǎn)品朝著輕、薄、短、 小方向發(fā)展趨勢的推動下，近年來鎂合金的應(yīng)用得到 了持續(xù)增長。3 作為功能材料 除了質(zhì)輕這一優(yōu)點，鎂合金還有很多功能特性被 開發(fā)和利用 : 鎂合金阻尼容量大， 用作汽車、

10、飛機(jī)或武 器裝備的驅(qū)動、傳動部件有明顯的減震減噪效果 ; 鎂合 金材料的 LED燈具或電子系統(tǒng)的散熱器具有良好的散 熱性能，使用壽命長 ; 鎂合金電磁屏蔽性能良好， 用于 軍用計算機(jī)、通訊器材，可以防比電磁波信息泄露， 降低電磁輻射危害 ; 鎂合金儲氫容量大、電極電位低， 作為儲氫、電池材料有很大的優(yōu)勢比習(xí)。因此，鎂及 鎂合金作為功能材料具有廣泛的應(yīng)用前景，國內(nèi)外學(xué) 者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了初步的探索和研究。阻尼材料：鎂及鎂合金在相同的載荷下比其他金 屬材料消耗更多的變形功，是阻尼性能最好的結(jié)構(gòu)材 料，可用于控制噪音和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前鎂合金 的阻尼機(jī)理研究不夠深入，缺少一套系統(tǒng)的理論來指 導(dǎo)應(yīng)用

11、，阻尼性不能有效控制。電磁屏蔽材料：目前主要的電磁屏蔽材料主要是 導(dǎo)電材料和有一定磁性的金屬導(dǎo)電材料。鎂及鎂合金 不僅導(dǎo)電性良好，而且在很強(qiáng)的磁場中也不會被磁化， 在較寬的頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)良的電磁屏蔽特性口門。 經(jīng)過表而處理后，其電磁屏蔽性能有可能得到進(jìn)一步 改善，用于制造電子通訊產(chǎn)品、軍用計算機(jī)等有著不 可比擬的優(yōu)勢。 IBM公司曾用 AZ91D 鎂合金制作成 1. 4mm的筆記本電腦殼體做實驗，在 30 200MHz頻率范 圍內(nèi)的屏蔽能力始終穩(wěn)定在 90100dB，約是帶電鍍層 的 ABS殼體的兩倍。導(dǎo)熱材料：鎂及鎂合金比樹脂、塑料產(chǎn)品散熱性 能好，用來制造元件密集的電子產(chǎn)品，或電子產(chǎn)品的

12、 外殼、零部件，可以充分發(fā)揮其散熱的優(yōu)勢。目前在 LED 燈具和電子系統(tǒng)散熱器等領(lǐng)域己經(jīng)有初步應(yīng)用， 但是鎂合金是否能替代廣泛應(yīng)用的鋁合金散熱器，散 熱性能如何提高，很多學(xué)者進(jìn)行了初步的研究。儲氫材料：氫能源是一種高效，無污染的綠色能 源，由于常溫下以氣態(tài)存在，所以如何更安全有效地 儲存和運輸一直備受關(guān)注。 從 1968 年美國科學(xué)家首次 發(fā)現(xiàn)鎂一鎳合金具有吸氫功能后，金屬儲氫材料由于 儲氫密度高、可循環(huán)吸放氫、安全性高等優(yōu)點，吸引 了很多人進(jìn)行研究。鎂合金質(zhì)輕、儲氫量大、資源豐富，是公認(rèn)的最有潛力的儲氫材料電池材料：電池是人類生產(chǎn)生活的必需品，目前 應(yīng)用的鋅錳、鉛酸、鎳福電池中含有汞、鉛、福

13、等重 金屬元素，潛在地威脅人類和環(huán)境。銼離子電池在大 電流充放電時會析出金屬銼，存在安全隱患。金屬鎂 與銼化學(xué)性質(zhì)相似，電池能量密度高，資源豐富，又 無毒可回收，作為電池材料有著很大的潛力。按照工 作性質(zhì)和儲存方式， 鎂電池可分為 : 一次電池、 二次電 池、儲備電池和燃料電池。鎂干電池具有良好的溫度 適應(yīng)性，儲存壽命較長，但是鎂合金負(fù)極難成型，僅 被用作軍用通訊設(shè)備，氣鎂二次電池與銼離子電池原 理相似，但能量密度是銼的兩倍，可用作電動車等大 功率的可充電池。鎂儲備型電池，在干燥狀態(tài)下儲存 壽命可達(dá) 10 年以上口。使用時需要臨時加電解液活 化半小時，工作電壓平穩(wěn)，使用壽命只有 0.524 小

14、時， 主要用于海難救生等工作時間較短的情況。鎂燃料電 池儲能量高，使用安全方便，常用于海下儀器等可移 動設(shè)備的電源。4 作為醫(yī)用材料 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來越多的金屬或合金被 用做植入材料，鎂及鎂合金作為生物醫(yī)用材料有很多 優(yōu)于其他金屬的特點 : 鎂不僅密度 (1. 74g/cm3) 與人 骨的密度 (1. 75g/cm3) 相近，而且與其它金屬相比彈 性模量和抗壓屈服強(qiáng)度更接近人骨 ;Mg 在人體環(huán)境中 可完全降解吸收，免去了二次手術(shù)給病人帶來痛苦和 負(fù)擔(dān) ;Mg 是人體所必需的一種重要元素，在細(xì)胞中的 含量僅次于鉀，具有良好的生物相容性。骨固定材料：目前，廣泛應(yīng)用的不銹鋼和欽合金 的彈性

15、模量都遠(yuǎn)高于人骨的彈性模量，由此產(chǎn)生的應(yīng) 力遮擋效應(yīng)不利于骨的生長和愈合。鎂合金與人骨的 彈性模量接近，可有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)。鎂合金在 骨折愈合初期能夠提供穩(wěn)定的力學(xué)性能，逐漸降低其 應(yīng)力遮擋作用，使骨折部位承受逐步增大至生理水平 的應(yīng)力刺激，從而加速骨折愈合，防比局部骨質(zhì)疏松 和再骨折的發(fā)生。實驗涉及的骨固定材料主要有棒、 板條和螺釘，對此己有大量研究報道。血管支架：迄今為比，臨床上多采用由不銹鋼與 高分子制成的血管支架來治療血管狹窄等問題。但不 銹鋼支架永久存在血管內(nèi)，可引發(fā)局部炎癥，有血管 再狹窄的可能性 ;高分子支架力學(xué)性能差， 在降解期間， 容易在植入處誘發(fā)酸性環(huán)境，延緩病愈。鎂合

16、金因易 降解性及合適的力學(xué)性能， 可被制成可降解血管支架。多孔鎂骨組織工程材料：常用的多孔骨組織工程 材料有生物陶瓷和聚乳酸，這些材料力學(xué)性能差。多 孔鎂作為一種可降解的生物材料，其力學(xué)性能符合要 求，且其本身具有生物活性，可誘導(dǎo)細(xì)胞分化生長和 血管長入 o Witte ，Wen和 Tan等分別通過鑄造法、粉 末冶金法和激光加工技術(shù)制備了多孔鎂骨組織工程材 料，認(rèn)為鎂合金在多孔骨組織工程材料方而具有良好 的發(fā)展前景。5 鎂產(chǎn)業(yè)的困惑 盡管目前各方面對鎂材料的關(guān)注度提高，但是冷 靜分析，近年來在鎂的應(yīng)用方面有兩大現(xiàn)象困惑著鎂 工業(yè)。一是中國之外的地區(qū)鎂消費增長乏力。據(jù)分析， 2010-2012

17、年，除中國以外地區(qū)鎂消費量徘徊在 50 萬 噸左右， 2012 年甚至出現(xiàn)下降。全球鎂市場增長主要 依靠中國。中國鎂產(chǎn)品的出口量也呈現(xiàn)下降局面。二 是全球鎂合金消費增長乏力。 2012 年全球鎂合金消費 量約為 255kt, 占消費量比例是 34.45%。而 2007 年最 高值為 360kt 。2012 年中國鎂合金消費量約為 80kt， 占消費量比例是 31%。而 2007年為 92kt 。近年鎂消費 的增長主要來自鋁、鈦、鋼鐵。而在我們寄予厚望的 終端消費市場，鎂合金壓鑄件和鎂合金加工業(yè)材的需 求沒有大的變化。這個市場迫切需要積極的推動。鎂產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用面臨兩方面的制約因素。一是科技和

18、工程問題，核心是如何能通過揚長避短，開發(fā)出更多高性能的新型合金材料，以及如何提高加工技術(shù)。二是戰(zhàn)略與管理問題，如何通過資源整合加快鎂合金產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，擴(kuò)大其應(yīng)用。他認(rèn)為，制約中國鎂合金產(chǎn)業(yè)提升和應(yīng)用的首要障礙是戰(zhàn)略與管理問題 而非科技與工程問題。在政府層面，鎂產(chǎn)業(yè)的國家戰(zhàn)略和行業(yè)規(guī)劃缺失， 并沒有從國家資源能源戰(zhàn)略高度和國際競爭角度來審 視鎂的重要地位。鎂合金及其產(chǎn)品的研發(fā)缺乏系統(tǒng)性 規(guī)劃，研發(fā)資金投入不足、研發(fā)內(nèi)容涵蓋面有限。在行業(yè)層面，鎂的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)事業(yè)缺乏有 效的協(xié)調(diào)和組織，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟缺失，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善， 沒有多層次高水平的行業(yè)服務(wù)平臺，行業(yè)缺少領(lǐng)軍人 物和領(lǐng)軍企業(yè)，不能及時有力的發(fā)出行業(yè)的聲音。在企業(yè)層面，鎂生產(chǎn)企業(yè)普遍實力不足，所能掌 控的資源十分有限，商業(yè)模式待優(yōu)化，從事實體經(jīng)濟(jì) 的企業(yè)多數(shù)舉步維艱，難有長遠(yuǎn)眼光和超前布局，企 業(yè)專業(yè)人才普遍缺乏。在科研層面，雖然國內(nèi)從事鎂研究的科研院所和 大專院校較多，但是鎂方面的科研經(jīng)費還是不足?？?研成果雖然不斷獲獎，但實際上成果轉(zhuǎn)