鎂鋰合金應(yīng)用研究現(xiàn)狀

李真真 姜炳春

摘 要：主要從航空航天、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)用、汽車行業(yè)及其他領(lǐng)域歸納了鎂鋰合金的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空航天? 電子產(chǎn)品? 生物醫(yī)用? 汽車行業(yè)

MgLi均為輕質(zhì)金屬，原子序數(shù)分別為12和3。鎂鋰合金密度一般為1.35～1.65g/cm3，是當(dāng)前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料，作為最輕的工程金屬材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。鑄造鎂鋰合金具有比強(qiáng)度和比剛度高、震動(dòng)阻尼容量大，在汽油、煤油和潤(rùn)滑油中性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。這些特性使鎂鋰合金應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如交通運(yùn)輸、電子工業(yè)、軍工等領(lǐng)域。尤其在航空航天、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)用、汽車行業(yè)、自行車等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，已經(jīng)成為未來新型材料的發(fā)展方向之一 [1-4]。

一、航天領(lǐng)域

“為減輕每一克重量而奮斗”，是全世界飛行器設(shè)計(jì)師的格言。在航天領(lǐng)域，隨著衛(wèi)星和航天器小型化輕量化趨勢(shì)的發(fā)展，在相同承載能力條件下，鎂鋰合金可以替代一些相對(duì)質(zhì)量較大的結(jié)構(gòu)材料，減輕衛(wèi)星和航天器的質(zhì)量，從而使航天器可攜帶更多燃料和有效載荷，發(fā)揮更大的功能和作用，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，尤其在深空探測(cè)器、微納衛(wèi)星方面[7]。早在20世紀(jì)60年代，美國NASA中心為了制造航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星及發(fā)射用火箭，對(duì)Mg-Li基合金展開了大量研究工作，開發(fā)和研制了Mg-14Li-0.5Si等Mg-Li基合金，在多個(gè)衛(wèi)星部件上獲得應(yīng)用[8-10]]。然而因?yàn)殇嚨膬r(jià)格昂貴且耐蝕性而難開發(fā)，使鎂鋰合金發(fā)展停滯。2015年9月，鎂鋰合金材料首次在我國“浦江一號(hào)”衛(wèi)星上使用并發(fā)射成功[11]。2016年12月，我國成功發(fā)射的首顆全球二氧化碳監(jiān)測(cè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“碳衛(wèi)星”）中的高分辨率微納衛(wèi)星上，幾乎整顆應(yīng)用了我國自主研制生產(chǎn)的鎂鋰合金。2018年12月25日，成功發(fā)射升空的通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星三號(hào)，在預(yù)埋件、支架和部分機(jī)箱殼等部位應(yīng)用了鎂鋰合金材料，使整個(gè)衛(wèi)星減重約173kg，大大提高了衛(wèi)星的有效載荷量。這是我國首次在高軌衛(wèi)星上應(yīng)用鎂鋰合金材料[12]。同時(shí)，若用焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以鉚接為主的機(jī)械工藝來制備鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件，可以進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)剛度、節(jié)約能源以及節(jié)省裝配時(shí)間[13]。

二、3C領(lǐng)域

目前，鎂鋰合金在3C產(chǎn)品（包括手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)）市場(chǎng)頗為流行，且生產(chǎn)技術(shù)成熟，其輕量化進(jìn)程提高了方便性和流動(dòng)性。例如，筆記本電腦外殼趨于變薄，在2000年時(shí)為1mm，到2016年則降至0.4mm。在重量上，2010 年為1.61kg，至2017年初，由于鎂鋰合金的使用，重量降至0.78kg。在上世紀(jì)50年代，美國宇航局用Mg-Li合金LA141。1990年，法國著手調(diào)研。自2012年以來，開始了在筆記本電腦外殼方面的商業(yè)化應(yīng)用，并對(duì)抗腐蝕性和角彎曲技術(shù)做了改進(jìn)。2017年12月，Acer新蜂鳥Swift 5（SF514-52T）創(chuàng)新性將鎂鋰合金運(yùn)用在A、D兩面，使得14英寸屏幕的筆記本，卻只相當(dāng)于11英寸屏幕傳統(tǒng)筆記本的重量，14.9mm，僅僅970g，給人們帶來難以置信的便攜感受。

此外，得益于鎂鋰合金大的導(dǎo)熱系數(shù)，可以有效的將投影儀、LED燈等產(chǎn)品零部件在工作時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的高溫散發(fā)到外面;而將鎂鋰合金用在手機(jī)電話的殼體上，可在增加外殼金屬質(zhì)感，增加美觀的同時(shí)，省去電磁波屏蔽膜的電鍍工序;用鎂鋰合金制造精密高頻電子用板、導(dǎo)線管等，可同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸?shí)性和安全性;用鎂鋰合金制備的高級(jí)音響震動(dòng)薄膜，不僅強(qiáng)度高，而且穩(wěn)定性好、音質(zhì)好。除了外置移動(dòng)可攜帶的電子產(chǎn)品，鎂鋰合金也能在機(jī)載環(huán)境情況下滿足電子設(shè)備小型化與輕量化的設(shè)計(jì)要求[14]。鄭州輕研合金科技有限公司采用卷式法成功制備出厚度僅為0.014 mm的超輕鎂鋰合金箔卷材，這也是國內(nèi)乃至世界上首次制備出這么薄的鎂合金箔材[15]。此技術(shù)為電子產(chǎn)品的小型化與輕量化提供了有利的支撐。

三、醫(yī)療

鎂鋰合金容易加工成形，并且具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能以及獨(dú)特的生物降解功能，而鎂又是人體所必需的宏量金屬元素之一，因此鎂鋰合金是醫(yī)用金屬材料的不二選擇。鎂鋰合金的彈性模量約為45GPa，也接近于人體骨骼（10～40GPa），能有效緩解甚至避免“應(yīng)力遮擋效應(yīng)”;鎂鋰合金在人體中釋放出的鎂離子還可促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖及分化，促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)和愈合。不僅如此，鎂鋰合金的加工性能遠(yuǎn)優(yōu)于聚乳酸、磷酸鈣等其他類型可降解植入材料，因此其在心血管支架方面也具有臨床應(yīng)用價(jià)值。此外，鎂鋰合金還可用于多孔鎂組織工程支架、血管支架、骨植入材料等[5-6]。

四、汽車行業(yè)

憑借著速度快、能耗低、環(huán)境舒適的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，汽車在現(xiàn)代運(yùn)輸手段中占據(jù)著極其重要的位置。為了保證這些方面特性的優(yōu)化，列車輕量化是非常必要的技術(shù)，鎂鋰合金自然擔(dān)起了這份重任。目前，法國、日本、中國等多個(gè)國家的汽車行業(yè)，已經(jīng)在大量使用鎂鋰合金制作零部件，成為了汽車行業(yè)輕量化的關(guān)鍵材料。鎂鋰合金已被發(fā)達(dá)國家廣泛用于汽車儀表板、座椅支架、變速箱殼體、方向操縱系統(tǒng)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、車門、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、框架等零部件上。用鎂鋰合金制造汽車零部件，可以顯著減輕車重，降低油耗，減少尾氣排放量，提高零部件的集成度，提高汽車設(shè)計(jì)的靈活性等。通常汽車自重每減輕10%，燃油效率可提高5.5%，廢氣排放相應(yīng)減少。隨著技術(shù)的發(fā)展，鎂鋰合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍會(huì)更廣[5-6]。

五、其他領(lǐng)域

鎂鋰合金在我們生活中其他的領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛，比如在摩托車和自行車上的應(yīng)用。自行車是鎂鋰合金合新的應(yīng)用領(lǐng)域，主要用作自行車車架。中國鋁業(yè)鄭州輕金屬研究院與河南鶴壁捷美特鎂科技有限公司于2015年9月一起合作開發(fā)出了世界上最輕的自行車車架--超輕鎂鋰合金車架，重量?jī)H為1kg，比普通AZ61鎂合金車架減重20%。此外，借助于鎂鋰合金的超輕性能，還可將其用在康復(fù)設(shè)施如輪椅上，選用鎂鋰合金制作的輪椅架既輕巧又靈活。

總之，作為最輕的工程金屬材料，在航空航天、電子等方面上已顯示出無可匹敵的優(yōu)越性能，若能提高基礎(chǔ)的熔煉技術(shù)，開發(fā)新的加工工藝和設(shè)備，必然能使鎂鋰合金的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入更加良性循環(huán)的軌道，挖掘出出其巨大的潛在市場(chǎng)。

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