丁文江院士：轻氢之镁 创新栽培

镁是世界上最轻的有用金属材料，在国防工业、航空航天、交通运输等领域发挥着重要作用。同时，镁也是可用的储氢密度最高的金属材料，在能源、医学和农业领域的创新应用优势显著。

全国高校黄大年式教师团队——中国工程院院士丁文江带领的“轻氢之镁”研究团队攻克了镁合金强度低、耐热差、寿命短三大瓶颈，使镁在我国新一代“大国重器”研制计划中发挥了不可替代的作用。丁文江团队还攻克了镁基储氢材料低成本批量化制备技术，研发了全球领先的固态储氢技术，常温常压下实现与液氢相当的储氢密度，使氢能源兼具了高能量密度和高安全性；让镁材料首次使“氢成药”成为可能，镁氢材料在医学和农业领域有着广阔的应用前景。丁文江团队的研究成果让中国镁走向了世界，而且走到了世界前列。

近日，在由中国科协先进材料学会联合体、湖南省科学技术 、湖南省工业和信息化厅、湖南省科学技术厅、长沙市人民政府联合承办的第二十四届中国科协年会专项活动——“国际新材料产业创新发展论坛”上，中国工程院院士丁文江院士做了名为《轻氢之镁 创新栽培》的主题发言，“我研究镁已经有38年了。这38年间我主要做两件事：一是研究镁的轻量化，二是由于一个镁原子可以带两个氢原子，所以也研究氢科学之镁。”

「轻量化之镁」

据丁文江介绍，我国镁储量非常丰富，约占全世界总量的90%。镁有几大优势：一是非常轻，其密度只有铝的1/3，钢的1/4；二是镁具有很高的阻尼系数，减震性能非常好；三是生物相容性好，镁合金的密度通常为1.74-2.0g/cm3，与自然骨密度1.8-2.1g/cm3相近，具有良好的生物力学相容性；四是比较环保，镁合金可以简单地再生使用且不降低其机械性能，且再生熔解时所消耗的能源仅占新材料制造所消耗能源的4%。

“所以，镁在航空航天、交通运输、电子信息、能源动力、生物医疗等领域都是比较重要的材料。在军口，镁主要用于军事装备或武器制造，由于镁在高温下会发光，也可用于鞭炮或照明弹；在民口，镁是广泛用于汽车、IT产品、医疗辅助器具的有色金属之一。”丁文江进一步介绍道，“虽然高铁已经是我国的一张名片，但高铁上用到的材料还有待进一步研发创新。高铁上面有很多零部件都可以用轻量化的镁来做，当然同时也要考虑它的稳定性和耐腐蚀性问题。这将是一个千亿元级别的市场。”据韩国镁工业技术研究 预测，全球镁金属市场年均增幅达7.1%，2026年将达到6.2亿美元的规模。

“近来，镁在国防上的应用拓展需求也特别强，想要制造出打得更远、飞得更快、寿命更长的武器装备，对材料的轻量化要求非常高。比如临近空间高超声速飞行器，翅膀骨架采用镁综合减重能达到100公斤，射程将增加8%，大于1400公里；比如鹰击高超声速反舰导弹，舱体也开始用镁了，这是全世界第一次用镁来做。”丁文江介绍道，在民用领域，近来主要聚焦在重卡卡车的轮毂。如果用镁轮毂取代铝轮毂的话，借能至少可以达到10%以上；还有燃油车发动机缸体，轻量化也非常重要；还有镁合金汽车底盘构件，在新能源车可以进一步考虑和电池合而为一进行一体化压铸后可以减轻52%的重量。

镁合金材料的工业化应用已成为近年来金属材料领域的研究热点，随着新能源汽车的大力推广和使用、高铁的建设、航天事业的加速突破，以及5G网络的快速发展，未来几年镁合金的研发和应用将迎来更大的机遇和市场前景。未来，高尖端超高性能镁合金材料的研发和高性能、低成本镁合金复杂件精密加工能力的提升将是重要的发展方向，从而助推装备轻量化发展，国家重大工程用镁合金材料的国产化率亦将逼近100%。

「氢科学之镁」

丁文江在 告中指出，镁在氢能领域有三大应用。

“一是镁材料与新能源汽车轻量化。镁比重非常轻，只有1.74，跟塑料差不多，一个镁原子可以带上两个氢原子，这样跟氢发生关系可以固化氢，而且氢可以在一定条件下面进去，也可以在一定条件下出来。而且在具有催化的水中放出去后，可以把水里面的氢也带出来。这样一来储氢量非常可观。镁材料在轻量化里面相对于铝的结构件，镁合金的结构件可以实现30% 的减重效果。此外，强度、使用寿命等各项性能指标都不会亚于铝合金。”丁文江团队通过制备工艺的创新，实现了可控的放氢技术，“让氢在镁里面非常方便地进出”，还制备了一系列在不同应用场景下的工业化生产装备。

“二是镁材料与氢气净化储运一体化。镁的固态储氢，输进去的氢气可以不太干净，但释放出来的氢气纯度可以达到99.999%。所以称之为净化储运一体化。成本方面，与现在的场馆拖车来运输氢相比，镁净化储运一体化成本大概可以下降40%，而且不受储存运输距离影响，在镁基固态储氢方面具有先天优势。目前，国内正在研发可直接放到大卡车上面镁氢固态储氢罐。在大卡车上面放了15~20个这样的产品，单车可以装载1.2吨的氢气，而且是常温、常压进行运输，不带来任何危险性，无论是汽车、火车、集装箱、常温常压安全运输都可以实现。该产品的应用场景目前初步设想是，直接把两辆储运2.4吨的氢气的集装箱车放下来就相当于一个加氢站了，用完了可以再换。”据了解，丁文江团队经过长达12年的研发，已经形成了30吨的规模化制备技术，可以低成本、批量化地生产，产量国际领先。“英国、日本和一些先进的西方国家要做一些实验，都会到我们这里来订货。”丁文江说。

“三是镁材料与氢能源动力系统。一般无人机自控时间都不会超过半个小时，将高能量、高密度的氢化镁燃料电池系统用于无人机，可使无人机在空中持续飞行10个小时，平均每个小时55公里，持续航程可以达到500公里。实现无人机在城市安全、森林防火，高压电线领

域的巡视。”

此外，丁文江还提到了近年来团队在布局的新能源车的氢燃料电池的相关研究：“一个膜电极，一个双极板，这两个是最核心的部件。我们开发的一款镁合金双极板泡在氢氟酸里面三个月都没问题的，耐腐蚀特性很强，而且比重很轻，是非常有应用潜力的。”

「生物镁合金」

镁在人体内有可降解性，避免了其他常用生物材料所需要的二次手术及造成的二次感染和额外费用。同时，它作为心血管的支架材料，可以有效减少病变血管发生负性重构、血管再狭窄和内膜增生等现象。丁文江介绍道：“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。”目前，生物镁合金在医疗上主要应用于制备骨修复植入体和心血管支架等组织工程支架等。

“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。这类支架会永久地保留在人体内不能降解，需要病人长期服用抗排异药物，而且容易支架内可能出现再堵塞，需要二次手术，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。”

谈到镁合金作为骨固定材料，丁文江说：“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，但都存在一定的局限性。这些金属材料被植入人体后，因其与人骨材料的弹性模量不匹配会产生人骨受力被遮挡效应。此外，这些材料在人体内不可降解的，当病人骨头长好愈合后，需要通过二次手术取出。”丁文江进一步介绍道，“镁合金骨固定材料与人骨力学性能更加匹配，可以有效避免应力遮挡效应，在人体骨骼基本愈合后，镁合金会降解成无毒无害的小分子，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，同时也节省了手术费用。”

丁文江进一步提到，“再比如断手再植手术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降解，将会永远留在神经里。如果用很细的镁丝，当神经线长好之后镁丝就能够通过降解而消失。”

丁文江团队制备的循环储氢镁合金样品

个人名片

丁文江，1953年3月出生，中共党员，教授，博士生导师。1981年毕业于上海交通大学铸造专业，现任轻合金精密成型国家工程研究中心主任，中国镁业 副会长，上海市科协副主席，世界锌合金联盟轮值主席。作为第一获奖人获国家技术发明一等奖、二等奖、科技进步二等奖等多项重要科技奖励。长期从事先进镁合金材料及其精密成型研究，把镁和稀土相结合开展系统研究并形成中国特色，在SCI源期刊上发表论文370余篇。2000年，经发改委批准创建了轻合金精密成型国家工程研究中心；2013年当选中国工程院院士。