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近日，國(guó)際材料科學(xué)頂級(jí)期刊《Materials Today》發(fā)表了上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心曾小勤教授團(tuán)隊(duì)在鎂合金防腐領(lǐng)域的最新成果。團(tuán)隊(duì)基于微合金化設(shè)計(jì)提出“自愈合非晶表面膜”防護(hù)新策略，制備出具有里程碑意義的“不銹鎂合金”Mg-2Sc-0.5Al，其腐蝕速率僅0.027 mm/a年，對(duì)高達(dá)200 ppm的鐵雜質(zhì)仍高度穩(wěn)定。該合金在腐蝕介質(zhì)中能快速形成致密均勻的“玻璃態(tài)”非晶氫氧化膜，劃傷后約30小時(shí)內(nèi)即可自發(fā)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、可靠防護(hù)。研究還表明，以汽車面板為例，將鎂合金部件壽命由2年提升至20年，可削減約78%的全生命周期二氧化碳排放，凸顯“延長(zhǎng)材料壽命即減碳”的新路徑，為 “不銹鎂合金”的工程化應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Stainless Mg alloy induced by the formation of self-healing amorphous surface film”為題發(fā)表于《Materials Today》。上海交通大學(xué)曾小勤教授、應(yīng)韜研究員、王靜雅副教授以及澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)邱冬教授為論文共同通訊作者，上海交通大學(xué)陳毓洋博士后、劉瑤博士生為論文共同第一作者。研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目號(hào)：52425101, 52471012, 52271008, 和52127801)的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.11.015

一、研究背景

鎂合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、減重潛力大等顯著優(yōu)勢(shì)，在汽車、航空航天等輕量化領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。然而，由于鎂本身化學(xué)活性高，其表面易形成疏松、多孔且不穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物膜，難以對(duì)基體提供有效保護(hù)，導(dǎo)致耐腐蝕性能明顯不足。腐蝕不僅縮短構(gòu)件服役壽命、提高維護(hù)成本，還帶來安全隱患，嚴(yán)重削弱鎂合金在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，雖然通過合金化和顯微組織調(diào)控提升鎂合金耐蝕性的研究已取得一定進(jìn)展，但對(duì)保護(hù)膜形成機(jī)制和結(jié)構(gòu)特征仍缺乏系統(tǒng)、定量的認(rèn)識(shí)，耐蝕鎂合金的可設(shè)計(jì)與可預(yù)期防護(hù)仍面臨重大挑戰(zhàn)。

二、創(chuàng)新亮點(diǎn)

本項(xiàng)工作在材料設(shè)計(jì)思路、腐蝕防護(hù)機(jī)理和工程應(yīng)用前景等方面實(shí)現(xiàn)了多維度創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）研制出具有極致耐蝕性能的“自愈合”不銹鎂合金

團(tuán)隊(duì)通過精準(zhǔn)合金設(shè)計(jì)，在鎂中添加2% Sc和0.5% Al，成功制備出Mg-2Sc-0.5Al合金。該合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蝕速率僅為0.027 mm/a，顯著優(yōu)于超高純鎂（約0.25 mm/a年），耐蝕性能已接近甚至可比肩部分不銹鋼。同時(shí)，該合金對(duì)Fe等有害雜質(zhì)不敏感，即使鐵含量高達(dá)200 ppm，仍能保持穩(wěn)定的低腐蝕速率，大幅提高了合金在實(shí)際工業(yè)熔煉與規(guī)?；a(chǎn)條件下的適用性。

（二）揭示自愈合非晶表面膜的形成與穩(wěn)定機(jī)理

研究表明，Mg-2Sc-0.5Al合金在接觸腐蝕介質(zhì)后的數(shù)分鐘內(nèi)，表面即可快速生成一層致密、均勻的“玻璃態(tài)”非晶氫氧化膜，該膜層幾乎不含晶界和結(jié)構(gòu)缺陷，可有效阻隔腐蝕介質(zhì)侵入。團(tuán)隊(duì)從非經(jīng)典成核理論出發(fā)，闡明了其形成與自愈合機(jī)理：一方面，Sc和Al的引入顯著降低了相關(guān)氫氧化物的溶解度積，促進(jìn)Mg2?與OH?快速沉積，形成穩(wěn)定的非晶簇；另一方面，Sc/Al共摻提升了非晶向晶體轉(zhuǎn)變的能壘，使非晶膜在動(dòng)力學(xué)上更為穩(wěn)定。當(dāng)膜層局部受損時(shí)，腐蝕反應(yīng)再次促使Mg2?與OH?在缺陷區(qū)域優(yōu)先生長(zhǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)劃傷區(qū)域在約30小時(shí)尺度上的自發(fā)“愈合”。通過局部電化學(xué)阻抗測(cè)試與原位形貌追蹤，研究團(tuán)隊(duì)首次直觀捕捉到了這一自愈過程的動(dòng)態(tài)演變。

（三）提出以“延壽”驅(qū)動(dòng)的全生命周期減碳新路徑

該研究定量評(píng)估了高耐蝕鎂合金在碳減排中的潛在貢獻(xiàn)。以汽車面板為例，材料生產(chǎn)階段貢獻(xiàn)約31%的碳排放。在保持輕量化優(yōu)勢(shì)的前提下，將鎂合金部件的服役壽命由2年提升至20年，可使單塊面板的全生命周期二氧化碳排放量降低約78%。這一結(jié)果表明，通過構(gòu)筑自愈合非晶保護(hù)膜顯著延長(zhǎng)構(gòu)件壽命，是實(shí)現(xiàn)“從材料設(shè)計(jì)端切入的全生命周期減碳”的關(guān)鍵技術(shù)路徑，對(duì)綠色交通與“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

（四）多學(xué)科深度交叉的產(chǎn)學(xué)研一體化研究范式

在研究手段與技術(shù)路線方面，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“合金成分設(shè)計(jì)—多尺度表征—理論模擬—服役驗(yàn)證”一體化研究框架：一是利用Thermo-Calc等熱力學(xué)計(jì)算工具優(yōu)化合金成分與相結(jié)構(gòu)；二是結(jié)合冷凍電鏡、同步輻射XRD、納米束電子衍射（NBED）等先進(jìn)表征手段，解析非晶膜的納米結(jié)構(gòu)與演變行為；三是基于DFT與AIMD等第一性原理計(jì)算，定量評(píng)估非晶膜形成與晶化轉(zhuǎn)變的能壘與相穩(wěn)定性；四是通過長(zhǎng)達(dá)兩年的浸泡實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)電化學(xué)測(cè)試，完成對(duì)合金長(zhǎng)期服役耐蝕性能的工程化驗(yàn)證。該工作為高耐蝕輕合金的跨學(xué)科協(xié)同研發(fā)提供了可復(fù)制、可推廣的范式。

三、結(jié)果速覽

優(yōu)異的耐腐蝕性能

非晶膜的微觀結(jié)構(gòu)

膜層自修復(fù)特性

熱力學(xué)機(jī)制與設(shè)計(jì)策略