我國科學(xué)家研制出世界上最輕金屬結(jié)構(gòu)材料——新型鎂鋰合金

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

西安交通大學(xué)教授柴東朗及團(tuán)隊(duì)研制的新型鎂鋰合金,經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用,具有超輕、高比強(qiáng)度、減震等特性,成為目前世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。這是近日媒體關(guān)注的一大新聞。

我國科學(xué)家研制出世界上最輕金屬結(jié)構(gòu)材料——新型鎂鋰合金機(jī)械設(shè)計(jì)案例圖片1

▲柴東朗(右)在給研究生講解鎂鋰合金的加工特性。(西安交大供圖)

2016年12月22日,我國成功發(fā)射的首顆全球二氧化碳監(jiān)測科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星中的高分辨率微納衛(wèi)星,幾乎整顆都用了這種新型鎂鋰合金材料替代鋁合金結(jié)構(gòu)材料,大大減輕了自身的結(jié)構(gòu)重量,有效載荷得到顯著提高。

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▲CO2 探測儀初樣照片

▌最為綠色環(huán)保的革命性材料

鎂鋰合金是金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最低、最輕的特殊合金,被業(yè)內(nèi)稱為“超輕合金”。最輕的可以漂在水上,成為“水上漂浮”合金,用于制造航空航天器結(jié)構(gòu)零件。

鎂、鋰的密度分別為1.73克/立方厘米、0.53克/立方厘米,這種新型鎂鋰合金是通過在金屬鎂中添加鋰元素,并附加少量其他合金元素,具備低密度、高比剛度、高比強(qiáng)度的優(yōu)異力學(xué)性能,以及減震、消噪的高阻尼性能和抗輻射、抗電磁干擾性能。

“鎂鋰合金是鎂合金發(fā)展的一個(gè)突破點(diǎn),處于鎂合金發(fā)展的技術(shù)前沿,被稱為未來最為綠色環(huán)保的革命性材料。”柴東朗介紹,鎂合金是金屬鎂加上其他金屬元素組成的合金,被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色金屬結(jié)構(gòu)材料”,而鎂鋰合金是鎂合金的一種,具有比普通鎂合金更低的密度,是航空航天最有前途的材料。我國鎂資源占全球60%以上,原鎂的產(chǎn)量占全球70%。我國航空航天的主體材料目前是鋁合金。

“1立方米的鋁重2.8噸,1立方米的鎂重1.78噸,而1立方米的鎂鋰合金僅重1.3噸至1.6噸,減重效果明顯。”柴東朗說,他們研制的新型鎂鋰合金,“同樣大小,重量只有鋁合金的一半,但比強(qiáng)度高于鋁合金。與鋁合金相比,它能減重40%-50%,與一般鎂合金相比,能減重20%-30%?！逼渥枘嵝阅軆?yōu)異,其衰減系數(shù)是鋁合金的十幾倍,減震降噪效果好,在屏蔽電磁干擾方面表現(xiàn)突出,填補(bǔ)了我國新材料方面的一項(xiàng)空白。

陜西省國防科工辦組織的專家鑒定委員會一致認(rèn)為:新型鎂鋰合金材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高塑性等特點(diǎn),是當(dāng)今世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,可部分替代目前應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的鋁材及其他鋁合金材料,在航空、航天、軍工、民用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。總體技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

柴東朗及團(tuán)隊(duì)研制的鎂鋰合金材料除應(yīng)用于高分微納衛(wèi)星外,最早在2015年9月25日我國成功發(fā)射的“浦江一號”衛(wèi)星上使用,這是中國衛(wèi)星首次使用鎂鋰合金材料。

▌總體技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平

隨著全球國防科技工業(yè)的快速發(fā)展,各國紛紛大力開發(fā)高性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,對火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、戰(zhàn)機(jī)等實(shí)施減重,空間飛行器對重量的“敏感度”已進(jìn)入“克克計(jì)較”時(shí)代。業(yè)內(nèi)人士有句口頭禪:“衛(wèi)星重量減少一克,等于節(jié)約了一克黃金!”近年來,柴東朗及團(tuán)隊(duì)積極探索產(chǎn)學(xué)研發(fā)展之路,推動成果從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；a(chǎn)。

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2010年9月,西安交大與民營高新技術(shù)企業(yè)——西安四方超輕材料有限公司 (以下簡稱四方公司),聯(lián)合在西安閻良國家航空高技術(shù)產(chǎn)業(yè)基地,建起中國第一條鎂鋰合金生產(chǎn)線,輕質(zhì)高強(qiáng)度鎂鋰合金材料產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目當(dāng)年投產(chǎn)。項(xiàng)目已列入陜西省新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃,國家工信部重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)振興項(xiàng)目。

以四方公司為依托,陜西省在閻良建起鎂鋰合金工程研究中心,柴東朗擔(dān)任中心主任。如今,鎂鋰合金超輕材料已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),可年產(chǎn)100噸,產(chǎn)值達(dá)1.5億元。

四方公司副總經(jīng)理張正松告訴記者,經(jīng)過多年的產(chǎn)學(xué)研攻關(guān),他們已在冶煉工藝、質(zhì)量控制、表面處理、機(jī)械加工等方面取得突破性成果,已研制出3個(gè)牌號具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鎂鋰合金 (鑒于強(qiáng)度要求,其密度為1.36克-1.64克/立方厘米),總體技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。我國首個(gè)鎂鋰合金材料國家標(biāo)準(zhǔn)——《鎂鋰合金鑄錠》也在這里誕生。

柴東朗及團(tuán)隊(duì)近期又開發(fā)出另一種新型鎂鋰合金?！?span style="color:#021EAA;">這種鎂鋰合金較前者密度更低、比強(qiáng)度更高、用途更廣泛,正處于批量化生產(chǎn)前的中試階段。”柴東朗說。他們還研制了一種表面處理新技術(shù),能使鎂合金和鎂鋰合金的表面具有優(yōu)良的耐磨性和抗蝕性,已實(shí)際應(yīng)用,該技術(shù)目前尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道。

▌便攜性、輕量化、環(huán)保型產(chǎn)品將步入百姓生活

據(jù)了解,鎂鋰合金是制造輕量化零部件的最佳材料,未來的應(yīng)用會越來越廣泛,便攜性、輕量化、環(huán)保型的產(chǎn)品將進(jìn)入人們的生活,部分先進(jìn)的電子產(chǎn)品已開始采用鎂鋰合金。

柴東朗說:“鎂鋰合金在電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、戶外器材等領(lǐng)域有著廣泛用途,如筆記本電腦、手機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)的外殼等,都要求輕型化。民用領(lǐng)域產(chǎn)品的研發(fā),將是我們后期的主要方向。”

“鎂合金已進(jìn)入汽車制造領(lǐng)域,運(yùn)用于方向盤、儀表盤等;醫(yī)用鎂合金也已開始研制,將來可用來做假肢?！睆堈山榻B,此外,如通訊基站、散熱片、照相機(jī)三腳架等,用鎂鋰合金制造的話,能減輕很多重量。

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來源:中國科學(xué)院、國際金屬在線

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