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鎂是最輕的結(jié)構(gòu)金屬，也是非常有潛力的儲能材料，在實現(xiàn)“碳中和”和“碳達(dá)峰”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)、緩解能源危機(jī)方面具有廣闊前景。鎂及其合金由于密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、生物相容性好、儲氫容量大和電池理論比容量大等特點，在航空航天、汽車、3C、生物醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。據(jù)統(tǒng)計，2022年在Web of science（WoS）核心合集數(shù)據(jù)庫中檢索到超過4600篇與鎂相關(guān)的論文，內(nèi)容涉及鎂及鎂合金研究與應(yīng)用的多個方面。然而，要進(jìn)一步拓寬鎂合金的應(yīng)用范圍，還需要克服許多困難，如結(jié)構(gòu)用鎂合金的強(qiáng)度低、塑性差、耐蝕性較差，生物鎂合金的降解速度快，鎂儲氫材料充氫和放氫范圍窄、鎂電池材料電解質(zhì)不相容、高性能陰極和陽極材料稀缺等問題。

最近，重慶大學(xué)潘復(fù)生院士團(tuán)隊楊艷教授、彭曉東教授等人通過文獻(xiàn)計量學(xué)分析了鎂合金的研究趨勢和研究熱點。鎂合金的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和腐蝕防護(hù)仍是主要的研究熱點，生物鎂材料、鎂離子電池和儲氫鎂材料備受關(guān)注。此外，本文綜述了2022年度鎂合金結(jié)構(gòu)材料、鎂基功能材料、鎂合金制備加工技術(shù)、鎂合金腐蝕與防護(hù)、鎂合金國際標(biāo)準(zhǔn)、專利和國際獎勵等方面取得的進(jìn)展，指出了目前鎂合金研究還存在的問題和挑戰(zhàn)，為今后鎂合金的研究方向提出了具體建議。

首先，通過文獻(xiàn)計量學(xué)的方法分析了2022年全球鎂及鎂合金發(fā)文分布特點和研究熱點。2022年在WoS核心合集數(shù)據(jù)庫中檢索有超過4600篇與鎂相關(guān)的論文，來自79個國家和地區(qū)，中國、印度、美國、德國和日本仍然是發(fā)表論文最多的五個國家。文獻(xiàn)計量學(xué)分析表明，基于不同國家的國際合作論文占比約20.85%，較2021年的23.81%有所下降。中國、美國、德國、澳大利亞、日本、韓國和印度之間有緊密的合作關(guān)系（圖1）。2022年全球發(fā)表鎂合金論文最多的前20個機(jī)構(gòu)如圖2所示，其中重慶大學(xué)發(fā)表論文最多，達(dá)到228篇，較2021年的163篇顯著提高。其次是中國科學(xué)院、上海交通大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)。德國亥姆霍茲研究所、伊朗德黑蘭大學(xué)和新加坡國立大學(xué)也位列前20名。不同機(jī)構(gòu)間合作的論文超過了65.82%，較2021年的65.76%略有提高。基于檢索數(shù)據(jù)，對論文中的出現(xiàn)頻次前150個關(guān)鍵詞進(jìn)行可視化分析，如圖3所示，鎂合金的研究可大致分為四大類：1）結(jié)構(gòu)材料，包括鑄造鎂合金和變形鎂合金，主要關(guān)注微觀組織和力學(xué)性能，2）功能材料，包括鎂電池、鎂儲氫材料和生物鎂材料等，3）鎂和鎂合金的加工技術(shù)，4）鎂和鎂合金的腐蝕和防護(hù)。

圖1 2022年發(fā)表至少5篇鎂及鎂合金論文的國家分布統(tǒng)計分析：(a)不同國家和地區(qū)論文百分比，(b)不同國家之間的網(wǎng)絡(luò)可視化

圖2 2022年發(fā)表至少15篇鎂及鎂合金論文的機(jī)構(gòu)統(tǒng)計分析：(a)前20名機(jī)構(gòu)，(b)不同機(jī)構(gòu)之間的網(wǎng)絡(luò)可視化

圖3 2022年鎂及鎂合金相關(guān)論文關(guān)鍵詞的網(wǎng)絡(luò)可視化

在結(jié)構(gòu)鎂合金方面，對于鑄造鎂合金，通過重力鑄造制備的Mg-7.8Gd-2.7Y-2.0Ag-0.4Zr合金的抗拉強(qiáng)度為~411 MPa，斷裂伸長率為~4.9%（表1）。對于變形鎂合金，Mg-15Gd合金通過擠壓、溫軋和時效工藝后，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到518 MPa和4.5%（表2）。超輕變形鎂合金的發(fā)展也有顯著進(jìn)步，通過常規(guī)擠壓制備的Mg-7Li-2Al-1.5Sn合金兼具324 MPa的抗拉強(qiáng)度和11.9%的延伸率（表3），力學(xué)性能優(yōu)異。對于結(jié)構(gòu)鎂合金的缺陷控制，發(fā)展的固液氣多相場Lattice-Boltzmann模型在氣孔形成方面取得了重大進(jìn)展，適用于解決固液氣多相和多物理特性的問題。

表1 含稀土鑄造鎂合金的室溫力學(xué)性能

表2 高強(qiáng)變形鎂合金的室溫力學(xué)性能

表3 高強(qiáng)變形鎂合金的室溫力學(xué)性能

功能鎂材料已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點，并在2022年開展了大量研究。在生物鎂合金方面，開發(fā)的Mg-30Sc合金表現(xiàn)出可接受的體內(nèi)降解率（0.06 mm/y），對MC3T3細(xì)胞模型沒有細(xì)胞毒性，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能，能在大鼠股骨中保持長達(dá)24周。在鎂電池方面，開發(fā)了一種新的CuS_0.96Te_0.04可充電鎂電池高性能正極材料，在20 mA g^-1電流密度下可提供446 mAh g^-1的高比容量，在1500次重復(fù)循環(huán)后具有良好的長壽命循環(huán)穩(wěn)定性。在儲氫鎂材料方面，已經(jīng)研究了一些新的催化劑，如YH₂、NiCp₂、Ni/BN、Ni/V₂O₃等，用來降低氫釋放的活化能，并可以在等溫條件下加速氫的解吸速率。此外，開發(fā)了一些新的制備方法，可以直接制備納米粉末，同時改善儲氫鎂合金的動力學(xué)性能。在阻尼鎂合金方面，研究人員主要關(guān)注熱處理、變形過程和固溶體原子對鎂合金阻尼性能的影響。開發(fā)的Mg-4Li-3Al-0.3Mn合金兼具良好的阻尼性能（0.028）和強(qiáng)塑性（UTS為332 MPa，EL為14.3%）。

鎂合金的制備和加工技術(shù)仍然是重要的研究方向。在鑄造技術(shù)方面，采用新的雙輥鑄造工藝（TRC）制備的Mg-0.5Zn-0.5Ca合金表現(xiàn)出優(yōu)異的組織細(xì)化效果，晶粒尺寸小于150 μm，UTS和EL分別為221.9 MPa和9.3%。在塑性加工技術(shù)方面，發(fā)展了累積反向擠壓（ABE）、傾斜擠壓（SE）、非對稱軋制（AR）、超聲波表面軋制（USRP）等加工技術(shù)。對于增材制造技術(shù)，通過擠壓增材制造，然后脫脂和燒結(jié)的工藝能夠有效制備具有幾何有序和完全互連的多孔結(jié)構(gòu)鎂合金支架。此外，鎂的回收和再利用也得到了發(fā)展，對廢棄鎂合金粉塵進(jìn)行惰性處理，能在粉塵顆粒表面形成復(fù)合轉(zhuǎn)化膜，阻斷外部水分子與Mg²⁺的接觸，避免危害。

在腐蝕和防護(hù)方面，表面處理是一種簡單有效的方法，受到了研究者的廣泛關(guān)注。具有PEO/超分散聚四氟乙烯復(fù)合涂層的Mg-Mn-Ce合金表現(xiàn)出極低的腐蝕速率（3.4×10^?5μA cm^-2），與未涂層的鎂合金相比降低了6個數(shù)量級以上。表面薄膜/涂層正朝著復(fù)合化、微納米化和功能化的方向發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)高耐腐蝕的鎂合金和有效的鎂合金表面處理方法，以滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用要求。

2022年，鎂合金國際標(biāo)準(zhǔn)、專利和國際獎勵等方面取得了重要進(jìn)展。由中國提出的ISO 4155:2022國際標(biāo)準(zhǔn)成功發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)重點研究了鎂及鎂合金中鎳的含量，主要采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定。ISO 4155:2022國際標(biāo)準(zhǔn)與英國標(biāo)準(zhǔn)BS ISO 4155:022相當(dāng)，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量得到了英國等發(fā)達(dá)國家的高度認(rèn)可。對于鎂及鎂合金專利，利用SooPAT數(shù)據(jù)庫檢索到758項授權(quán)專利，中國授權(quán)的專利最多，其次是美國、日本、歐洲和韓國等。對于鎂合金國際獎，2022年國際鎂學(xué)會（IMS）和國際鎂協(xié)會（IMA）分別頒發(fā)了鎂及鎂合金相關(guān)的獎項，對鎂及鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。

盡管已經(jīng)廣泛開展了鎂合金的研究和開發(fā)，取得了很大進(jìn)展，但對其大規(guī)模應(yīng)用仍然存在一些挑戰(zhàn)。對于結(jié)構(gòu)鎂合金，鎂合金的綜合性能還有待進(jìn)一步提高。對于功能鎂材料，生物鎂合金的合金化設(shè)計和表面改性是提高耐腐蝕性的關(guān)鍵，但應(yīng)系統(tǒng)考慮體內(nèi)生物特性，包括愈合率、炎癥反應(yīng)和副作用。鎂電池仍然面臨著電解質(zhì)不相容、高性能陰極和陽極材料稀缺等挑戰(zhàn)。鎂基儲氫材料的大規(guī)模使用由于其高熱力學(xué)穩(wěn)定性和緩慢的反應(yīng)動力學(xué)而受到阻礙，需要在合金化、納米結(jié)構(gòu)、催化劑、制備方法等方面進(jìn)一步研究。在制備和加工技術(shù)方面，真空壓鑄鎂合金的微觀組織演變和熱處理、降低增材制造復(fù)雜鎂合金零件的成本以及鎂合金鑄件的焊接有待進(jìn)一步研究。在鎂合金的腐蝕和防護(hù)方面，需要進(jìn)一步開發(fā)高耐蝕鎂合金和有效的表面處理技術(shù)，以滿足大多數(shù)環(huán)境的應(yīng)用要求。

該文章發(fā)表在《Journal of Magnesium and Alloys》2023年第11卷第8期：

[1] Yan Yang*, Xiaoming Xiong, Jing Chen, Xiaodong Peng*, Daolun Chen, Fusheng Pan*. Research Advances of Magnesium and Magnesium Alloys Worldwide in 2022 [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2022, 10 (4): 2611-2654.

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通過在Web of science核心合集數(shù)據(jù)庫中檢索，2022年共發(fā)表了4600多篇鎂及鎂合金相關(guān)論文。文獻(xiàn)計量學(xué)分析表明，鎂合金的微觀組織、力學(xué)性能和腐蝕仍是主要的研究熱點。生物鎂材料、鎂離子電池和儲氫鎂材料備受關(guān)注。重慶大學(xué)（超過200篇論文）、中國科學(xué)院、上海交通大學(xué)和東北大學(xué)（超過100篇論文）、德國Helmholtz Zentrum Hereon、美國俄亥俄州立大學(xué)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、日本Kumanto大學(xué)、韓國首爾國立大學(xué)、伊朗德黑蘭大學(xué)和新加坡國立大學(xué)等對鎂合金的研究和開發(fā)做出了重大貢獻(xiàn)。該篇綜述旨在總結(jié)2022年結(jié)構(gòu)和功能鎂及鎂合金的研究進(jìn)展?；诒疚奶岢龅膯栴}和挑戰(zhàn)，提出了一些未來的研究方向。

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More than 4600 papers in the field of Mg and Mg alloys were published and indexed in the Web of Science (WoS) Core Collection database in 2022. The bibliometric analyses indicate that the microstructure, mechanical properties, and corrosion of Mg alloys are still the main research focus. Bio-Mg materials, Mg ion batteries and hydrogen storage Mg materials have attracted much attention. Notable contributions to the research and development of magnesium alloys were made by Chongqing University (>200 papers), Chinese Academy of Sciences, Shanghai Jiao Tong University, and Northeastern University (>100 papers) in China, Helmholtz Zentrum Hereon in Germany, Ohio State University in the USA, the University of Queensland in Australia, Kumanto University in Japan, and Seoul National University in Korea, University of Tehran in Iran, and National University of Singapore in Singapore, etc. This review is aimed to summarize the progress in the development of structural and functional Mg and Mg alloys in 2022. Based on the issues and challenges identified here, some future research directions are suggested.

潘復(fù)生（通訊作者），中國工程院院士，重慶市科協(xié)主席，重慶大學(xué)教授，JMA主編，ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織鎂合金技術(shù)委員會主席，中國材料研究學(xué)會副理事長，主要從事金屬材料、儲能材料方面的研究，先后獲得國家技術(shù)發(fā)明獎和科技進(jìn)步獎4項，部省級技術(shù)發(fā)明獎和科技進(jìn)步獎10余項。發(fā)表SCI收錄論文700多篇，授權(quán)發(fā)明專利170多項，制訂國際、國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)20余項。獲得“全國杰出專業(yè)技術(shù)人才”稱號、“全國優(yōu)秀科技工作者”稱號、何梁何利獎和杜邦科技創(chuàng)新獎。

楊艷（第一作者，通訊作者），重慶大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，JMA Managing editor，教育部青年長江學(xué)者、重慶市英才計劃青年拔尖人才，國際鎂學(xué)會產(chǎn)業(yè)化委員會副主任、中國材料研究學(xué)會鎂合金分會副秘書長，主要從事新型鎂合金材料的設(shè)計制備與強(qiáng)韌化、輕合金先進(jìn)成型新技術(shù)等研究。主持國家級、省部級科研項目10余項，發(fā)表SCI論文50余篇。

彭曉東（通訊作者），重慶大學(xué)教授，JMA常務(wù)副主編，中國材料研究學(xué)會鎂合金分會常務(wù)理事，主要從事新型輕合金材料及其成型技術(shù)、鑄造及合金凝固技術(shù)、復(fù)合材料及其制備技術(shù)、材料成型過程數(shù)字化仿真技術(shù)等研究，先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、“863”計劃、國家科技支撐計劃、“973”計劃等國家和部省市級研究項目幾十余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，申請并獲授權(quán)發(fā)明專利10余項，主編教材1部，合著專著1部。

圖文編輯：楊艷 重慶大學(xué)