兰溪镁合金半固态压铸中试基地，作业人员正在进行镁合金产品的半固态注射成型生产。 共享联盟·兰溪 范湃青 摄

新材料是国家近年来大力发展的战略性新兴产业，被称为制造业两大“底盘技术”之一，已然成为国际竞争的兵家必争之地。其中，被“驯服”的镁材料在合金、储能、生物医药等领域有望发挥广泛用途，为制造业描绘出轻量、绿色、多元的崭新远景。

镁是一种易燃、易爆炸的金属，能与氧气、水发生化学反应，性质极其活泼。

因暴躁“脾气”难以控制，镁及其合金的相关研究在过去的一段时间里坐稳了“冷板凳”。仅在节日庆典的焰火绽放之时，或是摄影中镁光灯闪烁的瞬间，我们才能捕捉到那稍纵即逝的身影。

中国的镁储量占全世界约70%，如何能充分挖掘这一丰富资源的潜力？

在浙江兰溪，一个浙中小县，一系列镁产品正加速研发、落地。近年来，在中国科学家的巧妙设计下，镁的“暴脾气”被“驯服”，广泛应用于合金、储能、生物医药等领域，有望成为新材料之一。

镁合金华丽变身

7月5日，尽管是周六，兰溪镁材料研究院副院长佘加还是早早来到了办公室。这天上午，来自上海、杭州和金华本地的三家镁材料企业代表到研究院洽谈合作事宜。

近几年，佘加迎来了一批又一批企业代表。到工厂车间进行考察指导、为镁材料企业提供技术支持，早已成为这支团队重要的工作内容。

这家由兰溪市政府与重庆大学合作共建的研究院是在2023年成立的。佘加没想到，这两年，镁材料能以如此迅疾的速度迎来发展的春天。

中国工程院院士、重庆大学教授、国家镁合金材料工程技术研究中心名誉主任潘复生告诉记者，直到上世纪90年代，自己对合金材料的主要研究还集中在铝合金。之后，他发现镁与铝有着许多相似的特性，比起有限的铝矿资源，我国的镁矿资源更加丰富，具有很大的发展潜力。

一个前沿的想法冒了出来：能不能把发展镁合金新材料和新工艺作为重要研究方向，把镁合金做成大宗金属材料？

2000年7月，师昌绪、左铁镛等5位两院院士向中央有关部门写信，呼吁国家重视镁合金产业的发展。2001年，在潘复生的牵头下，重庆市镁合金工程技术研究中心应运而生。2007年，国家镁合金材料工程技术研究中心挂牌成立。

兰溪，这座长期以传统工业为支柱的小城，也是潘复生的故乡。镁的发展潜力，让兰溪的干部们看到了产业转型升级的希望。每次去重庆拜访潘复生，他们谈乡情、聊产业。

“我们常常会带上兰溪的特色野菜‘落汤青’和千张、豆腐干等土特产给潘院士。知道他特别钟爱炒索粉干，有一次家乡人托我们特意背了一大袋过去。”曾任兰溪市高新区副主任的凌俊飞说。

潘复生的鼎力支持，促成兰溪镁材料研究院顺利落户。

平台有了，如何做才是关键。

潘复生团队研究发现，镁存在一个显著的缺陷：其六方晶体结构因独特的原子排列方式，极大地限制了镁的塑性性能——塑性越大的物体，发生永久形变所需的最小力越小；换句话说，就是镁材料的变形能力不够强，而这会给大规模应用带来难题。

潘复生反复思考：金属元素在固溶强化，也就是加入合金提高硬度和强度的同时，一般会导致塑性降低。但对于镁合金来说，这一定是必然的吗？

他开始研究以置换原子的方法来提高镁合金的塑性。“这非常难，因为原子固溶一般要降低塑性。原子排列顺序如何置换？换什么原子进去？换进去之后会有怎样的效果？这些都需要我们不停地进行实验。”团队成员表示。

他们提出了“固溶强化增塑”的合金设计新思路。“通过调控基面和非基面的临界分切应力改变原子的滑移阻力，最后实现强度和塑性同步提升。”潘复生说，借助该技术，团队成功研发了一批高塑性高性能新型镁合金，其中16个已成为国家牌号合金，9个已被批准为国际标准牌号。

这支勇于攻坚的团队不断开拓，计划未来将镁合金的强度提升至600兆帕以上。“我们曾用10年的时间，把镁合金的强度从200兆帕提升到500兆帕。用了5年的时间，将镁合金的延伸率从3%到5%提升至10%到15%。这并不是一件难以企及的事情。”团队成员说，600兆帕强度的镁合金与铝合金的绝对强度相当，且密度仅有铝合金的2/3，在实际应用中能给同样大小的产品减重约30%。

“大量采用镁合金后，汽车在颠簸路段可以减轻晃动幅度，计算机也会变得更轻薄。”团队成员说，镁合金产品散热性能好，能屏蔽电磁辐射，而且减震性能比钢产品高几倍、比铝合金产品高几十倍，在航空领域也有很大的应用空间。

潘复生（右前）指导团队和学生科研。 受访者供图

探索镁材料更多可能

在兰溪镁材料研究院一楼展厅，镁合金冷链箱体、镁合金轮毂、镁骨板等数十种镁材料产品让佘加颇为自豪：“一开始很多业内人士都不相信，镁合金型材也能有这么多应用。”这些产品是研究院成立后，聚焦新能源汽车、电动自行车等行业和企业发展痛点研发的。目前，十余个项目已在推进，其中不少已进入量产阶段。

从研发的进度来看，我国科学家步步为营，已掌握多项镁材料的关键技术。

比如燃点低的问题。一般金属都是熔点低于燃点，镁刚好相反，其燃点低于熔点，往往还没熔化，就会与氧气发生反应并燃烧。可是，在制造任何产品之前，都需要先经过熔化材料这个环节。很多人都会疑惑，这该如何解决？

答案同样在镁材料本身。镁在与空气中的氧气接触时，极易在其表面迅速形成一层氧化膜。这层氧化膜原本具有保护性质，能够有效阻隔镁与氧气的进一步接触，从而抑制镁的继续氧化。然而，这层氧化膜存在间隙，成为了氧气侵入的通道，导致氧化过程并未被完全阻止。现在，科学家已研究出使用掺杂稀土元素，让其和镁的氧化膜实现互补，进而开发了阻燃镁合金，成功地将镁的燃点提升到800℃以上。

除此之外，镁材料领域还有太多的未知，让潘复生团队着迷。

国际镁协会自1943年成立以来仅颁发三次“镁未来技术奖”，均由潘复生团队摘得。2023年，“镁基固态储氢材料与系统”项目获该奖，更预示着镁作为一种潜力巨大的材料，在氢能源储存领域即将发挥重要作用。

镁储氢技术，并不是简单地类似于传统的钢罐储氢。重庆大学材料学院院长、兰溪镁材料研究院执行院长陈先华介绍，镁的固态储氢技术无需依赖外部容器，而是能够将氢气如同被海绵吸收一般，融入镁的内部，转化为氢化镁——一种全新的化合物。当需要释放氢气时，氢化镁又能与氢反应，恢复为原始的镁与氢气的组合，这一过程在常温常压下即可轻松实现。镁的固态储氢密度是气态氢的1000倍，液态氢的1.5倍。

形象地说，这种储氢方式就像制作和存放蜂窝煤一样简便。氢化镁块可以方便地储存和运输，无需特殊的容器或高压环境。

同时，镁本身就是一种能源材料，其独特之处在于，镁的存在即意味着气体的存在。在当前许多地区氢气供应不足的情况下，镁与水的水解反应便成为了一种高效的氢气生成方式。以燃料电池车为例，一般情况下，它们需要搭载35兆帕的高压气罐才能巡航300至500公里。如果采用镁的固态储氢技术，续航里程可提升至800至1000公里。在潘复生团队的畅想中，如果将镁的固态储氢与水解反应相结合，燃料电池车的续航里程甚至可达到1500至2000公里。

潘复生及其团队在科研领域的创新与探索步伐从未停歇，已在镁电池技术、大型镁铸件制造，以及镁基生物降解材料等多个前沿阵地取得了重要进展。

产业落地，向“镁”而行

2024年年初，一个里程碑式的合作诞生：浙企超威电源集团联合潘复生团队在重庆布局开发镁电池商业化产品。

当前，电瓶自燃、充电宝自燃等锂电池的安全事故，让氢燃料电池、硫系全固态电池、钠离子电池、镁电池等新型材料进入科学家的视野。

作为全球首款安时级镁电池电芯的研发团队，潘复生团队为新一代高效环保安全的电池提供了一个新方向。

在2024年的之江院士讲坛上，潘复生前瞻性提出，镁电池体积理论能量密度不比锂电池差。镁成本只有锂的2%到4%。此外，镁电池的六方晶体结构意味着其不会像锂电池易长枝晶，也不容易穿透隔膜，安全性能高且污染排放少，我国发展镁电池有相当充足的优势。

在发达国家和地区，镁电池的研发同样是一场竞赛。欧盟把镁电池明确为重点研究项目；美国能源部也支持一批著名研究单位，介入镁电池研究；日本电池行业更是认为，镁电池可能成为锂电池的颠覆者。

据业内分析，镁电池若能成功实现技术瓶颈的突破，可缓解我国资源短缺问题，对能源转型和新能源汽车竞争力提升都有着重要意义。

生物医用的镁产业同样蓄势待发。

近日，兰溪镁材料研究院牵头的可降解镁合金钉板系统项目完成了最后一次动物体内实验，正申请开展临床试验。

“镁合金骨钉骨板的最大优势在于其可降解性，这一特性省去了二次手术取出的需要，减轻了患者的痛苦、降低了医疗成本。”佘加说。

他举了一个例子：“想象一个骨折初愈人靠在一根水泥柱子上，如果水泥柱子突然被移走，这个人肯定会感到不适应。但如果这个骨折的人靠的是另一个人，而那个人缓慢地走开，这种不适应感就会大大减轻。”镁合金骨钉骨板在一年内会逐渐降解，为刚愈合的骨组织提供了宝贵的缓冲时间。

然而，纯镁骨钉、骨板虽能在体内保持力学性能一年左右，但强度不够，需要加入生物相容性较好的其他元素。佘加说，骨骼愈合期需要3个月，骨钉骨板的力学性至少需要保持这么长时间。但加入其他合金元素后，镁合金容易发生电化学腐蚀，这也就意味着，镁合金骨钉、骨板在人体内保持力学性能的时间，很可能达不到3个月。

这个矛盾，是科研中最大的难点。“我们前后进行了数十次动物实验，最开始，一个月时间就降解得只剩下50%。”参与项目的广州医科大学附属第三医院研究员周蕾说，经过多次调整实验，最后一次动物体内实验中，镁合金骨钉、骨板在动物体内十周时间，降解程度还不到10%。

不管是生物医疗，还是工业制造领域，实验室的研究成果想要成为企业的规模化产品，还需要补足“最后一纳米”——生产环节。

以金华当地的英洛华公司为例，早前，该企业生产的镁合金一体车架需要半固态注射成型工艺，而这一工艺只能在重庆完成。

经过一年多谋划，今年4月，由兰溪镁材料研究院平台公司（兰创集团子公司）和浙江一速运动器材制造有限公司联合投资共建的镁合金半固态压铸中试基地在兰溪投用，还将逐步建成挤压、精密加工和表面处理等智能化中试车间，构建镁材料产业“实验室—中试—产业化”的全流程转化体系。

一速运动负责人黄华几年前就开始关注镁材料运用。现在，一速运动携手兰溪镁材料研究院，与自行车行业的领军企业强强联合，共同致力于自行车镁合金把手与避震器的研发工作。“目前，这些产品已进入试制阶段，客户需求迫切，订单催促不断。”黄华说，还携带样品奔赴德国，参加国际自行车贸易展览会，为镁合金产品开拓新市场。

产业链条的拓展，无疑将为镁的成果转化注入强劲动力，推动更多创新成果从实验室迈向市场应用。

【链接】

各领域中的镁合金应用