增強材料抗腐蝕性能 突破應(yīng)用瓶頸 哈工程學(xué)生團隊給鎂鋰合金穿上“防護服”
2024年03月18日 14:49 24833次瀏覽 來源： 中國有色網(wǎng) 分類： 鎂資訊
受到荷葉“超疏水表面”的啟發(fā)，給鎂鋰合金材料穿上了一層防腐“防護服”，增強了材料的抗腐蝕性能，使其可廣泛應(yīng)用在航空裝備、航天裝備等重大工程部件上。近日，在哈爾濱工程大學(xué)化學(xué)院老師巫瑞智、閔譯萱、張景懷和機電學(xué)院老師周瑩的指導(dǎo)下，方子銘、張弛、曹江琪、何良緒、曹明宇、鄭佳明等15位本科學(xué)生完成的“鎂翎科技——新一代超疏水輕型強韌鎂鋰合金領(lǐng)跑者”項目，打造微弧氧化超疏水鎂鋰合金，實現(xiàn)了鎂鋰合金在極端惡劣環(huán)境長時間服役。該項目在中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽中收獲本科生創(chuàng)意組金獎，項目團隊作為全國十佳金獎代表上臺領(lǐng)獎。目前，該項目團隊基于微弧氧化超疏水鎂鋰合金相關(guān)研究發(fā)表了3篇SCI論文，申請了3件國家發(fā)明專利，其中1件專利已獲授權(quán)。
師生一拍即合
為材料“穿上防護服”
“一代材料，一代裝備。”巫瑞智老師的這句話，給團隊隊長方子銘留下了深刻印象。在航空航天裝備領(lǐng)域，材料輕量化是永恒的發(fā)展主題，能提高運力、節(jié)能減排、降低成本、帶來直接利潤。中國航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森曾說過：“航天器一個零件減少一克重量都是貢獻。”
鎂鋰合金作為世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的阻尼減震性能和良好的塑性變形能力等優(yōu)點，是航天部件輕量化的理想材料，且其具有較高的性價比和豐富的上游資源儲備，有廣闊的市場前景。但是鎂鋰合金極易腐蝕，這使其在應(yīng)用時受到了很大的限制。
2022年，剛上大二的方子銘敲開了巫瑞智老師辦公室的門，說出了自己想要投身科研的想法。“優(yōu)秀的科創(chuàng)學(xué)生培養(yǎng)是一個雙向奔赴的過程，學(xué)生的積極進取和老師的育人情懷是相輔相成的。只要學(xué)生有科研的興趣，學(xué)院和老師會無條件支持他們。”巫瑞智這樣回憶自己與方子銘的“初見”。
結(jié)合個人研究方向，巫瑞智給方子銘提出了“設(shè)計開發(fā)具有工程應(yīng)用價值的耐腐蝕鎂鋰合金防護技術(shù)”這一課題。“鎂和鋰都是活潑金屬，能與氧氣和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生疏松多孔的氧化膜等腐蝕產(chǎn)物，與鋁和銅等金屬相比，其表面無法形成具有耐腐蝕性的氧化膜層，若基體沒有防護，鎂鋰合金會迅速腐蝕導(dǎo)致失效。找到控制鎂鋰合金腐蝕的有效途徑，將助力鎂鋰合金突破現(xiàn)在的應(yīng)用瓶頸。”
小荷才露尖尖角
抗腐蝕性能再上新臺階
方子銘與學(xué)院里對科研感興趣的同學(xué)組成了鎂翎科技團隊，一起開始攻關(guān)。擺在他們面前的第一道“門檻”，便是要大量閱讀英文文獻，了解鎂鋰合金腐蝕機理以及不同類型表面防護涂層的制備方法、研究現(xiàn)狀、優(yōu)缺點等等。“還有一道難關(guān)，是一些基礎(chǔ)知識和基本專業(yè)概念，我們還沒有學(xué)到。”方子銘補充道，與研究課題相關(guān)的專業(yè)課在大二下學(xué)期才開設(shè)，這個課題對于剛上大二的他們來說屬于超綱問題。靠著對科研的熱情和初生牛犢不怕虎的沖勁，這群平均年齡20歲的年輕人，一邊自學(xué)專業(yè)知識，一邊在巫瑞智教授課題組博士生的耐心引導(dǎo)下開展實驗。
為抑制絲狀腐蝕和電偶腐蝕，團隊決定通過優(yōu)化合金成分與固溶熱處理工藝，從合金內(nèi)部提升其抗腐蝕性能。團隊花費一年時間，先后調(diào)控了100多種成分配比，才最終確定了鋅、釔元素比的合適區(qū)間。
在優(yōu)化合金成分的基礎(chǔ)上，團隊對比了不同固溶處理時間和溫度對于抗腐蝕性能的影響，最終獲得了對腐蝕抑制效果最好的固溶處理參數(shù)。從兩個方面入手，他們設(shè)計的合金內(nèi)部雙腐蝕抑制技術(shù)，讓鎂鋰合金腐蝕電流密度綜合提升1個數(shù)量級。
“目前的研究都是提升合金內(nèi)部抗腐蝕性能，如果我們進一步在合金表面改性，能不能讓抗腐蝕性能再上一個臺階呢？”看著雨后校園里層層疊疊的碧綠荷葉，一個大膽的聯(lián)想在方子銘心中逐漸清晰。
“荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水的表皮蠟，水滴在荷葉上形成一個球形，而不是鋪展開來，這樣的表面叫做‘超疏水表面’。如果我們給鎂鋰合金表面也涂上一層‘超疏水表面’，讓液體接觸到表面后直接滑落，它的抗腐蝕性能不就可以進一步提高了？”帶著自己的設(shè)想，方子銘再次找到巫瑞智老師，得到了巫老師的鼓勵：“超疏水技術(shù)在鎂鋰合金材料上的應(yīng)用正處于起步階段，如果能潛心鉆研，相信一定能有所突破。”
攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)
防護效果比肩高水準
制備鎂鋰合金表面超疏水膜層，核心是要獲得符合標準的材料表面接觸角，要想膜層達到超疏水標準，需要將表面接觸角做到120°以上。方子銘帶領(lǐng)團隊依據(jù)現(xiàn)有常見超疏水膜層的材料配比，一步步摸索最適合鎂鋰合金表面的配方。歷經(jīng)一年半的時間，團隊先后試驗了100多種“配方”，最終將表面接觸角做到了163°，加上了超疏水表面的鎂鋰合金，相比普通鎂鋰合金，表面接觸角增大8倍。為了讓超疏水膜層牢牢“抓緊”鎂鋰合金，團隊又通過微弧氧化技術(shù)將鎂鋰合金制造出粗糙多孔的表面，添加碳化硼等納米粒子，實現(xiàn)超疏水表面與鎂鋰合金更好的結(jié)合。
經(jīng)第三方檢測機構(gòu)檢測顯示，團隊制備的超疏水表面涂層與其他表面防護處理方法相比，腐蝕防護能力與現(xiàn)階段最高水平基本相當。
本科生項目受青睞
達成1120萬元意向訂單
“鎂翎科技團隊研制的鎂鋰合金材料突破了鎂鋰合金耐腐蝕性差的難題，滿足了中國鎂產(chǎn)業(yè)升級和航空航天等領(lǐng)域輕量化需求。我相信該團隊可為中國新材料產(chǎn)業(yè)的建設(shè)作出重要貢獻。”國際頂級專家這樣評價鎂翎科技團隊的項目。
微弧氧化超疏水鎂鋰合金防腐和輕量化效果明顯，可應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域的零部件制作，用其制作的航天器控制單元殼體，重量能夠減輕40%~50%，目前，已有4家企業(yè)與團隊共計簽署了1120萬元的零件預(yù)售訂單。
去年5月份，鎂翎科技團隊作為黑龍江省唯一受邀的本科生創(chuàng)業(yè)團隊，帶著產(chǎn)品參加了黑龍江省科技活動周，并受到前來參觀的專家鼓勵：“學(xué)生團隊今天科創(chuàng)的一小步，可能就是明天科技事業(yè)發(fā)展的一大步。”
回想專家的話，方子銘感觸良多，成功離不開指導(dǎo)老師和師兄師姐的耐心幫助，離不開學(xué)校、學(xué)院的鼓勵支持，無論多晚發(fā)到指導(dǎo)老師手里的答辯材料，總能在第二天早上8點前就得到反饋意見。未來，團隊將進一步探究微弧氧化膜層的熱控性能，更好地滿足成果在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。成員們也將以一貫的熱愛與堅持，在自己追夢的道路上大踏步地走下去。
責任編輯：楊一鳴
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