西安交大研究人員在低成本高純鎂制備領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

上海自動(dòng)化儀表四廠近日，西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院?jiǎn)沃莻ソ淌趫F(tuán)隊(duì)在國際高水平學(xué)術(shù)期刊《自然·材料》(Nature Materials)發(fā)表題為《超低成本去除原鎂中鋁雜質(zhì)》(Removing aluminium impurities in primary magnesium at an ultra-low cost)的研究論文，提出了一種全新的鎂純化策略，在工業(yè)條件下實(shí)現(xiàn)了鋁雜質(zhì)的高效、低成本去除，為低鋁高純鎂的大規(guī)模制備提供了關(guān)鍵技術(shù)突破。

　　上海自動(dòng)化儀表四廠鎂是重要的戰(zhàn)略金屬，在交通輕量化、高端戰(zhàn)略金屬還原及生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。當(dāng)前全球約80%的原鎂依賴硅熱法生產(chǎn)，該工藝雖具成本和規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)，但伴有雜質(zhì)含量高、波動(dòng)大的痼疾。其中，鋁雜質(zhì)尤為突出，其不僅含量普遍偏高，而且在工業(yè)生產(chǎn)中波動(dòng)最為劇烈。研究數(shù)據(jù)顯示，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鋁含量可在21ppm至845ppm之間大幅變化，波動(dòng)幅度超過32倍，跨越了五個(gè)純度等級(jí)。這種不穩(wěn)定性不僅嚴(yán)重制約了鎂在電子級(jí)鈦、核級(jí)鋯、生物醫(yī)用等高端領(lǐng)域中的應(yīng)用，而且由于不同純度品級(jí)之間差價(jià)顯著，也直接降低了生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。但長期以來，鋁雜質(zhì)波動(dòng)的頑疾卻被視為一種該工藝的伴生物，很難治愈。

　　在對(duì)工業(yè)化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中，研究團(tuán)隊(duì)注意到：即便在波動(dòng)特別大的單日生產(chǎn)數(shù)據(jù)中，少部分爐次的鋁雜質(zhì)含量卻可以很低。考慮到單日工業(yè)生產(chǎn)條件，如原料，爐溫，工人操作等相對(duì)穩(wěn)定，降低鋁雜質(zhì)的配方很可能就隱藏在現(xiàn)有的工藝流程中。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人單智偉比喻說，他們是受到了“天下至毒之物，七步之內(nèi)必有解藥”這一哲學(xué)思想的啟發(fā)，最終找到了低成本除鋁雜質(zhì)的新方法。

　　為突破上述難題，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該雜質(zhì)的產(chǎn)生，傳遞和沉積機(jī)理進(jìn)行了全面的剖析。早在2023年，他們就發(fā)現(xiàn)，在硅熱法過程中，鋁主要以氣態(tài)氟化鋁形式存在，并在冷凝過程中與鎂共同沉積，成為污染的根本來源(Yang, Shan et al., J. Magnes. Alloy, 2023)。類似于燒水會(huì)在水壺內(nèi)壁結(jié)垢，在金屬鎂的工業(yè)生產(chǎn)中，還原罐的內(nèi)壁也會(huì)結(jié)垢，在罐口附近尤為嚴(yán)重，工人每生產(chǎn)批次必須對(duì)罐口附近的結(jié)垢進(jìn)行刮擦清理。這些垢的化學(xué)成分是什么？會(huì)不會(huì)隱藏著雜質(zhì)去除的秘方？帶著這些問題，團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的分析表征技術(shù)，對(duì)罐內(nèi)壁的結(jié)垢進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析，果真在其中發(fā)現(xiàn)了一種穩(wěn)定的含鋁化合物：Ca12Al14F2O32。結(jié)合此前的研究，團(tuán)隊(duì)推測(cè)氧化鈣很可能對(duì)去除鋁雜質(zhì)有奇效。

　　博士生鄭芮通過理論分析驗(yàn)證了上述想法，并很快在實(shí)驗(yàn)室搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，證明了使用氧化鈣可將鎂中鋁含量從約109.5ppm降低至6.3ppm，雜質(zhì)去除率超過90%。由于和原鎂生產(chǎn)領(lǐng)域的龍頭企業(yè)泰達(dá)煤化有著長期合作關(guān)系并共建有陜西省鎂基新材料中試基地，研究團(tuán)隊(duì)通過網(wǎng)絡(luò)會(huì)議將這一重要發(fā)現(xiàn)及時(shí)告知了合作伙伴，并指導(dǎo)對(duì)方進(jìn)行了工業(yè)產(chǎn)線上的驗(yàn)證，結(jié)果同樣令人振奮。后經(jīng)過幾輪迭代優(yōu)化，采用更低成本、更易獲取且可循環(huán)利用的煉鎂原料——煅燒白云石(氧化鈣和氧化鎂的混合物)作為濾材，鋁含量滿足高純鎂(Mg9998)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品比例由原先接近0%提升至83.3%，實(shí)現(xiàn)了從“偶然達(dá)到”到“穩(wěn)定獲得”的跨越。分析表明，該方法的純化成本較主流真空蒸餾技術(shù)降低約96%，為低成本規(guī)?；苽涞弯X高純鎂提供了切實(shí)可行的路徑，為向下游高端應(yīng)用提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)且經(jīng)濟(jì)的原材料奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。此外，該“沉積物啟發(fā)”的濾材篩選策略還可進(jìn)一步拓展至鎂中其他雜質(zhì)的調(diào)控。在專利被授權(quán)之前，該技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)產(chǎn)線上得到推廣應(yīng)用，并產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人單智偉指出，“如果研究對(duì)象本身就是企業(yè)面臨的技術(shù)難題，一旦突破，成果很快就能落地并產(chǎn)生效益，根本就不會(huì)有成果轉(zhuǎn)化難的問題”。

　　西安交大單智偉教授為論文通訊作者，博士生鄭芮為作者。參與該工作的還有西安交通大學(xué)楊博助理教授、王悅存教授、劉博宇教授和碩士生楊唯一。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高校聯(lián)合項(xiàng)目、陜西省科技廳創(chuàng)新能力支撐計(jì)劃等支持，并得到西安交通大學(xué)人文學(xué)院朱曉文教授、材料學(xué)院章效鋒教授，以及材料學(xué)院工程師程曉華、范傳偉、張瑩潔，研究生郝旭邦、王澤坤、王安、馬英子等人的支持與幫助，同時(shí)得到府谷縣泰達(dá)煤化楊永亮、王衛(wèi)峰、高志軍、逯明輝，以及國科鎂業(yè)王鵬飛等相關(guān)企業(yè)負(fù)責(zé)人和技術(shù)人員在產(chǎn)業(yè)化過程中的支持。

　　上海自動(dòng)化儀表三廠十余年來，單智偉教授研究團(tuán)隊(duì)依托西安交通大學(xué)材料學(xué)院、金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)微納中心和陜西省鎂基新材料工程研究中心開展了一系列基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化。在基礎(chǔ)研究方面，團(tuán)隊(duì)長期聚焦金屬材料變形機(jī)制與性能調(diào)控這一核心科學(xué)問題。2014年，在單晶鎂中發(fā)現(xiàn)金屬區(qū)別于傳統(tǒng)位錯(cuò)和孿晶之外的第三種室溫變形機(jī)制(Nat. Commun., 2014)，并榮獲美國TMS學(xué)會(huì)鎂分會(huì)年度“基礎(chǔ)研究論文獎(jiǎng)”；揭示了析出相形貌對(duì)孿晶行為的調(diào)控規(guī)律，建立了新的鎂合金強(qiáng)塑性判據(jù)(J. Mater. Sci. Technol., 2018, 封面推薦)；提出通過活化二氧化碳，在室溫條件下構(gòu)建致密保護(hù)膜層，實(shí)現(xiàn)鎂及其合金抗腐蝕性與抗氧化性能的協(xié)同顯著提升，發(fā)展了綠色低成本鎂合金涂層新技術(shù)(Nat. Commun., 2018)；打破長期以來“純鎂塑性差”的普遍認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)高純凈的鎂不僅可以承載很大的塑性變形，且其變形機(jī)制也與此前領(lǐng)域內(nèi)的主流觀點(diǎn)迥異(Science, 2019; Nat. Commun., 2022)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀中鎂純化技術(shù)成本高昂，難以大面積推廣的難題，提出“基于氣態(tài)原子選擇性分離”的新型金屬鎂純化思路，發(fā)明了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，成功制備出公開報(bào)道檢測(cè)元素全的高純度鎂，進(jìn)一步研發(fā)了“梯度冷凝，吸附過濾”等系列技術(shù)及配套裝備，建成國內(nèi)首條3N5A級(jí)高品質(zhì)鎂示范線，將企業(yè)高品質(zhì)鎂達(dá)標(biāo)率由之前的不到1%提高到90%以上，并實(shí)現(xiàn)萬噸產(chǎn)能推廣，上海自動(dòng)化儀表三廠成果應(yīng)用新增總產(chǎn)值已超過23億元。基于所研制的高品質(zhì)(性能優(yōu)異且穩(wěn)定)鎂產(chǎn)品，創(chuàng)制了全球首輛鎂合金氫能驅(qū)動(dòng)重載卡車，單車用鎂量超800公斤，相比原鋼質(zhì)方案綜合減重超1噸/輛，成果進(jìn)展兩次被央視報(bào)道，目前安全營運(yùn)里程超過10萬公里。