众所周知，我们的能源主要消耗在工业过程和日常生活中。比如，与人们生涯息息相关的汽车几乎消耗了世界上1/3的石油，制造了近1/4的二氧化碳排放。此外，航空、轨道交通等领域也不例外。因此，“节能减排”已成为制造业实现可持续发展的关键词。有研究表明，交通工具的能耗与它的重量直接相关，比如，轿车每减轻10%，燃油消耗就减少6%到8%。可以说，“轻量化”应该是节能减排的最有效手段之一，而“轻量化”最直接、最有效的手段是在保证性能不变的情况下采用密度更轻的新材料替代传统制造材料，比如，美国波音最新的787飞机大部分就采用了超轻的树脂基碳纤维复杂材料来制造机身。

 

　　镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%，位居常用金属的第4位。此外，在盐湖及海洋中镁的含量也十分可观，如海水中镁含量达2.1×1015吨，可以说取之不尽、用之不竭。同时，镁是目前能够直接结构材料的最轻金属材料，其比重只有1.74，相当于铝的2/3，钢的1/4。由镁为通过添加其他元素而组成的镁合金具有比强度、比刚度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成形和容易回收等优点，被学术界和工业界认为是“21世纪绿色工程材料”。

 

　　现在镁及镁合金越来越受到人们的青睐,应用也越来越广泛,从航空航天到日常生活用品,无处不见其踪影。镁合金材料是一个新兴的金属材料，虽然近三十年得到了飞速的发展，但许多读者对于镁这个材料及其用途还不太了解，有必要加以解释。

 

　　由于镁合金具有很低的密度，是重要的轻量化材料，在汽车、航空航天、轨道交通、国防军事领域可以发挥重要的减重效果。然而，纯镁的绝对强度是比较低的，不超过100MPa，不能直接用于承力的结构部件，必须经过合理的成分设计和加工工艺的控制来实现优良的组织与性能。近年来，各国的材料学家对高性能的镁合金材料的设计与加工技术开展了大量的研究工作，并取得了许多重要突破。笔者所在的课题组长期从事镁合金材料的开发与应用研究，通过一系列先进的材料微观分析手段，系统研究了各种合金化元素，尤其是对我国具有资源优势的稀土元素在镁基体中的作用机理、作用载体和强韧化机制等作了多年基础研究，通过这些基础研究开发了一系列具有自主知识产权的高性能的新型镁合金材料，比如新型高强度镁合金拉伸强度可以超过500MPa，其比强度达到250MPa/g.cm-3，这个水平已接近比强度最高的金属材料钛合金的水平；所研发的高耐蚀镁合金腐蚀速率小于0.35毫米/年，超过普通钢材的耐蚀性能，接近防锈铝的水平。

 

　　有资料表明，汽车、商用飞机、战斗机、航空器重量每降低0.45公斤，可分别节约3、300、3000 和30000美元。这就是为何航空航天领域往往是最先采用新型轻质材料的领域。目前，轻质的镁合金已被大量用在军用的战斗机和直升飞机重要部件上，比如，传动机匣、飞机轮毂、挂弹架、齿轮箱、飞行头盔、航空座椅等。在商用飞机方面，波音公司在其737、747、757、767等机型上采用AZ92镁合金制造推力反向装置等镁合金零部件，近期更是在FAA的领导下完成了镁合金用于商用飞机机舱内部件的可行性研究，尤其是防火性能评估，已经开始研发高强度镁合金座椅以替代现行的铝合金座椅。

 

　　耐高温镁合金在航空发动机上的应用将是镁合金的下一个应用方向。目前罗尔斯——罗伊斯公司在航空发动机上已采用镁稀土合金ZE41制造冷端风扇部件和进气机匣等，下一步将有可能应用于工作温度更高的压气机轮盘等部件，以提高发动机的效率。

 

　　此外，导弹等航天器也是镁合金的一个重要应用领域。国内外越来越多地采用新型镁合金来制造导弹的外壳，比如，美国大力神火箭采用镁合金制造了直径超过1.6m的外壳。我国的“荧火”系列火星探测器、神五、神六飞船等重大工程上也采用了部分镁合金部件。

 

　　汽车是镁合金应用量最多的领域。采用镁合金制造汽车零部件可以让汽车更轻、更安全、更节油。早期镁合金主要用于制造汽车仪表盘骨架、方向盘骨架、踏板支架等内饰件。镁合金具有优良的阻尼减振性能，目前大约50%以上的轿车已采用镁合金来制造带安全气囊的方向盘架。近期随着新型高强度或耐热镁合金材料的设计与开发，镁合金已逐步走向车身、发动机系统和底盘系统部件的研发。镁合金制造的汽车轮毂，由于比其他材料制造的轮毂具有更小的惯性质量，而使汽车具有更短的启动和制动距离而提高汽车的安全性，而且可获得更好的节油效果。比如，日本某著名的轮毂制造商曾测试用同规格的镁合金轮毂替代铝合金轮毂在高速公路行驶条件下最高可达20%的节油效率。

 

　　上海交通大学近年与美国通用汽车公司合作采用新型的JDM1合金成功地开发了全球首款全镁的V6型发动机缸体样件，展示了耐热镁合金应用于“汽车心脏”的可能性。中-美-加三国政府间国际合作计划“汽车镁质前端”项目也正是致力于将汽车前舱除发动机以外的部件采用镁合金进行集成优化设计并开发其相应的制造技术，以使汽车前舱最大化地轻量化。

 

　　除了镁合金作为结构材料显示了其巨大的应用前景外，近年还发现镁合金在功能材料领域也有重要应用价值，比如能源材料和生物医用材料领域。氢在宇宙间含量丰富，其燃烧热值高，并且燃烧的产物是水，零污染，被誉为是解决未来清洁能源需求问题的首选新能源之一。然而氢能的储运技术严重制约了其大规模应用。从体积储氢密度、储氢能耗、安全性等因素考虑，金属储氢是目前公认最好的储氢方法之一，其原理就是通过某种物理或化学的方法把氢气转化为氢原子存放到固体金属的晶格间隙中并在需要时释放出来重新还原成可燃氢气的一种可逆方法。因而金属储氢的核心材料――金属储氢材料也成为研究的热点。

 

　　由于镁元素的化学活性使之易于与氢元素结合，使镁基储氢材料成为非常具有应用前景的储氢材料之一，它具有储氢量高，质量百分比高达7.6%，在所有金属中位居第一；镁的吸放氢条件比较苛刻。笔者所在课题组近年来突破传统的机械球磨制备纳米镁粉和开发镁基储氢材料的局限，发明等离子气相反应法和孔性材料装载法制备纳米级多元镁合金粉体，显著提高了镁基储氢材料的充放氢速度和降低了充氢温度。此外，镁优秀的化学活性和高能量值，还可将用于设计制造镁离子二次电池，利用镁离子在正负极的可逆迁移实现电荷的充放电，有望成为像锂离子电池一样的高功率密度但价格更加低廉的充电电池。上海交通大学镁材料工程中心是目前国际仅有的三家开发出能量密度超过120mAh/g镁离电子电池原型的研究机构之一。

 

　　此外，由于镁是人体必需的有益微量元素和金属镁在人体的可降解性，以及金属镁与人体骨骼相近的力学性质，近年来发现镁基材料还可用于开发镁基生物降解材料，由此镁又被美国科学家喻为“21世纪革命性的生物材料”，受到世界各国的高度关注。

 

　　镁基生物材料主要可应用以下几个方面：1、骨固定材料，2、骨组织工程多孔支架材料，3、冠状动脉植入支架材料，4、其他植入材料等。与传统的惰性金属生物材料相比，镁基生物材料具有“不需二次手术、完全降解吸收、避免应力遮挡效应而延缓骨骼愈合”等优势，与非金属基生物材料相比，它具有更好的力学性能，保证临床应用的安全性。目前以不锈钢和钴铬合金为基础的药物洗脱心血管支架(DES)仍不能从根本上解决亚急性血栓形成和再狭窄的问题，而镁合金作为可降解的心血管支架有望从根本上解决这些问题，镁合金具有理想的机械支撑力、良好的生物相容性且容易降解，其降解产物能参与新陈代谢。目前镁基生物材料研究的重点是如何控制其体液或血液内的降解速度以及研究其失效行为。