宋江鳳,潘復(fù)生
(重慶大學(xué)國家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心,重慶 400044)
材料是人類一切社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性要素,是推動技術(shù)革命和人類文明飛躍發(fā)展的基石。先進(jìn)新材料的發(fā)展已成為國際競爭的重點領(lǐng)域,是決定一國高端制造及國防安全的關(guān)鍵因素。我國新材料在近十年間取得了巨大的進(jìn)步,部分材料已處于世界領(lǐng)先水平。在鎂合金材料方面,我國多數(shù)方向處于技術(shù)領(lǐng)跑階段,擁有最大的技術(shù)團(tuán)隊、最多的科技論文成果、最大的公開專利數(shù)量等,并擁有國際最頂尖的鎂合金學(xué)術(shù)期刊。
但和先進(jìn)發(fā)達(dá)國家相比,我國許多關(guān)鍵材料仍落后于歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。特別是高精端材料和材料制備技術(shù)方面存在較大差距。例如,先進(jìn)基礎(chǔ)材料多個領(lǐng)域盡管產(chǎn)量世界第一,但生產(chǎn)能耗大,成本高,高品質(zhì)基礎(chǔ)材料產(chǎn)量低;關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)鏈上下游脫節(jié)、技術(shù)體系不完備,部分配套產(chǎn)品和制備設(shè)備對外依存度高;前沿新材料跟跑階段較多,原始創(chuàng)新亟待加強。在“雙碳”背景和礦產(chǎn)資源短缺的情況下,突出重點發(fā)展我國具有資源優(yōu)勢的先進(jìn)材料十分重要。鎂及鎂合金材料具有資源豐富、力學(xué)性能好、功能特性優(yōu)異、環(huán)境友好等特點,是極有潛力的輕量化材料和儲能材料,但存在產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、應(yīng)用面窄、功能特性沒有發(fā)揮等短板,其產(chǎn)業(yè)發(fā)展和更大規(guī)模的推廣應(yīng)用對節(jié)能減排、能源轉(zhuǎn)型、大健康等都有特別重要的意義[1-2]。
我國鐵、銅、鋁、鎳等15種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的資源儲量占全球比重均低于20%,鐵礦、鋁礦每年進(jìn)口數(shù)量巨大,鐵礦石、鉻鐵礦,以及銅、鋁、鎳、鈷、鋯等對外依存度已經(jīng)超過70%,其中,鋰、鈷等金屬資源短缺更為嚴(yán)重。我國2/3以上的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源儲量在全球均處于劣勢。例如,“十三五”期間,我國鋁土礦進(jìn)口量年均增長14.7%,十四五期間鋁土礦進(jìn)口量依然在增加,其中2020年我國進(jìn)口鋁土礦11155.8萬噸,同比增長10.8%。
中國是世界上鎂礦資源最豐富的國家,總儲量及產(chǎn)量均為世界第一,發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)具有明顯的資源優(yōu)勢。其中,目前已探明可開采的白云石鎂礦超過300億噸(上世紀(jì)末數(shù)據(jù)是40億噸),菱鎂礦超過30億噸,鹽湖氯化鎂儲量40億噸。另外,海水中也含有豐富的鎂資源。因此師昌緒等五位院士認(rèn)為:鎂資源“取之不盡、用之不竭”,并呼吁我國政府一定要高度重視鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在“雙碳”背景下,加快發(fā)展我國鎂產(chǎn)業(yè)意義更為重要,大力推進(jìn)鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展有助于緩解我國戰(zhàn)略資源短缺問題,有助于我國發(fā)展中國主導(dǎo)的高端產(chǎn)品,對增加我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展競爭力、保障我國經(jīng)濟(jì)安全和戰(zhàn)略資源安全、推動可持續(xù)發(fā)展有重要戰(zhàn)略意義。
輕量化是我國節(jié)能減排最有效最現(xiàn)實的途徑,但我國輕量化水平遠(yuǎn)低于國外,特別是汽車行業(yè)輕量化水平更低。如果在汽車等交通領(lǐng)域能大規(guī)模應(yīng)用先進(jìn)鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等新型材料,將為我國每年節(jié)約至少2000多億元的能耗,也將帶動我國材料行業(yè)占據(jù)世界先進(jìn)輕量化材料的制高點并產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。但我國輕量化水平和發(fā)達(dá)國家相比差距極大,交通輕量化材料的單車應(yīng)用量明顯較小。對標(biāo)國外先進(jìn)產(chǎn)品,我國電動乘用車普遍偏重10%~30%,電動商用車普遍偏重10%~15%,這對新能源汽車?yán)m(xù)航里程的增加和節(jié)能減排的預(yù)期也形成嚴(yán)重制約。我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》曾對汽車輕量化制訂了明確的路線圖,其中,新能源汽車的“減負(fù)”任務(wù)最重,2030年要目標(biāo)減重35%。但按照目前的技術(shù)進(jìn)度和政府政策,這一目標(biāo)很難實現(xiàn)。根據(jù)美國能源部數(shù)據(jù),車輛重量減少10%,可使燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%~8%;汽車行駛20萬公里,能實現(xiàn)二氧化碳減排近8噸/輛。而商用飛機(jī)減重相同質(zhì)量帶來的經(jīng)濟(jì)效益是汽車的近100倍,軍用飛機(jī)的輕量化效益又是商用飛機(jī)的10倍,更重要的是輕量化帶來的機(jī)動性能改善可極大提高戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)斗力和生存能力。
鎂合金具有密度小、比強度高、減振降噪、資源豐富、環(huán)境友好等特點,比強度遠(yuǎn)高于鋼鐵、鋁合金和鈦合金,輕量化效果極為顯著[3-4]。在等剛度條件下,采用鎂代替鋼可減重60%以上;在等強度條件下,鎂代替鋼可減重70%以上,代替鋁可減重30%以上。鎂合金在汽車、摩托車、軌道交通、航空航天、信息產(chǎn)業(yè)、能源工業(yè)等領(lǐng)域均有重要的輕量化應(yīng)用潛力。大力發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)、大規(guī)模推廣應(yīng)用鎂合金,對中國制造“減重騰飛”意義重大,對節(jié)能減排推動“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)意義重大,對提高我國國防競爭力意義重大。
能源轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵,能源安全是保障國家安全的生命線,而其中儲能是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在“雙碳”背景下,如何保障國家能源安全,對儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求?,F(xiàn)有儲能方式主要有抽水蓄能、電化學(xué)儲能、儲氫、儲熱、機(jī)械儲能等。抽水蓄能由于度電成本低,目前在大規(guī)模儲能中占比極大,但是抽水蓄能能量儲存效率較低并受水庫地理條件的限制,環(huán)境評估難度大;以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能,由于存儲方便,在電動交通工具、便攜電子產(chǎn)品等方面獲得廣泛使用,但鋰離子電池存在資源短缺、安全性能較差、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源,在降低環(huán)境污染和實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型方面潛力巨大,氫能應(yīng)用已成為全球發(fā)展戰(zhàn)略和競爭焦點,2019年氫能首次寫入我國政府工作報告。但在氫氣制造、儲存運輸和應(yīng)用三個環(huán)節(jié)中,氫氣的高效安全儲存運輸已成為制約氫能應(yīng)用的重大瓶頸,現(xiàn)有高壓和液態(tài)氫儲運存在的安全性差、效率低已成為氫能發(fā)展的“卡脖子”技術(shù)。上述問題嚴(yán)重制約我國清潔能源的發(fā)展應(yīng)用和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn),發(fā)展新一代儲能材料與裝備產(chǎn)業(yè)是我國大規(guī)模應(yīng)用清潔能源的剛性需求。
在新一代儲能電池和電力電池中,鎂電池的性能潛力和發(fā)展?jié)摿薮?。鎂電池能量密度和鋰電池相當(dāng),但安全性大幅度提高,戰(zhàn)略資源有重要保障并且可以大幅度降低環(huán)保負(fù)擔(dān)[5]。有關(guān)專家認(rèn)為,鎂電池一旦實現(xiàn)突破,有望引起電池工業(yè)顛覆性革命。氫能戰(zhàn)略是全球發(fā)展戰(zhàn)略,但缺乏安全高效的氫氣儲存和運輸技術(shù),目前大量使用的高壓氫氣罐不僅有重大安全隱患而且儲氫密度只有1%~2%,而鎂固態(tài)儲氫密度可以達(dá)到5%~7%,并且由于是常溫常壓儲存和運輸,安全性大幅度提高[6]。鎂固態(tài)儲氫技術(shù)的突破對氫能汽車、儲能產(chǎn)業(yè)、氫化工和氫冶金等領(lǐng)域發(fā)展都有重要意義。
生物醫(yī)用材料是用于修復(fù)、診斷、治療、替換人體組織或器官或增進(jìn)其功能的重要基礎(chǔ)材料,包括人工血管、人工心臟瓣膜等血液循環(huán)功能人工器官材料,骨科植入物、人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工假肢等運動功能人工器官材料,整形美容功能人工器官材料、感覺功能人工器官材料等,對提高醫(yī)療水平、保障人民身體健康有重要意義。但目前的生物醫(yī)用材料大多不可降解和吸收,對人民群眾的健康水平和生活質(zhì)量產(chǎn)生了重大影響??缮锝到夂臀盏尼t(yī)用材料已成為國內(nèi)外新一代生物醫(yī)用材料發(fā)展的重點和熱點。
生物鎂合金具有生物相容性好、可降解、抗菌性好、資源豐富、成本低等特點,是極有潛力的新一代可降解吸收的生物醫(yī)用材料。作為介入治療器件,其在病變組織治愈后的一定時間內(nèi)可以自行降解消失,從而免除了二次手術(shù)給患者帶來的身體和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),消除了異物長期留存體內(nèi)造成的松動、移位、有害離子溶出、二次病變(如血管支架部位再狹窄等)、排異反應(yīng)等遠(yuǎn)期隱患。此外,鎂合金在體內(nèi)植入還具有其它優(yōu)異特點:彈性模量與人體骨相近,大大減輕了應(yīng)力遮擋效應(yīng),有利于骨組織的恢復(fù);密度小、重量輕,可減少患者的機(jī)械負(fù)載;鎂離子具有一定的抗菌功能,對癌細(xì)胞有殺滅作用,降解過程產(chǎn)生的氫具有抗氧化、抗炎癥、抗細(xì)胞凋亡及抗腫瘤等諸多有益效應(yīng)[7]。
察爾汗鹽湖年產(chǎn)鉀肥超過600萬噸,占全國總產(chǎn)量的90%,隨著鉀資源的開發(fā)利用,產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)氯化鎂。每生產(chǎn)一噸氯化鉀,將副產(chǎn)8~12噸氯化鎂。以每年600萬噸鉀肥生產(chǎn)計算,年排出老鹵折算成無水氯化鎂7000余萬噸,每年可以生產(chǎn)金屬鎂1200萬噸以上。鹽湖鹵水氯化鎂純度高、成本低,如果得不到有效利用,既造成了資源浪費也破壞鹽湖的礦物生態(tài),帶來環(huán)境壓力[8-9]。針對察爾汗鹽湖的資源特點,大力發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)、建立鹽湖鎂資源綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈極為迫切。
鎂合金作為最有潛力的輕量化材料和優(yōu)異的功能特性已引起世界各國的高度重視,美、日、德等發(fā)達(dá)國家均把其列為戰(zhàn)略新材料。近20年來,各國政府對鎂合金的發(fā)展和應(yīng)用的高度重視,大大推動了鎂產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用。歐洲研制的鎂合金汽車零部件已超過60種。北美開發(fā)和研制的鎂合金汽車零部件已超過100種。歐美去年對中國鎂產(chǎn)品出口的急需程度進(jìn)一步反映出西方對應(yīng)用鎂合金產(chǎn)品的迫切性。
我國政府近年來也高度重視鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在發(fā)改委、科技部等部門的支持下,我國鎂合金研發(fā)的總體水平已處于世界先進(jìn)水平,部分重要方向已處于世界領(lǐng)先,擁有最大的技術(shù)團(tuán)隊、最多的科技論文成果、最大的公開專利數(shù)量等,并擁有國際最頂尖的鎂合金學(xué)術(shù)期刊。國家標(biāo)準(zhǔn)化組織“鎂及鎂合金技術(shù)委員會”主席單位和鎂合金合金國際刊物的主編單位也在落在中國,我國在世界上已有重要鎂產(chǎn)業(yè)話語權(quán),是少數(shù)在國際上處于前沿的新材料。
在產(chǎn)品開發(fā)方面,我國已開發(fā)出150多款交通用和通信用零部件,包括高品質(zhì)鎂合金方向盤骨架、儀表盤支架、座椅骨架、中控支架、顯示屏支架、空調(diào)支架、變速箱殼體、轉(zhuǎn)向支架、油底殼、扶手支架、防撞梁、發(fā)動機(jī)支架等。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面,重慶博奧鎂鋁金屬制造有限公司、浙江萬豐新材料科技有限公司、南京云海金屬、上海鎂鎂等多個鎂合金汽車零部件廠家建立了完整的產(chǎn)業(yè)體系,成為了寶馬、保時捷、沃爾沃、通用、福特等世界知名汽車廠商的合格供應(yīng)商,供應(yīng)了全球至少90%以上的鎂合金汽車零部件。我國生產(chǎn)的鎂合金零部件已在幾千萬輛汽車上開始應(yīng)用。中國已成為世界最大的鎂合金生產(chǎn)國和使用國。
在新材料開發(fā)方面,我國開發(fā)的鎂合金新材料占世界同期開發(fā)的鎂合金新材料50%以上,重慶大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位開發(fā)的一批新合金已批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)牌號。重慶大學(xué)提出了鎂合金“固溶強化增塑”合金設(shè)計新思路[4],開發(fā)出了一大批高塑性高性能鎂合金材料,包括鑄造耐熱鎂合金、高強度低成本變形鎂合金、超高強鎂合金、高延展性鎂合金等,形成了以AZ31,AE81和ZK60為代表的常規(guī)鎂合金,以ZM61和AT61M為代表的低無稀土高強度鎂合金,以VW84M為代表的超高強度鎂合金,以VK41M為代表的超高塑性鎂合金,以VW92M為代表的超高強鑄造鎂合金等新型高性能鎂合金體系,其中VW84M超高強度鎂合金的抗拉強度為538 MPa、延伸率為13%,VK41M超高塑性鎂合金延伸率為69%,均是世界上綜合性能最好的鎂合金材料。
我國鎂及鎂合金盡管有顯著的資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢,但存在產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、應(yīng)用面窄、功能特性沒有發(fā)揮等問題,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求和重大工程的剛性需求。具體包括:一、鎂產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模偏小,離大宗基本金屬材料的要求差距較大;二是鎂生產(chǎn)企業(yè)小而散,百萬噸原鎂上百個企業(yè),并且長期民營企業(yè)為主體。寶武鋼很有戰(zhàn)略眼光,已開始較大規(guī)模參與鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展,體現(xiàn)了國有特大企業(yè)的擔(dān)當(dāng),但在資產(chǎn)管理方面遇到了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的阻力。三是鎂合金應(yīng)用面亟待進(jìn)一步擴(kuò)大,除了汽車行業(yè)開始規(guī)模應(yīng)用和航空航天領(lǐng)域部分應(yīng)用外,其它行業(yè)的應(yīng)用量亟待進(jìn)一步擴(kuò)大,即使在汽車行業(yè)我國單車鎂合金應(yīng)用量也較低;四是鎂基功能材料開發(fā)應(yīng)用尚未上升到國家層面,鎂合金生物材料、鎂基儲能材料工程化進(jìn)展有待加速;五是鹽湖鎂資源綜合利用還主要局限于地方層面,國家戰(zhàn)略布局不夠。
一方面,我國近幾年出臺了不少鼓勵輕量化的支持政策,但針對性不夠,力度也較小,缺乏一批強制性標(biāo)準(zhǔn),以汽車為主的大量應(yīng)用企業(yè)對輕量化的積極性沒有充分發(fā)揮。以汽車為例,輕量化帶來的節(jié)能減排效果更多體現(xiàn)在汽車使用過程中,在缺乏政府支持的情況下企業(yè)應(yīng)用更多鎂合金并不能帶來利潤的直接增加,很難調(diào)動積極性。在國外一批品牌汽車開始大規(guī)模應(yīng)用鎂合金的情況下,國內(nèi)一批特大型汽車企業(yè)至今為止沒有考慮或基本沒有應(yīng)用鎂合金。另一方面,缺乏材料研發(fā)、生產(chǎn)和設(shè)計應(yīng)用一體化平臺也是一個重要原因,鎂合金產(chǎn)品的優(yōu)點無法充分體現(xiàn)和展示,不少應(yīng)用企業(yè)的設(shè)計部門對鎂合金幾乎一無所知。建議進(jìn)一步完善輕量化政策,有針對性出臺支持具有中國資源戰(zhàn)略優(yōu)勢的鎂合金輕量化材料應(yīng)用政策;建議政府導(dǎo)向加快支持建設(shè)全國性或行業(yè)性的研發(fā)、生產(chǎn)和設(shè)計應(yīng)用一體化平臺,特別是要加快鎂合金、鋁合金、鈦合金為主體的輕金屬國家技術(shù)創(chuàng)新中心的建設(shè)。
大多數(shù)金屬材料只能作為結(jié)構(gòu)材料使用,而鎂合金不僅是輕量化效果顯著的結(jié)構(gòu)材料,同時又具有非常好的功能特性,特別是在儲能材料和生物材料領(lǐng)域潛力巨大。鎂基功能材料是一種前沿性戰(zhàn)略材料,完全符合“四個面向”要求,特別是鎂儲能材料潛力巨大。重慶大學(xué)建有世界上最大的鎂電池研究團(tuán)隊和鎂固態(tài)儲氫團(tuán)隊,開發(fā)的多種鎂離子電池和鎂儲氫材料其主要指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先水平。上海交通大學(xué)等單位在鈉電池的發(fā)展中成績顯著,多款鈉電池的技術(shù)指標(biāo)處于世界領(lǐng)先水平,鎂固態(tài)儲氫工程化也正在積極推進(jìn)。中國在鎂儲能材料上具有資源優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢,這種發(fā)展機(jī)遇千載難逢。但諸多瓶頸技術(shù)問題還需要加快速度突破,工程化應(yīng)用也亟待各方協(xié)調(diào)配合。建議國家層面盡快設(shè)立專項,加大力度支持研究開發(fā)、平臺建設(shè)、產(chǎn)業(yè)化示范和工程化應(yīng)用,例如創(chuàng)建鎂基功能材料全國重點實驗室,推動在西北地區(qū)建設(shè)鎂儲氫、鎂電池、鎂基生物材料的示范工程。
應(yīng)該承認(rèn),我國資產(chǎn)管理層近幾年創(chuàng)新意識強、資產(chǎn)管理成效顯著,但也不能否認(rèn)對若干行業(yè)的管理思路仍亟待改進(jìn)。國有特大企業(yè)是國家戰(zhàn)略急需產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障,也是國家意志的重要體現(xiàn),可以大幅度提升技術(shù)創(chuàng)新的速度和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)度,對整合發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)極為重要。眾所周知,傳統(tǒng)金屬材料企業(yè)的材料加工工藝、技術(shù)人員知識、科研和生產(chǎn)裝備等方面諸多可以用來發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè),更何況傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)、鋁加工企業(yè)等也急需升級改造。國外十多年前就開始關(guān)注鋼鐵等企業(yè)如何發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)。例如,韓國浦項鋼鐵公司十年前就開始和重慶大學(xué)合作開展鎂合金新材料與新加工技術(shù)研究,并且已投資建設(shè)若干鎂及鎂合金生產(chǎn)企業(yè),在同行中產(chǎn)生了重要影響。我國寶武鋼、中鋁等國有特大企業(yè)具備發(fā)展和進(jìn)入鎂產(chǎn)業(yè)的設(shè)備基礎(chǔ)和人員基本條件,并且對材料行業(yè)輕量化需求非常了解。建議國家有關(guān)部門突破現(xiàn)行的資產(chǎn)管理思路,出臺相關(guān)政策,鼓勵包括寶武鋼、中鋁等在內(nèi)的一批特大型國有金屬材料企業(yè)大規(guī)模介入鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展(在若干方向要主導(dǎo)鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展),盡快推動中國具有技術(shù)優(yōu)勢和資源優(yōu)勢的鎂產(chǎn)業(yè)做大做強,為我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供更加高效的新材料途徑。
鹽湖是青海最重要的資源,也是全國的戰(zhàn)略性資源,必須加強頂層設(shè)計,在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下搞好開發(fā)利用。打通鹽湖產(chǎn)業(yè)重大關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,推進(jìn)鹽湖金屬鎂一體化項目順利達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo),正是青海構(gòu)建世界級鹽湖產(chǎn)業(yè)基地的強大“內(nèi)核”。鹽湖鎂資源綜合利用不僅僅是青海的發(fā)展需求,也不僅僅是鎂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求,更是體現(xiàn)國家意志的重大需求。鹽湖鎂資源綜合利用只靠地方是解決不了的,必須上升到國家全局的層面。建議盡快開展高層戰(zhàn)略研究,加快出臺相關(guān)措施和政策,加大力度支持鹽湖鎂資源綜合利用的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)。