上海交通大学曾小勤教授团队基于自愈合非晶表面膜设计理念，实现“不锈镁合金”里程碑式进展

来源：[合金科技] 发布时间：2025-11-28 15:33 浏览：

近日，国际材料科学顶级期刊《Materials Today》发表了上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心曾小勤教授团队在镁合金防腐领域的最新成果。团队基于微合金化设计提出“自愈合非晶表面膜”防护新策略，制备出具有里程碑意义的“不锈镁合金”Mg-2Sc-0.5Al，其腐蚀速率仅0.027 mm/a年，对高达200 ppm的铁杂质仍高度稳定。该合金在腐蚀介质中能快速形成致密均匀的“玻璃态”非晶氢氧化膜，划伤后约30小时内即可自发修复，实现长期、可靠防护。研究还表明，以汽车面板为例，将镁合金部件寿命由2年提升至20年，可削减约78%的全生命周期二氧化碳排放，凸显“延长材料寿命即减碳”的新路径，为 “不锈镁合金”的工程化应用奠定了重要基础。相关成果以“Stainless Mg alloy induced by the formation of self-healing amorphous surface film”为题发表于《Materials Today》。上海交通大学曾小勤教授、应韬研究员、王静雅副教授以及澳大利亚皇家墨尔本理工大学邱冬教授为论文共同通讯作者，上海交通大学陈毓洋博士后、刘瑶博士生为论文共同第一作者。研究工作获得了国家自然科学基金（项目号：52425101, 52471012, 52271008, 和52127801)的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.11.015

一、研究背景

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有比强度高、减重潜力大等显著优势，在汽车、航空航天等轻量化领域应用前景广阔。然而，由于镁本身化学活性高，其表面易形成疏松、多孔且不稳定的腐蚀产物膜，难以对基体提供有效保护，导致耐腐蚀性能明显不足。腐蚀不仅缩短构件服役寿命、提高维护成本，还带来安全隐患，严重削弱镁合金在工程应用中的优势。当前，虽然通过合金化和显微组织调控提升镁合金耐蚀性的研究已取得一定进展，但对保护膜形成机制和结构特征仍缺乏系统、定量的认识，耐蚀镁合金的可设计与可预期防护仍面临重大挑战。

二、创新亮点

本项工作在材料设计思路、腐蚀防护机理和工程应用前景等方面实现了多维度创新，主要体现在以下几个方面：

（一）研制出具有极致耐蚀性能的“自愈合”不锈镁合金

团队通过精准合金设计，在镁中添加2% Sc和0.5% Al，成功制备出Mg-2Sc-0.5Al合金。该合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀速率仅为0.027 mm/a，显著优于超高纯镁（约0.25 mm/a年），耐蚀性能已接近甚至可比肩部分不锈钢。同时，该合金对Fe等有害杂质不敏感，即使铁含量高达200 ppm，仍能保持稳定的低腐蚀速率，大幅提高了合金在实际工业熔炼与规模化生产条件下的适用性。

（二）揭示自愈合非晶表面膜的形成与稳定机理

研究表明，Mg-2Sc-0.5Al合金在接触腐蚀介质后的数分钟内，表面即可快速生成一层致密、均匀的“玻璃态”非晶氢氧化膜，该膜层几乎不含晶界和结构缺陷，可有效阻隔腐蚀介质侵入。团队从非经典成核理论出发，阐明了其形成与自愈合机理：一方面，Sc和Al的引入显著降低了相关氢氧化物的溶解度积，促进Mg²⁺与OH⁻快速沉积，形成稳定的非晶簇；另一方面，Sc/Al共掺提升了非晶向晶体转变的能垒，使非晶膜在动力学上更为稳定。当膜层局部受损时，腐蚀反应再次促使Mg²⁺与OH⁻在缺陷区域优先生长，进而实现对划伤区域在约30小时尺度上的自发“愈合”。通过局部电化学阻抗测试与原位形貌追踪，研究团队首次直观捕捉到了这一自愈过程的动态演变。

（三）提出以“延寿”驱动的全生命周期减碳新路径

该研究定量评估了高耐蚀镁合金在碳减排中的潜在贡献。以汽车面板为例，材料生产阶段贡献约31%的碳排放。在保持轻量化优势的前提下，将镁合金部件的服役寿命由2年提升至20年，可使单块面板的全生命周期二氧化碳排放量降低约78%。这一结果表明，通过构筑自愈合非晶保护膜显著延长构件寿命，是实现“从材料设计端切入的全生命周期减碳”的关键技术路径，对绿色交通与“双碳”目标具有重要意义。

（四）多学科深度交叉的产学研一体化研究范式

在研究手段与技术路线方面，团队构建了“合金成分设计—多尺度表征—理论模拟—服役验证”一体化研究框架：一是利用Thermo-Calc等热力学计算工具优化合金成分与相结构；二是结合冷冻电镜、同步辐射XRD、纳米束电子衍射（NBED）等先进表征手段，解析非晶膜的纳米结构与演变行为；三是基于DFT与AIMD等第一性原理计算，定量评估非晶膜形成与晶化转变的能垒与相稳定性；四是通过长达两年的浸泡实验及系统电化学测试，完成对合金长期服役耐蚀性能的工程化验证。该工作为高耐蚀轻合金的跨学科协同研发提供了可复制、可推广的范式。

三、结果速览

优异的耐腐蚀性能