【引言】

    鎂基合金憑借其輕量化、高能效和環(huán)境友好的特點(diǎn)，有望在交通工具、3C產(chǎn)品和航空航天業(yè)乃至生物醫(yī)用材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，與金屬鋁或鈦表面形成的鈍化薄膜不同，暴露在空氣中的Mg表面形成的薄膜主要成分是可滲透且無(wú)防護(hù)性的MgO和Mg（OH）2。因此，鎂基合金的應(yīng)用由于其對(duì)腐蝕的高度敏感而受到限制。

    【成果簡(jiǎn)介】

    盡管鎂基合金作為一種輕量化結(jié)構(gòu)材料具有節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，但其耐蝕性卻很差。一個(gè)主要原因就是鎂表面的原生氧化層不致密，在空氣中、特別是在潮濕的環(huán)境下，無(wú)法阻止基底被侵蝕。

    近日，西安交通大學(xué)的單智偉教授課題組與中國(guó)石油大學(xué)的張立強(qiáng)教授、美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)的馬恩教授合作，在Nature Communications上發(fā)表了題為“Turning a native or corroded Mg alloy surface into an anti-corrosion coating in excited CO2”的文章。該工作中，作者發(fā)明了一種在簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的方法，即在室溫下通過(guò)受激CO2與金屬鎂及其合金樣品表面原生氧化層反應(yīng)生長(zhǎng)致密的碳酸鎂防護(hù)薄膜，來(lái)提高鎂合金的耐蝕性。此外，對(duì)于表面已經(jīng)被明顯腐蝕的樣品，腐蝕產(chǎn)物也可以被直接轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生新的保護(hù)性表面。力學(xué)測(cè)試顯示：與未經(jīng)處理的樣品比較，保護(hù)層可以明顯提高微納尺度金屬鎂的屈服強(qiáng)度，抑制不穩(wěn)定塑性變形，提高均勻變形能力。這種環(huán)境友好的表面處理方法可以有效保護(hù)鎂合金，包括表面已被腐蝕的鎂基合金材料。

    【圖文簡(jiǎn)介】

    圖1：表示原始表面轉(zhuǎn)化為MgCO3保護(hù)層的示意圖。

    圖2：室溫下被電子束活化的CO2與MgO發(fā)生反應(yīng)。

    （a）水熱法合成的MgO片狀晶的TEM圖像；

    （b）在300keV, 0.1A/cm2電子束輻射14min后，MgO片狀樣品并未改變；

    （c）引入2 Pa的CO2導(dǎo)致反應(yīng)MgO + CO2→MgCO3劇烈進(jìn)行；

    （d）真空加熱2 min至400oC，非晶態(tài)產(chǎn)物結(jié)晶，內(nèi)插圖為納米晶MgCO3的SAED圖像；

    （e-h）暴露在2 Pa的CO2和電子書輻射下，F(xiàn)IB制備的Mg柱的表面演化，TEM圖像表示初始氧化層到MgCO3&MgO納米晶的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

    圖3：將鎂及其合金表面的原生氧化層轉(zhuǎn)化為致密保護(hù)層。

    （a）帶原生氧化層和處理后帶致密保護(hù)層的金屬鎂柱體去離子水中浸泡測(cè)試結(jié)果對(duì)比；

    （b）可以通過(guò)控制電子束輻照位置來(lái)選擇鎂合金柱體上被保護(hù)區(qū)域。

    圖4：將已被腐蝕的鎂合金表面轉(zhuǎn)化為防護(hù)性涂層。

    （a）經(jīng)聚焦離子束（FIB）處理的ZK 60鎂合金柱和對(duì)應(yīng)的選區(qū)衍射圖像；

    （b）浸入去離子水1min后，一些蓬松的Mg（OH）2&MgO腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)在柱體表面；

    （c）被腐蝕的柱狀樣品在CO2和電子束輻射環(huán)境下暴露20min后，新形成的MgCO3包裹在柱體的底部；

    （d）水浸后，僅柱體上部分被腐蝕，被MgCO3包裹的部分沒(méi)有改變；

    （e）在潮濕空氣中暴露20天，上部分進(jìn)一步被腐蝕，受保護(hù)部分仍然未受損傷。

    圖5：處理后的表面層對(duì)樣品力學(xué)性能的影響。

    （a）鎂合金柱體在CO2處理前后的典型壓縮工程應(yīng)力應(yīng)變曲線；

    （b）未經(jīng)處理的鎂合金柱體和CO2處理的鎂合金柱體在壓縮前后的明場(chǎng)TEM圖像；

    （c）處理后的金屬鎂柱體的屈服強(qiáng)度和均勻變形能力均得到提升。

    【小結(jié)】

    該工作提出了一種將氧化/氫化物薄膜或鎂合金表面的腐蝕產(chǎn)物碳化為致密的MgCO3保護(hù)層的方法：可通過(guò)高能電子束或室溫下輝光放電激活二氧化碳參與的反應(yīng)。無(wú)需額外的加熱或預(yù)處理，使得此方法有望對(duì)小尺寸或復(fù)雜形狀的鎂合金工件進(jìn)行防護(hù)，還可以拯救已被腐蝕但仍未失效的部分。使用原位環(huán)境透射電鏡（E-TEM）技術(shù)，完整的表面處理過(guò)程得以被記錄下來(lái)。后續(xù)的水浸測(cè)試證明了MgCO3對(duì)基底金屬較強(qiáng)的保護(hù)性。原位力學(xué)測(cè)試表明薄的MgCO3膜與其脆性塊體陶瓷不同，它既有足夠的形變能力，還有著優(yōu)異的基質(zhì)附著力，在提高微納尺度金屬鎂耐蝕性的同時(shí)，也優(yōu)化了其力學(xué)性能。

    文獻(xiàn)鏈接：Turning a native or corroded Mg alloy surface into an anti-corrosion coating in excited CO2（Nat.Commun，2018，DOI：10.1038/s41467-018-06433-5）

    【團(tuán)隊(duì)介紹】

    該工作是單智偉教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)——微納尺度材料行為研究中心（CAMPNANO）主要完成的。中心是以材料科學(xué)與工程一級(jí)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科和西安交大金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的核心研究領(lǐng)域-微納尺度材料的結(jié)構(gòu)與性能為主要研究方向，以國(guó)際領(lǐng)先的原位、定量、動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為主要工具，輔助以現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)模擬和理論計(jì)算，努力打造出世界一流的研究平臺(tái)。目標(biāo)是和本領(lǐng)域的世界同行們一起系統(tǒng)定量地構(gòu)筑起微納尺度材料的知識(shí)理論體系，為其規(guī)模化的工業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論根基和方法論的指導(dǎo)；同時(shí)面向國(guó)家重大需求，培養(yǎng)出一大批基礎(chǔ)扎實(shí)，素質(zhì)全面，具備獨(dú)立科研與創(chuàng)新能力的國(guó)際通用人才，發(fā)明和發(fā)展一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利和技術(shù)。

    2015年，在單智偉教授的帶領(lǐng)下，中心依托陜西省榆林市豐富的鎂資源和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了一系列基礎(chǔ)研究和技術(shù)革新，助力陜西省金屬鎂產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，成立了陜西省鎂基新材料工程研究中心。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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