增强材料抗腐蚀性能 突破应用瓶颈 哈工程学生团队给镁锂合金穿上“防护服”

2024年03月18日 14:49 9803次浏览 来源:   分类: 镁资讯

受到荷叶“超疏水表面”的启发,给镁锂合金材料穿上了一层防腐“防护服”,增强了材料的抗腐蚀性能,使其可广泛应用在航空装备、航天装备等重大工程部件上。近日,在哈尔滨工程大学化学院老师巫瑞智、闵译萱、张景怀和机电学院老师周莹的指导下,方子铭、张弛、曹江琪、何良绪、曹明宇、郑佳明等15位本科学生完成的“镁翎科技——新一代超疏水轻型强韧镁锂合金领跑者”项目,打造微弧氧化超疏水镁锂合金,实现了镁锂合金在极端恶劣环境长时间服役。该项目在中国国际大学生创新大赛中收获本科生创意组金奖,项目团队作为全国十佳金奖代表上台领奖。目前,该项目团队基于微弧氧化超疏水镁锂合金相关研究发表了3篇SCI论文,申请了3件国家发明专利,其中1件专利已获授权。

师生一拍即合

为材料“穿上防护服”

“一代材料,一代装备。”巫瑞智老师的这句话,给团队队长方子铭留下了深刻印象。在航空航天装备领域,材料轻量化是永恒的发展主题,能提高运力、节能减排、降低成本、带来直接利润。中国航天事业奠基人钱学森曾说过:“航天器一个零件减少一克重量都是贡献。”

镁锂合金作为世界上最轻的金属结构材料,具有良好的阻尼减震性能和良好的塑性变形能力等优点,是航天部件轻量化的理想材料,且其具有较高的性价比和丰富的上游资源储备,有广阔的市场前景。但是镁锂合金极易腐蚀,这使其在应用时受到了很大的限制。

2022年,刚上大二的方子铭敲开了巫瑞智老师办公室的门,说出了自己想要投身科研的想法。“优秀的科创学生培养是一个双向奔赴的过程,学生的积极进取和老师的育人情怀是相辅相成的。只要学生有科研的兴趣,学院和老师会无条件支持他们。”巫瑞智这样回忆自己与方子铭的“初见”。

结合个人研究方向,巫瑞智给方子铭提出了“设计开发具有工程应用价值的耐腐蚀镁锂合金防护技术”这一课题。“镁和锂都是活泼金属,能与氧气和水蒸气发生化学反应产生疏松多孔的氧化膜等腐蚀产物,与铝和铜等金属相比,其表面无法形成具有耐腐蚀性的氧化膜层,若基体没有防护,镁锂合金会迅速腐蚀导致失效。找到控制镁锂合金腐蚀的有效途径,将助力镁锂合金突破现在的应用瓶颈。”

小荷才露尖尖角

抗腐蚀性能再上新台阶

方子铭与学院里对科研感兴趣的同学组成了镁翎科技团队,一起开始攻关。摆在他们面前的第一道“门槛”,便是要大量阅读英文文献,了解镁锂合金腐蚀机理以及不同类型表面防护涂层的制备方法、研究现状、优缺点等等。“还有一道难关,是一些基础知识和基本专业概念,我们还没有学到。”方子铭补充道,与研究课题相关的专业课在大二下学期才开设,这个课题对于刚上大二的他们来说属于超纲问题。靠着对科研的热情和初生牛犊不怕虎的冲劲,这群平均年龄20岁的年轻人,一边自学专业知识,一边在巫瑞智教授课题组博士生的耐心引导下开展实验。

为抑制丝状腐蚀和电偶腐蚀,团队决定通过优化合金成分与固溶热处理工艺,从合金内部提升其抗腐蚀性能。团队花费一年时间,先后调控了100多种成分配比,才最终确定了锌、钇元素比的合适区间。

在优化合金成分的基础上,团队对比了不同固溶处理时间和温度对于抗腐蚀性能的影响,最终获得了对腐蚀抑制效果最好的固溶处理参数。从两个方面入手,他们设计的合金内部双腐蚀抑制技术,让镁锂合金腐蚀电流密度综合提升1个数量级。

“目前的研究都是提升合金内部抗腐蚀性能,如果我们进一步在合金表面改性,能不能让抗腐蚀性能再上一个台阶呢?”看着雨后校园里层层叠叠的碧绿荷叶,一个大胆的联想在方子铭心中逐渐清晰。

“荷叶表面具有粗糙的微观形貌以及疏水的表皮蜡,水滴在荷叶上形成一个球形,而不是铺展开来,这样的表面叫做‘超疏水表面’。如果我们给镁锂合金表面也涂上一层‘超疏水表面’,让液体接触到表面后直接滑落,它的抗腐蚀性能不就可以进一步提高了?”带着自己的设想,方子铭再次找到巫瑞智老师,得到了巫老师的鼓励:“超疏水技术在镁锂合金材料上的应用正处于起步阶段,如果能潜心钻研,相信一定能有所突破。”

攻关关键技术

防护效果比肩高水准

制备镁锂合金表面超疏水膜层,核心是要获得符合标准的材料表面接触角,要想膜层达到超疏水标准,需要将表面接触角做到120°以上。方子铭带领团队依据现有常见超疏水膜层的材料配比,一步步摸索最适合镁锂合金表面的配方。历经一年半的时间,团队先后试验了100多种“配方”,最终将表面接触角做到了163°,加上了超疏水表面的镁锂合金,相比普通镁锂合金,表面接触角增大8倍。为了让超疏水膜层牢牢“抓紧”镁锂合金,团队又通过微弧氧化技术将镁锂合金制造出粗糙多孔的表面,添加碳化硼等纳米粒子,实现超疏水表面与镁锂合金更好的结合。

经第三方检测机构检测显示,团队制备的超疏水表面涂层与其他表面防护处理方法相比,腐蚀防护能力与现阶段最高水平基本相当。

本科生项目受青睐

达成1120万元意向订单

“镁翎科技团队研制的镁锂合金材料突破了镁锂合金耐腐蚀性差的难题,满足了中国镁产业升级和航空航天等领域轻量化需求。我相信该团队可为中国新材料产业的建设作出重要贡献。”国际顶级专家这样评价镁翎科技团队的项目。

微弧氧化超疏水镁锂合金防腐和轻量化效果明显,可应用于航空航天、武器装备等领域的零部件制作,用其制作的航天器控制单元壳体,重量能够减轻40%~50%,目前,已有4家企业与团队共计签署了1120万元的零件预售订单。

去年5月份,镁翎科技团队作为黑龙江省唯一受邀的本科生创业团队,带着产品参加了黑龙江省科技活动周,并受到前来参观的专家鼓励:“学生团队今天科创的一小步,可能就是明天科技事业发展的一大步。”

回想专家的话,方子铭感触良多,成功离不开指导老师和师兄师姐的耐心帮助,离不开学校、学院的鼓励支持,无论多晚发到指导老师手里的答辩材料,总能在第二天早上8点前就得到反馈意见。未来,团队将进一步探究微弧氧化膜层的热控性能,更好地满足成果在航空航天等领域的应用。成员们也将以一贯的热爱与坚持,在自己追梦的道路上大踏步地走下去。

责任编辑:杨一鸣

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