宋江凤，潘复生

（重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆 400044）

材料是人类一切社会生活和经济发展的基础性要素，是推动技术革命和人类文明飞跃发展的基石。先进新材料的发展已成为国际竞争的重点领域，是决定一国高端制造及国防安全的关键因素。我国新材料在近十年间取得了巨大的进步，部分材料已处于世界领先水平。在镁合金材料方面，我国多数方向处于技术领跑阶段，拥有最大的技术团队、最多的科技论文成果、最大的公开专利数量等，并拥有国际最顶尖的镁合金学术期刊。

但和先进发达国家相比，我国许多关键材料仍落后于欧美等发达国家和地区。特别是高精端材料和材料制备技术方面存在较大差距。例如，先进基础材料多个领域尽管产量世界第一，但生产能耗大，成本高，高品质基础材料产量低；
关键战略材料产业链上下游脱节、技术体系不完备，部分配套产品和制备设备对外依存度高；
前沿新材料跟跑阶段较多，原始创新亟待加强。在“双碳”背景和矿产资源短缺的情况下，突出重点发展我国具有资源优势的先进材料十分重要。镁及镁合金材料具有资源丰富、力学性能好、功能特性优异、环境友好等特点，是极有潜力的轻量化材料和储能材料，但存在产业规模小、应用面窄、功能特性没有发挥等短板，其产业发展和更大规模的推广应用对节能减排、能源转型、大健康等都有特别重要的意义［1-2］。

1.1 中国镁资源极为丰富，发展镁产业对我国经济可持续发展有重要战略意义

我国铁、铜、铝、镍等15种战略性矿产的资源储量占全球比重均低于20%，铁矿、铝矿每年进口数量巨大，铁矿石、铬铁矿，以及铜、铝、镍、钴、锆等对外依存度已经超过70%，其中，锂、钴等金属资源短缺更为严重。我国2/3以上的战略性矿产资源储量在全球均处于劣势。例如，“十三五”期间，我国铝土矿进口量年均增长14.7%，十四五期间铝土矿进口量依然在增加，其中2020年我国进口铝土矿11155.8万吨，同比增长10.8%。

中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，总储量及产量均为世界第一，发展镁产业具有明显的资源优势。其中，目前已探明可开采的白云石镁矿超过300亿吨（上世纪末数据是40亿吨），菱镁矿超过30亿吨，盐湖氯化镁储量40亿吨。另外，海水中也含有丰富的镁资源。因此师昌绪等五位院士认为：镁资源“取之不尽、用之不竭”，并呼吁我国政府一定要高度重视镁产业发展。在“双碳”背景下，加快发展我国镁产业意义更为重要，大力推进镁产业发展有助于缓解我国战略资源短缺问题，有助于我国发展中国主导的高端产品，对增加我国经济社会发展竞争力、保障我国经济安全和战略资源安全、推动可持续发展有重要战略意义。

1.2 镁合金是最有潜力的轻量化材料，节能减排效益极为明显，对中国制造“减重腾飞”意义重大

轻量化是我国节能减排最有效最现实的途径，但我国轻量化水平远低于国外，特别是汽车行业轻量化水平更低。如果在汽车等交通领域能大规模应用先进铝合金、镁合金、复合材料等新型材料，将为我国每年节约至少2000多亿元的能耗，也将带动我国材料行业占据世界先进轻量化材料的制高点并产生显著经济效益。但我国轻量化水平和发达国家相比差距极大，交通轻量化材料的单车应用量明显较小。对标国外先进产品，我国电动乘用车普遍偏重10%～30%，电动商用车普遍偏重10%～15%，这对新能源汽车续航里程的增加和节能减排的预期也形成严重制约。我国《节能与新能源汽车技术路线图》曾对汽车轻量化制订了明确的路线图，其中，新能源汽车的“减负”任务最重，2030年要目标减重35%。但按照目前的技术进度和政府政策，这一目标很难实现。根据美国能源部数据，车辆重量减少10%，可使燃油经济性提高6%～8%；
汽车行驶20万公里，能实现二氧化碳减排近8吨/辆。而商用飞机减重相同质量带来的经济效益是汽车的近100倍，军用飞机的轻量化效益又是商用飞机的10倍，更重要的是轻量化带来的机动性能改善可极大提高战斗机的战斗力和生存能力。

镁合金具有密度小、比强度高、减振降噪、资源丰富、环境友好等特点，比强度远高于钢铁、铝合金和钛合金，轻量化效果极为显著［3-4］。在等刚度条件下，采用镁代替钢可减重60%以上；
在等强度条件下，镁代替钢可减重70%以上，代替铝可减重30%以上。镁合金在汽车、摩托车、轨道交通、航空航天、信息产业、能源工业等领域均有重要的轻量化应用潜力。大力发展镁产业、大规模推广应用镁合金，对中国制造“减重腾飞”意义重大，对节能减排推动“双碳”目标的实现意义重大，对提高我国国防竞争力意义重大。

1.3 镁基储能材料发展潜力大，有望成为颠覆的新一代储能材料

能源转型是实现“双碳”目标的关键，能源安全是保障国家安全的生命线，而其中储能是最为关键的环节。在“双碳”背景下，如何保障国家能源安全，对储能技术和产业的发展提出了更高的要求。现有储能方式主要有抽水蓄能、电化学储能、储氢、储热、机械储能等。抽水蓄能由于度电成本低，目前在大规模储能中占比极大，但是抽水蓄能能量储存效率较低并受水库地理条件的限制，环境评估难度大；
以锂离子电池为代表的电化学储能，由于存储方便，在电动交通工具、便携电子产品等方面获得广泛使用，但锂离子电池存在资源短缺、安全性能较差、环境污染严重等问题。氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，在降低环境污染和实现能源转型方面潜力巨大，氢能应用已成为全球发展战略和竞争焦点，2019年氢能首次写入我国政府工作报告。但在氢气制造、储存运输和应用三个环节中，氢气的高效安全储存运输已成为制约氢能应用的重大瓶颈，现有高压和液态氢储运存在的安全性差、效率低已成为氢能发展的“卡脖子”技术。上述问题严重制约我国清洁能源的发展应用和“双碳”目标的实现，发展新一代储能材料与装备产业是我国大规模应用清洁能源的刚性需求。

在新一代储能电池和电力电池中，镁电池的性能潜力和发展潜力巨大。镁电池能量密度和锂电池相当，但安全性大幅度提高，战略资源有重要保障并且可以大幅度降低环保负担［5］。有关专家认为，镁电池一旦实现突破，有望引起电池工业颠覆性革命。氢能战略是全球发展战略，但缺乏安全高效的氢气储存和运输技术，目前大量使用的高压氢气罐不仅有重大安全隐患而且储氢密度只有1%～2%，而镁固态储氢密度可以达到5%～7%，并且由于是常温常压储存和运输，安全性大幅度提高［6］。镁固态储氢技术的突破对氢能汽车、储能产业、氢化工和氢冶金等领域发展都有重要意义。

1.4 镁基生物材料性能优异，是极有潜力的新一代可降解生物医用材料

生物医用材料是用于修复、诊断、治疗、替换人体组织或器官或增进其功能的重要基础材料，包括人工血管、人工心脏瓣膜等血液循环功能人工器官材料，骨科植入物、人工骨、人工关节、人工假肢等运动功能人工器官材料，整形美容功能人工器官材料、感觉功能人工器官材料等，对提高医疗水平、保障人民身体健康有重要意义。但目前的生物医用材料大多不可降解和吸收，对人民群众的健康水平和生活质量产生了重大影响。可生物降解和吸收的医用材料已成为国内外新一代生物医用材料发展的重点和热点。

生物镁合金具有生物相容性好、可降解、抗菌性好、资源丰富、成本低等特点，是极有潜力的新一代可降解吸收的生物医用材料。作为介入治疗器件，其在病变组织治愈后的一定时间内可以自行降解消失，从而免除了二次手术给患者带来的身体和经济负担，消除了异物长期留存体内造成的松动、移位、有害离子溶出、二次病变（如血管支架部位再狭窄等）、排异反应等远期隐患。此外，镁合金在体内植入还具有其它优异特点：弹性模量与人体骨相近，大大减轻了应力遮挡效应，有利于骨组织的恢复；
密度小、重量轻，可减少患者的机械负载；
镁离子具有一定的抗菌功能，对癌细胞有杀灭作用，降解过程产生的氢具有抗氧化、抗炎症、抗细胞凋亡及抗肿瘤等诸多有益效应［7］。

1.5 盐湖副产品氯化镁产量巨大，作为废料处理不仅造成镁资源巨大浪费，而且占用大量土地资源用于存放

察尔汗盐湖年产钾肥超过600万吨，占全国总产量的90%，随着钾资源的开发利用，产生了大量的副产氯化镁。每生产一吨氯化钾，将副产8～12吨氯化镁。以每年600万吨钾肥生产计算，年排出老卤折算成无水氯化镁7000余万吨，每年可以生产金属镁1200万吨以上。盐湖卤水氯化镁纯度高、成本低，如果得不到有效利用，既造成了资源浪费也破坏盐湖的矿物生态，带来环境压力［8-9］。针对察尔汗盐湖的资源特点，大力发展镁产业、建立盐湖镁资源综合利用产业链极为迫切。

镁合金作为最有潜力的轻量化材料和优异的功能特性已引起世界各国的高度重视，美、日、德等发达国家均把其列为战略新材料。近20年来，各国政府对镁合金的发展和应用的高度重视，大大推动了镁产品在汽车上的应用。欧洲研制的镁合金汽车零部件已超过60种。北美开发和研制的镁合金汽车零部件已超过100种。欧美去年对中国镁产品出口的急需程度进一步反映出西方对应用镁合金产品的迫切性。

我国政府近年来也高度重视镁产业的发展。在发改委、科技部等部门的支持下，我国镁合金研发的总体水平已处于世界先进水平，部分重要方向已处于世界领先，拥有最大的技术团队、最多的科技论文成果、最大的公开专利数量等，并拥有国际最顶尖的镁合金学术期刊。国家标准化组织“镁及镁合金技术委员会”主席单位和镁合金合金国际刊物的主编单位也在落在中国，我国在世界上已有重要镁产业话语权，是少数在国际上处于前沿的新材料。

在产品开发方面，我国已开发出150多款交通用和通信用零部件，包括高品质镁合金方向盘骨架、仪表盘支架、座椅骨架、中控支架、显示屏支架、空调支架、变速箱壳体、转向支架、油底壳、扶手支架、防撞梁、发动机支架等。在产业发展方面，重庆博奥镁铝金属制造有限公司、浙江万丰新材料科技有限公司、南京云海金属、上海镁镁等多个镁合金汽车零部件厂家建立了完整的产业体系，成为了宝马、保时捷、沃尔沃、通用、福特等世界知名汽车厂商的合格供应商，供应了全球至少90%以上的镁合金汽车零部件。我国生产的镁合金零部件已在几千万辆汽车上开始应用。中国已成为世界最大的镁合金生产国和使用国。

在新材料开发方面，我国开发的镁合金新材料占世界同期开发的镁合金新材料50%以上，重庆大学、上海交通大学等单位开发的一批新合金已批准为国际标准牌号。重庆大学提出了镁合金“固溶强化增塑”合金设计新思路［4］，开发出了一大批高塑性高性能镁合金材料，包括铸造耐热镁合金、高强度低成本变形镁合金、超高强镁合金、高延展性镁合金等，形成了以AZ31，AE81和ZK60为代表的常规镁合金，以ZM61和AT61M为代表的低无稀土高强度镁合金，以VW84M为代表的超高强度镁合金，以VK41M为代表的超高塑性镁合金，以VW92M为代表的超高强铸造镁合金等新型高性能镁合金体系，其中VW84M超高强度镁合金的抗拉强度为538 MPa、延伸率为13%，VK41M超高塑性镁合金延伸率为69%，均是世界上综合性能最好的镁合金材料。

我国镁及镁合金尽管有显著的资源优势和技术优势，但存在产业规模小、应用面窄、功能特性没有发挥等问题，还远远不能满足我国产业的发展需求和重大工程的刚性需求。具体包括：一、镁产业总体规模偏小，离大宗基本金属材料的要求差距较大；
二是镁生产企业小而散，百万吨原镁上百个企业，并且长期民营企业为主体。宝武钢很有战略眼光，已开始较大规模参与镁产业发展，体现了国有特大企业的担当，但在资产管理方面遇到了产业转型的阻力。三是镁合金应用面亟待进一步扩大，除了汽车行业开始规模应用和航空航天领域部分应用外，其它行业的应用量亟待进一步扩大，即使在汽车行业我国单车镁合金应用量也较低；
四是镁基功能材料开发应用尚未上升到国家层面，镁合金生物材料、镁基储能材料工程化进展有待加速；
五是盐湖镁资源综合利用还主要局限于地方层面，国家战略布局不够。

3.1 完善政府支持轻量化的相关政策和标准，支持建立镁合金轻量化材料研发、生产和设计应用的一体化平台，鼓励更多领域应用具有资源优势的镁合金轻量化材料

一方面，我国近几年出台了不少鼓励轻量化的支持政策，但针对性不够，力度也较小，缺乏一批强制性标准，以汽车为主的大量应用企业对轻量化的积极性没有充分发挥。以汽车为例，轻量化带来的节能减排效果更多体现在汽车使用过程中，在缺乏政府支持的情况下企业应用更多镁合金并不能带来利润的直接增加，很难调动积极性。在国外一批品牌汽车开始大规模应用镁合金的情况下，国内一批特大型汽车企业至今为止没有考虑或基本没有应用镁合金。另一方面，缺乏材料研发、生产和设计应用一体化平台也是一个重要原因，镁合金产品的优点无法充分体现和展示，不少应用企业的设计部门对镁合金几乎一无所知。建议进一步完善轻量化政策，有针对性出台支持具有中国资源战略优势的镁合金轻量化材料应用政策；
建议政府导向加快支持建设全国性或行业性的研发、生产和设计应用一体化平台，特别是要加快镁合金、铝合金、钛合金为主体的轻金属国家技术创新中心的建设。

3.2 加大对镁基功能材料研究开发的支持力度，加快培养我国具有战略资源优势的新一代功能材料产业，创建全国重点实验室

大多数金属材料只能作为结构材料使用，而镁合金不仅是轻量化效果显著的结构材料，同时又具有非常好的功能特性，特别是在储能材料和生物材料领域潜力巨大。镁基功能材料是一种前沿性战略材料，完全符合“四个面向”要求，特别是镁储能材料潜力巨大。重庆大学建有世界上最大的镁电池研究团队和镁固态储氢团队，开发的多种镁离子电池和镁储氢材料其主要指标均处于世界领先水平。上海交通大学等单位在钠电池的发展中成绩显著，多款钠电池的技术指标处于世界领先水平，镁固态储氢工程化也正在积极推进。中国在镁储能材料上具有资源优势和技术优势，这种发展机遇千载难逢。但诸多瓶颈技术问题还需要加快速度突破，工程化应用也亟待各方协调配合。建议国家层面尽快设立专项，加大力度支持研究开发、平台建设、产业化示范和工程化应用，例如创建镁基功能材料全国重点实验室，推动在西北地区建设镁储氢、镁电池、镁基生物材料的示范工程。

3.3 破除管理层的传统思路，鼓励支持更多的国有特大金属材料企业进入镁产业领域

应该承认，我国资产管理层近几年创新意识强、资产管理成效显著，但也不能否认对若干行业的管理思路仍亟待改进。国有特大企业是国家战略急需产业发展的重要保障，也是国家意志的重要体现，可以大幅度提升技术创新的速度和产业发展的进度，对整合发展镁产业极为重要。众所周知，传统金属材料企业的材料加工工艺、技术人员知识、科研和生产装备等方面诸多可以用来发展镁产业，更何况传统的钢铁企业、铝加工企业等也急需升级改造。国外十多年前就开始关注钢铁等企业如何发展镁产业。例如，韩国浦项钢铁公司十年前就开始和重庆大学合作开展镁合金新材料与新加工技术研究，并且已投资建设若干镁及镁合金生产企业，在同行中产生了重要影响。我国宝武钢、中铝等国有特大企业具备发展和进入镁产业的设备基础和人员基本条件，并且对材料行业轻量化需求非常了解。建议国家有关部门突破现行的资产管理思路，出台相关政策，鼓励包括宝武钢、中铝等在内的一批特大型国有金属材料企业大规模介入镁产业的发展（在若干方向要主导镁产业的发展），尽快推动中国具有技术优势和资源优势的镁产业做大做强，为我国实现“双碳”目标提供更加高效的新材料途径。

3.4 加快出台相关措施，加大力度支持盐湖镁资源综合利用的技术开发和产业推进

盐湖是青海最重要的资源，也是全国的战略性资源，必须加强顶层设计，在保护生态环境的前提下搞好开发利用。打通盐湖产业重大关键技术瓶颈，推进盐湖金属镁一体化项目顺利达产达标，正是青海构建世界级盐湖产业基地的强大“内核”。盐湖镁资源综合利用不仅仅是青海的发展需求，也不仅仅是镁产业的发展需求，更是体现国家意志的重大需求。盐湖镁资源综合利用只靠地方是解决不了的，必须上升到国家全局的层面。建议尽快开展高层战略研究，加快出台相关措施和政策，加大力度支持盐湖镁资源综合利用的技术开发和产业推进。

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