【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，西安交通大學材料科學與工程學院單智偉教授團隊在國際高水平學術期刊《自然·材料》(Nature Materials)發(fā)表題為《超低成本去除原鎂中鋁雜質(zhì)》(Removing aluminium impurities in primary magnesium at an ultra-low cost)的研究論文，提出了一種全新的鎂純化策略，在工業(yè)條件下實現(xiàn)了鋁雜質(zhì)的高效、低成本去除，為低鋁高純鎂的大規(guī)模制備提供了關鍵技術突破。
 

　　鎂是重要的戰(zhàn)略金屬，在交通輕量化、高端戰(zhàn)略金屬還原及生物醫(yī)用等領域具有廣泛應用前景。當前全球約80%的原鎂依賴硅熱法生產(chǎn)，該工藝雖具成本和規(guī)模化優(yōu)勢，但伴有雜質(zhì)含量高、波動大的痼疾。其中，鋁雜質(zhì)尤為突出，其不僅含量普遍偏高，而且在工業(yè)生產(chǎn)中波動最為劇烈。研究數(shù)據(jù)顯示，在實際生產(chǎn)過程中，鋁含量可在21ppm至845ppm之間大幅變化，波動幅度超過32倍，跨越了五個純度等級。這種不穩(wěn)定性不僅嚴重制約了鎂在電子級鈦、核級鋯、生物醫(yī)用等高端領域中的應用，而且由于不同純度品級之間差價顯著，也直接降低了生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟效益。但長期以來，鋁雜質(zhì)波動的頑疾卻被視為一種該工藝的伴生物，很難治愈。
 

　　在對工業(yè)化數(shù)據(jù)進行分析的過程中，研究團隊注意到：即便在波動特別大的單日生產(chǎn)數(shù)據(jù)中，少部分爐次的鋁雜質(zhì)含量卻可以很低。考慮到單日工業(yè)生產(chǎn)條件，如原料，爐溫，工人操作等相對穩(wěn)定，降低鋁雜質(zhì)的配方很可能就隱藏在現(xiàn)有的工藝流程中。團隊負責人單智偉比喻說，他們是受到了“天下至毒之物，七步之內(nèi)必有解藥”這一哲學思想的啟發(fā)，最終找到了低成本除鋁雜質(zhì)的新方法。
 

　　為突破上述難題，研究團隊對該雜質(zhì)的產(chǎn)生，傳遞和沉積機理進行了全面的剖析。早在2023年，他們就發(fā)現(xiàn)，在硅熱法過程中，鋁主要以氣態(tài)氟化鋁形式存在，并在冷凝過程中與鎂共同沉積，成為污染的根本來源(Yang, Shan et al., J. Magnes. Alloy, 2023)。類似于燒水會在水壺內(nèi)壁結垢，在金屬鎂的工業(yè)生產(chǎn)中，還原罐的內(nèi)壁也會結垢，在罐口附近尤為嚴重，工人每生產(chǎn)批次必須對罐口附近的結垢進行刮擦清理。這些垢的化學成分是什么？會不會隱藏著雜質(zhì)去除的秘方？帶著這些問題，團隊利用先進的分析表征技術，對罐內(nèi)壁的結垢進行了全面系統(tǒng)的分析，果真在其中發(fā)現(xiàn)了一種穩(wěn)定的含鋁化合物：Ca12Al14F2O32。結合此前的研究，團隊推測氧化鈣很可能對去除鋁雜質(zhì)有奇效。
 

　　博士生鄭芮通過理論分析驗證了上述想法，并很快在實驗室搭建了實驗裝置，證明了使用氧化鈣可將鎂中鋁含量從約109.5ppm降低至6.3ppm，雜質(zhì)去除率超過90%。由于和原鎂生產(chǎn)領域的龍頭企業(yè)泰達煤化有著長期合作關系并共建有陜西省鎂基新材料中試基地，研究團隊通過網(wǎng)絡會議將這一重要發(fā)現(xiàn)及時告知了合作伙伴，并指導對方進行了工業(yè)產(chǎn)線上的驗證，結果同樣令人振奮。后經(jīng)過幾輪迭代優(yōu)化，采用更低成本、更易獲取且可循環(huán)利用的煉鎂原料——煅燒白云石(氧化鈣和氧化鎂的混合物)作為濾材，鋁含量滿足高純鎂(Mg9998)標準的產(chǎn)品比例由原先接近0%提升至83.3%，實現(xiàn)了從“偶然達到”到“穩(wěn)定獲得”的跨越。分析表明，該方法的純化成本較主流真空蒸餾技術降低約96%，為低成本規(guī)模化制備低鋁高純鎂提供了切實可行的路徑，為向下游高端應用提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)且經(jīng)濟的原材料奠定了技術基礎。此外，該“沉積物啟發(fā)”的濾材篩選策略還可進一步拓展至鎂中其他雜質(zhì)的調(diào)控。在專利被授權之前，該技術已經(jīng)在工業(yè)產(chǎn)線上得到推廣應用，并產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟和社會效益。團隊負責人單智偉指出，“如果研究對象本身就是企業(yè)面臨的技術難題，一旦突破，成果很快就能落地并產(chǎn)生效益，根本就不會有成果轉(zhuǎn)化難的問題”。
 

　　西安交大單智偉教授為論文通訊作者，博士生鄭芮為第一作者。參與該工作的還有西安交通大學楊博助理教授、王悅存教授、劉博宇教授和碩士生楊唯一。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金青年學生基礎研究項目、陜西省重點研發(fā)計劃高校聯(lián)合項目、陜西省科技廳創(chuàng)新能力支撐計劃等支持，并得到西安交通大學人文學院朱曉文教授、材料學院章效鋒教授，以及材料學院工程師程曉華、范傳偉、張瑩潔，研究生郝旭邦、王澤坤、王安、馬英子等人的支持與幫助，同時得到府谷縣泰達煤化楊永亮、王衛(wèi)峰、高志軍、逯明輝，以及國科鎂業(yè)王鵬飛等相關企業(yè)負責人和技術人員在產(chǎn)業(yè)化過程中的支持。
 

　　十余年來，單智偉教授研究團隊依托西安交通大學材料學院、金屬材料強度全國重點實驗室、西安交通大學微納中心和陜西省鎂基新材料工程研究中心開展了一系列基礎研究、技術攻關和成果轉(zhuǎn)化。在基礎研究方面，團隊長期聚焦金屬材料變形機制與性能調(diào)控這一核心科學問題。2014年，在單晶鎂中發(fā)現(xiàn)金屬區(qū)別于傳統(tǒng)位錯和孿晶之外的第三種室溫變形機制(Nat. Commun., 2014)，并榮獲美國TMS學會鎂分會年度“最佳基礎研究論文獎”；揭示了析出相形貌對孿晶行為的調(diào)控規(guī)律，建立了新的鎂合金強塑性判據(jù)(J. Mater. Sci. Technol., 2018, 封面推薦)；提出通過活化二氧化碳，在室溫條件下構建致密保護膜層，實現(xiàn)鎂及其合金抗腐蝕性與抗氧化性能的協(xié)同顯著提升，發(fā)展了綠色低成本鎂合金涂層新技術(Nat. Commun., 2018)；打破長期以來“純鎂塑性差”的普遍認識，發(fā)現(xiàn)高純凈的鎂不僅可以承載很大的塑性變形，且其變形機制也與此前領域內(nèi)的主流觀點迥異(Science, 2019; Nat. Commun., 2022)。在此基礎上，針對產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀中鎂純化技術成本高昂，難以大面積推廣的難題，提出“基于氣態(tài)原子選擇性分離”的新型金屬鎂純化思路，發(fā)明了一系列具有自主知識產(chǎn)權的新技術，成功制備出公開報道檢測元素最全的最高純度鎂，進一步研發(fā)了“梯度冷凝，吸附過濾”等系列技術及配套裝備，建成國內(nèi)首條3N5A級高品質(zhì)鎂示范線，將企業(yè)高品質(zhì)鎂達標率由之前的不到1%提高到90%以上，并實現(xiàn)萬噸產(chǎn)能推廣，成果應用新增總產(chǎn)值已超過23億元。基于所研制的高品質(zhì)(性能優(yōu)異且穩(wěn)定)鎂產(chǎn)品，創(chuàng)制了全球首輛鎂合金氫能驅(qū)動重載卡車，單車用鎂量超800公斤，相比原鋼質(zhì)方案綜合減重超1噸/輛，成果進展兩次被央視報道，目前安全營運里程超過10萬公里。
 

　　文字：材料學院
 

　　編輯：朱凡煜