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水氯镁石直接合成熔盐电解制备镁合金：工艺、机理与前景

一、引言

1.1研究背景与意义

在当今工业和军事领域的快速发展进程中，对新材料的需求愈发迫切，尤其是具有轻质、高强度和高刚性特点的材料。镁合金作为一种重要的金属材料，因其密度低，仅为铝的2/3、钢的1/4，且具有良好的机械性能、化学性质以及可回收利用等优势，被广泛关注，成为了满足这些需求的理想选择，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。

在工业领域，镁合金的应用极为广泛。在汽车制造中，使用镁合金可有效减轻车身重量，进而降低燃油消耗和尾气排放，同时提高汽车的操控性能。据相关研究表明，汽车自重每减轻10%，燃油效率可提高6%-8%。在3C产品（计算机、通信和消费电子）中，镁合金凭借其良好的散热性、电磁屏蔽性和可加工性，成为制造手机、笔记本电脑等产品外壳的优质材料，既能满足产品轻薄化的发展趋势，又能提升产品的整体性能。在航空航天领域，减轻飞行器重量对于提高飞行性能、降低能耗和增加有效载荷具有至关重要的意义，镁合金的低密度特性使其在该领域得到了大量应用，如用于制造飞机的机翼、机身结构件以及发动机部件等。

在军事领域，镁合金同样发挥着不可或缺的作用。随着现代战争对武器装备轻量化、高性能化的要求不断提高，镁合金成为了兵器轻量化的理想材料。例如，在枪械武器中，使用镁合金制造机匣、弹匣等部件，可减轻武器重量，提高士兵的作战灵活性和持续作战能力；在装甲车辆中，采用镁合金制作座椅骨架、变速箱箱体等部件，不仅能减轻车辆自重，提高机动性，还能降低能耗，提升车辆的整体性能；在导弹和航空航天武器中，镁合金的应用有助于减轻部件重量，提高武器的射程、精度和突防能力。

目前，广泛应用的镁合金主要是通过将纯镁和其他金属混合制成。传统的合金熔炼法，即把精炼后的金属镁和其他金属通过合金化熔炼制得镁合金，是较为常用的制备方法。但这种方法存在诸多不足之处。生产合金之前，各种合金元素必须经过各自的冶金过程来获得，这不仅导致整个生产体系庞大、生产流程长，还使得能耗高、成本高。以镁的生产为例，我国目前主要采用皮江法热法炼镁技术，该方法炉体小，建造容易，投资少，技术难度小，但外加热的热源基本使用固体燃料，热效率低，造成燃料资源和能源的巨大浪费，且排放过多燃烧气体，对环境污染大。此外，传统制备方法还存在加工难度大的问题，在熔炼和加工过程中，镁合金极易氧化燃烧，这不仅增加了生产的危险性，也对生产设备和工艺提出了更高的要求。为解决这一问题，工业上广泛采用含有SF?的气体对熔炼过程中熔融的镁合金进行保护，然而SF?气体具有极强的温室效应，其全球变暖潜能值（GWP）约为CO?的23900倍，这给环境造成了巨大的威胁。传统方法制备的镁合金还存在材料性能波动性较大的问题，由于合金成分的偏析以及生产过程中的各种因素影响，导致不同批次甚至同一批次的镁合金性能存在差异，这在一定程度上限制了镁合金在一些对性能要求苛刻的领域的应用。

为了克服传统制备方法的不足，水氯镁石直接合成熔盐电解制备镁合金的方法应运而生。水氯镁石是一种重要的镁资源，广泛存在于盐湖卤水和海盐苦卤中，我国的青海盐湖等地拥有丰富的水氯镁石资源。这种制备方法具有诸多优势，生产工艺相对简单，无需复杂的冶金过程来获取各种合金元素，可直接利用水氯镁石中的镁元素进行合金制备，减少了中间环节，降低了生产的复杂性。成本低廉，水氯镁石资源丰富且价格相对较低，同时简化的生产工艺也降低了能耗和设备成本，使得整体生产成本大幅降低。该方法还具有操作方便、温度控制自动化等优点，有利于实现大规模工业化生产。通过精确控制电解过程中的温度、电流密度等参数，可以有效减少合金成分的偏析，提高镁合金的质量和性能稳定性，满足不同领域对镁合金性能的严格要求。因此，对水氯镁石直接合成熔盐电解制备镁合金方法的研究具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

1.2国内外研究现状

国外对熔盐电解制备镁合金的研究起步较早，在基础理论和工艺技术方面取得了众多成果。美国、日本、德国等国家的科研团队在熔盐体系的选择、电解过程的优化以及合金成分的设计等方面开展了深入研究。美国在早期就对氯化物熔盐体系进行了大量探索，通过调整熔盐成分和电解参数，提高了镁合金的质量和生产效率。日本则在电极材料和电解槽结构的改进上取得了显著进展，研发出新型电极材料，有效降低了电极损耗，提高了电解过程的稳定性。德国侧重于对电解过程中微观机制的研究，利用先进的分析技术，深入了解镁离子在熔盐中的迁移和沉积行为，为工艺优化提供了理论依据。

在国内，随着对镁合金需求的不断增加以及对盐湖资源综合利用的重视，水氯镁石直接合成熔盐电解制备镁合金的研究也得到了广泛关注。中国科学院青海盐湖研究所等科研机构在该领域开展了一系列研究工作。他们针对我国盐湖