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陕镁中心成功研制出分米级高纯单晶镁

2023.01.10 单智伟教授团队

近日,西安交通大学陕西省镁基新材料工程研究中心单智伟教授研究团队成功研制出高纯单晶镁,所制备镁单晶体径向尺寸约为40 mm,轴向尺寸可达100 mm以上,晶体纯度达99.99%。该项技术有望为镁相关基础研究和医用植入体等领域提供高质量原材料和技术支撑。

金属材料一般是多晶体结构,即由多个晶粒组成。单个晶粒是多晶体金属材料的基本组成单元。作为一种典型的各向异性材料,镁沿不同晶向表现出明显不同的性能。因此,研究镁沿不同晶向的力学、物理等各项性能,并获得精确、定量的数据,对理解镁的力学和物理性能及内在机制,进而研发高性能镁基材料,具有重要的指导意义。为了实现这一目标,往往需要使用单晶为样品进行相关研究和测试。然而,作为重要战略资源,高纯镁及其单晶制品的进口受到国际市场的严格管控,不但价格昂贵,采购周期也十分漫长(如某品牌99.99%级高纯镁单晶,价格约为1.5万元/克,采购周期约为半年)。此外,随着镁及镁合金在医疗领域的发展与应用,镁的腐蚀性能各向异性也引起了广泛关注。单晶镁内部不含晶界,其腐蚀电位更高,可避免多晶镁沿晶界腐蚀或发生电化学腐蚀等问题。因此,纯镁单晶作为一种理想的可降解植入材料,具有良好的应用前景。

研究团队基于镁及镁合金科学研究等领域对高纯净、大尺寸单晶镁的需求,自主研发了一种新型高纯镁单晶制备方法,旨在解决目前纯镁单晶制备过程中存在的尺寸偏小、纯度较低等问题。该方法基于控制形核长晶的原理,结合定向凝固生长镁单晶。单晶体生长采用高纯原料,制备过程处于氩气保护状态,配合使用熔体过滤装置,有效避免晶体中的粒子掺杂问题。应用该方法,成功制备了分米级高纯净度镁单晶。该项目由单智伟教授和刘博宇教授指导开展,参与研发的主要成员为硕士研究生马欣金,以及博士研究生郑芮、杨博、李峣峰和硕士研究生强珍慧、李玖章等。

这种新型纯镁单晶制备方法工艺简单,通过对普通加热炉进行改进,即可实现分米级大尺寸镁单晶制备,具有良好的推广应用价值。

图1 纯镁单晶外观形貌及尺寸,右侧为样品顶部、中间和底部位置横截面的金相照片

图2 纯镁单晶X射线衍射分析

图3 纯镁单晶背散射电子衍射分析


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