轻氢之镁，连接未来：上海交大陈娟副研究员揭秘镁合金的多领域探索

受访嘉宾：陈娟

陈娟，上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心副研究员。主要从事氢致变色功能薄膜及器件、搅拌摩擦焊接及加工、镁材料组织设计及性能调控等方面的研究工作，进行氢气传感器、调光玻璃及交通运输领域轻量化等方面的应用研究。近年主持了国家自然科学基金、上海市“浦江人才计划”、 国际合作、国家重点研发专项子课题，校科技发展战略研究与前沿探索等项目，作为骨干参加了国家“863”、国家自然科学基金、上海市“创新行动计划”以及国际合作等十多项国家及省部级项目。目前主要研究成果已在ACS Appl Mater Inter，Inter. J. Hydrogen Energ，Mater. Des.等领域内国内外重要期刊上发表，并获专利授权13件。同时，在国际国内学术会议作口头及邀请报告多次，并获第六届镁合金国际会议以及第五届全国镁合金青年会议优秀口头报告奖。

访谈内容

Q：陈老师您好，首先欢迎接受特种铸造及有色合金杂志的访谈，您先介绍一下自己的个人的情况。

A：主要研究镁合金的搅拌摩擦焊及其应用拓展，并探索镁合金的储氢特性，氢致变色薄膜用于氢传感器和智能玻璃等领域的场景需求。

大家好，我叫陈娟，我现在在上海交通大学材料科学与工程学院的轻合金精密成型国家工程研究中心，是副研究员。博士毕业于大阪大学的接合科学研究所，也是世界三大焊接所之一，我原来博士做的方向是镁合金的搅拌摩擦焊，回到上海交大来到丁文江院士团队、彭立明老师课题组之后依然还是继续镁合金的搅拌摩擦焊接的方向，更多的是服务我们中心的很多应用化的一个场景需求。另外一个方面就是我们在镁合金搅拌摩擦焊的基础上做了很多异种材料的连接，在搅拌摩擦焊作为一个加工方式的基础上我们又对它进行了进一步的拓展。譬如说大家可能会有所了解的就是这种固相的一个增材的方式。当然我们课题组本身也具有镁合金3D打印激光增材的这样的研究能力，我们这块的研究有很多的应用场景，譬如说在生物应用材料方面，在很多的工业场景，我们现在做的这个搅拌摩擦增材，是一个固相增材的方式，它从效率上来说也是更快的一个方式。我做的另外一个方向就是关于镁合金的功能特性的进一步探索。那么这块主要是基于镁的一个储氢特性，我们都知道镁有变成MgH2的这样储2个氢的一个特性，在这个基础上面，其实大家可能一般知道的就是用作我们的镁固态储氢的材料。其实从另外一个角度上来讲，它其实是镁加氢臭，就是镁从Mg变到MgH2，它其实是一个金属向半导体的转变，在这个里边其实就有了一个物理特性，或者我们称之为光学特性的这样一个转变，即由原来的金属变为这样的一个半导体，这里边有一个光学带隙的差异，如果我们把它做成这样的一个薄膜，再给它这个薄膜通上氢气之后，那我们可以看到它在通氢之前是一个金属反射的一个状态，在通氢之后它就变成了像这样的一个玻璃透过的一个状态，这就是我们的一个氢致变色薄膜。那么这个薄膜有什么用呢，因为氢的探测大家都知道是非常困难，其实我们这是为氢的探测提供了一个可视的探测的方式手段，所以说我们把这种薄膜应用于这个氢的传感器上面。那么其实它还可以在我们说的这样的一个智能玻璃上面进行应用等等，现在其实也有很多其他方面的应用探索也在做，以上大概就是我的这样的一个情况。

Q：您提到了现在的主要的工作一个是关于合金材料的异种连接，另一部分的工作主要是氢致变色薄膜这一块。现在新能源汽车里，镁合金这一块慢慢也在应用了，那么镁合金或者铝合金跟其它的合金异种连接这一块还存在着哪些困难需要你们去把它给克服或解决的？

A：镁合金在一体化压铸趋势中受到越来越多的关注，但合金材料异种连接需突破固相连接技术、变形协调和腐蚀防护等关键问题。

我们在一体化大压铸这个浪潮之下，镁合金的压铸现在其实受到了越来越多的关注，那么我们关于镁合金压铸件，譬如说我们用到汽车上关于汽车环境件的这样的一个连接上面。其实我们会发现，因为汽车环境件现在可能钢还是比较多的，可能也有一部分铝的连接，那么镁和其他材料的一个异种连接呢，其实就存在着一个问题，大家知道异种连接它可能理化性质差异比较大，那么比如说我们做加热或者熔焊或者固相焊，熔焊里可能熔点不一样，它们各自的蒸发或者氧化的情况不一样，所以镁在熔焊里面其实是容易存在氧化夹杂气孔的问题。如果跟钢连接，大家都知道钢的熔点比较高，所以说在它两者中做熔焊的话，其实会存在着一系列的问题，当然现在其实也有很多这方面的研究，譬如说镁钢的激光焊、TIG焊，各种复合焊都有在做。那么我们最近往汽车上应用，更考虑就是能不能从这个机械连接或者说固相连接的角度来解决这个问题，所以说这个里面的问题一个是异材焊之间的理化性质差异比较大，如果是跟钢连接的话，其中可能还存在镁跟钢之间它从相图上来看其实是没有什么金属间化合物的产生，不像钢跟铝会有金属间化合物产生，它就缺了一个冶金连接的作用，所以我们更多地是希望通过这样的一个机器锁合或者是有一个微观的键合的作用在里边，那么我们就通过固相连接，就是纯的一个机械连接。镁这种材料它还有一个特点就是它是HCP结构，我们都知道它是密排六方，那么它在室温条件下，可启动的滑移系其实相对比较少，也就是意味着它的变形能力相对较弱。以自冲铆接SPR为例，在这个过程中它其实是一个高速的快速的变形作用，那么其实对镁如果作为底层板来讲其实还是有比较大的一个考验的，作为底层板的镁要有一个比较高的延伸率，当然现在说的是延伸率其实可能我觉得更多的是镁的变形协调能力，所以说在这块是我们特别需要关注和解决的问题。比如说连接要12%的延伸率，但是从做材料的角度来讲，可能这个材料在应用端不需要12%，可以说成本不需要这么高就可以做到，10% 5%其实就可以，那么其实这就是对连接提到了另外的一个考验，怎么去把这样的一个镁合金作为底板进行连接，这是我们考虑的这样的一个问题。当然这一点其实我们可能可以不用SPR这种对它的直接变形量特别大的，譬如说我们给它进行预打孔，或者说用螺栓连接，都是一系列的解决方案，但是关于这一系列的解决方案我们在这个过程当中可能还有很多的工作需要去做。比如大家可能也会特别关注的镁-钢之间的电偶腐蚀问题，可能连接在一块了，它们电偶腐蚀的问题需要怎样去解决，其实也是在我们做连接的过程中需要考虑的，这样的一个连接接头的结构设计问题，我觉得这块其实也是需要我们去关注的。

Q：目前在汽车这一块镁合金的使用量现在是个什么状况您了解吗？

A：镁合金在赋能汽车轻量化上潜力大，但电驱壳体等高端应用仍需突破材料性能和工艺技术，距离大规模产业化推广还有一段路要走。

可能具体的数据我不是那么清晰，因为前期镁合金可能用在汽车结构件上其实还是相对比较少的，我们知道的譬如说仪表盘上面三联屏，座椅骨架这些地方其实是可以用的。那么现在一体化压铸可能把这个事情就打开了，很多时候譬如说在后底板、减震塔这块的应用也是现在做的，特别是现在在电动汽车上面做电驱壳体，现在关于镁合金电驱壳体的研究非常火爆，在这块大家都觉得有非常好的一个应用前景吧。

（好像镁合金这种在新能源车上应用，包括像电动汽车电驱壳体是不是还处于实验的阶段？）

关于镁合金电驱壳体这个据我所知的，可能在上汽的智己的汽车上已经用了AZ91D，但是现在针对电动汽车，大家在不断地追求里边的转速以及一个应用场景的变化，那么可能对镁合金的蠕变性能有了更新更多的要求，其实也是驱使我们对镁合金的压铸材料，特别是用于电驱壳体的一个镁合金材料要做进一步的研究和开发。

Q：目前高校做固态连接这一块，你们的研究是基于主机厂出现了问题找到你们，然后才去做这方面的一些合作性的探索，还是说你们主动地去先思考问题然后解决了之后再找他们？

A：高校科研正从先导研究转向“与产业共舞”，既保持前瞻性，又解决企业痛点，推动材料领域产学研深度协同。

您说的这个其实就是两种模式，一种就是我们高校很早之前就学者做学者的研究，跟实际的产业脱离得会比较多一点，我们可以称之为先导类的研究，就是说我们可以看到什么材料可能在未来会有一个比较好的应用。譬如说我们除了做镁-钢的连接，现在我们还做一些镁跟碳纤维增强树脂基复合材料就是CFRP的连接的探索，它是一个树脂基的，那么金属跟树脂之间如何连接得更好其实也是一个比较困难的问题。现在其实大家跟企业合作的意识或者是产业化的意识越来越强，我们现在接触到的企业也越来越多，那企业给我们反馈的问题也会越来越多，有些问题确实是很生动，很值得去研究，我觉得这两者其实都会有，是一个相互促进。就像丁文江老师经常跟我们讲的“材料成器，器要好用”，就是做材料的一个整体思维，从做材料一直到它的应用，我们都是需要去考虑的，所以我们非常关注应用端出现的这些问题，也非常乐意去解决这些问题。

Q：像彭立明老师团队现在还是主要是围绕着镁铝合金这块在做吗？整个方向里面现在做铝合金的多吗？

A：双轨并行：铝先行，镁突破

对，我们是以镁合金铝合金为主，我们这个非热处理铝合金，压铸铝合金是先出来的，因为铝合金的应用端更早，所以我们其实是最先在这个压铸行业里面起来的。后面就是因为大家越来越关注到镁合金的应用，同时也随着镁的产业进一步发展，镁价跟铝价的一个倒挂，那么其实现在越来越多的主机厂或者应用单位关注到了镁，从降本从轻量化的角度越来越关注它，所以说我们现在特别是今年对镁的关注可能就更多了，但是铝是之前一直在做，现在也在做。

Q：您的第二块研究叫做氢致变色薄膜，它主要的应用场景是传感器这一块吗？据我了解有一种玻璃也可以在光照的条件下变色，好像它也可以应用。

A：氢致变色薄膜技术从智能玻璃走向氢安全监测，体现了“基础研究-应用拓展-跨界融合”的路径。

对，其实最初它可能更多地是应用在这个smart玻璃，就是智能玻璃上面。就是让这个玻璃屋里边变色，因为这个薄膜它有个好处，就是它在一个非常宽的叫做入射光的波长范围内它都有这样的一个阻挡或者不阻挡的作用。比如说镜面的时候，就可以把让我觉得热的光线反射回去，当我觉得有需要阳光进来的时候我就让它变透明，因为它本身的这个薄膜的透过率也不错，阳光也能进来，所以最初其实是更多地是往这个smart智能玻璃上面去应用。

其实关于传感器的应用，我们也是想把它应用到整个附加值更高，因为随着我们这个氢能产业的发展，氢安全大家都非常关注，只要是涉及到氢气的地方其实都是有氢传感器的这样的要求。那么当初我们其实是想往这个比如燃料电池汽车上去应用，一辆燃料电池汽车，我们当时看了一下大概需要10个左右的传感器。当时做得比较好的丰田氢燃料电池汽车，用的就是他们产的一个氢传感器，当时车上是用了10个传感器，价格是在2000到3000元左右，你想一个车上如果用10个还是很贵的，所以说我们想如果用镁做的话，我们是不是可以进一步一个是把这个做到国产化，一个是把价格做下来。其实我们也一直在努力做这件事，因为它是一个非常交叉的方向，应该说它不光涉及到前端的这个镁材料的制备，还涉及到后面的传感器的制作，按照丁老师说的就是先做成这样一个材料，材料之后我们要把它做成器件。

（好像丁院士现在一直对氢能这一块投入了很大的精力）

对，我们这个中心后来又成立了上海交通大学氢科学中心，从学院的角度来说它也是一个新的平台，这里面包括的不光是我们做固态储氢这个氢能的方向，还有两个方向一个是氢医学，一个是氢农业，氢医学这块里面包括氢生物，跟生物有关系的，还有另外一块就是现在做的这个氢农业。

Q：在其他方面的应用它主要是怎么体现出来的呢？

A：氢-镁材料正从传统能源领域向安全监测、智能交互、生物医学等跨界场景扩展，未来或成为氢经济中的关键功能材料。

我们做的是一个氢-镁材料，我们整个还是围绕丁老师经常说的轻氢之镁，还是以这个镁材料出发，我们是一个含氢的镁-氢材料，因为镁可以带氢，这块材料里的储氢材料是MgH2，1个镁带2个氢，所以很神奇，它一个是可以把氢释放出来储氢，另外一个，这个氢可以释放给动植物体内，然后就是这个MgH2在这边物理性质发生变化了就可以变色了，薄膜也可以做起来了。它其实不光可以做在我们的传感器、智能玻璃上，另外因为它变色，是一个颜色的变化，其实它还可以做在加密材料上，以及前阵子也跟其他学院的老师进行了讨论，譬如说我们做一个可视化的东西，跟颜色有关的东西都是可以去做的，但是这个应用场景我们还在进一步地开发。因为我们觉得有件事情，就是测这个氢非常难，因为氢非常轻，整个来说它其实相对不是特别好测，所以是怎么来测氢，或者说我能看见它的变化其实是一个非常难的事情，但是我们突然发现加了氢之后会发现颜色变化，这是不是倒过来可以说我可以作为一个示氢的东西，跟踪氢的东西。当然这个场景我们还在不断地探索，像往生物里去用，怎么用，都是我们的一些想法，这个科研总是在探索的过程中寻找到一些新的应用场景。

Q：在做科研的过程中尤其是镁这块，有没有碰到一些新的问题或者挑战？如果面对新的挑战和问题怎么解决？简单来说就是可以分享一下科研的思维吗？

A：科研思维要从“单点突破”转向“系统集成”，以镁基材料为核心与AI、跨学科主动融合。

科研思维是这样的，一方面我们是以镁为主不断地去发掘，以镁为核心来做相关的事情，另外一点，其实我们还是跟整个世界的发展紧密相连的。譬如说我们现在这个AI发展得特别迅猛，我们就是AI for science，AI for材料，其实在材料的这个研究过程当中，就譬如说我们自己做材料，我们刚才说的这个变色，其实它也并不是说是个镁就很快能变色，我们在这里面要解决很多问题，比如说如果作为传感器，我要让它变得很快，我要解决里面的动力学的问题，那么可能只是镁的话可能做不到那么快，我加什么材料譬如说我们加稀土，加过渡族金属氧化物或者各种东西，但其实在这个里面更多是试的一个过程，那么现在我们倒过来是不是可以用自己主动去挖掘的过程来提升我们研究的速度。另外一个就是说应用，就说我们现在这个薄膜，其实这个做出来，您也问除了传感器和smart玻璃，我们还可以用在什么地方，其实我们对这个东西本身，可能对它的物理化学性质或者它的什么属性还不是了解得特别透彻，特别是它的光学物理的属性。其实我们就是越做越发现我们知识的匮乏，再加上现在AI的发展，确实觉得一直要在学习中才能不断地往前走。我们其实更多的有时候譬如在传感器这块，会去找电院的老师沟通，我也会去参加很多传感器的会，最后就是一个感知的机理是什么，那么其实很多做传感器的人跟我讲这个非常可贵，因为可能说感知的机理这个事情其实是非常难得的，所以我们也在不断地去跟不同的人沟通，我们可能认为它会变化，但我们可能想不出它这个变化的应用场景在哪里，但是我们跟做传感器的人一沟通，他们说可以用在这个地方。所以说我觉得不断地交叉和交流，不断地学习是非常有必要的，我们也是在不断地在跟物理老师在请教、沟通、交流这些问题，我越来越觉得学科交叉的这个度越来越深。我们原来说我们都是做结构材料出身，然后说你做功能材料，大家可能觉得比较远，但现在其实我们今年再看镁-氢，其实做各种各样功能的都很多了，比如说我们做高导热，比如说我们做刚才说的储氢，做变色，还有生物，这已经是一个非常好的一个功能，所以大家现在越来越多的是把结构的一些方法能够应用到功能上面，功能上面其实也不断地需要我们结构的一些研究的方法，或者是逻辑去指导。譬如说他们有做偏功能的一个材料，说那个材料功能都很好，但是塑性不是很好，我说塑性是我们做结构材料的人非常擅长的一个东西，所以他们就说非常乐意跟我们去探讨一些这样的问题，我们最近也在做一些联合的研究。所以说我觉得这个交叉，功能和结构没有一个非常清晰的界线，我们的材料其实更多的是材料本身结构上的一个设计，到根本上的一个设计的逻辑其实更重要。

Q：您对做金属材料的科研有什么感想吗？

A：一辈子能做成一个造福大家的产品，就是最大的成就感。

我从本科毕设，2005年开始做镁合金，到今年2025年，已经20年了，做金属材料的科研，越做其实可能还是挺喜欢，我觉得做老师的好处就是可以不断跟学生去沟通，学生有很多新的想法，我们可以有一个一直在想，一直在走的这样的一个过程。我做的整个方向来说都是以镁为主，其实涉及了镁很多的应用场景，我本科在关绍康老师那边，当时做的是一个镁的生物医用材料，我那个时候做的更多的是偏微弧氧化和电沉积，做生物医用的一个防护，也就是我们现在说的这个腐蚀更相关的内容，同时也考虑到镁的这个材料的生物相容性这一块，那么后面读博士的时候，可能做的是偏固相连接的事情。其实再到现在我们又开发了一些新的方向，我也不断地在复盘自己研究的内容，其实我觉得现在特别是AI、计算，从根本上其实很多都很像，我们从这个性能的角度来讲，怎么来提升它的一个绝对强度，和它的强塑性匹配的问题，那么再从另外一个功能特性角度，其实我们一直在做的是一个腐蚀或者说生物功能，其实也是跟这个腐蚀相关的一系列的问题，就像我们现在往车上用，大家关注电偶腐蚀，其实也是一个层面上的事情。再往这个功能上面用，比如储氢或者变色，其实不外乎材料本身的一些属性上面的探究，譬如说它的一个物理属性，我们经常会说声光电磁热，我们在声学上还有光学上，导热我们都在做，所以说其实一直是把材料本身的属性不断地去延伸，不断地去拓展。可能我们原来只关注力学性能特别是只关注拉伸力学，现在大家就思考得更全面了，因为我们的材料真的是要走向应用了，所以说我们做力学很多时候我们要去做它的蠕变，很多时候我们要去做它的疲劳，因为这是在应用过程中更关注的一个内容。所以我觉得就是像您刚才问的，我们很多的问题是来自于应用，来自于企业，还是我们自己主动去探究一些事情，我觉得这两个方面其实都是会有的，而且这两个方面是一个非常好的互相促进，让我们做着做着觉得非常的开心，觉得我做的事情确实是可以解决问题的，就我们老师经常会讲说，我一辈子能做成一个非常好能造福大家的一个产品，其实是觉得非常有成就感的事情。

Q：现在跟很多老师接触之后，他们觉得做合金材料这块很苦恼的一点，一个是发文章难，发高影响因子的文章难，然后会牵扯到一系列的问题，还有一个是学生现在其实积极性也不是很高，就想知道这一块怎么样能够传递一个更积极的信号，让他们觉得其实我们做合金材料还是大有希望的？

A：无论学生未来进入企业或学术界，产业视角和系统思维都将是核心竞争力，要通过科研培养“创造价值”的成就感。

其实我觉得学生他们可能跟应用端接触得比较少，现在大家一直在说产教融合，学生其实可以去企业里去看一看，我们做的东西它真的应用了，我觉得这个带给他的成就感是很不一样的。 还有一个就是，我们一般做理论做实验，只是做一个非常小的部分，他看不到这个整体的全局在哪里，所以我觉得可能更多的要给他一个全局观，然后给他一个跟这个产业结合得比较实际的一个点，让学生有所感受。那么刚才您说的另外一个点，就是学生可能更多地面临毕业，然后如果还想留在高校，或者想做进一步的学术生涯的提升，那么可能说希望发表更好的文章，做更好的研究，其实这点我觉得做好的研究，即使是跟产业业界结合的研究，同样可以做好的文章。我一直是这样觉得，就是没有好或坏的研究，而是说你投入进去你可能看到的东西是非常不一样的，所以我们当时做一个薄膜，学生也是非常的积极，很多事情是他来推着我们所有人在走，就是他自己有一个内驱力来做这个事情，这个是非常重要的。我做的东西能运用，我觉得这个对任何人来讲可能都是一个非常好的促进作用，所以说我觉得同学们可能对于自己做的这个事情要更整体地去了解，虽然我做的可能是一个很小的部分，但是它可能在某一部分发挥很大的一个作用，譬如我们在很多材料，在航空航天这些场景都得到了这样的应用。所以孩子们可能只看到我去做熔炼这个里边很辛苦，觉得有点枯燥，但是其实熔炼里，铸造里都有很大的学问，很多航空航天的件就是通过这样的一个前期研究，再有后面的一个产品件的实现，他能看到自己的研究最终能够转化成实际的一个应用，有一个获得感会更加的开心。我们现在上课也是希望学生能有一个获得感，我们可能去除一些特别花哨的内容，讲课的内容更贴合学生实际的需求，当然我们是要做深度的延伸，那么可能很多时候我们也非常希望结合学生的专业方向，比如我还上有3门课，其中有一门课就是跟彭老师一起上的这个传输，我们称之为材料加工过程中的传输现象，这里边包括三传，我们这个课现在同学们非常喜欢，什么原因呢，一个是我们把事情上透，就是不用太花哨的内容，但是把这个事情讲透，另外一个就是我们非常希望跟同学们的专业方向进行结合。我渐渐发现我们这个课程，原来是做铸锻焊的同学选得比较多，现在做功能材料的同学多了，我现在发现做功能材料，做电池做热管理材料或做涂层的同学都有来选，因为在这个过程当中，微观层面其实都是有这样的传输现象存在的，可以说这个传输现象存在于基本上所有的研究的范畴里，所以说怎么跟每个新的方向做好结合，让我们老树开新花我觉得这个很重要。那么从学生的角度出发，从他们的所想所思出发，让他们更有获得感，我觉得就能让学生更好地去做很多事情，当然这个读研究生读本科读博士可能都只是他们人生中的某一个阶段，但是我们也希望在他这个阶段里能非常开心地，非常有获得感地去度过这段生活。

转载：压铸界