為材料“保駕護(hù)航”

胡敬

專家簡(jiǎn)介：

劉莉，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所金屬腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員，碩士生導(dǎo)師。獲吉林大學(xué)化學(xué)分析專業(yè)學(xué)士學(xué)位，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所博士學(xué)位。主要圍繞納米材料的腐蝕電化學(xué)行為，特別是納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)，及海洋極端苛刻環(huán)境下材料腐蝕與防護(hù)問(wèn)題開展一系列研究工作。在國(guó)際知名期刊發(fā)表SCI論文35篇，主持國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目和青年基金項(xiàng)目各1項(xiàng)，參與國(guó)家自然基金重點(diǎn)基金項(xiàng)目1項(xiàng)，主持國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究“973”課題項(xiàng)目和國(guó)防“973”項(xiàng)目專題各1項(xiàng)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，材料、能源、信息并立為當(dāng)今世界技術(shù)發(fā)展的三大支柱，而材料又是其發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)今，納米材料和納米結(jié)構(gòu)是材料研究領(lǐng)域最富有活力、對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具影響力的研究范疇。但在實(shí)際工況中，材料經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失效行為，導(dǎo)致其應(yīng)有功能喪失，特別是金屬材料。腐蝕是材料失效的形式之一，而對(duì)材料腐蝕與防護(hù)的研究，正是劉莉要解決的問(wèn)題。

探秘腐蝕行為

弄清金屬材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其腐蝕行為的作用機(jī)制，對(duì)于材料耐蝕化設(shè)計(jì)具有重要意義。掌握金屬材料腐蝕行為的納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)，不僅可以揭示納米化微觀作用機(jī)制，更深入掌握納米材料作用本質(zhì)，而且可以實(shí)現(xiàn)耐蝕材料的理論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其在科學(xué)和工程方面都有重要意義。為實(shí)現(xiàn)這些目的，劉莉及其所在團(tuán)隊(duì)近年來(lái)開展了系列研究工作。

腐蝕是材料因環(huán)境介質(zhì)的作用而發(fā)生的惡化變質(zhì)或破壞，是一種電化學(xué)變化過(guò)程，俗稱生銹。腐蝕對(duì)材料表面的損害不僅導(dǎo)致資源與能源的浪費(fèi)，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且容易造成污染與和事故。

怎樣才能使金屬材料防腐呢？由于金屬材料的失穩(wěn)多數(shù)始于表面，那么，如果在材料上制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)表面納米化，是不是就能通過(guò)表面組織和性能的優(yōu)化來(lái)達(dá)到材料防腐呢？劉莉告訴記者，答案是肯定的。

由于納米粒子體積極小，小到一定程度會(huì)引起光電效應(yīng)、表面能等的特殊變化，這就是納米的“尺寸效應(yīng)”。而表面納米化處理會(huì)在材料的表面形成一定厚度的納米層，這一層納米晶組織具有高表面活性，可通過(guò)迅速鈍化來(lái)阻止腐蝕進(jìn)程。

鈍化是使金屬表面轉(zhuǎn)化為不易被氧化的狀態(tài)，從而延緩金屬腐蝕速度。金屬與氧化性物質(zhì)作用，會(huì)在金屬表面生成一種鈍化膜。它可以把金屬與腐蝕介質(zhì)完全隔開，從而使金屬形成鈍態(tài)達(dá)到防腐蝕的作用。

而不銹鋼點(diǎn)蝕是一種危險(xiǎn)性高的局部腐蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)穿透鋼板。何謂點(diǎn)蝕？據(jù)劉莉介紹，“金屬表面地區(qū)出現(xiàn)縱深發(fā)展的腐蝕小孔，其余地區(qū)不腐蝕或腐蝕輕微，這就是點(diǎn)蝕?！?/p>

通過(guò)對(duì)一系列不銹鋼納米材料、鎳基高溫合金等鈍性金屬的鈍化、點(diǎn)蝕行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，劉莉掌握了金屬材料鈍化行為的納米晶粒尺寸效應(yīng)規(guī)律，揭示了金屬材料納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)對(duì)腐蝕行為的作用機(jī)制。同時(shí)，她還發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)能改變鈍化膜形成機(jī)制，弄清了提高材料耐蝕能力的機(jī)理。

對(duì)于點(diǎn)蝕過(guò)程，如何提高材料的抗局部腐蝕能力？劉莉及其團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，采用逐步升溫法激發(fā)形成單點(diǎn)蝕，而后利用透射電子顯微鏡（TEM）直接觀測(cè)納米晶薄膜的鈍化膜微觀結(jié)構(gòu)。在國(guó)際上，他們首次在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)蝕過(guò)程中形成的表面覆蓋層的存在，并且證實(shí)了該覆蓋層是由鈍化膜及殘留金屬共同組成的。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了點(diǎn)蝕形成的先決條件是表面覆蓋層的存在，從而完善了經(jīng)典點(diǎn)蝕理論。同時(shí)，該項(xiàng)研究工作受到腐蝕領(lǐng)域國(guó)際著名專家學(xué)者的高度評(píng)價(jià)，并多次受國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)做報(bào)告。

為深海腐蝕做防護(hù)

我國(guó)已明確提出“走向深海大洋”的戰(zhàn)略目標(biāo)，海洋已成為我國(guó)軍事、經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略要地。海洋環(huán)境十分復(fù)雜，但隨著我國(guó)海洋事業(yè)“遠(yuǎn)洋化、深?；钡陌l(fā)展，前期對(duì)淺海環(huán)境下材料腐蝕防護(hù)研究已不能滿足需求，海洋苛刻極端環(huán)境下金屬材料的腐蝕問(wèn)題已躍然紙上，亟待解決。而這些腐蝕失效問(wèn)題的最大特點(diǎn)就是失效機(jī)制不清楚、缺乏有效防護(hù)手段。該如何解決這些問(wèn)題？劉莉一直在潛心專研。

深海環(huán)境是海洋極端苛刻環(huán)境之一，是高靜水壓力、低溫、低溶解氧交互耦合作用環(huán)境。劉莉近年在國(guó)防“973”項(xiàng)目、自然基金面上項(xiàng)目等支持下，利用項(xiàng)目組自行搭建的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，開展了大量研究工作，并取得了一系列進(jìn)展。劉莉及其團(tuán)隊(duì)針對(duì)一系列深海環(huán)境下服役的金屬材料低合金高強(qiáng)鋼、鈦合金等，在各種深海復(fù)雜耦合環(huán)境下開展腐蝕行為研究，不但揭示了“不同金屬材料對(duì)深海環(huán)境敏感性不同”，而且揭示了“現(xiàn)役犧牲陽(yáng)極在壓應(yīng)力與溫度、氧含量的協(xié)同作用下，引發(fā)更嚴(yán)重的不均勻溶解，導(dǎo)致陽(yáng)極質(zhì)量損失增大，陽(yáng)極服役性能顯著下降”的現(xiàn)象。

產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能通常稱為失效，而金屬涂層防護(hù)不但可使設(shè)備表面美觀，而且可使設(shè)備防銹、防腐，避免失效行為發(fā)生。通過(guò)研究，劉莉及其團(tuán)隊(duì)闡明了深海復(fù)雜耦合環(huán)境下有機(jī)防護(hù)涂層失效機(jī)理，建立了壽命預(yù)測(cè)模型。深海環(huán)境中交變壓力為有機(jī)涂層最主要的環(huán)境作用因素，交變壓力通過(guò)破壞涂層/金屬、顏填料/基料樹脂兩大界面，導(dǎo)致涂層失效。他們通過(guò)建立涂層致密性、附著力、強(qiáng)韌性與涂層壽命量化的數(shù)學(xué)關(guān)系方程，并在此基礎(chǔ)上建立整體理論壽命預(yù)測(cè)模型，對(duì)現(xiàn)役涂層實(shí)現(xiàn)了精確壽命預(yù)測(cè)。

此外，劉莉在研究中得出：深海防護(hù)涂層整體設(shè)計(jì)中，小尺寸顏填料及高顏基比可顯著提高涂層/金屬界面結(jié)合能力，微觀設(shè)計(jì)中無(wú)機(jī)填料表面化學(xué)改性會(huì)顯著提高顏填料/基料樹脂界面結(jié)合。由此，設(shè)計(jì)的新型化學(xué)鍵合有機(jī)涂料實(shí)現(xiàn)了比現(xiàn)役涂料在深海復(fù)雜耦合環(huán)境下的使用壽命提高2倍以上（實(shí)驗(yàn)室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果）。這些研究結(jié)果發(fā)表在腐蝕領(lǐng)域著名雜志上，并在國(guó)際上得到高度評(píng)價(jià)，為深海腐蝕防護(hù)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

揭示海洋高溫腐蝕機(jī)制

據(jù)劉莉介紹，海航發(fā)動(dòng)機(jī)服役金屬材料在我國(guó)南?！案邷?、高濕、高鹽”環(huán)境下腐蝕速度是內(nèi)陸地區(qū)的20倍。這種環(huán)境是海洋第二大類極端苛刻腐蝕環(huán)境。而揭示海洋高溫環(huán)境下金屬腐蝕機(jī)制，是科學(xué)地解決或控制該腐蝕問(wèn)題的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上提出防護(hù)涂層設(shè)計(jì)方法則是提高近海服役飛機(jī)壓氣機(jī)壽命的有效途徑。在這樣的思路下，劉莉在國(guó)家“973”課題和相關(guān)項(xiàng)目資助下，開展了一系列研究工作，并取得了創(chuàng)新性意義。

前人針對(duì)海洋高溫固態(tài)沉積鹽與水蒸汽的協(xié)同作用提出“動(dòng)態(tài)水膜”理論解釋該腐蝕行為，但并未深入闡明腐蝕機(jī)制。而劉莉通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)不銹鋼系列材料的詳細(xì)研究，首創(chuàng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上第一個(gè)完成固態(tài)鹽和水蒸汽條件下的電化學(xué)表征的工作，不僅證明了前人提出的“動(dòng)態(tài)水膜”理論的合理性，而且發(fā)現(xiàn)了除了傳統(tǒng)常溫水溶液電化學(xué)、高溫?zé)崛埯}電化學(xué)以外的中溫固態(tài)鹽膜下的電化學(xué)反應(yīng)。關(guān)于中溫，劉莉介紹道：“相對(duì)于海洋該溫度為高溫，因此在研究方向時(shí)稱為海洋高溫環(huán)境，但從絕對(duì)溫度來(lái)講為中溫區(qū)?！?/p>

傳統(tǒng)思想認(rèn)為鈦合金耐蝕能力優(yōu)異，其作為最新海航壓氣機(jī)葉片材料在海洋高溫環(huán)境下服役不存在腐蝕問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中從未考慮過(guò)防護(hù)。而劉莉及其學(xué)生通過(guò)大量研究工作證實(shí)了鈦合金在海洋高溫環(huán)境下存在嚴(yán)重腐蝕，從而得出結(jié)論：在海洋環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)鈦合金葉片必須施加防護(hù)涂層。

該方向是劉莉所在課題組在國(guó)際上開拓的我國(guó)自主創(chuàng)新的新研究方向。而劉莉近年開展中溫電化學(xué)腐蝕研究，其本身是一個(gè)高溫氧化-電化學(xué)交叉研究方向。劉莉發(fā)表了國(guó)際上首篇關(guān)于中溫電化學(xué)研究文章，在高溫氧化領(lǐng)域，受到了國(guó)際同行專家的高度關(guān)注。同時(shí)，劉莉受邀在國(guó)際高溫領(lǐng)域最著名的兩大會(huì)議“2008年法國(guó)高溫會(huì)議”和“2014年日本高溫會(huì)議”作大會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告。

一路堅(jiān)持，一路創(chuàng)新，一路披荊斬棘，作為一名女性科研工作者，劉莉在自己的研究領(lǐng)域創(chuàng)下了驕人的成績(jī)，為材料腐蝕防護(hù)作出了突出貢獻(xiàn)。但這對(duì)她來(lái)說(shuō)，才剛剛是一個(gè)開始……endprint