近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷快速發(fā)展、全球氣候變暖和海冰加速融化，極地資源逐漸顯現(xiàn)出開發(fā)利用潛力，引起全球關(guān)注。極地地區(qū)主要定義為位于北極和南極極圈內(nèi)的陸地和海洋區(qū)域。極地裝備是科學(xué)了解極地地區(qū)、合理開發(fā)利用極地資源的必要條件。

在制造極地設(shè)備必不可少的材料中，金屬材料在海洋工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于其高機械強度和相對具有成本效益的性質(zhì)，它們在生產(chǎn)、加工和運輸部門中尤為重要，用于建造管道、油箱、石油管線、電力線、導(dǎo)熱體、熱交換器和各種其他海洋應(yīng)用。

金屬通常根據(jù)其顏色和鐵含量分為黑色金屬和有色金屬類別。此外，黑色金屬和有色金屬合金表現(xiàn)出不同的防銹和耐腐蝕性。

在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的框架中，金屬材料與其環(huán)境之間的相互作用被歸類為物理化學(xué)反應(yīng)。然而，越來越多的研究主張擴大腐蝕的定義，以涵蓋所有形式的相互作用，包括物理溶解和輻照。

無論腐蝕的定義如何，降解過程總是從暴露于環(huán)境的金屬材料的表面開始，然后進入內(nèi)部。因此，金屬表面的狀況與腐蝕的發(fā)生之間存在著不可分割的聯(lián)系。關(guān)于能量變化，金屬材料與周圍環(huán)境形成一個熱力學(xué)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，腐蝕反應(yīng)代表了導(dǎo)致能量降解的自發(fā)過程。在發(fā)生腐蝕時，金屬會轉(zhuǎn)化為化合物，導(dǎo)致其暴露表面發(fā)生一系列形態(tài)變化。

因此，在極地（極冷）海洋大氣環(huán)境中研究金屬時，必須特別注意監(jiān)測暴露表面形態(tài)的變化和環(huán)境因素的影響。了解這些因素對于理解腐蝕行為至關(guān)重要。

早在2004年，Morcillo等人就對三個南極試驗場的碳鋼、銅、鋅和鋁的腐蝕進行了研究。隨后，在2007年，Mikhailov等人整合了南極洲、亞北極和俄羅斯遠東沿海大氣環(huán)境中合金的腐蝕試驗結(jié)果。他們提出，非工業(yè)沿海地區(qū)的大氣腐蝕不僅取決于表面的濕潤時間（TOW），還取決于海洋氣溶膠的濃度。這些結(jié)果基于上個世紀的研究，快速變化的全球氣候需要更多最新和更廣泛的調(diào)查。

自19世紀20年代W·H.J. Vernon的開創(chuàng)性工作以來，大氣腐蝕已被廣泛研究。其錯綜復(fù)雜的性質(zhì)受到許多有影響力的參數(shù)的支配，包括氣象和污染變量。這些因素包括空氣中海鹽的存在，主要在沿海地區(qū)以海洋氣溶膠的形式觀察到。值得注意的是，NaCl在海洋氣溶膠中含量豐富，在海洋大氣中金屬的腐蝕中起著關(guān)鍵作用。廣泛的研究探索了NaCl顆粒引起的各種金屬基材的大氣腐蝕。Na+來自海鹽氣溶膠，是海洋大氣氣溶膠的重要組成部分，通常被認為是海洋大氣中海洋氣溶膠的指標(biāo)。

除了在海鹽氣溶膠中發(fā)現(xiàn)的成分，如Na+、Cl-、K+、Mg2+和Ca2+，海洋氣溶膠的復(fù)雜成分需要考慮非海鹽氣溶膠。特別值得一提的是，最近重點研究了南極地區(qū)海冰中的硫成分和含硫氣溶膠。二甲基硫醚（DMS）是海洋中普遍存在的揮發(fā)性硫化合物，由于浮游植物活動而排放，經(jīng)過氧化過程，最終形成nss-SO42-和MSA氣溶膠。硫酸鹽和MSA化合物是硫氧化化合物的主要成分。

大量研究表明，大氣腐蝕研究的很大一部分主要集中在腐蝕行為的初始階段和污染物（如SO2和Cl-短期暴露于大氣中。2013年，Wang等人在三個不同的暴露站描述了暴露五年后的腐蝕行為和環(huán)境條件。他們發(fā)現(xiàn)SO2濃度在初始階段主要影響腐蝕行為，而Cl-濃度和TOW在后期階段起著重要作用。此外，SO2加速相變向更穩(wěn)定的α-FeOOH結(jié)構(gòu)。在含SO2的碳鋼環(huán)境中觀察到硫酸鹽巢穴，其中SO2穿透破裂的腐蝕產(chǎn)物膜，形成硫酸鹽。

在過去的幾十年里，許多研究在金屬材料領(lǐng)域取得了長足的進步。然而，在南極沿海環(huán)境中，金屬腐蝕仍有許多方面需要深入探索。當(dāng)金屬長時間暴露在南極地區(qū)并受到復(fù)雜的腐蝕因素的影響時，必須更深入地研究金屬與極地氣候之間的相互作用。這種更深入的研究對于理解它們的腐蝕行為和長期耐久性至關(guān)重要。

浙江大學(xué)和西南技術(shù)與工程研究院的科研人員深入探討了黑色金屬和有色金屬合金在具有挑戰(zhàn)性的南極海洋大氣中的復(fù)雜腐蝕行為。

盡管南極洲條件惡劣，人為排放極低，但材料仍然容易受到嚴重腐蝕。調(diào)查的重點圍繞兩種材料：Q235碳鋼和T2銅。

由于攜帶冰粒和砂礫的持續(xù)強風(fēng)的磨蝕性影響，它們在天空和地面的側(cè)面之間都顯示出明顯的腐蝕情況。陽極和陰極驅(qū)動表面腐蝕過程中的電化學(xué)反應(yīng)，涉及Cl-和SO42-，最終導(dǎo)致各種腐蝕產(chǎn)物的形成。該研究強調(diào)了含硫氣溶膠、甲磺酸（MSA）和非海鹽硫酸鹽（nss- SO42-）在腐蝕過程中，以及Cl-之間的相互作用和銅在形成腐蝕產(chǎn)物。

這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了風(fēng)、冰蓋和氣溶膠等環(huán)境因素與材料的復(fù)雜相互作用，導(dǎo)致各種腐蝕產(chǎn)物和表面轉(zhuǎn)變。進一步的研究對于全面了解南極洲等極端環(huán)境中的腐蝕挑戰(zhàn)并制定有效的緩解策略至關(guān)重要。

在這項研究中，使用Q235碳鋼和T2銅合金在南極沿海大氣中進行了為期12個月的戶外暴露測試，分別代表了高產(chǎn)量的黑色金屬和有色金屬合金，測試是在極冷條件、強風(fēng)、復(fù)雜氣溶膠下進行的。

研究人員將Q235碳鋼和T2銅的板材切割成尺寸為100  mm×50 mm×5 mm的樣品。所有樣品均用丙酮清洗，干燥并密封后，將樣品板放置在與水平方向成45°的曝光架上在中山站進行暴露試驗，暴露時間為12個月。研究人員通過觀察表面腐蝕形態(tài)和表征腐蝕產(chǎn)物來分析這些金屬的腐蝕特性，從而闡明腐蝕機理。

此外，這項研究還特別強調(diào)了懸浮在大氣中的含硫氣溶膠固體或液體顆粒的影響。以往對南極大氣腐蝕的研究往往忽略了由于南極大氣中人為濃度低而產(chǎn)生的含硫氣溶膠的影響。這些發(fā)現(xiàn)提醒人們，考慮多種因素的綜合方法可以為更深入地了解南極沿海環(huán)境中的金屬腐蝕提供重要的見解。通過對南極大氣中的金屬腐蝕進行進一步研究，可以加強極地設(shè)備的設(shè)計和制造，增強其承受極端氣候條件的能力。

表1列出了南極暴露地點的環(huán)境參數(shù)。1~12月氣溫呈谷狀波浪狀，最低氣溫出現(xiàn)在5月和6月，最高氣溫出現(xiàn)在12月和1月。月平均相對濕度往往一直很低，每個月的最高值和最低值之間大約有60%的差異。年平均風(fēng)速約為7.0 m/s，最大風(fēng)速在8月達到30.2 m/s。值得注意的是，從5月到7月，短波輻射的檢測率極低，但在7月結(jié)束后，其強度顯著增加。此外，短波輻射的趨勢與溫度的趨勢密切相關(guān)，短波輻射強度的下降波動相對較大。

Q235碳鋼在暴露1年后的天空（Q235-S）和地面（Q235-G）的腐蝕產(chǎn)物表面宏觀特征如圖1所示。可以看到樣品板的表面呈現(xiàn)出薄而致密的銹層，牢固地粘附在鋼基體上，并具有明顯的山谷形貌；然而，樣品板的兩側(cè)存在顯著差異，Q235-S的腐蝕更為嚴重，腐蝕面積更大；相比之下，鋼基體在地面?zhèn)热匀磺逦梢姡琎235-G受到的腐蝕較少。塑料夾具對樣品板表面施加壓力導(dǎo)致塑性變形，由于應(yīng)力的作用，表面最初出現(xiàn)微裂紋，從而加速了天空側(cè)表面的電化學(xué)腐蝕。具體而言，夾具接觸區(qū)域可能會由于雪或冰的融化和冷凝而長時間保留水膜。這就是為什么在天空側(cè)的塑料夾具接觸區(qū)域附近有一個明顯的凹陷，上面覆蓋著“鐵黃色”殘留物。

通過掃描電子顯微鏡觀察到Q235碳鋼腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌如圖2所示，可以看到這些鋼板在朝向天空和地面的一側(cè)都受到了銹層的影響。鐵銹最普遍的成分是氫氧化鐵和氧化物，這些腐蝕產(chǎn)物可以部分結(jié)晶和部分無定形的形式共存，氫氧化物和氧化物在特定環(huán)境條件下發(fā)生反應(yīng)從亞鐵狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r鐵狀態(tài)。大氣腐蝕過程包括氧化和還原反應(yīng)，其中可能伴隨著涉及腐蝕產(chǎn)物的其他化學(xué)反應(yīng)。

為了收集關(guān)于銹層的更多信息，研究人員使用掃描電子顯微鏡和X射線能量色散光譜（SEM-EDS）進行了橫截面形態(tài)觀察，如圖3所示，Q235-S上存在明顯的銹層產(chǎn)物，銹層與基體之間的界面不均勻。通過元素分布分析，觀察到氯元素在Q235-S斷面內(nèi)表現(xiàn)出相對不均勻的分布，主要集中分布在Q235-G銹層的頂部。此外，Q235-S中硫元素有明顯的聚集，而Q235-G中則顯示出均勻的分布狀態(tài)。圖4突出顯示了銹層中異常豐富的硫含量。

研究人員觀察了T2銅在暴露1年后的朝向天空（T2-S）和地面（T2-G）的表面宏觀形貌，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的腐蝕產(chǎn)物看起來比較均勻，并表現(xiàn)出明顯的雙色調(diào)層，外層為藍綠色層，內(nèi)部為紅褐色層。然而，必須承認的是，兩側(cè)表面的腐蝕產(chǎn)物表現(xiàn)出異質(zhì)性。值得注意的是，與T2-S相比，T2-G表現(xiàn)出有更大的表面被藍綠色腐蝕產(chǎn)物覆蓋。這種差異的產(chǎn)生是因為結(jié)構(gòu)稀疏的藍綠色層在朝向天空一側(cè)比在朝向地面一側(cè)更容易移位，這是由于強風(fēng)和運輸?shù)[石引起的磨蝕作用相當(dāng)大的影響。此外，無論是在朝向天空側(cè)還是地面?zhèn)龋瑠A具接觸區(qū)域都不存在藍綠色腐蝕產(chǎn)物。但是，這些產(chǎn)物沿著接觸區(qū)域的邊緣聚集。觀察到的現(xiàn)象與在Q235碳鋼中觀察到的現(xiàn)象形成鮮明對比。這種差異歸因于兩個主要因素：一是銅的正標(biāo)準(zhǔn)電極電位，二是藍綠色腐蝕產(chǎn)物的形成。

使用SEM對具有雙層結(jié)構(gòu)的T2銅腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌進行仔細觀察，得出了一些值得注意的觀察結(jié)果。藍綠色薄膜上出現(xiàn)了大量的裂紋，在T2-S上有些區(qū)域的薄膜已經(jīng)大量脫落，如圖8(a-c)所示。值得注意的是，腐蝕產(chǎn)物沒有形成具有規(guī)則幾何形狀的晶體，并且在兩側(cè)觀察到局部腐蝕，如圖8(a2)、(b1)和(d2)，以及明顯的空洞狀形態(tài)，腐蝕產(chǎn)物覆蓋了“洞穴”的邊緣，細小顆粒在其中坍塌。

用SEM-EDS檢查了T2銅的橫截面形貌如圖9所示，觀察到氧和氯元素集中在銹層內(nèi)。圖9(a)顯示了較薄的T2-S銹層，這可歸因于強風(fēng)的影響。T2銹層內(nèi)硫的檢測證實了南極大氣環(huán)境中含硫氣溶膠對合金的重大影響。此外，在T2-S的凹陷區(qū)域可以辨別出硫元素的積累。值得注意的是，鈉和氯元素的分布呈現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，其特征是氯元素在兩個表面上的相對積累和內(nèi)層中鈉元素的濃度更高。這是由于在腐蝕過程中，Na+和Cl-分別遷移到陰極和陽極。特別是氯元素總是出現(xiàn)在松散的外層中，呈明亮的藍綠色。根據(jù)表5給出的EDS點分析結(jié)果可知，大多數(shù)表現(xiàn)出松散結(jié)構(gòu)的腐蝕產(chǎn)物被鑒定為含氯化合物，其中部分還有含硫化合物（如點9）。另外，砂礫在表面上留下了明顯的劃痕，因此帶有SiO2，如圖8(f)所示。

通過研究暴露在南極海洋大氣中的黑色金屬和有色金屬合金的腐蝕行為發(fā)現(xiàn)，材料在低溫下仍會腐蝕，且腐蝕嚴重。南極洲的海洋氣溶膠主要來自自然資源，從而影響腐蝕過程。

對于Q235碳鋼，腐蝕涉及由Cl-和SO42-驅(qū)動的電化學(xué)反應(yīng)，這導(dǎo)致各種腐蝕產(chǎn)物的形成。T2銅在南極環(huán)境中經(jīng)歷了不同的腐蝕過程，其表面有雙層結(jié)構(gòu)的腐蝕產(chǎn)物，外層疏松，內(nèi)層致密。來自海洋氣溶膠的Cl-促使形成了藍綠色的腐蝕產(chǎn)物。氣溶膠中的MSA和nss-SO42-也有助于早期腐蝕，形成含硫物質(zhì)。強風(fēng)及其攜帶冰粒或砂礫對松散的外部腐蝕產(chǎn)物施加壓力，使得朝向天空的一側(cè)比朝向地面的一側(cè)更平坦。一個尚未完全闡明的問題是紫外照明如何影響腐蝕產(chǎn)物的演變。

總之，這項研究突出了南極環(huán)境中復(fù)雜的腐蝕機制，其中風(fēng)、冰蓋和氣溶膠等環(huán)境因素與材料相互作用，導(dǎo)致不同的腐蝕產(chǎn)物和表面形貌轉(zhuǎn)變。進一步的研究對于理解和減輕極端環(huán)境中的腐蝕挑戰(zhàn)至關(guān)重要。