腐蝕與防護學科進展
 

　　文/李曉剛·中國腐蝕與防護學會
 

　　2011年12月,材料腐蝕學科發展研討會在北京科技大學舉行。會上,對目前腐蝕防護學科的發展進程做出了階段性的總結,并對今后學科的發展方向進行了討論。
 

　　作為國民經濟和國防建設中重要支柱制造業所屬的材料腐蝕與防護學科，具有跨地區、跨行業、跨部門的特征，社會發展和建設中的各部門和各方面都會涉及到該學科。隨著近年來我國制造業規模位列世界第一，學科本身取得了突飛猛進的發展，基礎研究空前活躍，發表論文數量和質量都明顯提高，躍居世界第二位。這些都表明我國腐蝕科學研究的發展進入一個全新的階段。
 

現狀
 

　　我國腐蝕與防護基礎研究已經成為國際腐蝕與防護研究的重要部分,處于世界領先水平。新型耐蝕材料、緩蝕劑、新型涂層與涂料和電化學保護新技術大量出現,成為推動我國、乃至世界腐蝕與防護學科發展的重要推動力。腐蝕與防護產業不僅能解決我國出現的腐蝕問題,本身也成為巨大的產業。
 

　　學科積累的各類材料的腐蝕數據、規律和實驗研究方法等成杲在國家重大工程建設中獲得廣泛應用,例如西氣東輸、青藏鐵路、南水北調、高速鐵路、跨海大橋、大飛機、海洋開發、基礎設施和環境保護等,同時為國防裝備建設做出了巨大貢獻。在國防建設中,腐蝕與防護學科得到了空前的重視和應用,武器裝備及其材料腐蝕與失效行為、武器裝備環境效應預測與評價、武器裝備防護技術成為與武器裝備同步發展的重點。在我國,腐蝕與防護科技工作者在這方面發揮了重要作用,已經成為提高我國武器裝備水平不可或缺的一支力量。
 

　　但是,我國還不是腐蝕與防護學科強國。—方面,我國在基礎研究上尚未形成足以引領世界腐蝕與防護學科研究方向的理論或貢獻較大的基礎研究方向,另—方面我國相關的防護技術綜合水平仍然較低,原創性技術較少,高品質長壽命耐蝕結構材料、腐蝕研究所需的高檔測試設備都需要進口,相關腐蝕與防護方法、技術涉及的標準體系建設也比較薄弱。


發展及需求
 

　　未來我國材料使用的地域將由陸地向海洋、由淺表向深層,負荷由靜載向動載,環境由大氣向酸堿,應力由簡單向復合變化。新一代高性能設備和構件要求能夠在復雜應力、交變應力、動態載荷、多種腐蝕介質下安全服役。材料設計應針對各類不同的復雜環境,結合大氣腐蝕、海洋腐蝕、特殊介質腐蝕、濕熱環境對材料性能要求,提出新原理、新工藝、新技術,實現對強度、韌性、塑性、耐蝕性、抗蠕變性等綜合性能的提高。
 

　　在金融危機、全球經濟萎縮、貿易保護主義盛行的當今,腐蝕與防護學科必須實現基礎研究新的突破,建設和發展世界一流的基礎研究方向,提升學科自主創新能力,以支撐我國國民經濟發展模式的轉型。
 

　　針對海洋、石油、電力、交通和航空航天等領域的國家重大需求,圍繞復雜環境、復合載荷、全壽命周期條件下高性能材料的設計、制造和服役行為中的共性技術,構筑政產學研用協同創新體系;建立多學科融合、多團隊協作、多技術集成的協同創新平臺;解決國家在海洋、能源、交通、重大裝備領域急需的高性能結構材料和出現的重大材料腐蝕事故,支撐我國工業產業結構調整,促進高端工程人才培養與技術轉移,這就是我國“十二五”時期腐蝕與防護學科的發展目標。
 

　　這種戰略需求就需要構筑政產學研用協同創新體系,圍繞國家重大需求和核心競爭力,組織社會各種力　　量進行協同創新。特別是在國家、各級政府和企業領導的強力支持下,以國家重點實驗室、大學以及國家材料環境腐蝕野外科學觀測研究平臺等相關研究團隊為主體,構建我國腐蝕與防護學科基礎研究協同研發平臺;以企業國家實驗室、各行業腐蝕與防護重點實驗室或中心、各地方或部委腐蝕與防護重點實驗室或中心為主體,構建我國腐蝕與防護學科應用基礎研究協同研發平臺;以國有大型企業的腐蝕防護中心、中小型企業的腐蝕與防護工程技術人員為主體,構建我國腐蝕防護技術協同研發平臺。
 

　　同時,以中國腐蝕與防護學會為協調單位,形成以上三個平臺內部協同創新研究與開發的局面,構建腐蝕與防護學科基礎研究協同研發平臺、腐蝕與防護應用技術協同研發平臺和防護技術工程協同研發平臺協作大交流的新機制,推動腐蝕與防護學科的快速發展,加強腐蝕學科的科普和立法工作,為我國盡快成為腐蝕與防護學科強國提供基礎和保障,滿足我國制造業向國際一流水平發展的需要。
 

研究重點
 

　　腐蝕與防護學科是材料學、化學、電化學、物理學、表面科學和環境科學等多學科交叉滲透的學科,這些學科的進—步發展與滲透促進了材料腐蝕學科基礎理論的發展。但是,腐蝕與防護學科與這些學科有著明顯的區別。
 

　　腐蝕與防護學科關注的中心問題是設備或構件,也就是各種材料在環境中使用時是否安全、壽命多長的問題。這就必須從微納米尺度到超大尺寸構件的尺度范圍上探索材料與環境相互作用時的失效機理與規律、從微秒到年的時間尺度上認識材料與環境相互作用失效機理與演化規律、多重環境因素耦合作用下的材料失效機理與各因素影響規律等三個方面,研究其中包含的各種問題。
 

　　不幸的是,解決這些科學問題的難度不亞于解決物理學或化學中科學問題的難度,他們挑戰著目前人類的認知能力和測試水平,與物理學或化學不同,解決這些問題的標志不僅是人類社會接受由這些科學問題解決而產生的技術,而且這些技術必須產生經濟效益,否則,并不算完全解決了問題。
 

　　到目前為止,對金屬腐蝕行為與機理的實驗研究與理論分析表明,對于金屬的環境腐蝕失效過程,其產生機理、發展過程以及與環境的交互作用相當復雜,是屬于復雜科學問題,表現為:控制變量及影響因素眾多;各變量與腐蝕速率之間具有較強的動態耦合變化過程;腐蝕過程呈現隨機性、非線性、多變性及突變性。盡管這樣,也沒有阻擋人們對其過程認識的步伐。
 

　　總體上看,人們對這種復雜過程的認識目前還主要處在實驗研究和數據積累階段,這個階段的特征是發展各種試驗方法、觀測腐蝕過程的行為與機理和加強動態、原位檢測技術的研究。
 

　　在腐蝕機理的研究方面,從原子層面上研究各種化學成分對腐蝕起源影響才剛開始。例如在原子層面上,離子在點蝕或腐蝕開裂過程中所起到的作用尚不清楚;對材料中重要缺陷的跨尺度層次構建還較為簡單;關于缺陷分布對腐蝕的影響研究,還處于起步階段。
 

　　從時間尺度上看,目前建立的與時間相關的腐蝕模型具有—定的局限性,例如大氣和土壤腐蝕模型主要采用對長時間實際暴露腐蝕數據進行擬合,點蝕生長模型主要采用實驗室試驗數據進行擬合,應力腐蝕裂紋擴展速度的測試精度不高和測試方法各有利弊,總之模型的建立主要依據經驗公式。
 

　　但是由于獲得的腐蝕數據是不連續、非原位檢測的結果,建立的腐蝕模型無法動態、連續描述材料表面隨時間發生的變化過程。因此,有關理論模型的研究僅僅處于起步階段,尚需要數十代人不斷堅持和長期研究才能逐漸取得令人滿意的結果,其中非線性非穩態過程研究是關鍵。
 

　　在宏觀腐蝕電化學的不斷發展與成熟的過程中,與之相對應的微區腐蝕電化學將是腐蝕學科發展的一個重要方面。借助于宏觀腐蝕電化學的研究方法與成果,利用微區腐蝕電化學的測試方法,對金屬局部腐蝕機理、涂層缺陷處腐蝕機理和金屬相結構腐蝕電化學進行系統研究,將獲得系統的創新性研究成果,極大地推進對腐蝕規律的認識。
 

　　從空間尺度的角度看,過去,腐蝕的電化學過程的研究只停留在宏觀尺寸水平,如今,由于納米表征技術和計算科學的發展,人們開始從原子的層面上研究溶解和鈍化過程中電子和離子的轉移反應機制。近幾年來掃描電子顯微鏡,電化學毛細管探針顯微鏡的發展以及與其他材料微結構分析技術的結合(如拉曼光譜儀、開爾文掃描探針、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等),使得腐蝕科學研究者們得到了更多的信息,這些信息是應用傳統的電化學測試方法不能得到的。

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