21 世紀，人類向深海進軍將與太空探索比肩。資源、可持續(xù)發(fā)展、國家安全、全球變化這些熱點名詞，作為普通民眾也已耳熟能詳，它們均與深海有著千絲萬縷的聯(lián)系，深海已成為人類未來發(fā)展休戚與共、賴以生存的載體。深海擁有海洋 90% 以上的總面積，蘊藏著人類社會未來發(fā)展所需的各種戰(zhàn)略資源和能源，具有重要的科研與商業(yè)應用前景。在我國，近期部分公布的十三五規(guī)劃指南中已提出向萬米深海進軍、向極地進軍，并提出了適應于萬米科技的裝備與材料研發(fā)計劃。然而，深海極端環(huán)境及深海微生物對于裝備材料的腐蝕、深海材料制備技術、蝕損機制研究是深海資源開發(fā)的制約瓶頸。為了全面地了解深海、科普深海相關的材料技術知識、為走向深藍提供支撐，記者特邀請到上海海事大學尹衍升教授做相關方面的精彩解讀。

    尹衍升，上海海事大學海洋材料科學與工程研究院院長，教育部長江學者特聘教授，博士生導師，長期從事材料的基礎研究及其工程應用實踐。圍繞材料的制備與加工技術、海洋環(huán)境服役行為與微生物附著污損機理、深海石油鉆采過程多因素耦合失效機制與防護等海工領域發(fā)展的重大需求，先后主持承擔國家及省市重要課題 30 余項。

    走向深海 大有可為

    多年來，我國積極參與國際海底區(qū)域活動，先后組織開展了 40 多個大洋調(diào)查航次，相繼申請獲得了多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼等資源勘探合同區(qū)，發(fā)展了以“蛟龍”號載人潛水器、“海龍”號無人纜控潛水器、“潛龍”系列無人無纜潛水器為代表的深海勘查技術裝備，為人類認識深海、和平利用深海資源發(fā)揮了重要作用。談及走向深海，尹教授認為大有可為。具體可從下面五個方面來看。

    走向深海為國家深海科學探索和能源戰(zhàn)略奠定材料基礎。深海及深海沉積物中的微生物生存面臨高壓，低溫或高溫、黑暗及低營養(yǎng)水平等幾個主要極端環(huán)境，開展深海適冷菌、深海適熱菌、深海適壓菌等微生物附著條件下的材料腐蝕機制研究具有更大的挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性。深海資源鉆采、深海科學探索、深海國防安全的基礎是深海裝備，而深海裝備的基礎是深海專用材料，深海材料國產(chǎn)化是我國深海裝備國產(chǎn)化的基礎與制約瓶頸，解開這一系列的問題迫在眉睫。

    深海之爭歸根結底為資源之爭。深海油氣探明儲量已占海洋油氣探明儲量的 70% 以上；天然氣水合物在海洋中的總量為（1 ~ 5）×1015 立方米；多金屬結核在海洋中約有 5000 億噸，主要富集在 4000 ~ 6000 米深度；富鈷結殼在海洋中含量可達 10 億噸，主要分布在500 ~ 4000 米深度；上百處海底熱液多金屬硫化物礦床含量達 6 億噸，分布在1500 ~ 4000 米深度；深海已發(fā)現(xiàn)數(shù)千種新生物，絕大部分物種是深海環(huán)境所獨有的，是豐富的生物與基因資源。因此，國際深海研究高潮迭起，“藍色圈地”運動已成為 21 世紀爭奪國際海洋資源的主旋律。

    深海之爭的核心是深海高新科技。主要表現(xiàn)為：載人深潛器、 海底觀測站-鏈 - 網(wǎng)、深海探測與資源勘探、深海油氣鉆采平臺、采礦、輸運、聲納、海底機器人、海底通訊、深海生物與基因、海洋污染防治、深海武器裝備等核心技術，涉及到多學科技術領域的綜合高技術系統(tǒng)，而這些技術在深海中的實施與使用需要深海專用材料的支持。因此，深海是高科技的新舞臺；是材料、能源、生命等領域重大理論新的誕生點；是國家經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。

    部分發(fā)達國家已將開發(fā)深海提到國家戰(zhàn)略高度。2004 年 12 月美國總統(tǒng)宣布成立部長級的海洋政策委員會，直屬總統(tǒng)辦公室，全面反思海洋政策。日本明確提出要和美國爭奪海上領導權，政府斥資 6 億美元建造 5700 噸，210 米長的大洋鉆探船，比美國的大三四倍，明文提出要在海洋科學里“起領導作用”，以期與美國爭雄。韓國的水下無人運載器也已經(jīng)不在美國之下，而且其在東海濟洲島西南，已經(jīng)建成了目前全球最大的海上觀測平臺。我國實施海洋強國戰(zhàn)略，建設深海強國部署在即。我國已確定的七個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，明確指出加快海洋工程裝備及材料的發(fā)展，加快深海能源鉆采、深海極端環(huán)境探測、生命考察、深海軍用裝備所需關鍵材料的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。

    深海領域的發(fā)展是一項系統(tǒng)工程，常依賴于材料科技的發(fā)展和突破。深海材料的質(zhì)量不足與種類短缺已經(jīng)成為深海研究開發(fā)的制約瓶頸，以至于深海科技重大裝備多數(shù)依賴進口，其直接的原因就是設備材料難以適應嚴酷的深海服役環(huán)境。目前，雖然一些材料已經(jīng)進入深海探索的實際應用，但深海水下環(huán)境極其特殊，多數(shù)陸上技術不能應用于水下尤其是深海環(huán)境，發(fā)展關鍵實驗技術，實現(xiàn)材料科技的發(fā)展和突破是開發(fā)深海的首要任務。

    總之，發(fā)展裝備、材料、科技，打破瓶頸，邁向深海，大有可為！

    創(chuàng)專業(yè)科研平臺 向 “深藍之策”發(fā)力

    人類已經(jīng)進入向深海、遠海和極地開發(fā)的新時代。深海、極地資源開發(fā)、遠海運輸?shù)阮I域都需要大量的新型裝備和建造用的特種材料。而裝備與材料的制備、選擇與評估、蝕損機制探索等均需要專用平臺進行研究。

    尹教授表示海洋嚴酷環(huán)境所用材料科技的發(fā)展水平已經(jīng)成為專用裝備制造開發(fā)的制約瓶頸，加速海洋嚴酷環(huán)境材料領域的科學研究已迫在眉睫，遺憾的是，我國海洋工程材料特別是深海環(huán)境材料的綜合研究及測試平臺幾乎處于空白狀態(tài)，這些無疑制約了我國深海資源的綜合利用、制約了國家深海科技戰(zhàn)略展開、制約了國家遠洋和極地開發(fā)戰(zhàn)略實施和科技力量的整合、遲滯了深海鉆采企業(yè)和涉海類高校及研究機構的有機結合步伐、制約了國家海底觀測技術與裝備、深水養(yǎng)殖技術與裝備制造、制約了深潛技術與裝備及國家相應戰(zhàn)略的拓展。

    因此，建設專門針對深海環(huán)境下服役材料的研究測試公共服務平臺，不僅可以促進材料研發(fā)創(chuàng)新資源的開放和共享，增加專業(yè)化公共服務的有效供給，還可以降低深海工程類企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的成本與風險，提升研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的能級和水平，進一步提高深海科技創(chuàng)新資源的使用效率。

建設中的部分深海材料研究平臺

    上海海事大學海洋材料研究院依托上海國際航運中心建設和學校學科專業(yè)優(yōu)勢，及時抓住了海洋材料研發(fā)等具有國際前瞻性的海洋前沿課題進行研發(fā)，從而在海洋開采、海洋研究中形成了獨特而新穎的研究生長點。目前，學院已初步建立以海洋材料腐蝕與防護、海洋工程材料、海洋生態(tài)環(huán)境材料、海洋功能材料、海洋生物與藥物材料等研究方向為主體的綜合研究平臺。特別是具有深海特色的設備：該院自主設計（德國制造）深海極端環(huán)境模擬器（450℃，150MPa）。利用該設備可模擬 15000 米深海高溫（0-450℃）高壓（150MPa）極端環(huán)境、可注入微生物和腐蝕性氣體并實時檢測，這也是目前國內(nèi)研究深海的獨特裝備。2014 年獲批上海市高校重點實驗室“深海極端環(huán)境服役材料重點實驗室”。

    發(fā)展深海高科技 三大方向需謹記

    深海材料與裝備的蝕損過程研究非常困難，主要是在實海條件下掛片成功幾率很小，即使在幾百米的深度掛片試驗，最后也很難找回全部試片，更不用說在更深的海洋中進行試驗，因此使用模擬裝置進行試驗就成為唯一可靠的方式，而這樣的海洋全深度試驗平臺在我國數(shù)量甚少。由于深海環(huán)境復雜，實驗成本高，目前材料在深海的公開腐蝕與失效研究數(shù)據(jù)甚少，或處于保密狀態(tài)，相關科學機制在國際上也處于空白狀態(tài)。我國絕大多數(shù)深海關鍵材料及其工藝技術仍然處于空白或起步階段，嚴重制約了我國深海高新科技的發(fā)展。

    尹教授表示根據(jù)國內(nèi)外本領域的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，特別是我國海洋領域的發(fā)展現(xiàn)狀及海洋強國、強區(qū)、強市的海洋戰(zhàn)略，在紛紜的海洋苛刻環(huán)境科技發(fā)展的領域中提煉出四大關鍵科學問題并凝練成三個既相互關聯(lián)又極具特色的重要研究方向。

    四大關鍵科學問題

    1、多重深海環(huán)境因素下材料蝕損的力學 - 電化學交互作用機理與規(guī)律。

    2、南海高濕熱環(huán)境下材料腐蝕的化學 - 電化學 相互作用機理與規(guī)律。

    3、極地深冷海冰環(huán)境中船舶材料蝕損過程及規(guī)律。

    4、遠洋環(huán)境下貨油艙等特種材料腐蝕失效機制。

    三大重要研究方向

    1、深海服役材料蝕損界面及蝕損過程動力學。

    2、高濕熱環(huán)境下材料的微生物附著腐蝕過程。

    3、深冷、遠海環(huán)境下材料的蝕損機制與制備。

    未來在于打破行業(yè)壁壘 填補技術空白

    我國的研究與市場需求和國外水平相比，還存在著很大差距。目前我國開發(fā)的導管架平臺應用僅限于 100 米水深以內(nèi)，自主設計建造的自升式平臺工作水深在 50 米左右，半潛式平臺處于 200米作業(yè)水深以內(nèi)的第二代半潛式平臺水平，張力腿平臺、Spar 平臺等深海采油平臺設計和制造技術幾乎是空白，而國際上已研究開發(fā)作業(yè)水深 3000 米以上的第六代半潛式鉆井平臺；又如海洋油氣鉆井設備的最大鉆井深度雖能達到7000 米，但國際上海洋油氣的最大鉆井深度可達 9000 ～ 12000 米；我國正逐步解決深海資源開發(fā)的裝備問題，但關鍵材料、關鍵部件、關鍵技術國產(chǎn)化仍然需要相當長的時間來完成。

    尹教授表示，深海裝備用鋼發(fā)展趨勢可歸結為四個方向：

    1、 高 強 度， 屈 服 強 度 達 到500 ～ 700 MPa。

    2、 厚規(guī)格， 深海結構的日益大型化，尤其是自升式海洋平臺，需要抗拉強度高達 800MPa 級、厚度達 125 ～ 150 mm的特厚板。

    3、高的低溫韌性，滿足兩極區(qū)域使用。

    4、高耐腐蝕性。

    因此，開展深海極端環(huán)境材料的腐蝕研究，將對我國海洋資源（石油、礦產(chǎn)）開發(fā)、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大價值。在黨中央提出海洋強國建設的大趨勢下，在向深海進軍的號召下，今后關于深海領域特別是深海進出材料領域的研究中，需加速如下步驟地實施：

    1、國家應設立深海材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項基金，進行國家重大專題立項，支持并組織多學科交叉的合作團隊，進行系統(tǒng)的核心技術研究攻關。

    2、由于深海材料的腐蝕損傷機制和科學問題還缺乏創(chuàng)新性研究成果，因此我國的深海材料研究與國外水平相比，還存在著很大差距，需要加強研發(fā)平臺建設，實驗裝備與技術投入，建議在國家有關部門支持下設立深海材料及腐蝕技術聯(lián)合實驗室；設立深海材料與資源重點研究平臺，例如設立深海國家實驗室，統(tǒng)籌規(guī)劃和部署深海材料、資源、探測、礦產(chǎn)等研究領域。

    3、我國深海技術設備國產(chǎn)化率較低，在充分借鑒國外的先進經(jīng)驗與技術的同時，科技部門應努力對于受制于人的核心技術組織隊伍進行自主研發(fā)，聯(lián)合攻關，以關鍵核心技術為突破點，尋求以點帶面，達到整體技術的突破，如熱液區(qū)極端環(huán)境材料相關技術。最終實現(xiàn)科研成果產(chǎn)業(yè)化，促進和建立由材料研發(fā)，裝備及其制造成果應用的相關平臺。

    4、根據(jù)我國深海研究的目標、任務，組織一批相關機構的科技人員進行綜合培訓，承擔海洋材料相關調(diào)查和研究。通過實際工作造就深海人才，逐步形成一支專業(yè)能力拔尖的科技隊伍。通過各種方式培養(yǎng)出深海材料中青年學術帶頭人，立健全激勵機制，營造良好的人才創(chuàng)業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)深海材料學科可持續(xù)發(fā)展。

    5、我國在深海科學技術領域形成了分布于國家海洋局、中科院、高等院校以及大型開發(fā)公司如中海油、中石化等的研發(fā)隊伍。但研發(fā)力量分散，這種分散、重復、小規(guī)模、低水平的研發(fā)力量缺乏國際競爭力。因此，迫切需要針對深海科學技術研究領域，圍繞國家重大需求，創(chuàng)新體制機制，打破部門行業(yè)壁壘，加強國內(nèi)創(chuàng)新單元深海科技力量的整合和融合。

    后記：

    我國的海洋條件得天獨厚，從南到北從冷到熱，既有海域的遼闊，又有海底的深度。 唯有打破前行路上的制約瓶頸， 走向深海， 發(fā)力深藍，搶占開發(fā)的制高點，才能屹立立于世界舞臺。路漫漫，唯求索！我們相信向深海進軍也會想向太空探索一樣，在人類科學發(fā)展史上留下輝煌的一頁！

    人物簡介

    尹衍升，男，1956年4月山東生人。教育部長江學者特聘教授， 上海海事大學海洋材料科學與工程研究院院長，教育部長江學者特聘教授，博士生導師，長期從事材料的基礎研究及其工程應用實踐。圍繞材料的制備與加工技術、海洋環(huán)境服役行為與微生物附著污損機理、深海石油鉆采過程多因素耦合失效機制與防護等海工領域發(fā)展的重大需求，先后主持承擔國家及省市重要課題30余項。作為第一研究者，獲國家技術發(fā)明二等獎1項、省部級一等獎3項、山東省發(fā)明創(chuàng)業(yè)特等獎1項、其它獎勵7項，實施發(fā)明專利6項。共發(fā)表SCI、EI收錄論文304篇。