科研領(lǐng)域

“冷門”往往意味著

漫長的攻堅與未知的風(fēng)險

北京科技大學(xué)新材院材料專業(yè)

2021級博士生王金科

卻在“材料腐蝕與防護(hù)”

這條看似邊緣的賽道上

選擇了破“腐”沉舟

從本科到博士

在這條路上

他已堅定地走了11年

試圖用“小涂層”

守護(hù)“大國重器”

北京科技大學(xué)新材院材料專業(yè)

2021級博士生 王金科

王金科：我們本科階段屬于大類培養(yǎng)，在學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程專業(yè)時，會對材料領(lǐng)域形成較為全面的認(rèn)知。在此過程中，我接觸到了腐蝕與防護(hù)相關(guān)課程。在大多數(shù)人眼里，腐蝕是常見且自然的現(xiàn)象，甚至覺得其無關(guān)緊要。但通過課程學(xué)習(xí)，我發(fā)現(xiàn)這一研究領(lǐng)域很有意義。老師曾舉例說明，腐蝕如同慢性疾病，初期可能僅表現(xiàn)為微小銹跡，然而隨著侵蝕加劇，會嚴(yán)重影響材料性能，進(jìn)而導(dǎo)致管道泄漏、橋梁塌陷等嚴(yán)重后果。基于此，我深刻認(rèn)識到從事材料腐蝕與防護(hù)研究意義重大，這是我選擇該方向的重要原因之一。此外，我在碩士報考時選擇的導(dǎo)師年輕有為，其學(xué)術(shù)熱情與創(chuàng)新思維極大地激發(fā)了我的科研動力，也促使我堅定地選擇了這個專業(yè)。

王金科：以我們目前研究的智能防腐涂層為例。在大眾認(rèn)知中，涂層或許就只是生活中常見的油漆。然而深入觀察便會發(fā)現(xiàn)，人體受傷會“出血”，且能通過痛覺感知損傷；而涂層出現(xiàn)破損時，若無人實時監(jiān)測，很難及時發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。我們的研究目標(biāo)，是賦予涂層類似人體感知損傷的能力，使其在發(fā)生破損時，能夠通過顏色變化或熒光顯現(xiàn)等方式發(fā)出警示。這樣一來，我們就能及時對涂層進(jìn)行修補(bǔ)，更好地保障涂層材料的服役性能，延長金屬基底的防腐周期。這種創(chuàng)新性的研究思路與應(yīng)用價值，正是最吸引我的地方。

據(jù)聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織數(shù)據(jù)，全球每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4.5萬億美元，平均每分鐘損失85.6萬美元。輸油管道每腐蝕1毫米鋼材，壽命縮短16年；核電站若延遲1年實施腐蝕控制，維護(hù)成本激增300%。這些觸目驚心的數(shù)字，成了王金科投身“防腐”事業(yè)的強(qiáng)大動力。他決心通過系統(tǒng)性研究和持續(xù)創(chuàng)新，降低腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)與資源損耗。

王金科：我們致力于通過系統(tǒng)性研究與持續(xù)創(chuàng)新，逐步降低材料腐蝕所帶來的經(jīng)濟(jì)與資源損耗。雖然材料腐蝕防護(hù)技術(shù)的突破難以一蹴而就，但憑借長期的技術(shù)優(yōu)化與工藝改進(jìn)，有望實現(xiàn)腐蝕控制成本的持續(xù)下降，從而提升資源利用效率與經(jīng)濟(jì)效益。

王金科：首先是涂層防護(hù)，這如同為材料穿上“防護(hù)衣”；而在石油開采、鋼鐵軋制等酸性環(huán)境中，可添加腐蝕抑制劑，抑制腐蝕進(jìn)程；此外，還可以通過開展腐蝕監(jiān)測工作，將材料制成傳感器置于不同環(huán)境中，實時監(jiān)測腐蝕變化。這既能為材料設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，也可監(jiān)控材料安全狀態(tài)，當(dāng)腐蝕達(dá)到閾值時，便能促使人們進(jìn)行及時的維護(hù)，這是我們團(tuán)隊當(dāng)前在腐蝕研究領(lǐng)域的重點工作之一。

王金科：在自預(yù)警方面，金屬腐蝕過程中會產(chǎn)生金屬離子，局部環(huán)境的pH值也會發(fā)生變化。我們將對金屬離子或環(huán)境變化有響應(yīng)的物質(zhì)，通過微膠囊包覆或納米材料修飾的方式添加到涂層中。當(dāng)基底發(fā)生腐蝕時，金屬離子和pH值的變化會引發(fā)涂層顏色或熒光改變，從而實現(xiàn)自預(yù)警。在自修復(fù)方面，目前有兩種策略。其一，對涂層樹脂進(jìn)行改性設(shè)計，使其在受到較小損傷時，通過可逆化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)自動融合，修復(fù)劃痕；其二，將腐蝕抑制物質(zhì)通過微膠囊包覆引入涂層，當(dāng)涂層遭受較大損傷、難以通過樹脂進(jìn)行愈合時，微膠囊中的腐蝕抑制物質(zhì)會在腐蝕環(huán)境中釋放，在金屬表面形成保護(hù)膜，阻止腐蝕加劇。

王金科：每一次取得階段性成果都讓我倍感充實。特別是當(dāng)我們的研究成果與企業(yè)實際需求對接時，發(fā)現(xiàn)這些理論研究不止是停留在紙面上，更能夠切實幫助企業(yè)優(yōu)化技術(shù)，提升防腐涂層產(chǎn)品性能，這種理論與實踐結(jié)合的時刻尤為珍貴。

以防腐涂層研究為例，科研中人們往往聚焦于涂層防腐性能或自預(yù)警等智能響應(yīng)功能，但實際服役環(huán)境復(fù)雜多變。如在南海地區(qū)，涂層會受到強(qiáng)紫外光暴曬和風(fēng)雨侵蝕，這種環(huán)境因素對涂層的影響是潛移默化的，與直接的機(jī)械損傷截然不同。當(dāng)我們嘗試將提升涂層環(huán)境適應(yīng)性與開發(fā)涂層自預(yù)警功能進(jìn)行整合時，發(fā)現(xiàn)想兼顧兩者需要進(jìn)行長時間的材料篩選，并且在隨后涂層設(shè)計過程中需要經(jīng)過大量實驗驗證，這是極具挑戰(zhàn)性的工作。

王金科：我們團(tuán)隊在全國多地設(shè)有實驗站點，將自主設(shè)計的新型材料及常用的基礎(chǔ)材料部署到各站點，在真實環(huán)境中采集數(shù)據(jù)。區(qū)別于傳統(tǒng)將涂覆涂層的金屬片簡單暴曬的方式，我們通過布設(shè)傳感器，實時監(jiān)測環(huán)境變化、材料腐蝕及老化數(shù)據(jù)，從而建立環(huán)境因素與腐蝕狀況的關(guān)聯(lián)模型。

王金科：以緩蝕劑添加為例，若直接將其加入涂層，因其可能會與涂層自身發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)缺陷或性能劣化。為此，我們采用微膠囊包覆技術(shù)，但該技術(shù)仍面臨諸多難題：一是需提高微膠囊的緩蝕劑負(fù)載量，低負(fù)載率難以滿足涂層性能提升需求；二是需防止環(huán)境突變導(dǎo)致緩蝕劑提前釋放，這要求對微膠囊進(jìn)行改性和多層包覆；三是工業(yè)化生產(chǎn)問題，現(xiàn)有實驗室制備的微膠囊產(chǎn)量較低，應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)時，必須優(yōu)化制備工藝以提升產(chǎn)能，確保技術(shù)的實際應(yīng)用價值。

在科研領(lǐng)域，高校科研成果的轉(zhuǎn)化至關(guān)重要，王金科對此深有體會。在他看來，科研成果不應(yīng)只停留在實驗室，只有轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，才能真正發(fā)揮價值。博士階段，他曾同時面臨課題懸而未定，項目爭分奪秒的雙重壓力。但他始終堅信，“迎難而上才是科研人員的基因”。正是這份堅持與協(xié)作，讓實驗室里的創(chuàng)新構(gòu)想，逐漸轉(zhuǎn)化為解決實際問題的生產(chǎn)力，在材料防腐領(lǐng)域綻放光彩。

王金科：我們團(tuán)隊已與多家企業(yè)開展合作。在電泳漆領(lǐng)域，通過自主研發(fā)的微納米膠囊技術(shù)將環(huán)保型緩蝕劑融入電泳漆產(chǎn)品，對企業(yè)原有環(huán)保性不足的表面處理工藝進(jìn)行綠色化升級與替代。

王金科：矛盾確實存在。企業(yè)側(cè)重成果實際應(yīng)用與成本控制，追求降本增效；實驗室研究則主要聚焦前沿理論，深挖腐蝕與防腐機(jī)理。但在合作中，我們可以通過優(yōu)化工藝、簡化流程滿足企業(yè)需求，同時將機(jī)理研究成果反哺產(chǎn)品研發(fā)，實現(xiàn)學(xué)術(shù)價值與商業(yè)價值的雙向賦能。

王金科：企業(yè)項目與學(xué)術(shù)研究、博士論文既相互關(guān)聯(lián)又各有側(cè)重。部分項目與博士研究課題高度契合，推進(jìn)較為順利；也有項目與課題存在差異。我認(rèn)為，在博士階段，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相輔相成，共同促進(jìn)學(xué)術(shù)成長。

王金科：初期確實面臨時間管理難題。經(jīng)過實踐，我逐漸總結(jié)出一些有效策略：一是保持良好心態(tài)，避免焦慮影響效率；二是強(qiáng)化溝通，與導(dǎo)師、企業(yè)方及時反饋問題，協(xié)調(diào)解決；三是靈活規(guī)劃工作，實驗室人員密集時側(cè)重理論研究與數(shù)據(jù)整理，實驗條件寬松時集中開展課題與項目實驗，通過“錯峰工作法”提升整體效率。

王金科深知，材料腐蝕研究之路道阻且長。在年均萬億級的防腐市場背后，是關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)命脈與重大工程安全的責(zé)任。他將繼續(xù)扎根科研一線，攻克智能防護(hù)技術(shù)瓶頸，以科研智慧為國家發(fā)展貢獻(xiàn)青春力量。

王金科：過去，材料防腐研發(fā)多采用“試錯法”，研發(fā)成果具有不確定性，即便憑借經(jīng)驗積累，材料性能提升也存在局限性。未來，技術(shù)革新將從兩方面展開：其一，實驗方法將向高通量方向發(fā)展。通過專用設(shè)備，可同時開展100種或更多種不同樣品的研發(fā)實驗，相較傳統(tǒng)單次單樣品的模式，大幅縮短研發(fā)周期。其二，大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)將深度融入防腐涂層領(lǐng)域。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)廣泛收集各類材料在不同環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)，如同建立龐大的“材料腐蝕病例庫”，為針對性設(shè)計高性能防腐材料提供數(shù)據(jù)支撐；人工智能則可基于環(huán)境參數(shù)、腐蝕因素及材料性能指標(biāo)構(gòu)建分析模型，實現(xiàn)快速匹配最優(yōu)解決方案，顯著提升研發(fā)效率。這些技術(shù)將成為材料防腐領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向。

王金科：腐蝕問題對國民經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及重大工程安全均產(chǎn)生顯著影響。我們的核心使命在于，通過技術(shù)創(chuàng)新縮短耐蝕材料研發(fā)周期，研發(fā)性能更優(yōu)的耐蝕材料，為國家重大戰(zhàn)略工程提供技術(shù)保障。具體而言，一是著力降低腐蝕控制成本，當(dāng)前該領(lǐng)域成本約占國民經(jīng)濟(jì)總量的3% - 5%，通過技術(shù)進(jìn)步減少資源消耗，為國家節(jié)約經(jīng)濟(jì)開支；二是為潛艇、航空航天等高端裝備領(lǐng)域提供高性能防腐材料支撐，助力國家重大裝備技術(shù)突破，增強(qiáng)核心競爭力；三是延長建筑、交通等行業(yè)中防腐材料的檢修與更換周期，降低全生命周期成本，提升資源利用效率。作為青年科研工作者，我們能做到的就是有一份熱，發(fā)一份光。