劉莉 東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授

    海洋是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要戰(zhàn)略空間，是孕育新產(chǎn)業(yè)、引領(lǐng)新增長(zhǎng)的重要領(lǐng)域。我國(guó)非常重視海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展，黨的十八大作出了建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重大戰(zhàn)略部署，十九大報(bào)告又強(qiáng)調(diào)指出要加快海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)。隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和不斷完善，維護(hù)我國(guó)的海洋經(jīng)濟(jì)利益，保障海洋航行安全，加強(qiáng)海軍裝備建設(shè)等成為國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)，對(duì)海洋金屬的防腐蝕性能提出了更高的要求。如何強(qiáng)化和提高金屬在海洋環(huán)境下的抗腐蝕能力為當(dāng)務(wù)之急。東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的劉莉教授多年來(lái)一直從事海洋腐蝕與防護(hù)方向的研究，在海洋金屬表面處理技術(shù)方面不斷取得科研突破。為此，我們特邀請(qǐng)劉莉教授就國(guó)內(nèi)金屬表面處理技術(shù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)做相關(guān)方面的精彩解讀。

    記者：請(qǐng)您簡(jiǎn)單介紹一下海洋環(huán)境下金屬腐蝕的原因和危害 。

    劉教授：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、苛刻，海水本身是一種強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)，因?yàn)槠浜写罅?Cl - ，同時(shí)海洋的海浪、海潮、海流又對(duì)金屬構(gòu)件產(chǎn)生低頻往復(fù)應(yīng)力和沖擊，加上海洋微生物、附著生物及它們的代謝產(chǎn)物等都會(huì)對(duì)金屬等材料的腐蝕失效過(guò)程產(chǎn)生直接或間接的加速作用。

    尤其隨著我國(guó)海洋事業(yè)“遠(yuǎn)洋化、深海化”的發(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，尤其是深海環(huán)境下金屬材料的腐蝕問(wèn)題已躍然紙上，亟待解決。目前解決這些海洋極端苛刻環(huán)境下材料的腐蝕失效問(wèn)題遇到最大阻礙就是失效機(jī)制不清楚，從而缺乏有效防護(hù)手段。

    記者：請(qǐng)您談?wù)勀壳皣?guó)內(nèi)的防腐涂層和金屬表面處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，與國(guó)外相比還存在哪些缺點(diǎn)和不足？應(yīng)該如何取補(bǔ)短？

    劉教授：在淺海環(huán)境下，我國(guó)近些年大力發(fā)展海洋腐蝕防護(hù)技術(shù)，在防護(hù)涂層及應(yīng)用金屬表面處理方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。針對(duì)我國(guó)海域特點(diǎn)，研發(fā)針對(duì)我國(guó)海洋自然環(huán)境下的防腐涂料，并已形成了系統(tǒng)的配套體系。

    但是對(duì)于深海等苛刻環(huán)境下的腐蝕防護(hù)涂層技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)涂層，如美國(guó)、日本等相比，還具有較大差距。這主要是因?yàn)槲覈?guó)在深海領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，現(xiàn)役配套體系多是直接從淺海配套體系中服役較好的涂層里選用。但實(shí)際上，深海環(huán)境特點(diǎn)十分突出，其對(duì)涂層破壞作用于淺海有較大差異。只有首先針對(duì)深海環(huán)境特點(diǎn)對(duì)有機(jī)防腐涂層破壞的關(guān)鍵問(wèn)題直接入手，掌握具體的破壞機(jī)制，找到有針對(duì)性的解決方法，才可以更好的設(shè)計(jì)深海防護(hù)涂層，從而實(shí)現(xiàn)研發(fā)在深海這種特殊環(huán)境下高效、長(zhǎng)壽命的防腐涂料。

    記者 : 請(qǐng)談?wù)勀目蒲袌F(tuán)隊(duì)近些年來(lái)在防腐涂層和金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域取得了哪些關(guān)鍵性的成果和技術(shù)？并談?wù)勥@些成果和技術(shù)的出現(xiàn)，帶來(lái)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

    劉教授：深海環(huán)境是海洋極端苛刻環(huán)境之一，其是高靜水壓力、低溫、低溶解氧交互耦合作用環(huán)境。我們團(tuán)隊(duì)近年在國(guó)防 973 項(xiàng)目、科學(xué)院重點(diǎn)支撐項(xiàng)目、科學(xué)院設(shè)備研制項(xiàng)目、總裝軍品研發(fā)、自然基金面上基金項(xiàng)目等項(xiàng)目支持下，在王福會(huì)老師和李瑛老師的支持下，首先搭建系列深海模擬裝置。于 2010年首次搭建深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)深海 2000 米環(huán)境模擬，配有深海壓力（氣/ 液加壓）、水環(huán)境 pH 值、氧含量、溫度等參數(shù)的穩(wěn)定自動(dòng)控制，見(jiàn)圖 1。而后于2016年搭建實(shí)現(xiàn)深海6000米（壓力 60MPa）以及壓力 - 應(yīng)力 - 流體交互作用環(huán)境的模擬及測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)備具備精確控制海水理化參數(shù)（包括壓力、氧含量、pH 值、溫度、含鹽量）、原位電化學(xué)測(cè)量功能，同時(shí)原位模擬深海拉伸受力以及快慢流體環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制并利用軟件進(jìn)行材料腐蝕壽命預(yù)測(cè)。

圖1 2010年搭建深海環(huán)境模擬系統(tǒng)（壓力模擬20MPa，自動(dòng)控制pH值、氧含量、溫度等，原位電化學(xué)測(cè)試）

    利用項(xiàng)目組自行搭建的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，開(kāi)展大量研究工作，取得如下研究進(jìn)展：

    （一）揭示了深海復(fù)雜耦合環(huán)境下金屬材料正彈性壓應(yīng)力-電化學(xué)交互作用腐蝕機(jī)制

    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、不銹鋼、銅合金、鈦合金，在各種深海復(fù)雜耦合環(huán)境下（壓力、氧含量、溫度相互交替變化）開(kāi)展腐蝕行為研究。研究揭示：（1）不同金屬材料對(duì)深海環(huán)境敏感性不同。對(duì)于活性金屬材料，如鋼材、銅合金，深海環(huán)境中壓力以正彈性壓應(yīng)力的作用形式加速侵蝕性離子及溶解金屬離子的吸附及擴(kuò)散行為，改變陰極反應(yīng)過(guò)程，與電化學(xué)交互作用促進(jìn)材料溶解；對(duì)于鈍性金屬材料，如不銹鋼、鈦合金，這種正彈性壓應(yīng)力促進(jìn)表面鈍化膜的形成，與低溫耦合作用抑制材料腐蝕。（2）現(xiàn)役犧牲陽(yáng)極在正彈性壓應(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。（3）深海壓力以正彈性壓力的方式改變異金屬對(duì)低電位金屬的表面電勢(shì)分布，從而促進(jìn)電偶腐蝕加劇。

    （二）闡明深海復(fù)雜耦合環(huán)境下有機(jī)防護(hù)涂層失效機(jī)理，構(gòu)建深海防腐涂料理論設(shè)計(jì)模型，以及建立涂層壽命預(yù)測(cè)模型

    研究結(jié)果揭示深海環(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(shù)脂兩大界面，導(dǎo)致涂層失效。采用有限元模擬計(jì)算方法模擬涂層 / 金屬界面氣泡形成及破裂過(guò)程，以及建立深海環(huán)境下水分子在涂層內(nèi)非 Fick 傳輸理論模型，構(gòu)建深海有機(jī)防腐涂層包含填料尺寸、形狀、含量，有機(jī)樹(shù)脂交聯(lián)密度、樹(shù)脂類型等因素的理論設(shè)計(jì)模型。同時(shí)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，在此基礎(chǔ)上建立整體理論壽命預(yù)測(cè)模型，該模型對(duì)現(xiàn)役涂層實(shí)現(xiàn)了精確壽命預(yù)測(cè)。

    上述研究結(jié)果在 Corrosion Science發(fā)表4篇文章，Electrochimica Acta 1篇，Scientific Report 1 篇，Journal of TheElectrochemical Society 1 篇，Progressin Organic Coating3 篇等 15 篇文章。申請(qǐng)專利 7 項(xiàng)。

    針對(duì)深海環(huán)境下涂料的失效行為，王福會(huì)老師和李瑛老師于 2008 年首次提出涂料研制“界面化學(xué)鍵合”思想，即對(duì)于涂料兩大界面： 涂層 / 金屬、涂層內(nèi)填料 / 樹(shù)脂進(jìn)行化學(xué)鍵合技術(shù)處理，改變傳統(tǒng)涂料簡(jiǎn)單的物理鍵合狀況，實(shí)現(xiàn)界面的化學(xué)強(qiáng)結(jié)合，研制新型高效、長(zhǎng)壽命防腐涂料。隨后東北大學(xué)吳航副教授采用化學(xué)接枝鍵合方法、哈爾濱工程大學(xué)邵亞薇教授采用機(jī)械力 - 化學(xué)鍵合方法研發(fā)了蒙脫土、玄武巖等系列新型界面化學(xué)鍵合防腐涂料，各項(xiàng)性能指標(biāo)大幅提升，目前該涂料已在成都天河涂料有限公司等生產(chǎn)單位批量生產(chǎn)，并在舟山基地等艦艇上上艦涂裝。

    記者：隨著“一帶一路”項(xiàng)目推進(jìn)如火如荼的展開(kāi)，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)工程建設(shè)、海洋工程建設(shè)正蓬勃發(fā)展，作為防腐蝕領(lǐng)域的專家，請(qǐng)您談?wù)剣?guó)內(nèi)防腐技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)？

    劉教授：隨著國(guó)家政策制定，方針的建立，未來(lái)海洋事業(yè)將是我國(guó)軍事、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。我國(guó)海洋防護(hù)事業(yè)正在蒸蒸日上，是最好的發(fā)展時(shí)期。我們團(tuán)隊(duì)的工作將進(jìn)一步針對(duì)海洋苛刻腐蝕環(huán)境下金屬材料腐蝕與防護(hù)工作進(jìn)行深入研究。將主要集中在兩大領(lǐng)域：深海環(huán)境和海洋高溫腐蝕環(huán)境。

    深海環(huán)境腐蝕與防護(hù)之前已經(jīng)提及了，主要針對(duì)深海壓力、溫度、以及未來(lái)將針對(duì)流體動(dòng)態(tài)環(huán)境，如高流速和低速平流等動(dòng)態(tài)環(huán)境下金屬及涂層材料的腐蝕失效機(jī)制開(kāi)展深入研究。尤其要將材料基因組指導(dǎo)思想運(yùn)用到未來(lái)研究中，通過(guò)抽提多種影響因素，從環(huán)境作用因素到材料本身成分、結(jié)構(gòu)等因素作為基因因子，進(jìn)行理論模擬及仿真重構(gòu)計(jì)算。從理論計(jì)算方法經(jīng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果校正，來(lái)實(shí)現(xiàn)深海環(huán)境防腐設(shè)計(jì)，指導(dǎo)實(shí)際體系的快速、合理研發(fā)。

    另一個(gè)重要的研究方向也是我們團(tuán)隊(duì)從 1992 年首次參加海軍調(diào)研就開(kāi)始建立的研究方向——海洋高溫腐蝕研究。該方向也是我們團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人—王福會(huì)教授在國(guó)際上開(kāi)拓的我國(guó)自主創(chuàng)新的研究方向。海航發(fā)動(dòng)機(jī)、海洋服役飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等服役金屬材料在我國(guó)南海等海洋環(huán)境下，其自身運(yùn)行時(shí)服役溫度在 300-600℃（峰值可達(dá) 600℃以上），同時(shí)海洋環(huán)境中大量水分、鹽分進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部引發(fā)極為特殊的嚴(yán)重腐蝕行為——海洋高溫腐蝕。其本質(zhì)是鹽（NaCl）、H 2 O、O 2 的協(xié)同高溫腐蝕（300-600℃相對(duì)于海洋低溫環(huán)境可定義為高溫）。海軍調(diào)研發(fā)現(xiàn)同種型號(hào)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)陸地區(qū)服役壽命可達(dá)10000 小時(shí)，而在海洋環(huán)境下最嚴(yán)重的服役壽命僅為 500 小時(shí)。這種環(huán)境是海洋第二大類極端苛刻腐蝕環(huán)境。揭示該環(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)方法是提高近海服役飛機(jī)壓氣機(jī)壽命的有效途徑。

    在海洋高溫固態(tài)沉積鹽與水蒸汽的協(xié)同作用下傳統(tǒng)不銹鋼系列材料腐蝕行為研究中，王福會(huì)老師在 1999 年首次國(guó)際上提出 “動(dòng)態(tài)水膜”理論，2002年開(kāi)始金屬所李瑛老師課題組在兩個(gè)連續(xù)國(guó)家自然基金面上基金支持下，首次發(fā)現(xiàn)電化學(xué)作用機(jī)制，并實(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，同時(shí)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600℃固態(tài)鹽膜下的電化學(xué)反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)起到耦合化學(xué)反應(yīng)的催化作用，加速材料的腐蝕，初步建立了化學(xué) - 電化學(xué)反應(yīng)交互作用機(jī)制。理論研究揭示 Cr 及其氧化物發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，不具備防護(hù)作用，由此提出該環(huán)境下無(wú) Cr 的防護(hù)思想。

    另外，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)。2013 年在國(guó)家 973 課題等項(xiàng)目資助下，團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量研究工作證實(shí)鈦合金（如 Ti60 合金）在海洋高溫環(huán)境下存在嚴(yán)重腐蝕。研究揭示 Cl 元素沿晶界侵蝕基體金屬，占據(jù)氧化物內(nèi) O位置，促進(jìn)金屬離子在氧化物內(nèi)的傳輸，加速金屬腐蝕。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。由此王福會(huì)老師有關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)海洋高溫腐蝕研發(fā)了一系列發(fā)動(dòng)機(jī)防護(hù)涂層，實(shí)現(xiàn)上艦應(yīng)用。

    未來(lái)在該方向上將進(jìn)一步深入開(kāi)展研究工作。目前團(tuán)隊(duì)搭建的更貼近實(shí)際服役的高溫鹽霧模擬設(shè)備，同時(shí)考慮到了高通量實(shí)驗(yàn)概念，實(shí)現(xiàn)多溫度、多鹽分、水分同時(shí)海量數(shù)據(jù)采集。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)高溫鹽霧疲勞模擬設(shè)備搭建。未來(lái)將針對(duì)受力、疲勞服役環(huán)境下的金屬、防護(hù)涂層的腐蝕失效行為進(jìn)行深入研究，從而為該環(huán)境下的腐蝕研究提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

    總之，未來(lái)團(tuán)隊(duì)將著力針對(duì)海洋極端苛刻環(huán)境下金屬及防護(hù)涂層的腐蝕、失效行為研究，并以基礎(chǔ)研究為指導(dǎo)針對(duì)各種環(huán)境下腐蝕速度檢測(cè)技術(shù)、各種防護(hù)涂層技術(shù)開(kāi)展更深入的探索與研究。為我國(guó)海洋腐蝕事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。

    后記

    唯有乘風(fēng)破浪 , 逐夢(mèng)中華，方能走在世界科技發(fā)展浪潮的前列。千淘萬(wàn)漉雖辛苦，淘盡黃沙始得金，化壓力為動(dòng)力，是劉教授團(tuán)隊(duì)取得一次次科研進(jìn)展的獨(dú)門(mén)秘籍，我們堅(jiān)信不久的未來(lái)，劉教授團(tuán)隊(duì)將在海洋防腐領(lǐng)域做出更大的成績(jī)！

    ●  人物簡(jiǎn)介

    劉莉，東北大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，2016 年國(guó)家自然基金委“優(yōu)秀青年基金”獲得者，中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)理事、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)副主任委員、中科院青年人才促進(jìn)會(huì)會(huì)員、《腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)》、《材料保護(hù)》雜志編委。研究方向：海洋腐蝕與防護(hù)方向。包括：納米材料的電化學(xué)腐蝕行為、深海環(huán)境下金屬腐蝕及涂層失效行為研究、海洋高溫環(huán)境下材料的化學(xué)與電化學(xué)交互作用基礎(chǔ)理論研究、材料基因組計(jì)算機(jī)模擬深度學(xué)習(xí)方法研究、海洋吸波 - 防腐一體化涂層研制等。

    作為負(fù)責(zé)人承擔(dān) 1 項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃——973 計(jì)劃一級(jí)課題、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”專項(xiàng)專題、2 項(xiàng)國(guó)家自然基金項(xiàng)目、1 項(xiàng)國(guó)防 973 專題、中國(guó)科學(xué)院重大專項(xiàng)課題、設(shè)備研制專項(xiàng)等項(xiàng)目。2016 年獲得國(guó)家自然基金委“優(yōu)秀青年基金”項(xiàng)目資助。學(xué)術(shù)成果獲得 2007 年第十屆全國(guó)青年腐蝕與防護(hù)科技論文講評(píng)會(huì)“科技論文一等獎(jiǎng)”（第一作者）、2010 年第三屆青年表面工程學(xué)術(shù)論壇“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”（第一作者）、2011 年中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”（第一作者）、2013 年中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”（第一作者）、2014 年《JOURNAL?OF?MATERIALS?SCIENCE?&?TECHNOLOGY》雜志“優(yōu)秀論文獎(jiǎng)”（第一作者），以及 2012 年獲得中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)分院“優(yōu)秀青年科技人才獎(jiǎng)”，2017 年獲得中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)“左景依杰出青年學(xué)術(shù)獎(jiǎng)”。發(fā)表國(guó)際 SCI 文章 50 篇，第一及通訊作者 36 篇。目前SCI 引用 562 次，他引 443 次。撰寫(xiě) 1 本英文出版物及 1 本國(guó)內(nèi)專著。授權(quán)及申請(qǐng)國(guó)家專利 9 項(xiàng)。7 次國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告，其中 2 次為大會(huì)特邀報(bào)告。