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材料科學(xué)研究，尤其是近十幾年的新材料研究，在對未來的腐蝕控制方面已經(jīng)提供了極大的幫助并展現(xiàn)出了足夠的希望和信心。

腐蝕是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其中包括了普通化學(xué)、電化學(xué)甚至生物學(xué)等反應(yīng)。這些具有摧毀性的腐蝕化學(xué)過程每年都會給全球帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)NACE的《國際預(yù)防、應(yīng)用和腐蝕技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)》（International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technology，簡稱IMPACT）研究，全球腐蝕總成本估計為2.5萬億美元。多種因素（包括材料的微觀結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分和環(huán)境因素等）會共同決定某種特定材料發(fā)生腐蝕的可能性以及相應(yīng)的后果。

因此，對新材料的研究技術(shù)、腐蝕防護(hù)及評估方法的需求一直呈不斷增長的趨勢。近年來，材料科學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新的發(fā)展和發(fā)現(xiàn)，其中許多在耐腐蝕性和防護(hù)性方面取得的進(jìn)步可能會讓人們對于腐蝕防護(hù)重新充滿信心。

在本文中，我們將重點(diǎn)探討材料科學(xué)行業(yè)的一些最新和最有前途的發(fā)展，并討論它們對未來腐蝕控制意味著什么。

關(guān)于鎳金屬的新發(fā)現(xiàn)

鎳是一種近似銀白色、硬而有延展性并具有鐵磁性的金屬元素。鎳屬于親鐵元素，是地球上最豐富的天然金屬之一。由于其理想的性能，被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)。鎳除了具有耐用性、磁性和有效的熱和電導(dǎo)性能外，還具有極強(qiáng)的耐腐蝕性。盡管科學(xué)家們早就認(rèn)為鎳金屬具有極好的耐蝕性，但在某些情況下仍可被腐蝕。最近，來自德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了鎳的一種新型腐蝕發(fā)生方式，這是以前從未觀察到的。

已知一般金屬的腐蝕會優(yōu)先發(fā)生在金屬的晶界處，從而導(dǎo)致被稱之為晶間腐蝕的現(xiàn)象。以前的研究認(rèn)為，鎳金屬中一種特殊類型的晶界（被稱之為相干孿晶界）是耐腐蝕的。但是，在近來一系列實(shí)驗(yàn)中，研究人員在陰極充電的情況下觀察到了這些相干孿晶界處的可見腐蝕現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了數(shù)十年來對金屬腐蝕的推理假設(shè)，因?yàn)槎嗄陙恚牧峡茖W(xué)家一直致力于制造包含盡可能多的連貫孿晶界的金屬。這項(xiàng)研究有可能幫助研究人員增進(jìn)對金屬腐蝕機(jī)理的進(jìn)一步了解，從而進(jìn)行更好的腐蝕分析、預(yù)測，甚至生產(chǎn)出更多的耐腐蝕合金材料。

自修復(fù)金屬氧化物

某些特殊金屬因暴露于空氣和濕氣中時會產(chǎn)生保護(hù)性金屬氧化物層而聞名。這些氧化物層一般會起到阻擋層作用，可有效防止空氣和濕氣進(jìn)一步與金屬表面接觸，從而防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

盡管人們普遍認(rèn)為氧化鋁、氧化鉻和氧化鐵是高效的耐腐蝕金屬氧化物，但直到麻省理工學(xué)院的研究人員使用特殊儀器觀察到它們后，這些氧化物的抗腐蝕原理才被完全理解。

環(huán)境透射電子顯微鏡（E-TEM）是傳統(tǒng)透射電子顯微鏡（TEM）的改進(jìn)版本，通過使用這一儀器，科學(xué)家們能夠有效觀察金屬樣品并使其受到機(jī)械應(yīng)力，從而模擬應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）條件。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中觀察到由于壓力引起的金屬撓曲會導(dǎo)致這些保護(hù)性氧化物層發(fā)生破裂。反過來，這又使氧氣能夠穿透隔離層并開始產(chǎn)生腐蝕。但是，麻省理工學(xué)院的研究人員觀察到氧化鋁薄層（大約2至3納米厚）還表現(xiàn)出了類似流動的行為。這樣可以使自修復(fù)的金屬氧化物在壓力下拉伸或伸長至其原始長度的兩倍，從而消除了氧化物層中的裂紋并保證了基材得到了有效的覆蓋和保護(hù)。

這一發(fā)現(xiàn)有可能徹底改變防腐蝕涂層的應(yīng)用，特別是在工業(yè)罐、工藝容器和核反應(yīng)堆等承壓結(jié)構(gòu)上。

成分復(fù)雜的合金

一些成分復(fù)雜的合金（CCA）的發(fā)現(xiàn)推動了人們對該類材料的益處和應(yīng)用的諸多研究。與包含相對少量合金元素的常規(guī)合金不同，CCA一般含有五個或五個以上的金屬元素，在原子比例上是相等的或接近相等的。例如高熵合金（HEA）和多主元素合金（MPEA）等，這些合金因?yàn)榫哂歇?dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和一系列理想的性能而聞名，包括固有的高耐腐蝕性等。

盡管人們尚未完全了解CCA的腐蝕防護(hù)機(jī)理，但人們認(rèn)為它們具有優(yōu)異的耐腐蝕性可能是由于它們具有高反應(yīng)性引起的，因?yàn)楦叻磻?yīng)性可以導(dǎo)致金屬表面快速氧化并促進(jìn)保護(hù)性氧化膜的快速形成及發(fā)展。此外，參與鈍化膜形成的多種元素也有助于提高氧化膜的有效性。

盡管CCA是一個熱門話題，但研究人員尚未完全明白這類材料的屬性和性能關(guān)系以將其更好的用于工程應(yīng)用方面。為了使這些復(fù)雜合金的耐腐蝕機(jī)理和表面氧化膜的性能結(jié)合起來，相關(guān)技術(shù)人員正在進(jìn)行大量的研究。但是，毫無疑問，這些材料將在未來的腐蝕防護(hù)技術(shù)中發(fā)揮出至關(guān)重要的作用。

鋼筋混凝土中鋼的可替代物

圖1 舊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圖中可看到有破損和生銹的金屬鋼筋。

影響鋼筋混凝土耐久性的主要因素之一就是傳統(tǒng)鋼筋的腐蝕問題。這個問題在海洋環(huán)境中尤為重要，因?yàn)樵诤Ｑ蟓h(huán)境中，鹽可能會滲透到多孔混凝土結(jié)構(gòu)中，并逐漸影響鋼筋的性能水平。

圖1 舊鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圖中可看到有破損和生銹的金屬鋼筋。

解決鋼筋腐蝕的一種有效方法是采用不易腐蝕的材料來代替鋼筋。雖然目前可以用鍍鋅鋼、不銹鋼和環(huán)氧涂層增強(qiáng)材料等來進(jìn)行替代，但它們的價格一般都非常昂貴。

目前在使用合成纖維作為混凝土結(jié)構(gòu)加固形式方面正在不斷取得技術(shù)進(jìn)展。這些纖維會分布在整個混凝土構(gòu)件中，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。其中纖維主要用于增加材料的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

由于合成纖維不包含任何金屬元素，因此它們不會受到腐蝕的影響，因此無論暴露在何種環(huán)境下（即使是在含鹽量較高的海洋環(huán)境中），它們都可以保持優(yōu)異的性能。雖然合成纖維目前僅用作一些普通方面的增強(qiáng)劑，但關(guān)于拓展這些纖維的適用用途的相關(guān)研究一直都在繼續(xù)探索當(dāng)中。

總結(jié)

材料科學(xué)研究，尤其是近十幾年的新材料研究，在對未來的腐蝕控制方面已經(jīng)提供了極大的幫助并展現(xiàn)出了足夠的希望和信心。雖然有些技術(shù)以及產(chǎn)品還沒有商業(yè)化和普及化，但它們有望徹底改變整個腐蝕控制行業(yè)。