摘 要  高性能耐蝕材料的研究是艦船裝備性能提升的最基礎因素，其中，耐蝕鋁合金是船舶艦艇建造過程中的重要材料，其綜合性能對于武器裝備的戰術技術性能和安全可靠性具有重要影響。采用第一性原理和電化學方法，分析了新型高強耐蝕Al-2.6Mg-1.7Si-X鋁合金在海洋環境下的半導體特性及電化學特性。結果表明：Al-2.6Mg-1.7Si-X合金在海水中形成的致密、連續、穩定的耐腐蝕膜層，抑制了電子和空穴從半導體膜向溶液的遷移，提高了合金的耐蝕性。Mg3p和O2s態電子是影響合金腐蝕電流大小的主要原因。此結果可為相關材料的研發及替代提供依據。

關鍵詞  第一性原理；耐腐蝕；Al-Mg-Si；鈍化膜；半導體

引 言

隨著中國海軍的深藍戰略，以支撐支援掩護、威懾施壓和應對嚴重事態為目標的東、南海方向工作的不斷推進，未來裝備服役的全球化，艦載、機載及近海防御等多平臺、多任務的軍用武器裝備對高濕、高熱、高鹽霧復雜海洋環境的適應性全面提升。國外應用于海洋環境下的耐蝕鋁合金材料以Al-Mg系為主（如5A06，5083，6061等）的不同成分、規格、狀態的合金，主要用于建造艇上結構、船體主體結構、以及浸入海水密封結構等。但這些傳統的耐腐蝕鋁合金在海洋高濕、高熱、高鹽霧的環境條件下服役，經使用3–6個月后發現電子封裝設備及基座均出現不同程度的腐蝕，部分產品由于腐蝕穿孔，導致內部電子元、器件受到影響，進而導致電子裝備不能正常工作。因此，研究和開發新一代耐極端環境的鋁合金，提高武器裝備應用壽命極具戰略意義。

海水環境因素中溶解氧以及pH值等對金屬腐蝕行為有重要影響，介質中溶解氧含量的降低，pH值的升高，使鈍化膜更易遭到破壞，引起點蝕，晶間腐蝕等。工程應用過程中，通常會對合金表面鈍化膜進行增厚處理，提高合金耐腐蝕性能。從微觀的角度考慮，合金的腐蝕敏感性的高低決定于表層鈍化膜競爭性的形成和溶解。金屬表面的鈍化膜將金屬表面和腐蝕液隔開，形成一層自由電子和溶液離子的阻擋層，阻止合金的腐蝕，即合金的耐腐蝕性能與鈍化膜的半導體性質密切相關。因此，有關鈍化膜微觀結構和物理化學性能的研究成為了一大熱點，一般認為，鋁合金表層的氧化膜是一層帶有高濃度缺陷摻雜的鈍化膜。Wang Q J 等研究了氯離子濃度和腐蝕溶液溫度對銅合金表層氧化膜半導體特性的影響，表明銅合金經過腐蝕后可形成帶有n型半導體特性的氧化層。Nahco等分析了雙相不銹鋼在NaHCO3/Na2CO3介質中形成的鈍化膜的半導體性能，結果表明，形成的鈍化膜呈n–p型半導體結構，基體的耐腐蝕性能隨著鈍化膜內電子施主/受主密度的變化而改變。Zuo等通過電化學方法分析了304不銹鋼在較高濃度碳酸氫鈉的腐蝕溶液中的電化學行為，結果表明，隨著腐蝕介質濃度的增大，鈍化膜的穩定性降低，導致了合金耐腐蝕性能的下降。

另外，隨著研究方法的發展，包括基本理論、新的算法和計算方法，材料的電子結構計算被成功引入材料固有特性研究。通過求解材料微觀電子結構的基本方程確定材料的物理化學性質，并且對實際材料和性能做具體預測。其中，第一性原理計算對于實驗材料性能的預測與實驗結果一致性較高，主要包括對二維、三維納米管、半導體材料、金屬及其合金材料。同時理論和實驗結果之間的誤差可通過電子空位對的激子效應進行計算分析，提高預測準確度，但是將第一性原理的計算運用到耐腐蝕鋁合金材料鈍化膜的的研究甚少。

因此，基于新型高強度、耐腐蝕Al-Mg-Si鋁合金，從量子力學角度出發，采用第一性原理的計算，并結合電化學手段詳細分析了合金主要合金化元素氧化物的半導體性能、費米能級附近的能帶結構和態密度，并對實驗結果與計算結果進行比較分析，以期為海洋耐腐蝕鋁合金應用和設計提供試驗及理論依據。

1  試驗結果與分析

1.1  耐蝕鋁合金性能分析

1.2  海洋環境下的耐腐蝕行為分析

1.3  鈍化膜的M-S曲線測試

2  鈍化膜的第一性原理分析

2.1  SiO2的能帶結構和波態密度

2.2  MgO的能帶結構和波態密度

結束語

耐蝕鋁合金是船舶、潛艇建造過程中的重要材料，其綜合性能的優劣對于海洋武器裝備的戰技性能、使用壽命和可靠性的主要具有重要影響。本文基于目前船舶用耐蝕鋁合金應用性能的分析，通過結合量子力學和電化學方法，研究了新型輕量化高強耐腐蝕鋁合金鈍化膜在海水腐蝕介質中的半導體特性及電化學特性，得出Al-2.6Mg-1.7Si-X合金表現出的優異耐海水腐蝕性能，得益于合金表層形成的穩定保護膜層和鈍化膜優異的半導體特性。這阻止了腐蝕往合金內部的發展，提高了合金的耐蝕穩定性。

新型輕量化高強耐腐蝕鋁合金在海洋環境下表現出的優異性能相對于傳統耐蝕鋁合金有革命性提升，可替代現用Al-Mg合金實現海洋武器裝備適用性的全面提升。