? 我國四大海域環境條件

我國大陸邊緣的渤海（內海）、黃海、東海和南海互相連成一片，其海洋大氣具有動態性和地域性等特點，受地球經緯度和海岸地理條件影響，溫度、濕度、輻照度、氯離子濃度和鹽度等主要環境因子及其耦合作用對材料服役行為的影響差異很大。

渤海（盤錦-唐山-天津-東營）為近封閉的內海，常年平均氣溫10.7 ℃，夏季水溫24~25 ℃，冬季水溫0 ℃左右，普遍有結冰現象，河口及灘涂區多堆積冰（高度可達2~3米），冰期1~3個月不等。3月初融冰時還常有大量流冰發生，流速為50 cm/s左右。渤海海水鹽度僅為3‰，海面風浪較小。

整體來說，渤海區域艦船及武器裝備面臨的腐蝕工況較弱（低溫、低濕、低鹽、低紫外和弱臺風），但在嚴酷的冬季，海洋工程裝備外暴露部件及其防護涂層是否能經受高低溫交變及極限低溫冰凍（-20 ℃），鉆井平臺結構物及船用鋼表面能否耐冰層沖擊/刮擦，是渤海區域海洋環境適應性的關鍵難點。

黃海海域（青島-日照-連云港-鹽城）溫度季節變化較為明顯，1月最低（-2～6 ℃），8月最高（25～27 ℃）。其水溫年變化小于渤海（15～24 ℃），海水鹽度也比較低（32‰），且流入黃海的各河攜帶泥沙過多。黃海易受臺風侵襲，水中含氧量為四大海域最高（達5.9 ml/L）。通過分析以上數據，黃海腐蝕工況較渤海苛刻，主要是溫度、鹽度及水含氧量有所提高，風力增強且伴隨泥沙沖刷。

此海域服役的海洋裝備需選用具有一定防腐蝕效果的表面防護手段，比如海洋鉆井平臺生活艙室常出現結露/凝水情況而引起金屬腐蝕與電氣絕緣降低，需采用有機涂層等具有絕緣耐蝕的防護手段；鉆井平臺的樁腿、海管和動力定位系統還應具備一定抗顆粒物沖刷性能，需考慮并選用“底+中+面漆”3層體系防護技術。

東海（舟山-寧波-福州-廈門）是中國、日本和韓國等國的海洋戰略要地，屬于亞熱帶和溫帶氣候，有較高水溫（年平均水溫20~24 ℃）和較大的鹽度（34‰左右），水中氧含量也較高（5.2~5.6 ml/L），且海中浮游生物的生長茂盛。

相比渤海與黃海海域，東海海域腐蝕條件明顯增強（中溫、中濕、中鹽、較強紫外和較強臺風），海洋裝備部件需根據自身不同服役工況，針對性選擇適宜的防腐蝕方案，比如海洋鉆井平臺結構件（靜止暴露）受鹽霧腐蝕、紫外照射和臺風/海浪水霧沖刷等影響，其使用壽命大大降低；而升降滑軌、傳動齒輪和樁腿/導管接頭中的連接螺栓及系泊鏈（運動暴露）則同時面臨磨損與腐蝕的雙重考驗，須重點研究其磨損腐蝕失效行為機理，并用耐磨防腐涂層材料進行表面防護。

南海海域（廣東-湛江-三亞-西/南沙群島）接近赤道，接受太陽輻射的熱量較多，南海的年日照輻射總量接近7000 MJ/m²，約是其它海域的1.5～1.7倍；年平均溫度高達27.5 ℃，約是其它海域的1.7～2.7倍；一年中氣溫大于30 ℃的天數高達160天，約是其它海域的3.0～25.5倍；年平均降雨量約是其它海域的1.3～2.4倍。南海是我國最深、最大的半封閉海，相比渤海、黃海及東海具有更為復雜多變的熱帶海洋性氣候特點，濕度常年高達90% RH，海水鹽度高達35‰，其氣氛環境具有更高的飽和蒸氣壓及鹽霧濃度（＞300 mg/m²d）。在亞熱帶氣候的萬寧試驗點暴露試驗結果表明，傳統Q235和Q345碳鋼由于高氯離子含量致使銹層結構疏松；海洋平臺高濕高鹽的鹽霧氣氛對航空鋼表面電鍍Cd層穿透性更強，腐蝕更加嚴重。

南海諸島在夏秋兩季還常受強臺風影響，臺風狂虐，裹挾暴雨，掀起巨浪，給海工裝備的承力結構物、連接緊固件/焊縫和運動滑軌/齒輪傳動部件的使用可靠性帶來極大挑戰。針對南海高溫、高濕、高鹽及高紫外輻照的熱帶海洋區域，伴隨海浪飛濺、泥沙沖刷及強臺風沖擊等極端苛刻工況，南海海洋裝備需經歷比其他海域更為復雜和嚴酷的貯存、運輸和服役環境，南海工程性防護材料的性能數據及規律仍極度匱乏，其熱帶海洋環境適應性考核體系亟待建立。

? 海洋裝備面臨嚴峻摩擦腐蝕挑戰

然而，在南海海域服役的海洋裝備外暴露關鍵摩擦副零部件受海洋鹽霧氣氛的化學/電化學引起的腐蝕以及力學因素引起的摩擦磨損交互作用，將急劇加速其損傷失效。目前的海洋工程用材料（如耐候鋼、銅合金、鋁合金和鈦合金等）還不能完全滿足海洋裝備外暴露傳動系統/部件在熱帶海洋氣氛下高可靠性和長壽命運行的要求。

傳統3層防護的防腐涂層技術（涂層厚度＞400 μm）與表面處理技術（氧化、磷化、鍍鉻、鍍鋅、鍍鎳、鍍鎘及鹽浴氮化等）可一定程度上提升工程金屬材料的耐蝕性及服役壽命，但仍難以滿足海洋高技術裝備高沖擊和高承載運動/傳動系統的實際工程需求。

目前，涉及摩擦磨損與腐蝕交互作用的海洋裝備部件失效難題亟待解決，比如，內陸用高技術裝備于南海海域首次試用，僅靜置72小時后，其焊縫和螺栓緊固件等部位（傳統防腐漆防護）即出現銹蝕現象，運動傳動系統的滑軌、彈簧及鍵/銷等關鍵運動部件于200小時后出現潤滑油降解及基材腐蝕磨損現象。海上航行體的制動輪機、活塞桿、支撐接頭以及軸承/軸套在其運行過程中同時經歷干濕交替與摩擦磨損作用，大型海工裝備的高沖擊滑軌和高承載齒輪/齒條則長期受到高沖擊載荷、應力腐蝕以及摩擦磨損的疊加作用。

海上風電機組從發電機到齒輪箱以及變槳距機構整個傳動鏈都安裝了運行狀態的遠程在線監測系統，涉及復雜的滑軌及齒輪等傳動設計，現采用的傳統油脂潤滑方案在海洋鹽霧氯離子和高溫水汽作用下極易發生油脂降解而引起傳動部件的摩擦-腐蝕損傷甚至失效，極大威脅著風機電阻的傳感監測安全。

海上鉆井平臺輕量化高技術裝備常采用鋁-碳鋼異類金屬耦合的承力底座設計，在沖擊和振動作用下會發生摩擦和磨損，且未采用任何防腐處理的底盤基座會因發生電偶腐蝕而加速裂紋產生與擴散，甚至導致基座開裂而損壞。尤其在高溫高濕高鹽的熱帶海洋鹽霧氣氛條件下，各影響因子間的耦合加速失效作用更加猛烈。

針對與熱帶海洋氣氛直接接觸的機械開放運動系統/部件，其摩擦磨損問題主要通過自潤滑涂層技術解決，腐蝕問題也主要通過絕緣耐蝕涂層材料技術解決。

但是，由于摩擦磨損產生的新的表面活性高，會加快腐蝕速率，如加速氯離子滲透并與亞表面甚至深層材料發生化學反應，而腐蝕產生的孔洞或異質相晶界弱化材料力學性能，加快磨損速率。

因而，熱帶海洋氣氛下的開放運動系統/部件的磨損與腐蝕是耦合損傷（圖1），需要發展兼具有自潤滑與防腐功能的涂層材料與技術，同時解決摩擦磨損和腐蝕問題。

圖1 (a)海上鉆井平臺、(b)海上風電、(c)艦船和(d)水陸兩棲飛機等熱帶海洋工程裝備圖片以及(e)面臨的摩擦腐蝕挑戰

? 硬質自潤滑薄膜技術研究進展

張俊彥等研發的類富勒烯結構DLC涂層表現出超長壽命（>1.8×10⁵ 循環）和超低磨損率（2.2×10^-8 mm³·N^-1·m^-1），然而高度sp3雜化的DLC涂層的摩擦系數和粘附性能受到環境條件影響顯著。研究表明，DLC涂層在水中的磨損隨著氫濃度的增加而增加，通過Si摻雜構筑多層結構DLC薄膜可在一定程度上降低磨損率。

對于潮濕大氣環境，張廣安等通過第一性原理計算和模型擬合來研究水蒸汽壓力下摩擦過程時，滑動界面吸附的水分子變化，揭示了DLC涂層摩擦系數隨水蒸汽壓力變化的內在機制，建立了摩擦系數與氣體壓力關系的數學模型，該模型的建立為DLC涂層于海洋鹽霧氣氛環境的摩擦預測提供了良好的基礎。

針對海洋海水腐蝕磨損工況，薛群基等研究了316L鋼基WC/Ni60涂層、F690鋼基TiSiN-Cu納米復合涂層以及304鋼基(Cu,Ce)/Ti-DLC膜等硬質自潤滑薄膜在人工海水中的摩擦磨損行為及電化學腐蝕參數。以上研究表明，通過構筑力學傳遞合理的多層結構，可有效延長硬質自潤滑薄膜在海水環境下的耐磨壽命，但該類涂層應用于工程環境時，一旦被碰傷或穿透，其組分-組分之間以及涂層-基材之間的電極電位差可能會誘導電偶腐蝕，引起界面失效。

針對海洋鹽霧腐蝕磨損工況，研究學者通過對比304不銹鋼、GCr15和9Cr18三種基底表面上Ti摻雜含氫DLC薄膜在鹽霧試驗后的摩擦學性能，發現后兩種基底薄膜的摩擦壽命降低約50%。利用Pb/Ti金屬復合相對MoS2氧化的抑制作用，構筑MoS2/Pb-Ti納米多層薄膜可有效提升MoS2基自潤滑薄膜的熱帶海洋環境適應性，其于南海島嶼暴露6個月后仍然保持較低的摩擦系數與一定耐磨壽命。

以上研究表明，設計力學傳遞合理、界面匹配、結構致密且化學性能穩定（抗氧化）的自潤滑硬質薄膜是保障其海洋環境適應性（耐鹽霧、耐海水性能）和突破海洋工程應用極限的關鍵之一。前人通過模擬自潤滑技術的不同應用工況（摩擦速度、承載應力和摩擦方式等），研究了DLC薄膜和陶瓷涂層等自潤滑硬質薄膜材料在潮濕大氣、鹽霧、鹽水或其他腐蝕介質中的摩擦磨損行為，以及腐蝕介質環境對其轉移膜形成的影響機制。

但對于該類薄膜材料在單一電化學腐蝕（化學場）下的組織結構演變規律及靜態失效機制鮮少報道，作者認為，研究揭示薄膜材料在單一熱場和化學場下的組織結構演變機理，或許有助于理解其在磨損腐蝕工況（熱-力-化場耦合作用）下的動態損傷失效機理并提出有效的防護設計原理。

近年來我國大力發展海洋經濟，輕量化的海洋裝備制造業蓬勃發展，但新型高強度輕合金在海洋鹽霧氣氛的靜態腐蝕工況下易發生點蝕和晶間腐蝕，導致合金材料的力學性能快速劣化。研究報道了TC4鈦合金在海水動態磨損腐蝕條件（力-化學場）下的總腐蝕磨損量明顯大于其在陰極保護條件（力場）下的純磨損量（占總腐蝕磨損量的65.9%～89.8%），量化地證明了海洋腐蝕介質磨損-腐蝕工況下輕合金的“化學-力場”耦合損傷效應。

因此，針對輕合金傳動/運動關鍵部件表面，發展自潤滑耐磨防腐功能一體化的動態防護涂層技術是近年來的研究熱點之一。陽極氧化與微弧氧化（MAO）是提高鋁、鎂和鈦等輕合金表面硬度及耐蝕性的常用技術手段，微弧氧化還因具有表面零增量（向內生長）的技術優勢被廣泛采用。

雖然陽極氧化與MAO涂層材料通常鈍化且化學性能穩定，相比于前述碳基薄膜的環境敏感性有一定優勢，但在其加溫電解制備過程中常常會產生氣體而生成多孔層結構，這極不利于阻擋腐蝕介質的滲透，容易在涂層-基材界面處發生腐蝕，進而導致動載下的結合失效問題。趙文杰等發現具有納米管結構的TC4陽極膜由于其較高的比表面積和較大的毛細作用力而顯示出較差的防腐性能。

研究表明，不管是DLC薄膜、MoS2基硬質薄膜、陶瓷涂層或是輕合金微弧氧化膜，在其加溫濺射、熱噴涂、離子鍍及電解沉積等制備過程中常常產生孔隙等缺陷結構，當這些自潤滑硬質薄膜應用于高溫高濕高鹽的海洋鹽霧氣氛環境時，腐蝕介質一方面穿過表面微孔及涂層內部孔隙缺陷到達基體發生腐蝕；另一方面在裂縫和蝕孔內部形成“閉塞電池”，在閉塞區內發生貧氧、酸化和氯離子富集，在閉塞區外由于電化學條件的差異產生自催化加速腐蝕效應。

綜上所述，僅靠單一的硬質薄膜技術尚難以獨立、有效地滿足高溫高濕高鹽的熱帶海洋鹽霧氣氛下裝備關鍵運動部件（齒輪、軸、導軌等）的動態摩擦-磨損-腐蝕長壽命及高可靠性保障。為了彌補上述不足，前人對DLC薄膜、MoS2基硬質薄膜、CrN涂層以及MAO涂層等自潤滑硬質薄膜開展了改性填充和摻雜封孔等復合增強研究，通過構筑多相或多層致密結構，優化力學承載性，提升涂層在空氣、鹽霧和鹽水環境下的摩擦磨損服役長效性。

薛群基等通過Zr摻雜方法有效改善了MoS2涂層在高濕環境下的化學穩定性與減磨耐磨性。張廣安等在MoS2薄膜基礎上引入Ti和Pb元素，設計構筑復合及多層結構，通過調控制備工藝提高了薄膜的致密性以及抗氧化性，在交變濕度環境下表現出良好的摩擦磨損性能。

王鵬等制備出具有納米級周期性自組裝多層結構的Mo-S-C-N復合薄膜，使薄膜表面硬度提升了近3倍（9.76 GPa），空氣條件下顯示出較低的磨損率。以上研究工作對于未來將二硫化鉬基硬質薄膜技術拓展應用至海上運輸和發射航天器關鍵部件等工程領域具有重要意義。

李焰等則提出了插入夾層的設計思路，利用多層結構構筑復雜的穿透路徑及提升涂層力學強度，有效延長了鹽霧條件下NiCr-Cr3C2金屬-陶瓷復合涂層以及海水條件下TiSiN/Ag納米多層涂層的耐磨壽命。

陳俊鋒等和尹登峰等通過在MAO涂層表面原位合成MgFe-LDH納米片（層狀雙金屬氫氧化物）或利用CeO2顆粒促進鎂合金MAO層的自密封行為來優化MAO涂層的致密結構。

盡管以上硬質復合涂層的設計策略可一定程度抵抗腐蝕介質在涂層內部滲透，提升涂層抗腐蝕能力，但由于此類硬質復合涂層中存在多種硬-硬界面，遇沖擊載時容易產生裂紋甚至脫落，或許可以通過在其表面復合制備可與之鍵合匹配的軟質自潤滑涂層吸收沖擊能，同時降低硬質涂層于干摩擦工況下普遍偏高的摩擦系數（μ＞0.1），提升硬質自潤滑涂層的抗沖擊和減摩耐磨能力。

? 軟質自潤滑高分子涂層研究進展

羅荘竹等針對南海裝備所面臨的“摩擦-磨損-腐蝕”共性工程技術難題，結合前期在工程防結冰PTFE/PPS高分子合金涂層的設計構筑及應用性能研究的積累，選用綜合性能良好的改性聚氨酯樹脂粘結劑、含氟聚合物填料和混合有機溶劑，采用傳統的常溫噴涂工藝，利用兩種聚合物組分之間交聯纏結，一步成膜制備出化學穩定且結構致密的軟質耐磨防腐高分子涂層材料，如圖2(a)所示。其涂層厚度為(30±5) μm，僅為傳統3層防護體系（＞300 μm）的1/10，在載荷為11 MPa、轉速為1.05 m/s、溫度為25 ℃、濕度為60%~70% RH的干摩擦測試條件下，涂層穩定摩擦系數為0.06~0.08，耐磨行程約0.6 km/μm，是傳統聚氨酯型防腐涂層的100倍，而摩擦面溫升僅約45~60 ℃，隨溫度升高，摩擦系數不斷降低，可低至0.03~0.04，如圖2(b)所示。

相比中性鹽霧加速腐蝕試驗，熱帶海洋大氣暴露試驗為海洋鹽霧氣霧、紫外光、氧和熱等多因素耦合的試驗方法，雖然其試驗周期長，但可更合理、科學地評價/考核耐蝕涂層的實際防護壽命。通過將中性鹽霧加速腐蝕試驗、熱帶海洋暴露試驗和涂層表面微觀分析手段有機結合，根據涂層在中性鹽霧/海洋氣氛中暴露前后表面組成（C1s譜峰相對強度）衰減變化量推算得知，1200小時中性鹽霧試驗相當于2.5年實際熱帶海洋暴露防護壽命，初步建立了實驗室中性鹽霧與實際熱帶海洋暴露的對應關系規律。

海洋裝備表面防護材料的長效性一般要求10~30年，為了適應南海高溫、高濕的鹽霧環境，該類具有低膜厚（30~60 μm）特點的動態耐磨防腐軟質高分子涂層體系的耐鹽霧性能還應提升至6000小時以上。

此種低膜厚且熱帶海洋長效穩定的自潤滑高分子涂層技術突破了傳統“底-中-面”高膜厚三層防護體系的技術瓶頸，實現自潤滑技術與靜態防腐技術協同融合，可能是解決熱帶海洋鹽霧氣氛“高承載-低中速”工況下的磨損-腐蝕耦合損傷的有效手段之一。但由于高分子材料自身的力學強度有限，導致軟質高分子涂層的剪切強度及耐磨壽命難以滿足“重載-高速”摩擦工況的要求，需要發展與其匹配性良好的復合增強涂層技術來彌補。

? 硬-軟梯度自潤滑防腐涂層研究進展

對比結果如圖4所示，在長時間腐蝕化學場作用下，45#鋼基材銹蝕嚴重，出現碎屑狀剝落，由于貫穿空隙及晶間裂紋影響，45#鋼表面的DLC薄膜能夠保持完整但出現腐蝕斑點，局部發生脫落，DLC薄膜-高分子合金涂層未發生明顯的腐蝕現象，對45#鋼基材表現出較好的腐蝕防護效果。

? 液體介質環境磨蝕研究方法

? 中性鹽霧與海洋大氣暴露試驗方法

以上研究表明，“靜態腐蝕+動態磨損”2步法的測試結果可一定程度地反映腐蝕工況對涂層材料減摩耐磨性能的弱化作用，但該分步測試評價方法仍無法模擬真實的海洋鹽霧氣氛所特有的磨損-腐蝕耦合效應。因此，為了揭示自潤滑涂層在熱-力-化學耦合作用下的動態失效本質（圖5），亟需建立實際熱帶海洋鹽霧氣氛下涂層摩擦、磨損、腐蝕及電化學腐蝕行為的動態實時監測測試手段/方法。

? 熱帶海洋氣氛摩擦磨損實海在線監測新方法

? 實際熱帶海洋裝備考核試驗驗證（國防裝備和海洋平臺等工程應用示范）

研究團隊已聯合了攀鋼集團、中遠海運、中海油和珠海云洲智能科技有限公司等10余家裝備制造企業共同攻關/提升其海洋裝備產品的海洋環境適應性及運行可靠性（圖7），定型產品有10余種，已在珠海東澳島、海南陵水和廣西潿洲島建設的由南海臨海至南海深遠海的“多海域熱帶海洋環境鹽霧腐蝕暴露試驗基站”開展固體潤滑材料和自潤滑耐磨防腐防護等新型功能材料的熱帶海洋環境適應性考核及南海海洋工程應用示范驗證。

隨著我國“南海海洋縱深開發”戰略規劃及相關海洋利益的拓展，國家海洋戰略使命也由內陸及近海擴展到遠海及大洋。高鹽、高濕的熱帶海洋區域，伴隨海浪飛濺、鹽霧氣氛腐蝕、強風干濕對流及太陽光老化等復雜工程環境作用，我國海洋工程高技術裝備滑軌/導軌、軸/軸承和齒輪/鏈輪傳動系統等關鍵部件的減摩耐磨及防腐防護需求不斷提升。現有潤滑技術及靜態防腐技術遠遠不能滿足裝備運動傳動系統/部件在熱帶海洋高精度、高可靠和長壽命運行的要求。

目前，如何解決熱帶海洋氣氛中特有的磨損與腐蝕耦合動態損傷是現有海洋工程設備與運動部件所面臨的重大科學問題與技術難題。

? 硬軟復合自潤滑防腐材料-構筑原理創新

其中，硬質碳基薄膜的作用是提高金屬基底的表面硬度和承載能力，介于無機和有機特性的硅碳氧納米薄膜的作用是通過與碳基薄膜針孔邊緣的懸鍵和高分子合金層的化學鍵合，實現兩個界面的高結合力，同時阻斷氯離子向碳基薄膜的穿透，軟質高分子合金的作用是吸收部件啟動時的沖擊能量，降低摩擦疲勞損傷，同時，抑制氯離子吸附和滲透。

在腐蝕摩擦過程中，軟質高分子合金的疏水特性抑制氯離子吸附和滲透，彈性結構吸收啟動沖擊能量，降低摩擦疲勞損傷，從而抑制腐蝕并降低磨損。

在服役過程中，即便高分子合金層被磨損消耗，硅碳氧封孔防腐層表面因摩擦產生的官能團（如-OH）和氯離子反應并阻斷后續氯離子吸附穿透，由于硅碳氧嵌入碳基薄膜針孔并化學鍵合，與硬質碳基薄膜成為一體繼續起到耐磨防腐作用。

對于運動非精密部件（齒輪、導軌、彈簧及緊固件等）采用軟質自潤滑防腐涂層，對于運動精密部件（滑軌/導軌、軸/軸承及齒輪/鏈輪等）選用“硬質薄膜+軟質涂層”的復合匹配材料技術工藝，旨在提升海洋裝備部件，尤其是熱帶海洋裝備運動傳動部件的長壽命及高可靠性。

? 熱帶海洋氣氛多場耦合摩擦磨損實海在線監測新方法建立

? 海工裝備全海域自潤滑耐磨防腐防護材料技術體系建立

針對全海域復雜環境，開展海（H）、陸（L）、空（K）全口徑海工裝備自潤滑耐磨防腐防護材料的全鏈條研發與工程化具有重大科學價值及經濟社會效益。構建海工裝備全海域（近海、深遠海）“立體摩擦-腐蝕防護網格”與維護保障材料體系數據庫（圖9），開展H、L、K全海域典型海工裝備自潤滑耐磨防腐防護材料的工程示范及海試考核。

建立相關數據庫及技術工藝規范/標準，全面保障海工裝備核心系統的海洋環境適應性，為提升我國“南海縱深開發”海洋工程裝備的運行可靠性與防護/維保技術革新奠定理論基礎及技術支持。