腐蝕與防護學(xué)科進展
 

　　文/李曉剛·中國腐蝕與防護學(xué)會
 

　　2011年12月,材料腐蝕學(xué)科發(fā)展研討會在北京科技大學(xué)舉行。會上,對目前腐蝕防護學(xué)科的發(fā)展進程做出了階段性的總結(jié),并對今后學(xué)科的發(fā)展方向進行了討論。
 

　　作為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中重要支柱制造業(yè)所屬的材料腐蝕與防護學(xué)科，具有跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨部門的特征，社會發(fā)展和建設(shè)中的各部門和各方面都會涉及到該學(xué)科。隨著近年來我國制造業(yè)規(guī)模位列世界第一，學(xué)科本身取得了突飛猛進的發(fā)展，基礎(chǔ)研究空前活躍，發(fā)表論文數(shù)量和質(zhì)量都明顯提高，躍居世界第二位。這些都表明我國腐蝕科學(xué)研究的發(fā)展進入一個全新的階段。
 

現(xiàn)狀
 

　　我國腐蝕與防護基礎(chǔ)研究已經(jīng)成為國際腐蝕與防護研究的重要部分,處于世界領(lǐng)先水平。新型耐蝕材料、緩蝕劑、新型涂層與涂料和電化學(xué)保護新技術(shù)大量出現(xiàn),成為推動我國、乃至世界腐蝕與防護學(xué)科發(fā)展的重要推動力。腐蝕與防護產(chǎn)業(yè)不僅能解決我國出現(xiàn)的腐蝕問題,本身也成為巨大的產(chǎn)業(yè)。
 

　　學(xué)科積累的各類材料的腐蝕數(shù)據(jù)、規(guī)律和實驗研究方法等成杲在國家重大工程建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用,例如西氣東輸、青藏鐵路、南水北調(diào)、高速鐵路、跨海大橋、大飛機、海洋開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境保護等,同時為國防裝備建設(shè)做出了巨大貢獻。在國防建設(shè)中,腐蝕與防護學(xué)科得到了空前的重視和應(yīng)用,武器裝備及其材料腐蝕與失效行為、武器裝備環(huán)境效應(yīng)預(yù)測與評價、武器裝備防護技術(shù)成為與武器裝備同步發(fā)展的重點。在我國,腐蝕與防護科技工作者在這方面發(fā)揮了重要作用,已經(jīng)成為提高我國武器裝備水平不可或缺的一支力量。
 

　　但是,我國還不是腐蝕與防護學(xué)科強國。—方面,我國在基礎(chǔ)研究上尚未形成足以引領(lǐng)世界腐蝕與防護學(xué)科研究方向的理論或貢獻較大的基礎(chǔ)研究方向,另—方面我國相關(guān)的防護技術(shù)綜合水平仍然較低,原創(chuàng)性技術(shù)較少,高品質(zhì)長壽命耐蝕結(jié)構(gòu)材料、腐蝕研究所需的高檔測試設(shè)備都需要進口,相關(guān)腐蝕與防護方法、技術(shù)涉及的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也比較薄弱。


發(fā)展及需求
 

　　未來我國材料使用的地域?qū)⒂申懙叵蚝Ｑ蟆⒂蓽\表向深層,負(fù)荷由靜載向動載,環(huán)境由大氣向酸堿,應(yīng)力由簡單向復(fù)合變化。新一代高性能設(shè)備和構(gòu)件要求能夠在復(fù)雜應(yīng)力、交變應(yīng)力、動態(tài)載荷、多種腐蝕介質(zhì)下安全服役。材料設(shè)計應(yīng)針對各類不同的復(fù)雜環(huán)境,結(jié)合大氣腐蝕、海洋腐蝕、特殊介質(zhì)腐蝕、濕熱環(huán)境對材料性能要求,提出新原理、新工藝、新技術(shù),實現(xiàn)對強度、韌性、塑性、耐蝕性、抗蠕變性等綜合性能的提高。
 

　　在金融危機、全球經(jīng)濟萎縮、貿(mào)易保護主義盛行的當(dāng)今,腐蝕與防護學(xué)科必須實現(xiàn)基礎(chǔ)研究新的突破,建設(shè)和發(fā)展世界一流的基礎(chǔ)研究方向,提升學(xué)科自主創(chuàng)新能力,以支撐我國國民經(jīng)濟發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型。
 

　　針對海洋、石油、電力、交通和航空航天等領(lǐng)域的國家重大需求,圍繞復(fù)雜環(huán)境、復(fù)合載荷、全壽命周期條件下高性能材料的設(shè)計、制造和服役行為中的共性技術(shù),構(gòu)筑政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系;建立多學(xué)科融合、多團隊協(xié)作、多技術(shù)集成的協(xié)同創(chuàng)新平臺;解決國家在海洋、能源、交通、重大裝備領(lǐng)域急需的高性能結(jié)構(gòu)材料和出現(xiàn)的重大材料腐蝕事故,支撐我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,促進高端工程人才培養(yǎng)與技術(shù)轉(zhuǎn)移,這就是我國“十二五”時期腐蝕與防護學(xué)科的發(fā)展目標(biāo)。
 

　　這種戰(zhàn)略需求就需要構(gòu)筑政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新體系,圍繞國家重大需求和核心競爭力,組織社會各種力　　量進行協(xié)同創(chuàng)新。特別是在國家、各級政府和企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的強力支持下,以國家重點實驗室、大學(xué)以及國家材料環(huán)境腐蝕野外科學(xué)觀測研究平臺等相關(guān)研究團隊為主體,構(gòu)建我國腐蝕與防護學(xué)科基礎(chǔ)研究協(xié)同研發(fā)平臺;以企業(yè)國家實驗室、各行業(yè)腐蝕與防護重點實驗室或中心、各地方或部委腐蝕與防護重點實驗室或中心為主體,構(gòu)建我國腐蝕與防護學(xué)科應(yīng)用基礎(chǔ)研究協(xié)同研發(fā)平臺;以國有大型企業(yè)的腐蝕防護中心、中小型企業(yè)的腐蝕與防護工程技術(shù)人員為主體,構(gòu)建我國腐蝕防護技術(shù)協(xié)同研發(fā)平臺。
 

　　同時,以中國腐蝕與防護學(xué)會為協(xié)調(diào)單位,形成以上三個平臺內(nèi)部協(xié)同創(chuàng)新研究與開發(fā)的局面,構(gòu)建腐蝕與防護學(xué)科基礎(chǔ)研究協(xié)同研發(fā)平臺、腐蝕與防護應(yīng)用技術(shù)協(xié)同研發(fā)平臺和防護技術(shù)工程協(xié)同研發(fā)平臺協(xié)作大交流的新機制,推動腐蝕與防護學(xué)科的快速發(fā)展,加強腐蝕學(xué)科的科普和立法工作,為我國盡快成為腐蝕與防護學(xué)科強國提供基礎(chǔ)和保障,滿足我國制造業(yè)向國際一流水平發(fā)展的需要。
 

研究重點
 

　　腐蝕與防護學(xué)科是材料學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)、物理學(xué)、表面科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科交叉滲透的學(xué)科,這些學(xué)科的進—步發(fā)展與滲透促進了材料腐蝕學(xué)科基礎(chǔ)理論的發(fā)展。但是,腐蝕與防護學(xué)科與這些學(xué)科有著明顯的區(qū)別。
 

　　腐蝕與防護學(xué)科關(guān)注的中心問題是設(shè)備或構(gòu)件,也就是各種材料在環(huán)境中使用時是否安全、壽命多長的問題。這就必須從微納米尺度到超大尺寸構(gòu)件的尺度范圍上探索材料與環(huán)境相互作用時的失效機理與規(guī)律、從微秒到年的時間尺度上認(rèn)識材料與環(huán)境相互作用失效機理與演化規(guī)律、多重環(huán)境因素耦合作用下的材料失效機理與各因素影響規(guī)律等三個方面,研究其中包含的各種問題。
 

　　不幸的是,解決這些科學(xué)問題的難度不亞于解決物理學(xué)或化學(xué)中科學(xué)問題的難度,他們挑戰(zhàn)著目前人類的認(rèn)知能力和測試水平,與物理學(xué)或化學(xué)不同,解決這些問題的標(biāo)志不僅是人類社會接受由這些科學(xué)問題解決而產(chǎn)生的技術(shù),而且這些技術(shù)必須產(chǎn)生經(jīng)濟效益,否則,并不算完全解決了問題。
 

　　到目前為止,對金屬腐蝕行為與機理的實驗研究與理論分析表明,對于金屬的環(huán)境腐蝕失效過程,其產(chǎn)生機理、發(fā)展過程以及與環(huán)境的交互作用相當(dāng)復(fù)雜,是屬于復(fù)雜科學(xué)問題,表現(xiàn)為:控制變量及影響因素眾多;各變量與腐蝕速率之間具有較強的動態(tài)耦合變化過程;腐蝕過程呈現(xiàn)隨機性、非線性、多變性及突變性。盡管這樣,也沒有阻擋人們對其過程認(rèn)識的步伐。
 

　　總體上看,人們對這種復(fù)雜過程的認(rèn)識目前還主要處在實驗研究和數(shù)據(jù)積累階段,這個階段的特征是發(fā)展各種試驗方法、觀測腐蝕過程的行為與機理和加強動態(tài)、原位檢測技術(shù)的研究。
 

　　在腐蝕機理的研究方面,從原子層面上研究各種化學(xué)成分對腐蝕起源影響才剛開始。例如在原子層面上,離子在點蝕或腐蝕開裂過程中所起到的作用尚不清楚;對材料中重要缺陷的跨尺度層次構(gòu)建還較為簡單;關(guān)于缺陷分布對腐蝕的影響研究,還處于起步階段。
 

　　從時間尺度上看,目前建立的與時間相關(guān)的腐蝕模型具有—定的局限性,例如大氣和土壤腐蝕模型主要采用對長時間實際暴露腐蝕數(shù)據(jù)進行擬合,點蝕生長模型主要采用實驗室試驗數(shù)據(jù)進行擬合,應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速度的測試精度不高和測試方法各有利弊,總之模型的建立主要依據(jù)經(jīng)驗公式。
 

　　但是由于獲得的腐蝕數(shù)據(jù)是不連續(xù)、非原位檢測的結(jié)果,建立的腐蝕模型無法動態(tài)、連續(xù)描述材料表面隨時間發(fā)生的變化過程。因此,有關(guān)理論模型的研究僅僅處于起步階段,尚需要數(shù)十代人不斷堅持和長期研究才能逐漸取得令人滿意的結(jié)果,其中非線性非穩(wěn)態(tài)過程研究是關(guān)鍵。
 

　　在宏觀腐蝕電化學(xué)的不斷發(fā)展與成熟的過程中,與之相對應(yīng)的微區(qū)腐蝕電化學(xué)將是腐蝕學(xué)科發(fā)展的一個重要方面。借助于宏觀腐蝕電化學(xué)的研究方法與成果,利用微區(qū)腐蝕電化學(xué)的測試方法,對金屬局部腐蝕機理、涂層缺陷處腐蝕機理和金屬相結(jié)構(gòu)腐蝕電化學(xué)進行系統(tǒng)研究,將獲得系統(tǒng)的創(chuàng)新性研究成果,極大地推進對腐蝕規(guī)律的認(rèn)識。
 

　　從空間尺度的角度看,過去,腐蝕的電化學(xué)過程的研究只停留在宏觀尺寸水平,如今,由于納米表征技術(shù)和計算科學(xué)的發(fā)展,人們開始從原子的層面上研究溶解和鈍化過程中電子和離子的轉(zhuǎn)移反應(yīng)機制。近幾年來掃描電子顯微鏡,電化學(xué)毛細(xì)管探針顯微鏡的發(fā)展以及與其他材料微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的結(jié)合(如拉曼光譜儀、開爾文掃描探針、原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等),使得腐蝕科學(xué)研究者們得到了更多的信息,這些信息是應(yīng)用傳統(tǒng)的電化學(xué)測試方法不能得到的。

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