（接上一期）

    二、材料大氣環境腐蝕研究及其成果

    （一）、材料大氣環境腐蝕行為及規律研究

    1、早期的研究成果

    建國初期，許多材料的環境特性缺乏了解，當時信息資料溝通困難、匱乏，其次基礎研究水平較低下，室內加速腐蝕試驗（如鹽霧試驗）基本處于空白，因此非常需要通過試驗直接了解材料的環境耐蝕性，如通過大氣暴曬認識了鐵上鍍鋅能否代替鐵上鍍鎘這個長期爭論未決的問題。在進行天然大氣腐蝕試驗的同時進行高溫高濕人工氣候腐蝕加速試驗，研究人工加速腐蝕能否代替天然氣候腐蝕試驗，然后求出人工加速腐蝕與天然腐蝕的變換系數。

    上世紀 50 年代中期至 60 年代初，由前蘇聯及東歐一些國家與機械工業部門合作，在廣州、上海、海南島、武漢等不同大氣環境下開展了金屬及金屬覆蓋層（電鍍鋅、Cd 及其鈍化膜等）的大氣曝露腐蝕試驗。從 1955 年到 1957 年三年內投放的樣品（包括我國自己的樣品）總計達二萬余臺件。

    上世紀 60 年代中期，在全國 10 個不同大氣環境（含長江大橋橋面、隧道）下對含 Cu、P、Re、Ti 等 19 種低合金鋼進行了為期 15 年的大氣腐蝕試驗與研究。該項目的開展，對于充分利用中國（大陸地區）某些富有元素資源，發展與生產耐大氣腐蝕的系列低合金鋼品種具有重要意義。

    航空工業領域的大氣腐蝕試驗，積累了大量的數據，為飛機的設計，生產和使用提供了有重要價值的寶貴資料，例如航空用橡膠體，通過大氣老化試驗和人工加速老化試驗，取得重要結果，使航空橡膠體的儲存期和使用期延長了數倍，不但滿足了生產和使用的要求，也為國家節約了大量的材料和資金。

    早期腐蝕研究主要依靠前蘇聯及東歐國家的合作幫忙，對我國建立環境腐蝕研究試驗基礎起了極大的推動作用。由于當時的政治環境和國際環境的限制，和西方發達國家交往幾乎為零，因此建國初期回國的科學家的知識傳播和技術指導就顯得尤為珍貴， 對我國腐蝕科學的早期發展是另一個重要推動力量。

    2、網站恢復建設期的科研工作

    上世紀80年代至90年代， 自然科學基金 “七五” 、 “八五” 、“九五”的重大基礎性研究項目，在師昌緒、侯祥麟、曹楚南院士的主持與帶領下，使我國常用材料自然大氣環境腐蝕數據的持續積累和研究工作在下列六個方面取得了深入系統的發展。

    ①各類常用材料在我國大氣自然環境條件下的腐蝕規律研究；

    ②我國大氣自然環境腐蝕性的評價與分類研究；

    ③模擬自然環境加速腐蝕試驗方法研究；

    ④材料自然環境腐蝕數據處理方法研究；

    ⑤區域環境腐蝕性調查與研究；

    ⑥大氣腐蝕的行為機制研究。

    根據統計本階段發表的學術論文 933 篇，出版專著 4 本。編輯數據匯編9冊， 首次建立了我國常用材料大氣腐蝕數據庫；編制了材料大氣腐蝕典型形貌圖譜（900 張），金屬保護層腐蝕外觀圖卡（95 張）兩冊，總結了大氣環境主要氣象因素及大氣主要污染物含量的變化規律與特點。

    通過對碳鋼、低合金鋼在 7 個不同大氣環境中腐蝕數據的處理和分析，獲得了鋼的大氣腐蝕率與時間的關系式中 D=At n中 A 系數還 n 指數的環境變化規律。大氣環境因素對碳鋼、低合金鋼大氣腐蝕的影響，前期是大氣中的污染成分：SO 2 、Cl -等起主要作用；中、后期（約四年以后）溫度和濕度起主要作用。海南萬寧試驗站是濕熱地區的海洋大氣環境，碳鋼的大氣腐蝕速度一直呈上升趨勢，這是其他試驗站未見到的現象。

    通過對 17 種碳鋼、低合金鋼在全國大氣腐蝕試驗站網連續曝露試驗和研究發現：鋼中的殘余元素 S、P、Cu 的含量對鋼在大氣環境中的耐蝕性有直接影響；將P含量控制在0.04%，Cu 在 0.2%，不需要添加其他合金元素，其耐蝕性可以達到耐候鋼 Cor-TenB（12CrMnCu）的水平。這一發現并經過驗證，為我國研發新的經濟耐候鋼提供了科學依據。通過對 9 種鋼在 7 個大氣環境試驗站長期曝露試驗數據的處理與分析，分別獲得了各試驗站大氣環境下鋼的大氣腐蝕發展冪函數參數與鋼的化學成份之間的定量關系，并對鋼在三峽地區的大氣腐蝕行為進行了預測，其理論計算值（腐蝕深度）與實測值之間誤差少于 10%。

    通過對烯烴類高分子材料在大氣環境中老化規律的研究，針對不同老化機理提出了塑料性能變化與老化時間的兩種關系式：Y=e-bt；Y=e（a+b）t；提出利用羥基變化可快速評價聚乙烯的老化行為、凝膠含量變化可作為 SBS 老化行為的表征。

    對不同材料、不同工藝、不同厚度保護層在各類大氣環境中耐蝕性差異規律和差異原因的分析研究，提出了針對不同嚴酷性的大氣環境應采用不同防護體系的建議方案。

    通過對遼寧省 192 個試驗點、海南省 20 個試驗點投試標準材料Q235試樣， 經過2 ~ 4年的大氣曝露試驗， 測定腐蝕速率，在我國首次繪制了遼寧省城市工業大氣、城鎮大氣、鄉村大氣腐蝕圖；以及海南省腐蝕圖。這是我國較大面積的區域性大氣腐蝕調查的重要成果。

遼寧省大氣腐蝕圖（a）城鎮（b）鄉村

    3、網站大發展時期的研究任務

    2000 年后，全國環境腐蝕站網的研究工作先后得到國家科技部兩項基礎性課題， 兩項公益性課題、 國家自然基金 “十五重大”和“十一五重點基金群”項目、國家科技部平臺建設項目以及平臺補助經費的資助， 同時國防建設的重大需求， 對 “國防科技工業自然環境試驗研究中心”的試驗站進行了大規模的新建和改擴建，增加了大量的研究項目。

    根據科技部基礎和公益項目的任務要求，于 2002-2003年在大氣網站投放了黑色金屬、有色金屬、涂鍍層、高分子、建筑五大類材料，70 余個品種，6 千余件試樣。2006 年根據平臺建設及新材料的發展需要，針對上述五大類材料，增加了123 個品種，共 2 萬 6 千余件試樣投放到 13 個大氣試驗站。

    （1）2000 年后，大氣腐蝕的研究特點：

    ①大氣環境腐蝕研究的區域更加廣泛，覆蓋了我國的主要氣候環境；試驗材料種類有較大擴展，增加了建筑材料的環境腐蝕老化研究，試驗也從標準件向構件發展；

    ②更加重視環境腐蝕的預測研究，大氣環境腐蝕的機理研究，污染環境對腐蝕影響的規律研究。

    ③國際合作更加廣泛。

    （2）重要研究工作和主要成果：

    ①開展了我國西部地區大氣環境的腐蝕調查，初步了解了西部地區大氣環境的腐蝕性及不同材料的腐蝕與老化情況，并與我國東、中部地區進行了比較。通過對我國西部地區材料腐蝕情況的調查發現：高原高海拔地區、新疆、青海西北戈壁、沙漠環境的腐蝕老化的典型特征。

    ②采用大氣腐蝕監測（ACM）技術評價了 5 種低合金鋼的耐候性；在江津、武漢、宜昌三個地區試驗站用 ACM 技術進行連續監測，同時測定三個地區大氣環境的主要因素，通過研究獲得了腐蝕電流與大氣環境主要因素之間的數學關系式；同時對三個地區 ACM 技術測定的腐蝕總電量的累積計算與三個地區純鋅試樣大氣腐蝕失重進行對比，發現三個地區鋅的腐蝕失重順序與 ACM 儀腐蝕電量大小順序相一致。

    ③研究并完善了戶外大氣加速腐蝕試驗技術及裝置建設；進行了室內模擬典型大氣環境加速腐蝕試驗與戶外大氣曝露試驗相關性的研究；室內多因素模擬加速腐蝕試驗裝置研究，獲得了多項發明專利證書。

    ④通過大規模的暴露試驗獲取了典型材料（金屬、高分子材料及有機涂層、鋼筋混凝土等）在我國西部典型環境高原、沙漠大氣和東部地區污染環境下腐蝕 （老化） 試驗的早期數據，積累了一批得之不易的材料自然環境腐蝕新數據；在過去工作基礎上，獲得了部分材料在東、中部地區的自然環境長達 20年的腐蝕數據，從而改變了過去我國腐蝕數據庫中材料與環境類型不完整、不均衡的局面。

    ⑤自然環境腐蝕基礎研究向微觀層次深入：在大氣環境中微液滴的形成機制和演化規律及其在腐蝕初期的作用；侵蝕性介質 / 粒子在薄液膜中的傳輸機制、銹層結構特征和演化規律研究；基于典型金屬材料腐蝕失效過程的電化學特征的演化規律，初步實現了鋁合金大氣腐蝕的原位電化學噪聲實時監檢測技術；用圖像分析方法探討了鋁合金大氣腐蝕的形貌變化，在涂層腐蝕試樣外觀變色的計算機識別等方面取得了顯著進展，彌補了過去我國自然環境腐蝕數據積累工作缺乏基礎研究支持的不足。SCI 和 EI 收錄論文超過 300 余篇，其中部分工作水平已進入世界腐蝕科學研究前列，國際影響明顯加強。

    ⑥獲得了聚酰胺、聚苯乙烯、聚氨酯涂層、環氧基粘結劑四類典型高分子材料在我國拉薩、敦煌、尉犁等西部自然環境和瓊海、武漢、廣州等中部地區自然環境中的暴曬試驗結果，初步闡明了影響高分子材料自然老化的主要環境因子和老化機理。

    ⑦建立數據庫及咨詢決策系統并進入使用狀態，建設了腐蝕數據規模最大的我國腐蝕專業數據庫，促進了國家材料環境腐蝕數據的網絡共享。

    （二）、相關試驗方法的完備和標準體系的建立

    在上世紀 60 年代初，經過大氣腐蝕試驗研究，逐步摸清了各種氣候環境對電工產品性能的影響，提出了相應的防護措施，制訂了材料、工藝和試驗方法的多項標準，這對保證和提高產品質量起到了重要作用。

    在網站恢復建設階段，考慮到材料自然環境腐蝕基礎數據要提供全國各有關部門使用，而試驗站又分布在全國各地區，為了保證數據的科學性和可比性，制訂了統一的工作計劃，統一的投試材料，統一的試驗規程和檢測分析規程，并在相同的時間組織統一投樣。同時開展模擬加速腐蝕試驗及腐蝕評價新技術研究，完成多項大氣環境加速試驗和實驗室加速試驗的標準制定，同時還獲得多項發明專利。

    完成《自然環境加速腐蝕試驗方法研究》國防軍工基礎技術研究項目，通過強化某些自然環境因素，提高產品及材料在自然環境條件下的腐蝕速度，既具有試驗環境的真實性，又縮短了試驗周期。研究跟蹤太陽反射聚能加速試驗技術，得到了具有自主知識產權的自然加速試驗裝置。制定了《自然環境因素采集及監檢測規程》國軍標，指導國防口站網 10 個站的環境因素檢測工作。

    為進一步做好國家材料環境腐蝕野外科學研究試驗站網規范化、標準化工作，促進材料環境腐蝕領域試驗站網絡化建設和發展，本著邊建設邊完善、邊共享的原則，制定了站網管理條例、試驗規程及標準體系框架，并在此基礎上制定了站網管理辦法、考核與評估規則、及大氣環境試驗站的管理條例、測試規程以及數據提交、數據共享辦法等規章制度，實現了統一制樣， 統一投樣， 統一取樣， 統一測試， 統一上報。 2004年至今，已經制定了 13 項站網管理制度，12 項腐蝕站網試驗方法規范，各網站參與完成 100 多項國標 / 國軍標 / 行業標準的制定。

    這些制度、規范及標準的建立與推行加強了標準化、規范化建設和管理，保證了數據的可靠性、科學性和權威性，使得國家材料環境腐蝕試驗站網更加管理規范化、試驗標準化。

    （三）、為國民經濟建設服務

    1、為水利電力工程建設服務

    為長江三峽水利樞紐工程二期鋼結構建設開展材料現場大氣環境腐蝕試驗，并為防腐蝕設計選材提供環境腐蝕數據；為二灘水電站建設工程金屬結構的防護設計、以及金屬材料和涂 （鍍） 層的選用提供試驗依據；為寶山鋼鐵廠馬躋山碼頭、江西萬安水電站、湖北隔河巖水電站、濱海（大亞灣、秦山、紅沿河）核電站等工程建設和設備服役過程材料的腐蝕與防護設計與材料選用提供海洋大氣腐蝕數據；為南水北調工程閘門、涵道的防腐蝕設計，提供涂層的環境腐蝕數據。

    2、在國防建設中的應用

    通過大氣腐蝕網站的環境腐蝕試驗與研究，向武器裝備中重點軍品、重點型號的研究、設計與生產單位：如空軍第一研究所、船總 701 所、航天 206 所、長安集團公司等單位，提供金屬材料、高分子材料及保護層在重慶江津、海南萬寧等地區大氣環境中的腐蝕與老化數據及試驗研究成果，為軍品的防護設計、合理選材、失效分析研究、軍機的維修周期和日歷壽命的確定、武器裝備腐蝕的綜合治理、軍工產品環境適應性與可靠性的提高等方面發揮了重要作用。運用環境腐蝕加速譜的試驗研究，為我國航天器重要部件的服役性能提供了預測分析，保證任務順利完成。

    3、在材料生產企業中的應用

    為 武 漢 鋼 鐵 公 司 研 發 新 型 經 濟 耐 候 鋼（Q235JN、Q345JN） 、 為東北輕合金有限公司改進與提高鋁合金產品質量、為武漢雙虎涂料生產廠研發新型涂料、 以及改進工藝提供鋼鐵、有色金屬及合金、保護層的大氣腐蝕數據及試驗研究結果。在許多研究設計院（所）在其工程、產品項目的設計研究工作中，也都大量采用了網站長期工作中所積累的數據與成果。

    4、在建筑工程中的應用

    為廣州電視塔鋼結構的防護設計提供長壽命復合防護體系材料的腐蝕數據，其防護建議被采納；為援外工程：摩洛哥首都體育場的維修工程提供金屬材料在海洋大氣環境中的腐蝕與防護的試驗結果和防護方案，保證了工程質量；為 2008 年北京奧運設施建設提供了急需環境與材料使用性能數據，以提高工程建設質量和可靠性。

    5、為交通、運輸發展服務

    為鐵路、公路橋梁如武漢軍山、重慶巫山長江大橋、杭州灣大橋、浙江舟山桃夭門跨海大橋、京珠高速公路等工程防護體系設計，以及港口碼頭金屬結構和混凝土結構的防護設計提供金屬材料和涂（鍍）層在我國大氣環境中的長期曝露腐蝕數據；為高鐵建設，開展動車車身典型材料大氣環境腐蝕研究，提供腐蝕老化數據；為青藏鐵路建設，提供高原環境材料的腐蝕老化數據。通過大氣曝露試驗與加速試驗為汽車內飾件的選材及整車大氣環境適應性的提高提供科學數據，促進了我國汽車工業的發展和產品質量的提高。服務對象包括通用、大眾、東風日產、廣州本田等大型汽車企業。

    另外大氣腐蝕研究的成果在通訊、 國家電網、 大飛機工程、海洋裝備領域也得到充分應用。由于研究成果廣泛服務于國民經濟、國防建設、重大工程領域，取得了重大的經濟、社會和軍事效益，國家大氣腐蝕站網的單位相關研究課題，獲得國家科技進步二等獎兩項， 獲得國防、 省、 部級科技進步獎二十余項。

    三、今后的發展思路和工作展望

    自然環境腐蝕研究是一個相對繁雜的體系，需要花費巨大的資金和人力投入，而且試驗周期長，是一項艱苦的基礎性工作，對于一個國家特別是一個大國而言，又是一項不可或缺的科學系統。各國的大氣環境腐蝕研究有不同的發展模式：如以國家資助為主的研究體制，這方面以中國和日本為主要代表。

    日本的大氣暴露試驗站網運行體系的經費在 2000 年時 70% 得到日本政府的資助。我國大氣腐蝕網站的科研工作從上世紀80 年代起，就得到國家科委、國家自然基金重大項目、國家科技部基礎、公益、平臺建設和補助的項目資助，同時得到各部門的相應支持。而在美國最大的大氣環境試驗站網，ATLAS氣候服務集團，主要經費來源是為企業服務。我國大氣腐蝕站網平臺今后如何進一步發展是一個需深入探討的課題。

    （一）、經驗體會

    我國大氣環境腐蝕研究走過了 60 年的發展歷程，取得豐碩的成果，其主要支撐在于：

    1、大氣環境腐蝕站網平臺的建設和發展得益于國家的需求和支持、學科的發展和促進，這在中、后期的發展尤為突出。

    2、有一支長期堅持不懈，默默奉獻的科研隊伍，特別是在老一代科學家的帶領下，在他們為科學事業奮斗精神的感召下，在他們兢兢業業，勇于克服困難的的品格的感染下，這支隊伍得以保持和壯大。

    3、有一套行之有效的科學管理辦法，各部門、各單位、各團隊通力合作，任勞任怨，無私奉獻，網站平臺辦公室長期卓有成效的工作，這都是環境腐蝕研究事業的接力棒不斷傳承，事業不斷發展的制度保障。

    4、國家大氣環境材料腐蝕野外觀測研究站網平臺，各試驗站發展水平不平衡：各試驗站在完成國家層面的試驗研究任務外，國防環境腐蝕研究中心下屬試驗站，由于國防建設的強大需求背景，得到支持力度也相應較大，設施較為齊全，試驗任務相對飽滿；有的試驗站注重走出去， 需求市場抓得好，發展較好；另外各試驗站環境的特殊性不同也影響著試驗工作量的不平衡。

    （二）、發展思考

    隨著國家的日益強盛，網站平臺已有了巨大的發展，取得了巨大的成就，今后的路怎樣走，如何傳承、發揚、做好老一代科學家為我們打造的事業，打牢我國大氣腐蝕野外觀測研究站網平臺的基礎，開拓更大的研究空間，需要我們認真思考。

    1、我國已是世界第二大經濟體，制造業規模世界第一，工業門類齊全是全球唯一國家，我國的科學研究已逐步在走在世界的前列，創興型社會和經濟正在建設，這些對環境腐蝕研究的作用地位、學術水平、服務成效均提出更高的要求和挑戰。面對新形勢，如何進一步完善體制建設、頂層設計，干大事情，做大貢獻，是首要任務。

    2、發揚老一輩科研工作者的光榮傳統，加強組織隊伍的建設。環境腐蝕研究耗時長，跨越地域廣，是一項長期艱苦的工作，需要穩定、培育一支高素質的研究隊伍，是事業成功的保證。

    3、組織開展大項目合作，針對國家經濟建設和材料學科發展的需求，進一步做好基礎性、規律性研究。深入進行相關性、監檢測、預測材料服役性能方面的研究；實時緊跟新材料、新技術的發展，組織材料、零件、構件的規模化研究，提高數據的規律性和預測性研究。

    4、加強宣傳，讓更多的企業認識到環境腐蝕試驗對了解和提高材料服役性能的不可或缺的重要環節。環境試驗平臺在得到國家有限支持的條件下，加大對材料生產行業的服務力度和服務范圍，搞好自身發展的外部條件建設。

    5、根據“一帶一路”國家頂級戰略的需求，進一步加大走出國門的力度，在與歐美發達國家建立牢固的科技交流的紐帶的同時，擴大“一帶一路”沿線國家的合作范圍，為國家經濟轉型發展服務。

    6、搞好自身建設，自然環境腐蝕數據取自于實際，來源于長期，寶貴于真實，具有不可替代性，環境因素的測量是整個數據鏈中基礎的基礎，尤為重要。大氣腐蝕站網平臺的科技人員要不斷修煉內功，始終樹立“試樣如命，數據是金”的理念，進一步提高數據的準確性和權威性。

    參考資料：

    1、 王光雍、 李興濂、 簫以德、 等。中國材料自然環境腐蝕試驗站網 （50年）發展歷程

    2、陸啟凱、阮裕堯、毛海榮 . 中國電器科學研究院氣候試驗研究發展歷程

    3、李興濂、簫以德 . 國家大氣腐蝕網站的發展與現狀

    4、簫以德、張三平 . 全國材料大氣腐蝕試驗站網介紹

    5、陳克忠 . 參加早期大氣網站試驗研究工作的體會

    6、張三平 . 美、日環境腐蝕研究技術考察 . 材料保護，1999（11）：34

     7、杜發一 . 中國腐蝕科技史話 .《腐蝕防護報》

    作者簡介

    張三平，研究員，武漢材料保護研究所副總工程師，特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室副主任，中國腐蝕與防護學會副理事長，湖北省腐蝕與防護學會秘書長，建筑構件材料環境條件及環境試驗標準化技術委員會副主任委員，《中國腐蝕與防護學報》、《材料保護》雜志編委。長期從事腐蝕與防護研究，研究領域包括環境腐蝕、金屬表面涂層及其改性、工程防腐蝕設計、腐蝕試驗標準制定、腐蝕失效分析。主持完成國家、省部級項目十余項，獲國家科技進步二等獎 2 項、省部級獎 3 項。發表論文 100 余篇。2005 年獲國務院特殊專家津貼，2013 年度武漢市先進科技工作者。