一、 前言

    美麗的極地讓人遐想無限，壯麗的冰川、浪漫的極光、奇妙的極晝與極夜、可愛的企鵝無一不令人憧憬和向往，這些也吸引著我國一代又一代科學(xué)家探索極地的美妙，勾勒出多彩的極地。自從 1984 年五星紅旗在喬治王島首次飄揚至今，我國在兩極已建成長城站、中山站、昆侖站、泰山站、黃河站等試驗站，有力支持了我國極地科考研究。

圖1 中國極地科考站：南極昆侖站（左）及北極黃河站（右）

    極地氣候系統(tǒng)在全球資源和戰(zhàn)略中具有重要意義，隨著人類對極地資源的開發(fā)以及各國極地權(quán)益的維護，極地研究也日益成為地區(qū)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的核心和熱點話題。極地資源的開發(fā)離不開海洋工程裝備的應(yīng)用，而海工裝備在極地苛刻環(huán)境下的低溫脆性及腐蝕問題正嚴(yán)重威脅著海工裝備的服役安全。其中，對于海工鋼的低溫脆性問題，目前相關(guān)研究關(guān)注較多，而對于極地環(huán)境下的材料的腐蝕 / 老化問題研究相對較少，尤其是我國在極地環(huán)境下材料的腐蝕研究幾乎還未開展，已嚴(yán)重落后于美國、俄羅斯等國家。根據(jù)常識認為，冰天雪地環(huán)境下，氣溫如此之低，發(fā)生腐蝕的可能微乎其微。然而，根據(jù)實際觀察，極地環(huán)境下并非沒有腐蝕發(fā)生，二是在這種特殊環(huán)境下發(fā)生了一定程度的腐蝕，這使我們意識到研究探索極地環(huán)境下腐蝕問題的意義。

    二、極地環(huán)境下材料腐蝕 / 老化研究意義

    極地海洋資源開發(fā)與權(quán)益維護離不開海洋工程裝備，而材料是海洋工程裝備建設(shè)的基礎(chǔ)，材料在極地環(huán)境下的腐蝕 /老化問題研究的意義重大。首先，目前國際間海洋資源開發(fā)及權(quán)益維護已經(jīng)逐步向極地及深遠海環(huán)境擴展，而應(yīng)對這些的關(guān)鍵在于海工及海軍裝備的服役安全問題。材料在極地環(huán)境下的腐蝕與國內(nèi)及近海區(qū)域明顯不同，目前美國、韓國、俄羅斯、澳大利亞等國家均已開展了典型材料在極地環(huán)境下的腐蝕研究工作并獲得了一手的數(shù)據(jù)，但這些研究才剛剛開始，所獲數(shù)據(jù)也只是部分大氣及海洋環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。我國在極地環(huán)境下的腐蝕行為研究及其數(shù)據(jù)積累方面還處于空白階段，相關(guān)研究的開展對于提升我國在深極地區(qū)域權(quán)益維護的競爭力具有重要意義；第二，國家“十三五”規(guī)劃明確提出了拓展藍色經(jīng)濟空間的四項海洋重大工程，其中 “雪龍?zhí)綐O”及“全球海洋立體觀測網(wǎng)”分別要求研發(fā)適用于極地環(huán)境的探測技術(shù)及裝備并形成全球海洋立體觀（監(jiān)）測系統(tǒng)。

    而材料在極地極端、苛刻環(huán)境下的服役安全問題是上述重大工程建設(shè)的關(guān)鍵所在；第三，在開展極地資源開發(fā)過程中，海洋工程裝備服役中無法避免的問題即為海工材料在苛刻環(huán)境下的腐蝕損傷和失效，這已成為嚴(yán)重制約重大海洋工程技術(shù)和裝備發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。目前，我國相繼開展了典型金屬材料在海洋大氣及近海海水中的腐蝕行為，然而國內(nèi)對于材料極地環(huán)境下腐蝕數(shù)據(jù)積累工作還處于空白階段，這無疑限制了極地環(huán)境下海洋工程裝備的選材工作。因此，開展材料在極地環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)積累及環(huán)境 - 腐蝕 / 老化相關(guān)性研究是海洋資源深入開發(fā)的關(guān)鍵所在，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

圖2 我國雪龍?zhí)枠O地破冰科考船

    三、極地環(huán)境下材料的腐蝕/老化

    目前，極地材料腐蝕研究主要集中在北極和南極圈附近的國家，他們已經(jīng)率先開展了相關(guān)研究項目，旨在評估材料在這種苛刻環(huán)境下的服役安全性。目前已知的極地腐蝕研究項目包括俄羅斯遠東及南極腐蝕研究項目、挪威 - 俄羅斯北極聯(lián)合研究項目、澳大利亞南極腐蝕研究項目、美國阿蒙森海 - 斯科特南極試驗站以及世界范圍內(nèi)的大氣腐蝕研究項目ISOCORRAG 和 MICAT 中的部分站點（圖 3）。

    1. 金屬材料腐蝕

    澳大利亞的 Maxwell 等通過研究南極 Ross 島上材料的腐蝕認為，南極區(qū)域影響腐蝕的主要因素包括以下四點（圖 3）：

    （1） 較高的風(fēng)速，且風(fēng)中有時會含有顆粒損傷材料表面；

    （2） 較高的太陽輻照，導(dǎo)致有機材料的老化；

    （3） 材料表面覆蓋的雪以及冰中的可溶性鹽；

    （4） 夏季溫度高于冰雪的融點導(dǎo)致材料表面被可溶性鹽膜覆蓋。

    以上四方面會嚴(yán)重影響材料的腐蝕行為，并且 Morcillo 等發(fā)現(xiàn)，即使在冰層下，電化學(xué)腐蝕依然可以發(fā)生，這也導(dǎo)致金屬材料在極地環(huán)境下腐蝕并沒有想象中的輕微。以北極圈附近的阿蒂加斯為例，該地平均溫度雖然低于 0℃，但相對濕度和 Cl - 沉積速度均不低于我國的西沙海洋大氣環(huán)境，對比不同材料的腐蝕速率結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳鋼、鋅、銅和鋁均有較高的腐蝕速率，鋁的腐蝕速率甚至高于我國西沙海洋大氣環(huán)境。

圖4 極地大氣環(huán)境下材料腐蝕影響因素示意圖

圖5 中國海洋大學(xué)與中國極地研究中心合作開展的極地掛片試驗

    Marco 等研究了 SAE1070 碳鋼在極地氣候的喬治王島以及亞熱帶海洋氣候的復(fù)活節(jié)島的腐蝕行為發(fā)現(xiàn)，極地氣候的相對濕度較高，且當(dāng)?shù)?SO 2 濃度較高，可能與火山噴發(fā)有關(guān)。極地氣候下碳鋼的腐蝕速率略低，腐蝕產(chǎn)物主要為 α-FeOOH，亞熱帶氣候下碳鋼的腐蝕速率略高，腐蝕產(chǎn)物主要為 γ-FeOOH。

    Hughes 及 Mikhailov 等對北極及南極區(qū)域碳鋼的腐蝕行為進行了研究發(fā)現(xiàn)，在南極區(qū)域（緯度為負值），碳鋼均經(jīng)受了不同程度的腐蝕，在海拔較高且靠近南極的區(qū)域腐蝕較為輕微，其中在南極點，碳鋼的腐蝕最輕；在海拔較低的區(qū)域，腐蝕相對較為嚴(yán)重且波動較大；在北極緯度略低的區(qū)域，腐蝕較為嚴(yán)重，甚至高于其他海洋大氣環(huán)境。

    2. 有機涂層老化

    除金屬材料外，涂層在極地區(qū)域也會經(jīng)受嚴(yán)重的損壞直至失去對金屬的保護作用。在低溫與強輻射綜合作用下，涂層極易與基體發(fā)生剝離，并在強風(fēng)下發(fā)生脫落。我國南極長城站即面臨涂層老化嚴(yán)重的問題。目前，關(guān)于涂層在極地環(huán)境下服役的研究相對較少，Hattori 等在 1991 年研究了 12 種涂層材料在阿拉斯加地區(qū) -25℃～ +16℃下的失效行為，研究發(fā)現(xiàn)，氯乙烯和氯化橡膠在低溫下的保護性較差，富鋅涂料、噴涂鋅與環(huán)氧樹脂 / 聚氨酯混合使用具有較好的效果。Bjoergum等研究了 5 種涂層在 -10℃～ -60℃下對金屬的保護性發(fā)現(xiàn)，低溫條件下，腐蝕與機械載荷共存時，聚硅氧烷面漆保護性較差，增強聚酯涂料和硫化橡膠性能較好。Momber 等在實驗室研究過程中提出，使用 ISO20340 進行涂層耐久性試驗中選用的最低溫度（-20℃）偏高，并選用 -60℃開展了加速老化試驗，用來模擬極地環(huán)境下涂層的失效行為。研究結(jié)果表明，聚氨酯涂層低溫下對金屬的保護性效果較好，并以此指導(dǎo)極地開發(fā)中的海洋平臺的涂裝選擇。

    3. 國內(nèi)極地環(huán)境材料服役性能研究進展

    目前，關(guān)于海工鋼尤其是極地用鋼的低溫脆性關(guān)注較多，國內(nèi)許多鋼鐵公司和高校積極開發(fā)極地低溫環(huán)境用鋼，并取得了顯著的進展。中國海洋大學(xué)一直重視極地科學(xué)研究，在進行極地海洋科學(xué)研究的同時也開展了極地環(huán)境材料服役行為研究，在極地環(huán)境下投試了典型材料進行腐蝕與老化行為研究，其中包括典型海工鋼及其焊縫與恒應(yīng)變試樣在極地海域的投試，以及典型金屬材料在極地大氣環(huán)境下的投試（圖5），相關(guān)研究結(jié)果將進一步拓展我國關(guān)于極地材料服役行為的研究工作，為極地海工裝備研發(fā)與安全服役提供支持。

    ● 人物簡介

    崔中雨，博士，2015 年畢業(yè)于北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心，師從腐蝕控制系統(tǒng)工程研究所李曉剛教授。目前為中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，碩士研究生導(dǎo)師。主要從事金屬材料自然環(huán)境腐蝕研究，特別是海工材料在苛刻海洋環(huán)境（極地低溫、南海高溫高濕熱）下的腐蝕行為與壽命預(yù)測研究。承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金青年基金、山東省基金等科研項目，發(fā)表 SCI 論文 20 余篇。