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）

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

    二、極地環境下材料腐蝕 / 老化研究意義

    極地海洋資源開發與權益維護離不開海洋工程裝備，而材料是海洋工程裝備建設的基礎，材料在極地環境下的腐蝕 /老化問題研究的意義重大。首先，目前國際間海洋資源開發及權益維護已經逐步向極地及深遠海環境擴展，而應對這些的關鍵在于海工及海軍裝備的服役安全問題。材料在極地環境下的腐蝕與國內及近海區域明顯不同，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境下的腐蝕研究工作并獲得了一手的數據，但這些研究才剛剛開始，所獲數據也只是部分大氣及海洋環境下的腐蝕規律。我國在極地環境下的腐蝕行為研究及其數據積累方面還處于空白階段，相關研究的開展對于提升我國在深極地區域權益維護的競爭力具有重要意義；第二，國家“十三五”規劃明確提出了拓展藍色經濟空間的四項海洋重大工程，其中 “雪龍探極”及“全球海洋立體觀測網”分別要求研發適用于極地環境的探測技術及裝備并形成全球海洋立體觀（監）測系統。

    而材料在極地極端、苛刻環境下的服役安全問題是上述重大工程建設的關鍵所在；第三，在開展極地資源開發過程中，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境下的腐蝕損傷和失效，這已成為嚴重制約重大海洋工程技術和裝備發展的技術瓶頸之一。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，然而國內對于材料極地環境下腐蝕數據積累工作還處于空白階段，這無疑限制了極地環境下海洋工程裝備的選材工作。因此，開展材料在極地環境下的腐蝕數據積累及環境 - 腐蝕 / 老化相關性研究是海洋資源深入開發的關鍵所在，具有重要的科學意義和工程應用價值。

圖2 我國雪龍號極地破冰科考船

    三、極地環境下材料的腐蝕/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，他們已經率先開展了相關研究項目，旨在評估材料在這種苛刻環境下的服役安全性。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，南極區域影響腐蝕的主要因素包括以下四點（圖 3）：

    （1） 較高的風速，且風中有時會含有顆粒損傷材料表面；

    （2） 較高的太陽輻照，導致有機材料的老化；

    （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致材料表面被可溶性鹽膜覆蓋。

    以上四方面會嚴重影響材料的腐蝕行為，并且 Morcillo 等發現，即使在冰層下，電化學腐蝕依然可以發生，這也導致金屬材料在極地環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境，對比不同材料的腐蝕速率結果發現，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境。

圖4 極地大氣環境下材料腐蝕影響因素示意圖

圖5 中國海洋大學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活節島的腐蝕行為發現，極地氣候的相對濕度較高，且當地 SO 2 濃度較高，可能與火山噴發有關。極地氣候下碳鋼的腐蝕速率略低，腐蝕產物主要為 α-FeOOH，亞熱帶氣候下碳鋼的腐蝕速率略高，腐蝕產物主要為 γ-FeOOH。

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

    2. 有機涂層老化

    除金屬材料外，涂層在極地區域也會經受嚴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，涂層極易與基體發生剝離，并在強風下發生脫落。我國南極長城站即面臨涂層老化嚴重的問題。目前，關于涂層在極地環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 -25℃～ +16℃下的失效行為，研究發現，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現，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，用來模擬極地環境下涂層的失效行為。研究結果表明，聚氨酯涂層低溫下對金屬的保護性效果較好，并以此指導極地開發中的海洋平臺的涂裝選擇。

    3. 國內極地環境材料服役性能研究進展

    目前，關于海工鋼尤其是極地用鋼的低溫脆性關注較多，國內許多鋼鐵公司和高校積極開發極地低溫環境用鋼，并取得了顯著的進展。中國海洋大學一直重視極地科學研究，在進行極地海洋科學研究的同時也開展了極地環境材料服役行為研究，在極地環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境下的投試（圖5），相關研究結果將進一步拓展我國關于極地材料服役行為的研究工作，為極地海工裝備研發與安全服役提供支持。

    ● 人物簡介

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