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材料科學研究，尤其是近十幾年的新材料研究，在對未來的腐蝕控制方面已經提供了極大的幫助并展現出了足夠的希望和信心。

腐蝕是一個非常復雜的物理化學過程，其中包括了普通化學、電化學甚至生物學等反應。這些具有摧毀性的腐蝕化學過程每年都會給全球帶來巨大的經濟損失。

根據NACE的《國際預防、應用和腐蝕技術經濟學》（International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technology，簡稱IMPACT）研究，全球腐蝕總成本估計為2.5萬億美元。多種因素（包括材料的微觀結構，化學成分和環境因素等）會共同決定某種特定材料發生腐蝕的可能性以及相應的后果。

因此，對新材料的研究技術、腐蝕防護及評估方法的需求一直呈不斷增長的趨勢。近年來，材料科學領域出現了一些新的發展和發現，其中許多在耐腐蝕性和防護性方面取得的進步可能會讓人們對于腐蝕防護重新充滿信心。

在本文中，我們將重點探討材料科學行業的一些最新和最有前途的發展，并討論它們對未來腐蝕控制意味著什么。

關于鎳金屬的新發現

鎳是一種近似銀白色、硬而有延展性并具有鐵磁性的金屬元素。鎳屬于親鐵元素，是地球上最豐富的天然金屬之一。由于其理想的性能，被廣泛應用于許多行業。鎳除了具有耐用性、磁性和有效的熱和電導性能外，還具有極強的耐腐蝕性。盡管科學家們早就認為鎳金屬具有極好的耐蝕性，但在某些情況下仍可被腐蝕。最近，來自德克薩斯州農工大學的一組研究人員發現了鎳的一種新型腐蝕發生方式，這是以前從未觀察到的。

已知一般金屬的腐蝕會優先發生在金屬的晶界處，從而導致被稱之為晶間腐蝕的現象。以前的研究認為，鎳金屬中一種特殊類型的晶界（被稱之為相干孿晶界）是耐腐蝕的。但是，在近來一系列實驗中，研究人員在陰極充電的情況下觀察到了這些相干孿晶界處的可見腐蝕現象。這一發現顛覆了數十年來對金屬腐蝕的推理假設，因為多年來，材料科學家一直致力于制造包含盡可能多的連貫孿晶界的金屬。這項研究有可能幫助研究人員增進對金屬腐蝕機理的進一步了解，從而進行更好的腐蝕分析、預測，甚至生產出更多的耐腐蝕合金材料。

自修復金屬氧化物

某些特殊金屬因暴露于空氣和濕氣中時會產生保護性金屬氧化物層而聞名。這些氧化物層一般會起到阻擋層作用，可有效防止空氣和濕氣進一步與金屬表面接觸，從而防止腐蝕現象的發生。

盡管人們普遍認為氧化鋁、氧化鉻和氧化鐵是高效的耐腐蝕金屬氧化物，但直到麻省理工學院的研究人員使用特殊儀器觀察到它們后，這些氧化物的抗腐蝕原理才被完全理解。

環境透射電子顯微鏡（E-TEM）是傳統透射電子顯微鏡（TEM）的改進版本，通過使用這一儀器，科學家們能夠有效觀察金屬樣品并使其受到機械應力，從而模擬應力腐蝕開裂（SCC）條件。

研究人員在實驗中觀察到由于壓力引起的金屬撓曲會導致這些保護性氧化物層發生破裂。反過來，這又使氧氣能夠穿透隔離層并開始產生腐蝕。但是，麻省理工學院的研究人員觀察到氧化鋁薄層（大約2至3納米厚）還表現出了類似流動的行為。這樣可以使自修復的金屬氧化物在壓力下拉伸或伸長至其原始長度的兩倍，從而消除了氧化物層中的裂紋并保證了基材得到了有效的覆蓋和保護。

這一發現有可能徹底改變防腐蝕涂層的應用，特別是在工業罐、工藝容器和核反應堆等承壓結構上。

成分復雜的合金

一些成分復雜的合金（CCA）的發現推動了人們對該類材料的益處和應用的諸多研究。與包含相對少量合金元素的常規合金不同，CCA一般含有五個或五個以上的金屬元素，在原子比例上是相等的或接近相等的。例如高熵合金（HEA）和多主元素合金（MPEA）等，這些合金因為具有獨特的微觀結構和一系列理想的性能而聞名，包括固有的高耐腐蝕性等。

盡管人們尚未完全了解CCA的腐蝕防護機理，但人們認為它們具有優異的耐腐蝕性可能是由于它們具有高反應性引起的，因為高反應性可以導致金屬表面快速氧化并促進保護性氧化膜的快速形成及發展。此外，參與鈍化膜形成的多種元素也有助于提高氧化膜的有效性。

盡管CCA是一個熱門話題，但研究人員尚未完全明白這類材料的屬性和性能關系以將其更好的用于工程應用方面。為了使這些復雜合金的耐腐蝕機理和表面氧化膜的性能結合起來，相關技術人員正在進行大量的研究。但是，毫無疑問，這些材料將在未來的腐蝕防護技術中發揮出至關重要的作用。

鋼筋混凝土中鋼的可替代物

圖1 舊鋼筋混凝土結構，圖中可看到有破損和生銹的金屬鋼筋。

影響鋼筋混凝土耐久性的主要因素之一就是傳統鋼筋的腐蝕問題。這個問題在海洋環境中尤為重要，因為在海洋環境中，鹽可能會滲透到多孔混凝土結構中，并逐漸影響鋼筋的性能水平。

圖1 舊鋼筋混凝土結構，圖中可看到有破損和生銹的金屬鋼筋。

解決鋼筋腐蝕的一種有效方法是采用不易腐蝕的材料來代替鋼筋。雖然目前可以用鍍鋅鋼、不銹鋼和環氧涂層增強材料等來進行替代，但它們的價格一般都非常昂貴。

目前在使用合成纖維作為混凝土結構加固形式方面正在不斷取得技術進展。這些纖維會分布在整個混凝土構件中，將其轉變為一種纖維增強復合材料。其中纖維主要用于增加材料的剪切強度和拉伸強度。

由于合成纖維不包含任何金屬元素，因此它們不會受到腐蝕的影響，因此無論暴露在何種環境下（即使是在含鹽量較高的海洋環境中），它們都可以保持優異的性能。雖然合成纖維目前僅用作一些普通方面的增強劑，但關于拓展這些纖維的適用用途的相關研究一直都在繼續探索當中。

總結

材料科學研究，尤其是近十幾年的新材料研究，在對未來的腐蝕控制方面已經提供了極大的幫助并展現出了足夠的希望和信心。雖然有些技術以及產品還沒有商業化和普及化，但它們有望徹底改變整個腐蝕控制行業。