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（上）及北極黃河站（下） 

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)以及各國極地權益的維護，極地研究也日益成為地區(qū)與環(huán)境科學領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(huán)境下材料的腐蝕/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，而是在這種特殊環(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。

極地環(huán)境下材料腐蝕/老化研究的意義

極地海洋資源開發(fā)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(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)及權益維護已經逐步向極地及深遠海環(huán)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(huán)境下的腐蝕與國內及近海區(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，相關研究的開展對于提升我國在深極地區(qū)域權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”分別要求研發(fā)適用于極地環(huán)境的探測技術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的關鍵所在。

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，這已成為嚴重制約重大海洋工程技術和裝備發(fā)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(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/老化相關性研究是海洋資源深入開發(fā)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?zhí)枠O地破冰科考船

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，他們已經率先開展了相關研究項目，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4）：

(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。

圖4 極地大氣環(huán)境下材料腐蝕影響因素示意圖

以上四方面會嚴重影響材料的腐蝕行為，并且Morcillo等發(fā)現(xiàn)，即使在冰層下，電化學腐蝕依然可以發(fā)生，這也導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。

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(jié)島的腐蝕行為發(fā)現(xiàn)，極地氣候的相對濕度較高，且當?shù)豐O2濃度較高，可能與火山噴發(fā)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(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，腐蝕相對較為嚴重且波動較大；在北極緯度略低的區(qū)域，腐蝕較為嚴重，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(fā)生剝離，并在強風下發(fā)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(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ISO 20340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(fā)中的海洋平臺的涂裝選擇。

3 微生物腐蝕

南北極寒冷、干燥及強紫外輻射的極端環(huán)境孕育出數(shù)量豐富、種屬各異的極地微生物，它們參與了極地大氣和海洋間的碳循環(huán)，在基礎研究方面具有重大的意義，是各領域科學家們研究新型微生物資源、低溫修復、極地環(huán)境工程等科學技術問題的首要關注目標。由于極地海洋具有常年酷寒冰凍、光照輻射大、海冰層海水鹽度高等極端環(huán)境特點，導致極地微生物也多具備獨特分子生物學機制和生理生化特征。

溫度是影響多糖分泌和活性的重要因素，上海海事大學研究發(fā)現(xiàn)葉氏假交替單胞菌在4 ℃與20 ℃下的總糖含量分別5.67 mg/g與3.27 mg/g，證明低溫環(huán)境確實促進極地微生物的分泌多糖。而多糖總量的提高可以有效抑制金屬材料的腐蝕。

埃及學者Hassan等研究發(fā)現(xiàn)多糖對于金屬材料表面腐蝕的作用受溫度影響比較明顯，果膠酸鹽作為一種水溶性天然多糖對于金屬鋁的腐蝕具有抑制作用，而其抑制效率隨著溫度的升高而降低，說明在低溫條件下多糖能夠更大程度地抑制金屬表面腐蝕。

極地微生物為保證生存，低溫下分泌多糖含量增加，大大提高了生物膜的形成速度，而極地微生物的多糖含量一般較高，例如，來自南極的Sporobolomyces Salmonicolor AL的胞外多糖最大產量為5.64 g/L，L. scotii 和C. laurentii AL分別具有7.5 g/L和6.0 g/L的多糖生物量，以及文中提到極地微生物多糖的結構也發(fā)生一定改變，推測極地微生物分泌多糖對于金屬材料的腐蝕會有比較明顯的作用。

目前極地微生物多糖的腐蝕研究相對空白，但是極地微生物多糖對金屬材料腐蝕意義重大。該領域的研究可以豐富現(xiàn)有的微生物腐蝕機制、開發(fā)綠色緩蝕劑、提高極地微生物資源的利用率等（圖5）。

圖5 極地微生物多糖結構、功能、合成及應用

微生物多糖、生物膜、金屬材料腐蝕三者構成沙漏狀關系，不同種微生物多糖通過生物膜作為連接點，促進或者抑制金屬材料表面的腐蝕，在此基礎上，進一步探索極地微生物多糖的腐蝕機制對于未來極地服役材料的抗腐蝕性研究十分重要。

國內極地環(huán)境材料服役性能研究進展及發(fā)展方向

目前，關于海工鋼尤其是極地用鋼的低溫脆性關注較多，為發(fā)展海洋強國戰(zhàn)略，開發(fā)利用極地資源，中國極地研究中心、中國船級社、上海海事大學、中國海洋大學、吉林大學、寶武鋼鐵、鞍山鋼鐵、江南造船等多家研究院所及企業(yè)都將極地鋼鐵材料的研制作為其工作方向之一。

近年來，中國海洋大學材料學院極端海洋環(huán)境腐蝕課題組在南極開展了相關研究工作，進行了極地海洋大氣環(huán)境（中山站、恩克斯堡島站）、極地海洋全浸環(huán)境（南極羅斯海）樣品腐蝕/老化暴露試驗以及實驗室模擬試驗，材料囊括了低合金鋼、不銹鋼、銅合金、鋁合金等各種金屬材料以及數(shù)十種海洋重防腐涂裝體系。相關研究數(shù)據(jù)對于揭示冰層/雪層覆蓋下材料腐蝕的微觀電化學機制、極地環(huán)境多因素耦合作用下材料的腐蝕動力學機制及失效機制，建立環(huán)境特征參數(shù)與材料腐蝕/老化速率、服役壽命之間的定量對應關系起到支撐作用。

圖6 中國海洋大學材料學院南極科考站大氣腐蝕試驗架

極地鋼鐵材料的研發(fā)，首先需要滿足其在極地環(huán)境下使用的力學性能要求。極地鋼鐵材料作為結構材料在極地特色的低溫、高鹽、大風、高浪、暴風雨雪、浮冰等環(huán)境下服役時，要求極地鋼具有低的脆韌轉變溫度、高的屈服強度、優(yōu)的低溫止裂性、好的焊接性，同時還應具有優(yōu)秀的耐磨性等。

極地鋼鐵材料的研發(fā)需要在滿足其低溫力學性能要求的同時兼顧其耐腐蝕性能。極地特色的腐蝕環(huán)境對于極地鋼鐵材料的耐腐蝕性能要求也是非常苛刻的，揭示極地鋼鐵材料化學成分、微觀組織、制備工藝等對其在極地各種腐蝕環(huán)境下的腐蝕機理，尤其是冰雪、冰水存在時的極地大氣腐蝕、磨蝕、疲勞腐蝕、沖刷腐蝕等極地低溫腐蝕機理；極地鋼鐵材料作為結構鋼，在極地環(huán)境中服役時還應考慮其極地環(huán)境中的應力腐蝕機理、力學-化學效應等腐蝕機理；基于上述理論研發(fā)具有綜合低溫力學性能及耐極地環(huán)境腐蝕的鋼鐵材料是極地鋼鐵材料研發(fā)重要的方向；開發(fā)我國自主知識產權、特色的、國產化的極地鋼鐵材料產品體系也是非常重要且有意義的一項任務。

極地鋼鐵材料的研發(fā)還需配套研究極地鋼鐵材料在極地環(huán)境中適用的防護技術。研發(fā)抗冰、耐磨、耐蝕、綠色的低溫涂層，揭示極地環(huán)境下涂層的防腐機理、調整涂層設計、研究涂層與金屬界面科學問題、優(yōu)化涂裝技術都是重要的研發(fā)方向；在極地陰極保護技術研發(fā)中，需要研究陰極保護技術的適用性，基于陰極保護理論研究布局犧牲陽極的位置和大小、設計合理的陰極保護電流大小、研制配套陰極保護裝備等內容，同時，還可基于數(shù)值模擬等技術，利用有限元等方法研究及優(yōu)化陰極保護技術。