近年来，随着科学技术的不断快速发展、全球气候变暖和海冰加速融化，极地资源逐渐显现出开发利用潜力，引起全球关注。极地地区主要定义为位于北极和南极极圈内的陆地和海洋区域。极地装备是科学了解极地地区、合理开发利用极地资源的必要条件。

在制造极地设备必不可少的材料中，金属材料在海洋工业中得到了广泛的应用。由于其高机械强度和相对具有成本效益的性质，它们在生产、加工和运输部门中尤为重要，用于建造管道、油箱、石油管线、电力线、导热体、热交换器和各种其他海洋应用。

金属通常根据其颜色和铁含量分为黑色金属和有色金属类别。此外，黑色金属和有色金属合金表现出不同的防锈和耐腐蚀性。

在国际标准化组织（ISO）的框架中，金属材料与其环境之间的相互作用被归类为物理化学反应。然而，越来越多的研究主张扩大腐蚀的定义，以涵盖所有形式的相互作用，包括物理溶解和辐照。

无论腐蚀的定义如何，降解过程总是从暴露于环境的金属材料的表面开始，然后进入内部。因此，金属表面的状况与腐蚀的发生之间存在着不可分割的联系。关于能量变化，金属材料与周围环境形成一个热力学不稳定的系统，腐蚀反应代表了导致能量降解的自发过程。在发生腐蚀时，金属会转化为化合物，导致其暴露表面发生一系列形态变化。

因此，在极地（极冷）海洋大气环境中研究金属时，必须特别注意监测暴露表面形态的变化和环境因素的影响。了解这些因素对于理解腐蚀行为至关重要。

早在2004年，Morcillo等人就对三个南极试验场的碳钢、铜、锌和铝的腐蚀进行了研究。随后，在2007年，Mikhailov等人整合了南极洲、亚北极和俄罗斯远东沿海大气环境中合金的腐蚀试验结果。他们提出，非工业沿海地区的大气腐蚀不仅取决于表面的湿润时间（TOW），还取决于海洋气溶胶的浓度。这些结果基于上个世纪的研究，快速变化的全球气候需要更多最新和更广泛的调查。

自19世纪20年代W·H.J. Vernon的开创性工作以来，大气腐蚀已被广泛研究。其错综复杂的性质受到许多有影响力的参数的支配，包括气象和污染变量。这些因素包括空气中海盐的存在，主要在沿海地区以海洋气溶胶的形式观察到。值得注意的是，NaCl在海洋气溶胶中含量丰富，在海洋大气中金属的腐蚀中起着关键作用。广泛的研究探索了NaCl颗粒引起的各种金属基材的大气腐蚀。Na+来自海盐气溶胶，是海洋大气气溶胶的重要组成部分，通常被认为是海洋大气中海洋气溶胶的指标。

除了在海盐气溶胶中发现的成分，如Na+、Cl-、K+、Mg2+和Ca2+，海洋气溶胶的复杂成分需要考虑非海盐气溶胶。特别值得一提的是，最近重点研究了南极地区海冰中的硫成分和含硫气溶胶。二甲基硫醚（DMS）是海洋中普遍存在的挥发性硫化合物，由于浮游植物活动而排放，经过氧化过程，最终形成nss-SO42-和MSA气溶胶。硫酸盐和MSA化合物是硫氧化化合物的主要成分。

大量研究表明，大气腐蚀研究的很大一部分主要集中在腐蚀行为的初始阶段和污染物（如SO2和Cl-短期暴露于大气中。2013年，Wang等人在三个不同的暴露站描述了暴露五年后的腐蚀行为和环境条件。他们发现SO2浓度在初始阶段主要影响腐蚀行为，而Cl-浓度和TOW在后期阶段起着重要作用。此外，SO2加速相变向更稳定的α-FeOOH结构。在含SO2的碳钢环境中观察到硫酸盐巢穴，其中SO2穿透破裂的腐蚀产物膜，形成硫酸盐。

在过去的几十年里，许多研究在金属材料领域取得了长足的进步。然而，在南极沿海环境中，金属腐蚀仍有许多方面需要深入探索。当金属长时间暴露在南极地区并受到复杂的腐蚀因素的影响时，必须更深入地研究金属与极地气候之间的相互作用。这种更深入的研究对于理解它们的腐蚀行为和长期耐久性至关重要。

浙江大学和西南技术与工程研究院的科研人员深入探讨了黑色金属和有色金属合金在具有挑战性的南极海洋大气中的复杂腐蚀行为。

尽管南极洲条件恶劣，人为排放极低，但材料仍然容易受到严重腐蚀。调查的重点围绕两种材料：Q235碳钢和T2铜。

由于携带冰粒和砂砾的持续强风的磨蚀性影响，它们在天空和地面的侧面之间都显示出明显的腐蚀情况。阳极和阴极驱动表面腐蚀过程中的电化学反应，涉及Cl-和SO42-，最终导致各种腐蚀产物的形成。该研究强调了含硫气溶胶、甲磺酸（MSA）和非海盐硫酸盐（nss- SO42-）在腐蚀过程中，以及Cl-之间的相互作用和铜在形成腐蚀产物。

这些发现强调了风、冰盖和气溶胶等环境因素与材料的复杂相互作用，导致各种腐蚀产物和表面转变。进一步的研究对于全面了解南极洲等极端环境中的腐蚀挑战并制定有效的缓解策略至关重要。

在这项研究中，使用Q235碳钢和T2铜合金在南极沿海大气中进行了为期12个月的户外暴露测试，分别代表了高产量的黑色金属和有色金属合金，测试是在极冷条件、强风、复杂气溶胶下进行的。

研究人员将Q235碳钢和T2铜的板材切割成尺寸为100  mm×50 mm×5 mm的样品。所有样品均用丙酮清洗，干燥并密封后，将样品板放置在与水平方向成45°的曝光架上在中山站进行暴露试验，暴露时间为12个月。研究人员通过观察表面腐蚀形态和表征腐蚀产物来分析这些金属的腐蚀特性，从而阐明腐蚀机理。

此外，这项研究还特别强调了悬浮在大气中的含硫气溶胶固体或液体颗粒的影响。以往对南极大气腐蚀的研究往往忽略了由于南极大气中人为浓度低而产生的含硫气溶胶的影响。这些发现提醒人们，考虑多种因素的综合方法可以为更深入地了解南极沿海环境中的金属腐蚀提供重要的见解。通过对南极大气中的金属腐蚀进行进一步研究，可以加强极地设备的设计和制造，增强其承受极端气候条件的能力。

表1列出了南极暴露地点的环境参数。1~12月气温呈谷状波浪状，最低气温出现在5月和6月，最高气温出现在12月和1月。月平均相对湿度往往一直很低，每个月的最高值和最低值之间大约有60%的差异。年平均风速约为7.0 m/s，最大风速在8月达到30.2 m/s。值得注意的是，从5月到7月，短波辐射的检测率极低，但在7月结束后，其强度显著增加。此外，短波辐射的趋势与温度的趋势密切相关，短波辐射强度的下降波动相对较大。

Q235碳钢在暴露1年后的天空（Q235-S）和地面（Q235-G）的腐蚀产物表面宏观特征如图1所示。可以看到样品板的表面呈现出薄而致密的锈层，牢固地粘附在钢基体上，并具有明显的山谷形貌；然而，样品板的两侧存在显著差异，Q235-S的腐蚀更为严重，腐蚀面积更大；相比之下，钢基体在地面侧仍然清晰可见，Q235-G受到的腐蚀较少。塑料夹具对样品板表面施加压力导致塑性变形，由于应力的作用，表面最初出现微裂纹，从而加速了天空侧表面的电化学腐蚀。具体而言，夹具接触区域可能会由于雪或冰的融化和冷凝而长时间保留水膜。这就是为什么在天空侧的塑料夹具接触区域附近有一个明显的凹陷，上面覆盖着“铁黄色”残留物。

通过扫描电子显微镜观察到Q235碳钢腐蚀产物的微观形貌如图2所示，可以看到这些钢板在朝向天空和地面的一侧都受到了锈层的影响。铁锈最普遍的成分是氢氧化铁和氧化物，这些腐蚀产物可以部分结晶和部分无定形的形式共存，氢氧化物和氧化物在特定环境条件下发生反应从亚铁状态转变为三价铁状态。大气腐蚀过程包括氧化和还原反应，其中可能伴随着涉及腐蚀产物的其他化学反应。

为了收集关于锈层的更多信息，研究人员使用扫描电子显微镜和X射线能量色散光谱（SEM-EDS）进行了横截面形态观察，如图3所示，Q235-S上存在明显的锈层产物，锈层与基体之间的界面不均匀。通过元素分布分析，观察到氯元素在Q235-S断面内表现出相对不均匀的分布，主要集中分布在Q235-G锈层的顶部。此外，Q235-S中硫元素有明显的聚集，而Q235-G中则显示出均匀的分布状态。图4突出显示了锈层中异常丰富的硫含量。

研究人员观察了T2铜在暴露1年后的朝向天空（T2-S）和地面（T2-G）的表面宏观形貌，如图7所示。可以发现两侧的腐蚀产物看起来比较均匀，并表现出明显的双色调层，外层为蓝绿色层，内部为红褐色层。然而，必须承认的是，两侧表面的腐蚀产物表现出异质性。值得注意的是，与T2-S相比，T2-G表现出有更大的表面被蓝绿色腐蚀产物覆盖。这种差异的产生是因为结构稀疏的蓝绿色层在朝向天空一侧比在朝向地面一侧更容易移位，这是由于强风和运输砾石引起的磨蚀作用相当大的影响。此外，无论是在朝向天空侧还是地面侧，夹具接触区域都不存在蓝绿色腐蚀产物。但是，这些产物沿着接触区域的边缘聚集。观察到的现象与在Q235碳钢中观察到的现象形成鲜明对比。这种差异归因于两个主要因素：一是铜的正标准电极电位，二是蓝绿色腐蚀产物的形成。

使用SEM对具有双层结构的T2铜腐蚀产物的微观形貌进行仔细观察，得出了一些值得注意的观察结果。蓝绿色薄膜上出现了大量的裂纹，在T2-S上有些区域的薄膜已经大量脱落，如图8(a-c)所示。值得注意的是，腐蚀产物没有形成具有规则几何形状的晶体，并且在两侧观察到局部腐蚀，如图8(a2)、(b1)和(d2)，以及明显的空洞状形态，腐蚀产物覆盖了“洞穴”的边缘，细小颗粒在其中坍塌。

用SEM-EDS检查了T2铜的横截面形貌如图9所示，观察到氧和氯元素集中在锈层内。图9(a)显示了较薄的T2-S锈层，这可归因于强风的影响。T2锈层内硫的检测证实了南极大气环境中含硫气溶胶对合金的重大影响。此外，在T2-S的凹陷区域可以辨别出硫元素的积累。值得注意的是，钠和氯元素的分布呈现逆转，其特征是氯元素在两个表面上的相对积累和内层中钠元素的浓度更高。这是由于在腐蚀过程中，Na+和Cl-分别迁移到阴极和阳极。特别是氯元素总是出现在松散的外层中，呈明亮的蓝绿色。根据表5给出的EDS点分析结果可知，大多数表现出松散结构的腐蚀产物被鉴定为含氯化合物，其中部分还有含硫化合物（如点9）。另外，砂砾在表面上留下了明显的划痕，因此带有SiO2，如图8(f)所示。

通过研究暴露在南极海洋大气中的黑色金属和有色金属合金的腐蚀行为发现，材料在低温下仍会腐蚀，且腐蚀严重。南极洲的海洋气溶胶主要来自自然资源，从而影响腐蚀过程。

对于Q235碳钢，腐蚀涉及由Cl-和SO42-驱动的电化学反应，这导致各种腐蚀产物的形成。T2铜在南极环境中经历了不同的腐蚀过程，其表面有双层结构的腐蚀产物，外层疏松，内层致密。来自海洋气溶胶的Cl-促使形成了蓝绿色的腐蚀产物。气溶胶中的MSA和nss-SO42-也有助于早期腐蚀，形成含硫物质。强风及其携带冰粒或砂砾对松散的外部腐蚀产物施加压力，使得朝向天空的一侧比朝向地面的一侧更平坦。一个尚未完全阐明的问题是紫外照明如何影响腐蚀产物的演变。

总之，这项研究突出了南极环境中复杂的腐蚀机制，其中风、冰盖和气溶胶等环境因素与材料相互作用，导致不同的腐蚀产物和表面形貌转变。进一步的研究对于理解和减轻极端环境中的腐蚀挑战至关重要。