腐蚀与防护学科进展
 

　　文/李晓刚·中国腐蚀与防护学会
 

　　2011年12月,材料腐蚀学科发展研讨会在北京科技大学举行。会上,对目前腐蚀防护学科的发展进程做出了阶段性的总结,并对今后学科的发展方向进行了讨论。
 

　　作为国民经济和国防建设中重要支柱制造业所属的材料腐蚀与防护学科，具有跨地区、跨行业、跨部门的特征，社会发展和建设中的各部门和各方面都会涉及到该学科。随着近年来我国制造业规模位列世界第一，学科本身取得了突飞猛进的发展，基础研究空前活跃，发表论文数量和质量都明显提高，跃居世界第二位。这些都表明我国腐蚀科学研究的发展进入一个全新的阶段。
 

现状
 

　　我国腐蚀与防护基础研究已经成为国际腐蚀与防护研究的重要部分,处于世界领先水平。新型耐蚀材料、缓蚀剂、新型涂层与涂料和电化学保护新技术大量出现,成为推动我国、乃至世界腐蚀与防护学科发展的重要推动力。腐蚀与防护产业不仅能解决我国出现的腐蚀问题,本身也成为巨大的产业。
 

　　学科积累的各类材料的腐蚀数据、规律和实验研究方法等成杲在国家重大工程建设中获得广泛应用,例如西气东输、青藏铁路、南水北调、高速铁路、跨海大桥、大飞机、海洋开发、基础设施和环境保护等,同时为国防装备建设做出了巨大贡献。在国防建设中,腐蚀与防护学科得到了空前的重视和应用,武器装备及其材料腐蚀与失效行为、武器装备环境效应预测与评价、武器装备防护技术成为与武器装备同步发展的重点。在我国,腐蚀与防护科技工作者在这方面发挥了重要作用,已经成为提高我国武器装备水平不可或缺的一支力量。
 

　　但是,我国还不是腐蚀与防护学科强国。—方面,我国在基础研究上尚未形成足以引领世界腐蚀与防护学科研究方向的理论或贡献较大的基础研究方向,另—方面我国相关的防护技术综合水平仍然较低,原创性技术较少,高品质长寿命耐蚀结构材料、腐蚀研究所需的高档测试设备都需要进口,相关腐蚀与防护方法、技术涉及的标准体系建设也比较薄弱。


发展及需求
 

　　未来我国材料使用的地域将由陆地向海洋、由浅表向深层,负荷由静载向动载,环境由大气向酸碱,应力由简单向复合变化。新一代高性能设备和构件要求能够在复杂应力、交变应力、动态载荷、多种腐蚀介质下安全服役。材料设计应针对各类不同的复杂环境,结合大气腐蚀、海洋腐蚀、特殊介质腐蚀、湿热环境对材料性能要求,提出新原理、新工艺、新技术,实现对强度、韧性、塑性、耐蚀性、抗蠕变性等综合性能的提高。
 

　　在金融危机、全球经济萎缩、贸易保护主义盛行的当今,腐蚀与防护学科必须实现基础研究新的突破,建设和发展世界一流的基础研究方向,提升学科自主创新能力,以支撑我国国民经济发展模式的转型。
 

　　针对海洋、石油、电力、交通和航空航天等领域的国家重大需求,围绕复杂环境、复合载荷、全寿命周期条件下高性能材料的设计、制造和服役行为中的共性技术,构筑政产学研用协同创新体系;建立多学科融合、多团队协作、多技术集成的协同创新平台;解决国家在海洋、能源、交通、重大装备领域急需的高性能结构材料和出现的重大材料腐蚀事故,支撑我国工业产业结构调整,促进高端工程人才培养与技术转移,这就是我国“十二五”时期腐蚀与防护学科的发展目标。
 

　　这种战略需求就需要构筑政产学研用协同创新体系,围绕国家重大需求和核心竞争力,组织社会各种力　　量进行协同创新。特别是在国家、各级政府和企业领导的强力支持下,以国家重点实验室、大学以及国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台等相关研究团队为主体,构建我国腐蚀与防护学科基础研究协同研发平台;以企业国家实验室、各行业腐蚀与防护重点实验室或中心、各地方或部委腐蚀与防护重点实验室或中心为主体,构建我国腐蚀与防护学科应用基础研究协同研发平台;以国有大型企业的腐蚀防护中心、中小型企业的腐蚀与防护工程技术人员为主体,构建我国腐蚀防护技术协同研发平台。
 

　　同时,以中国腐蚀与防护学会为协调单位,形成以上三个平台内部协同创新研究与开发的局面,构建腐蚀与防护学科基础研究协同研发平台、腐蚀与防护应用技术协同研发平台和防护技术工程协同研发平台协作大交流的新机制,推动腐蚀与防护学科的快速发展,加强腐蚀学科的科普和立法工作,为我国尽快成为腐蚀与防护学科强国提供基础和保障,满足我国制造业向国际一流水平发展的需要。
 

研究重点
 

　　腐蚀与防护学科是材料学、化学、电化学、物理学、表面科学和环境科学等多学科交叉渗透的学科,这些学科的进—步发展与渗透促进了材料腐蚀学科基础理论的发展。但是,腐蚀与防护学科与这些学科有着明显的区别。
 

　　腐蚀与防护学科关注的中心问题是设备或构件,也就是各种材料在环境中使用时是否安全、寿命多长的问题。这就必须从微纳米尺度到超大尺寸构件的尺度范围上探索材料与环境相互作用时的失效机理与规律、从微秒到年的时间尺度上认识材料与环境相互作用失效机理与演化规律、多重环境因素耦合作用下的材料失效机理与各因素影响规律等三个方面,研究其中包含的各种问题。
 

　　不幸的是,解决这些科学问题的难度不亚于解决物理学或化学中科学问题的难度,他们挑战着目前人类的认知能力和测试水平,与物理学或化学不同,解决这些问题的标志不仅是人类社会接受由这些科学问题解决而产生的技术,而且这些技术必须产生经济效益,否则,并不算完全解决了问题。
 

　　到目前为止,对金属腐蚀行为与机理的实验研究与理论分析表明,对于金属的环境腐蚀失效过程,其产生机理、发展过程以及与环境的交互作用相当复杂,是属于复杂科学问题,表现为:控制变量及影响因素众多;各变量与腐蚀速率之间具有较强的动态耦合变化过程;腐蚀过程呈现随机性、非线性、多变性及突变性。尽管这样,也没有阻挡人们对其过程认识的步伐。
 

　　总体上看,人们对这种复杂过程的认识目前还主要处在实验研究和数据积累阶段,这个阶段的特征是发展各种试验方法、观测腐蚀过程的行为与机理和加强动态、原位检测技术的研究。
 

　　在腐蚀机理的研究方面,从原子层面上研究各种化学成分对腐蚀起源影响才刚开始。例如在原子层面上,离子在点蚀或腐蚀开裂过程中所起到的作用尚不清楚;对材料中重要缺陷的跨尺度层次构建还较为简单;关于缺陷分布对腐蚀的影响研究,还处于起步阶段。
 

　　从时间尺度上看,目前建立的与时间相关的腐蚀模型具有—定的局限性,例如大气和土壤腐蚀模型主要采用对长时间实际暴露腐蚀数据进行拟合,点蚀生长模型主要采用实验室试验数据进行拟合,应力腐蚀裂纹扩展速度的测试精度不高和测试方法各有利弊,总之模型的建立主要依据经验公式。
 

　　但是由于获得的腐蚀数据是不连续、非原位检测的结果,建立的腐蚀模型无法动态、连续描述材料表面随时间发生的变化过程。因此,有关理论模型的研究仅仅处于起步阶段,尚需要数十代人不断坚持和长期研究才能逐渐取得令人满意的结果,其中非线性非稳态过程研究是关键。
 

　　在宏观腐蚀电化学的不断发展与成熟的过程中,与之相对应的微区腐蚀电化学将是腐蚀学科发展的一个重要方面。借助于宏观腐蚀电化学的研究方法与成果,利用微区腐蚀电化学的测试方法,对金属局部腐蚀机理、涂层缺陷处腐蚀机理和金属相结构腐蚀电化学进行系统研究,将获得系统的创新性研究成果,极大地推进对腐蚀规律的认识。
 

　　从空间尺度的角度看,过去,腐蚀的电化学过程的研究只停留在宏观尺寸水平,如今,由于纳米表征技术和计算科学的发展,人们开始从原子的层面上研究溶解和钝化过程中电子和离子的转移反应机制。近几年来扫描电子显微镜,电化学毛细管探针显微镜的发展以及与其他材料微结构分析技术的结合(如拉曼光谱仪、开尔文扫描探针、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等),使得腐蚀科学研究者们得到了更多的信息,这些信息是应用传统的电化学测试方法不能得到的。

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