刘莉 东北大学材料科学与工程学院教授

    海洋是我国经济社会发展重要战略空间，是孕育新产业、引领新增长的重要领域。我国非常重视海洋产业发展，党的十八大作出了建设海洋强国的重大战略部署，十九大报告又强调指出要加快海洋强国建设。随着我国海洋经济的快速发展和不断完善，维护我国的海洋经济利益，保障海洋航行安全，加强海军装备建设等成为国家关注的重点，对海洋金属的防腐蚀性能提出了更高的要求。如何强化和提高金属在海洋环境下的抗腐蚀能力为当务之急。东北大学材料科学与工程学院的刘莉教授多年来一直从事海洋腐蚀与防护方向的研究，在海洋金属表面处理技术方面不断取得科研突破。为此，我们特邀请刘莉教授就国内金属表面处理技术技术发展现状及趋势做相关方面的精彩解读。

    记者：请您简单介绍一下海洋环境下金属腐蚀的原因和危害 。

    刘教授：我国已明确提出“走向深海大洋”的战略目标，海洋已成为我国军事、经济的战略要地。海洋环境十分复杂、苛刻，海水本身是一种强的腐蚀介质，因为其含有大量 Cl - ，同时海洋的海浪、海潮、海流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都会对金属等材料的腐蚀失效过程产生直接或间接的加速作用。

    尤其随着我国海洋事业“远洋化、深海化”的发展，前期对浅海环境下材料腐蚀防护研究已不能满足需求，海洋苛刻极端环境，尤其是深海环境下金属材料的腐蚀问题已跃然纸上，亟待解决。目前解决这些海洋极端苛刻环境下材料的腐蚀失效问题遇到最大阻碍就是失效机制不清楚，从而缺乏有效防护手段。

    记者：请您谈谈目前国内的防腐涂层和金属表面处理技术的发展现状，与国外相比还存在哪些缺点和不足？应该如何取补短？

    刘教授：在浅海环境下，我国近些年大力发展海洋腐蚀防护技术，在防护涂层及应用金属表面处理方面都取得了长足进步。针对我国海域特点，研发针对我国海洋自然环境下的防腐涂料，并已形成了系统的配套体系。

    但是对于深海等苛刻环境下的腐蚀防护涂层技术与国外先进涂层，如美国、日本等相比，还具有较大差距。这主要是因为我国在深海领域的发展起步较晚，现役配套体系多是直接从浅海配套体系中服役较好的涂层里选用。但实际上，深海环境特点十分突出，其对涂层破坏作用于浅海有较大差异。只有首先针对深海环境特点对有机防腐涂层破坏的关键问题直接入手，掌握具体的破坏机制，找到有针对性的解决方法，才可以更好的设计深海防护涂层，从而实现研发在深海这种特殊环境下高效、长寿命的防腐涂料。

    记者 : 请谈谈您的科研团队近些年来在防腐涂层和金属表面处理技术领域取得了哪些关键性的成果和技术？并谈谈这些成果和技术的出现，带来的社会效益和经济效益。

    刘教授：深海环境是海洋极端苛刻环境之一，其是高静水压力、低温、低溶解氧交互耦合作用环境。我们团队近年在国防 973 项目、科学院重点支撑项目、科学院设备研制项目、总装军品研发、自然基金面上基金项目等项目支持下，在王福会老师和李瑛老师的支持下，首先搭建系列深海模拟装置。于 2010年首次搭建深海环境模拟系统，实现深海 2000 米环境模拟，配有深海压力（气/ 液加压）、水环境 pH 值、氧含量、温度等参数的稳定自动控制，见图 1。而后于2016年搭建实现深海6000米（压力 60MPa）以及压力 - 应力 - 流体交互作用环境的模拟及测试系统。该系统设备具备精确控制海水理化参数（包括压力、氧含量、pH 值、温度、含盐量）、原位电化学测量功能，同时原位模拟深海拉伸受力以及快慢流体环境，能够实现计算机自动控制并利用软件进行材料腐蚀寿命预测。

图1 2010年搭建深海环境模拟系统（压力模拟20MPa，自动控制pH值、氧含量、温度等，原位电化学测试）

    利用项目组自行搭建的深海环境模拟系统，开展大量研究工作，取得如下研究进展：

    （一）揭示了深海复杂耦合环境下金属材料正弹性压应力-电化学交互作用腐蚀机制

    团队针对一系列深海环境下服役的金属材料：低合金高强钢、不锈钢、铜合金、钛合金，在各种深海复杂耦合环境下（压力、氧含量、温度相互交替变化）开展腐蚀行为研究。研究揭示：（1）不同金属材料对深海环境敏感性不同。对于活性金属材料，如钢材、铜合金，深海环境中压力以正弹性压应力的作用形式加速侵蚀性离子及溶解金属离子的吸附及扩散行为，改变阴极反应过程，与电化学交互作用促进材料溶解；对于钝性金属材料，如不锈钢、钛合金，这种正弹性压应力促进表面钝化膜的形成，与低温耦合作用抑制材料腐蚀。（2）现役牺牲阳极在正弹性压应力与温度、氧含量的协同作用下，引发更严重的不均匀溶解，导致阳极质量损失增大，阳极服役性能显著下降。（3）深海压力以正弹性压力的方式改变异金属对低电位金属的表面电势分布，从而促进电偶腐蚀加剧。

    （二）阐明深海复杂耦合环境下有机防护涂层失效机理，构建深海防腐涂料理论设计模型，以及建立涂层寿命预测模型

    研究结果揭示深海环境中交变压力为有机涂层最主要的环境作用因素。交变压力通过破坏涂层 / 金属、颜填料 /基料树脂两大界面，导致涂层失效。采用有限元模拟计算方法模拟涂层 / 金属界面气泡形成及破裂过程，以及建立深海环境下水分子在涂层内非 Fick 传输理论模型，构建深海有机防腐涂层包含填料尺寸、形状、含量，有机树脂交联密度、树脂类型等因素的理论设计模型。同时建立涂层致密性、附着力、强韧性与涂层寿命量化的数学关系方程，在此基础上建立整体理论寿命预测模型，该模型对现役涂层实现了精确寿命预测。

    上述研究结果在 Corrosion Science发表4篇文章，Electrochimica Acta 1篇，Scientific Report 1 篇，Journal of TheElectrochemical Society 1 篇，Progressin Organic Coating3 篇等 15 篇文章。申请专利 7 项。

    针对深海环境下涂料的失效行为，王福会老师和李瑛老师于 2008 年首次提出涂料研制“界面化学键合”思想，即对于涂料两大界面： 涂层 / 金属、涂层内填料 / 树脂进行化学键合技术处理，改变传统涂料简单的物理键合状况，实现界面的化学强结合，研制新型高效、长寿命防腐涂料。随后东北大学吴航副教授采用化学接枝键合方法、哈尔滨工程大学邵亚薇教授采用机械力 - 化学键合方法研发了蒙脱土、玄武岩等系列新型界面化学键合防腐涂料，各项性能指标大幅提升，目前该涂料已在成都天河涂料有限公司等生产单位批量生产，并在舟山基地等舰艇上上舰涂装。

    记者：随着“一带一路”项目推进如火如荼的展开，国内基础工程建设、海洋工程建设正蓬勃发展，作为防腐蚀领域的专家，请您谈谈国内防腐技术的未来发展趋势？

    刘教授：随着国家政策制定，方针的建立，未来海洋事业将是我国军事、经济发展的重点领域。我国海洋防护事业正在蒸蒸日上，是最好的发展时期。我们团队的工作将进一步针对海洋苛刻腐蚀环境下金属材料腐蚀与防护工作进行深入研究。将主要集中在两大领域：深海环境和海洋高温腐蚀环境。

    深海环境腐蚀与防护之前已经提及了，主要针对深海压力、温度、以及未来将针对流体动态环境，如高流速和低速平流等动态环境下金属及涂层材料的腐蚀失效机制开展深入研究。尤其要将材料基因组指导思想运用到未来研究中，通过抽提多种影响因素，从环境作用因素到材料本身成分、结构等因素作为基因因子，进行理论模拟及仿真重构计算。从理论计算方法经实际测试结果校正，来实现深海环境防腐设计，指导实际体系的快速、合理研发。

    另一个重要的研究方向也是我们团队从 1992 年首次参加海军调研就开始建立的研究方向——海洋高温腐蚀研究。该方向也是我们团队领导人—王福会教授在国际上开拓的我国自主创新的研究方向。海航发动机、海洋服役飞机发动机等服役金属材料在我国南海等海洋环境下，其自身运行时服役温度在 300-600℃（峰值可达 600℃以上），同时海洋环境中大量水分、盐分进入发动机内部引发极为特殊的严重腐蚀行为——海洋高温腐蚀。其本质是盐（NaCl）、H 2 O、O 2 的协同高温腐蚀（300-600℃相对于海洋低温环境可定义为高温）。海军调研发现同种型号的飞机发动机在内陆地区服役寿命可达10000 小时，而在海洋环境下最严重的服役寿命仅为 500 小时。这种环境是海洋第二大类极端苛刻腐蚀环境。揭示该环境下金属腐蚀机制是科学地解决或控制该腐蚀问题的关键，在此基础上提出防护涂层设计方法是提高近海服役飞机压气机寿命的有效途径。

    在海洋高温固态沉积盐与水蒸汽的协同作用下传统不锈钢系列材料腐蚀行为研究中，王福会老师在 1999 年首次国际上提出 “动态水膜”理论，2002年开始金属所李瑛老师课题组在两个连续国家自然基金面上基金支持下，首次发现电化学作用机制，并实现了国际上第一个完成固态盐和水蒸汽条件下的电化学表征的工作，同时发现了除了传统常温水溶液电化学、高温热熔盐电化学以外的600℃固态盐膜下的电化学反应，并发现电化学反应起到耦合化学反应的催化作用，加速材料的腐蚀，初步建立了化学 - 电化学反应交互作用机制。理论研究揭示 Cr 及其氧化物发生快速化学反应，不具备防护作用，由此提出该环境下无 Cr 的防护思想。

    另外，传统思想认为钛合金耐蚀能力优异，其作为最新海航压气机叶片材料在海洋高温环境下服役不存在腐蚀问题，因此在设计及制造过程中从未考虑过防护。2013 年在国家 973 课题等项目资助下，团队通过大量研究工作证实钛合金（如 Ti60 合金）在海洋高温环境下存在严重腐蚀。研究揭示 Cl 元素沿晶界侵蚀基体金属，占据氧化物内 O位置，促进金属离子在氧化物内的传输，加速金属腐蚀。得出结论：在海洋环境下发动机压气机钛合金叶片必须施加防护涂层。由此王福会老师有关团队针对海洋高温腐蚀研发了一系列发动机防护涂层，实现上舰应用。

    未来在该方向上将进一步深入开展研究工作。目前团队搭建的更贴近实际服役的高温盐雾模拟设备，同时考虑到了高通量实验概念，实现多温度、多盐分、水分同时海量数据采集。同时也实现高温盐雾疲劳模拟设备搭建。未来将针对受力、疲劳服役环境下的金属、防护涂层的腐蚀失效行为进行深入研究，从而为该环境下的腐蚀研究提供基础理论数据。

    总之，未来团队将着力针对海洋极端苛刻环境下金属及防护涂层的腐蚀、失效行为研究，并以基础研究为指导针对各种环境下腐蚀速度检测技术、各种防护涂层技术开展更深入的探索与研究。为我国海洋腐蚀事业贡献自己的一份力量。

    后记

    唯有乘风破浪 , 逐梦中华，方能走在世界科技发展浪潮的前列。千淘万漉虽辛苦，淘尽黄沙始得金，化压力为动力，是刘教授团队取得一次次科研进展的独门秘籍，我们坚信不久的未来，刘教授团队将在海洋防腐领域做出更大的成绩！

    ●  人物简介

    刘莉，东北大学，教授，博士生导师，2016 年国家自然基金委“优秀青年基金”获得者，中国腐蚀与防护学会理事、中国腐蚀与防护学会青年工作委员会副主任委员、中科院青年人才促进会会员、《腐蚀科学与防护技术》、《材料保护》杂志编委。研究方向：海洋腐蚀与防护方向。包括：纳米材料的电化学腐蚀行为、深海环境下金属腐蚀及涂层失效行为研究、海洋高温环境下材料的化学与电化学交互作用基础理论研究、材料基因组计算机模拟深度学习方法研究、海洋吸波 - 防腐一体化涂层研制等。

    作为负责人承担 1 项国家重点基础研究发展计划——973 计划一级课题、国家重点研发计划“材料基因工程关键技术与支撑平台”专项专题、2 项国家自然基金项目、1 项国防 973 专题、中国科学院重大专项课题、设备研制专项等项目。2016 年获得国家自然基金委“优秀青年基金”项目资助。学术成果获得 2007 年第十届全国青年腐蚀与防护科技论文讲评会“科技论文一等奖”（第一作者）、2010 年第三届青年表面工程学术论坛“优秀论文奖”（第一作者）、2011 年中国机械工程学会“优秀论文奖”（第一作者）、2013 年中国腐蚀与防护学会“优秀论文奖”（第一作者）、2014 年《JOURNAL?OF?MATERIALS?SCIENCE?&?TECHNOLOGY》杂志“优秀论文奖”（第一作者），以及 2012 年获得中国科学院沈阳分院“优秀青年科技人才奖”，2017 年获得中国腐蚀与防护学会“左景依杰出青年学术奖”。发表国际 SCI 文章 50 篇，第一及通讯作者 36 篇。目前SCI 引用 562 次，他引 443 次。撰写 1 本英文出版物及 1 本国内专著。授权及申请国家专利 9 项。7 次国际会议邀请报告，其中 2 次为大会特邀报告。