本刊記者 胡 敬

為材料“保駕護航”
——記中國科學(xué)院金屬研究所研究員劉莉

本刊記者 胡 敬

專家簡介：

劉莉，中國科學(xué)院金屬研究所金屬腐蝕與防護重點實驗室研究員，碩士生導(dǎo)師。獲吉林大學(xué)化學(xué)分析專業(yè)學(xué)士學(xué)位，中國科學(xué)院金屬研究所博士學(xué)位。主要圍繞納米材料的腐蝕電化學(xué)行為，特別是納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)，及海洋極端苛刻環(huán)境下材料腐蝕與防護問題開展一系列研究工作。在國際知名期刊發(fā)表SCI論文35篇，主持國家自然基金面上項目和青年基金項目各1項，參與國家自然基金重點基金項目1項，主持國家重點基礎(chǔ)研究“973”課題項目和國防“973”項目專題各1項。

隨著技術(shù)的不斷進步，材料、能源、信息并立為當(dāng)今世界技術(shù)發(fā)展的三大支柱，而材料又是其發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)今，納米材料和納米結(jié)構(gòu)是材料研究領(lǐng)域最富有活力、對經(jīng)濟發(fā)展最具影響力的研究范疇。但在實際工況中，材料經(jīng)常會出現(xiàn)失效行為，導(dǎo)致其應(yīng)有功能喪失，特別是金屬材料。腐蝕是材料失效的形式之一，而對材料腐蝕與防護的研究，正是劉莉要解決的問題。

探秘腐蝕行為

弄清金屬材料微觀結(jié)構(gòu)對其腐蝕行為的作用機制，對于材料耐蝕化設(shè)計具有重要意義。掌握金屬材料腐蝕行為的納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)，不僅可以揭示納米化微觀作用機制，更深入掌握納米材料作用本質(zhì)，而且可以實現(xiàn)耐蝕材料的理論結(jié)構(gòu)設(shè)計，其在科學(xué)和工程方面都有重要意義。為實現(xiàn)這些目的，劉莉及其所在團隊近年來開展了系列研究工作。

腐蝕是材料因環(huán)境介質(zhì)的作用而發(fā)生的惡化變質(zhì)或破壞，是一種電化學(xué)變化過程，俗稱生銹。腐蝕對材料表面的損害不僅導(dǎo)致資源與能源的浪費，帶來巨大的經(jīng)濟損失，而且容易造成污染與和事故。

怎樣才能使金屬材料防腐呢？由于金屬材料的失穩(wěn)多數(shù)始于表面，那么，如果在材料上制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實現(xiàn)表面納米化，是不是就能通過表面組織和性能的優(yōu)化來達(dá)到材料防腐呢？劉莉告訴記者，答案是肯定的。

由于納米粒子體積極小，小到一定程度會引起光電效應(yīng)、表面能等的特殊變化，這就是納米的“尺寸效應(yīng)”。而表面納米化處理會在材料的表面形成一定厚度的納米層，這一層納米晶組織具有高表面活性，可通過迅速鈍化來阻止腐蝕進程。

鈍化是使金屬表面轉(zhuǎn)化為不易被氧化的狀態(tài)，從而延緩金屬腐蝕速度。金屬與氧化性物質(zhì)作用，會在金屬表面生成一種鈍化膜。它可以把金屬與腐蝕介質(zhì)完全隔開，從而使金屬形成鈍態(tài)達(dá)到防腐蝕的作用。

而不銹鋼點蝕是一種危險性高的局部腐蝕，嚴(yán)重時會穿透鋼板。何謂點蝕？據(jù)劉莉介紹，“金屬表面地區(qū)出現(xiàn)縱深發(fā)展的腐蝕小孔，其余地區(qū)不腐蝕或腐蝕輕微，這就是點蝕。”

通過對一系列不銹鋼納米材料、鎳基高溫合金等鈍性金屬的鈍化、點蝕行為進行系統(tǒng)研究，劉莉掌握了金屬材料鈍化行為的納米晶粒尺寸效應(yīng)規(guī)律，揭示了金屬材料納米結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)對腐蝕行為的作用機制。同時，她還發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)能改變鈍化膜形成機制，弄清了提高材料耐蝕能力的機理。

對于點蝕過程，如何提高材料的抗局部腐蝕能力？劉莉及其團隊獨辟蹊徑，采用逐步升溫法激發(fā)形成單點蝕，而后利用透射電子顯微鏡（TEM）直接觀測納米晶薄膜的鈍化膜微觀結(jié)構(gòu)。在國際上，他們首次在實驗中發(fā)現(xiàn)了點蝕過程中形成的表面覆蓋層的存在，并且證實了該覆蓋層是由鈍化膜及殘留金屬共同組成的。這一發(fā)現(xiàn)證實了點蝕形成的先決條件是表面覆蓋層的存在，從而完善了經(jīng)典點蝕理論。同時，該項研究工作受到腐蝕領(lǐng)域國際著名專家學(xué)者的高度評價，并多次受國際會議邀請做報告。

為深海腐蝕做防護

我國已明確提出“走向深海大洋”的戰(zhàn)略目標(biāo)，海洋已成為我國軍事、經(jīng)濟的戰(zhàn)略要地。海洋環(huán)境十分復(fù)雜，但隨著我國海洋事業(yè)“遠(yuǎn)洋化、深?；钡陌l(fā)展，前期對淺海環(huán)境下材料腐蝕防護研究已不能滿足需求，海洋苛刻極端環(huán)境下金屬材料的腐蝕問題已躍然紙上，亟待解決。而這些腐蝕失效問題的最大特點就是失效機制不清楚、缺乏有效防護手段。該如何解決這些問題？劉莉一直在潛心專研。

深海環(huán)境是海洋極端苛刻環(huán)境之一，是高靜水壓力、低溫、低溶解氧交互耦合作用環(huán)境。劉莉近年在國防“973”項目、自然基金面上項目等支持下，利用項目組自行搭建的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，開展了大量研究工作，并取得了一系列進展。劉莉及其團隊針對一系列深海環(huán)境下服役的金屬材料低合金高強鋼、鈦合金等，在各種深海復(fù)雜耦合環(huán)境下開展腐蝕行為研究，不但揭示了“不同金屬材料對深海環(huán)境敏感性不同”，而且揭示了“現(xiàn)役犧牲陽極在壓應(yīng)力與溫度、氧含量的協(xié)同作用下，引發(fā)更嚴(yán)重的不均勻溶解，導(dǎo)致陽極質(zhì)量損失增大，陽極服役性能顯著下降”的現(xiàn)象。

產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能通常稱為失效，而金屬涂層防護不但可使設(shè)備表面美觀，而且可使設(shè)備防銹、防腐，避免失效行為發(fā)生。通過研究，劉莉及其團隊闡明了深海復(fù)雜耦合環(huán)境下有機防護涂層失效機理，建立了壽命預(yù)測模型。深海環(huán)境中交變壓力為有機涂層最主要的環(huán)境作用因素，交變壓力通過破壞涂層/金屬、顏填料/基料樹脂兩大界面，導(dǎo)致涂層失效。他們通過建立涂層致密性、附著力、強韌性與涂層壽命量化的數(shù)學(xué)關(guān)系方程，并在此基礎(chǔ)上建立整體理論壽命預(yù)測模型，對現(xiàn)役涂層實現(xiàn)了精確壽命預(yù)測。

此外，劉莉在研究中得出：深海防護涂層整體設(shè)計中，小尺寸顏填料及高顏基比可顯著提高涂層/金屬界面結(jié)合能力，微觀設(shè)計中無機填料表面化學(xué)改性會顯著提高顏填料/基料樹脂界面結(jié)合。由此，設(shè)計的新型化學(xué)鍵合有機涂料實現(xiàn)了比現(xiàn)役涂料在深海復(fù)雜耦合環(huán)境下的使用壽命提高2倍以上（實驗室內(nèi)評價結(jié)果）。這些研究結(jié)果發(fā)表在腐蝕領(lǐng)域著名雜志上，并在國際上得到高度評價，為深海腐蝕防護發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。

揭示海洋高溫腐蝕機制

據(jù)劉莉介紹，海航發(fā)動機服役金屬材料在我國南?！案邷亍⒏邼?、高鹽”環(huán)境下腐蝕速度是內(nèi)陸地區(qū)的20倍。這種環(huán)境是海洋第二大類極端苛刻腐蝕環(huán)境。而揭示海洋高溫環(huán)境下金屬腐蝕機制，是科學(xué)地解決或控制該腐蝕問題的關(guān)鍵，在此基礎(chǔ)上提出防護涂層設(shè)計方法則是提高近海服役飛機壓氣機壽命的有效途徑。在這樣的思路下，劉莉在國家“973”課題和相關(guān)項目資助下，開展了一系列研究工作，并取得了創(chuàng)新性意義。

前人針對海洋高溫固態(tài)沉積鹽與水蒸汽的協(xié)同作用提出“動態(tài)水膜”理論解釋該腐蝕行為，但并未深入闡明腐蝕機制。而劉莉通過對傳統(tǒng)不銹鋼系列材料的詳細(xì)研究，首創(chuàng)實現(xiàn)了國際上第一個完成固態(tài)鹽和水蒸汽條件下的電化學(xué)表征的工作，不僅證明了前人提出的“動態(tài)水膜”理論的合理性，而且發(fā)現(xiàn)了除了傳統(tǒng)常溫水溶液電化學(xué)、高溫?zé)崛埯}電化學(xué)以外的中溫固態(tài)鹽膜下的電化學(xué)反應(yīng)。關(guān)于中溫，劉莉介紹道：“相對于海洋該溫度為高溫，因此在研究方向時稱為海洋高溫環(huán)境，但從絕對溫度來講為中溫區(qū)?！?/p>

傳統(tǒng)思想認(rèn)為鈦合金耐蝕能力優(yōu)異，其作為最新海航壓氣機葉片材料在海洋高溫環(huán)境下服役不存在腐蝕問題，因此在設(shè)計及制造過程中從未考慮過防護。而劉莉及其學(xué)生通過大量研究工作證實了鈦合金在海洋高溫環(huán)境下存在嚴(yán)重腐蝕，從而得出結(jié)論：在海洋環(huán)境下發(fā)動機壓氣機鈦合金葉片必須施加防護涂層。

該方向是劉莉所在課題組在國際上開拓的我國自主創(chuàng)新的新研究方向。而劉莉近年開展中溫電化學(xué)腐蝕研究，其本身是一個高溫氧化-電化學(xué)交叉研究方向。劉莉發(fā)表了國際上首篇關(guān)于中溫電化學(xué)研究文章，在高溫氧化領(lǐng)域，受到了國際同行專家的高度關(guān)注。同時，劉莉受邀在國際高溫領(lǐng)域最著名的兩大會議“2008年法國高溫會議”和“2014年日本高溫會議”作大會邀請報告。

一路堅持，一路創(chuàng)新，一路披荊斬棘，作為一名女性科研工作者，劉莉在自己的研究領(lǐng)域創(chuàng)下了驕人的成績,為材料腐蝕防護作出了突出貢獻(xiàn)。但這對她來說，才剛剛是一個開始……