引言
腐蚀是材料受环境介质作用而破坏的现象。腐蚀、疲劳与磨损是结构材料、部件与装备的三大失效方式。腐蚀也是各类功能材料的重要失效方式之一。据发达国家统计,每年因腐蚀造成的损失是水灾、风灾和地震等自然灾害总和的5倍以上。因此,各国无不对腐蚀研究与防护技术的开发和利用给予高度重视。产业与社会发展的需求构成了腐蚀学科持续繁荣发展的强大动力;同时,物理、化学等基础学科的进步构成了腐蚀研究深入发展的科学支撑。
腐蚀学科作为一门应用科学,其目的主要在三个方面:一是澄清不同材料/环境体系下的腐蚀规律与机制,服务于选材与材料开发、结构与工件设计、优化、失效分析、可靠性评价与寿命预测;二是发展防护技术,有效控制材料腐蚀的过程;三是发展腐蚀检监测理论与技术,以实现结构服役状况的评价。
腐蚀学科的基础理论框架是在20世纪前半叶确立的。以1929年Evans建立的腐蚀金属极化图,1933年Wagner建立的氧化扩散理论和1938年Pourbaix建立的电位-PH值图等为重要基础内容。此后,针对多元与多层次的具体问题,以辐射方式多方向发展。由于材料与环境因素的复杂性,腐蚀研究与各基础学科相比,较多地体现出经验型特点,以阐明腐蚀规律和控制方法有效性为主要特征。
近年来,国际上腐蚀研究的主要趋势是:(1)在材料上趋于多元化。由传统材料为主向传统与功能材料并重方向发展。(2)在环境上,逐渐向特殊、苛刻条件发展,并考虑光声力热电磁及生物物质影响。(3)现代物理理论与实验技术基础上的微观与深度方向的发展。(4)新的表征与服饰控制技术。环境保护、新能量、资源节约、生物技术、电子信息技术、空间技术、国防技术的发展是腐蚀工作者日益关注的新领域,构成了广大的新生长点。
由于腐蚀学科的经验性与积累性,在我过,腐蚀研究具有很好前途。近年来腐蚀研究的进展大体在以下三个方面:(1)跟踪国际前沿热点,取得了大量基础性研究结果。这方面的工作体系与实验方法新颖。虽然尚未形成强势的基础研究方向,但体现在大量的基础研究课题与论文发表上,研究非常活跃且有很好的学科研究显示度,并通过这些工作培养了大量研究生。(2)跟踪、理解性的研究取得较好成果。这方面的工作虽然体系方法重复国外已有工作,但是系统性好,水平较高,对整体水平提升发挥了重要作用。缺点是创新性不强。(3)各种防护技术与产品的引进消化,促进了技术进步,缩短了与国际先进水平的差别。同时,也出现数量较多的新方法的探索和自主知识产权的防护技术,这方面的工作表现的尚不成熟,但是已成为广泛努力的一个重要方向。
腐蚀学科是一门融合多种学科的综合交叉学科,其理论研究与材料科学、化学、物理学、表面科学、力学、生物学、环境科学和医学等学科密切相关;其研究手段包括各种现代电化学测试分析设备(如微区电化学测量与分析系统)、先进的材料微观分析设备(如环境扫描电镜和电子力显微镜)、现代物理学的物相表征技术(如激光拉曼光谱)和先进的环境因素测量装备(如色谱仪等);其防护技术应用范围涉及各种工业领域的介质环境,大气、土壤、水,甚至太空等自然环境。
腐蚀学科又是一门工程应用科学,目前,不仅一系列标准化、规范化的材料腐蚀与防护技术的观测、分析、表征、测试与评价研究方法和实验技术已经建立,而且大批相关标准与规范方法与技术正在发展过程中;材料腐蚀学还是一门依赖于基础数据的学科,无论是材料腐蚀基础理论和机理研究,还是发展防护技术和建立实验技术与方法,必须不断积累材料在各种环境中的腐蚀数据,这些数据才是构成学科所有理论、技术和方法的基础。材料腐蚀数据积累必须采用标准化与规范化的方法采集获得,只有这样,这些数据才具有科学性与实用性。
1949年后,我过的材料腐蚀理论研究和防护技术的发展,一直得到了高度重视,以张文奇、石声泰、左景伊、肖纪美、曹楚南和李铁藩等为代表的一代学科奠定了我国腐蚀与防护学科的基础,他们不仅是一代研究宗师,也是腐蚀与防护学科的教育大师,奠定了我国腐蚀与防护学科教育系的基础,为我过经济和国防建设做出了巨大贡献。改革开放以后,随着经济的高速增长和工业体系的日渐完备,腐蚀学科理论和各种防护技术得到快速发展,这一时期我国有关腐蚀学科理论研究和各种防护技术工程学科的发展不仅完全可以解决自己出现的各种材料腐蚀问题,而且正逐渐成为世界上该学科的重要组成部分,且焕发出朝气蓬勃的活力。
近10年来,我国材料腐蚀学科发展特点为:传统腐蚀理论迅速从金属材料扩展到陶瓷、高分子材料、复合材料等所有的材料,从结构材料扩展到功能材料,学科呈现高度分化的趋势;理论研究特别是电化学理论研究日趋完善,并将重点转向局部腐蚀电化学理论研究上;宏观大尺度、微观尺度、分子尺度等各个层次的腐蚀规律研究全面展开;多种基础学科交叉的成果进一步迅速渗透到材料腐蚀的理论研究中;多种现代测试技术用于腐蚀理论研究的表征,极大地推动了腐蚀理论研究;腐蚀防护技术规模日益扩大,不仅渗透到所有工业领域何民用领域以及军事领域,而且自身也形成了包含有产业和服务业等庞大的行业,并且向标准化、规范化和大规模化方向发展。
近3年来,我国制造业规模达到世界第一,质量也正在快速发展提升中,腐蚀学科也的到迅速发展,在基础研究方法方面,在腐蚀电化学上,例如微区腐蚀电化学、薄液膜电化学、各尺度尤其是微纳米尺度的腐蚀机理等研究取得了较多原创性成果。2010年国际上发表的腐蚀科学相关SCI论文数约为1995年的3倍,表明过去的15年是腐蚀科学蓬勃发展的15年,2010年国内发表的腐蚀科学相关SCI论文数约为1995年的16倍,表面我国腐蚀科学研究活跃,发展已经进入一个全新的阶段。发表SCI论文最多的研究是领先的。中国SCI论文达到了7803篇,占到总数的11.2%,位居世界第二,这表明我国腐蚀与防护基础研究不仅已经成为国际腐蚀与防护研究的重要部分,而且也处于世界领先水平;在防护技术方面,我国各类传统和新型耐蚀材料、缓蚀剂、各类新型涂层与涂料和电化学保护新技术基础突破跟踪期,正在进入发展快车道的起点上,称为推动我国,乃至世界腐蚀与防护学科发展的重要推动力;在腐蚀与防护产业和企业发展方面,发展速度更加惊人!除了各类大中型企业更加重视发展腐蚀与防护技术外,超过万家的民营企业应运而生,从业人员超过300万人,成为我国腐蚀与防护学科的重要生力军。另一方面,随着我国经济快速发展和经济活动范围的不断拓展,各种新设备不断出现,前所未有地开拓了材料的服役环境(例如高原极端环境、严酷的海洋环境与深海开发、地球深层开采、核电极端环境、航空航天新环境、高铁设备面临的海洋大气和污染环境)。此外,日益严重的环境污染和中国制造的产品迅速在师姐各地服役所面临的各种环境等,对我国腐蚀与防护学科的确提出了严峻的挑战。
挑战就是机遇。虽然我国已经在材料腐蚀研究与防护技术研发方面已取得了不小的成就,但是我们基础研究属于跟踪研究,尚未形成在基础理论研究方面能够牵引国际研究发展的强势研究方向;高端研究设备需要进口,尚未形成为数较多的重要原创性研究方法;微纳米尺度的腐蚀机理研究尚处于入门阶段,导致耐蚀材料服役寿命明显列于国外产品;对特殊极端和新型环境条件下的腐蚀机理研究较少,例如人体环境腐蚀机理研究基本没有开展;防腐蚀技术整体水平较低;等等。本报告在回顾我国近年来腐蚀与防护学科的发展方向、趋势和不足之处。希望本报告能够见证我国由次啊聊腐蚀研究与防护技术打过想材料腐蚀研究与防护技术强国转变的过程。
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