2篇《Corrosion Science》！解鎖鋁合金“腐蝕密碼”，護(hù)航海洋工程與氫能儲(chǔ)運(yùn)安全

近日，中國(guó)海洋大學(xué)與濱州魏橋國(guó)科高等技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“高研院”）合作完成的兩項(xiàng)重要成果，相繼在國(guó)際腐蝕領(lǐng)域頂刊《Corrosion Science》發(fā)表。中國(guó)海洋大學(xué)陳守剛教授和高研院李濤研究員共同擔(dān)任通訊作者，高研院侯悅博士為第一作者。研究聚焦7xxx系高強(qiáng)鋁合金在海洋工程、氫能儲(chǔ)輸兩大關(guān)鍵場(chǎng)景的腐蝕失效痛點(diǎn)，深度解析腐蝕機(jī)制，為高端裝備材料的安全應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐與工程參考。

7xxx系高強(qiáng)鋁合金憑借“高強(qiáng)度+輕量化”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為海洋工程承重結(jié)構(gòu)、氫能儲(chǔ)氫罐內(nèi)膽等關(guān)鍵部件的首選材料——既能降低海洋裝備能耗，又能提升氫能儲(chǔ)輸效率，是支撐海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。但在實(shí)際服役中，它卻面臨兩大“致命挑戰(zhàn)”：氫能儲(chǔ)輸場(chǎng)景下，鋁合金會(huì)吸收氫能產(chǎn)生的原子氫，引發(fā)氫脆，導(dǎo)致材料韌性驟降、突發(fā)斷裂；海洋環(huán)境中，硫酸鹽還原菌等微生物通過代謝活動(dòng)破壞鋁合金表面鈍化膜，加速應(yīng)力腐蝕開裂，大幅縮短裝備服役壽命。

基于此，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)首先針對(duì)氫能儲(chǔ)輸中的氫脆問題，創(chuàng)新結(jié)合原位/預(yù)充氫實(shí)驗(yàn)與多尺度模擬，系統(tǒng)闡明了7xxx鋁合金的氫脆行為與機(jī)制。研究表明，氫脆機(jī)制呈現(xiàn)顯著的濃度依賴性。低氫濃度下，氫促進(jìn)局部塑性變形（HELP機(jī)制），延緩頸縮開裂；高氫濃度下，氫會(huì)削弱晶界結(jié)合力（HEDE機(jī)制），引發(fā)沿晶斷裂。值得關(guān)注的是，原位充氫條件下，鋁合金氫脆敏感性顯著降低，氫脆敏感性指數(shù)HEI僅為10.3%，為儲(chǔ)氫裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供了重要啟示。

與此同時(shí)，針對(duì)海洋環(huán)境中脫硫弧菌引發(fā)的微生物腐蝕與應(yīng)力腐蝕問題，團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)測(cè)試、微生物分析與原位慢應(yīng)變率拉伸實(shí)驗(yàn)，揭示了微生物腐蝕的核心機(jī)制。發(fā)現(xiàn)脫硫弧菌通過胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）直接獲取鋁合金表面電子，其代謝產(chǎn)物硫化物進(jìn)一步破壞鈍化膜、誘發(fā)點(diǎn)蝕，成為應(yīng)力腐蝕裂紋的起源。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化出適配不同環(huán)境的最優(yōu)陰極保護(hù)電位，生物介質(zhì)（含脫硫弧菌）中最優(yōu)電位為-1050 mV（vs SCE），非生物介質(zhì)中為-800 mV（vs SCE）。該結(jié)果為海洋工程中鋁合金結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)方案提供了精準(zhǔn)的電位窗口。

兩項(xiàng)研究不僅深化了對(duì)高強(qiáng)鋁合金在苛刻環(huán)境下失效機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識(shí)，更從“氫環(huán)境”與“微生物環(huán)境”兩個(gè)維度，為我國(guó)重大工程中材料選型、工藝優(yōu)化與壽命評(píng)估提供了直接參考。

圖1 電化學(xué)充氫及SSRT實(shí)驗(yàn)示意圖：（a）預(yù)充氫，（b）原位充氫

圖2 7xxx鋁合金在（A）未充氫、（B）低氫濃度和（C）高氫濃度環(huán)境下氫脆機(jī)理示意圖

圖3 配備原位電化學(xué)工作站與恒電位儀的慢應(yīng)變速率拉伸裝置

圖4 7xxx鋁合金在D. vulgaris介質(zhì)中的SCC機(jī)理示意圖：（a）初始階段，（b）成熟階段

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113291

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113531

作者介紹:

陳守剛：通訊作者，中國(guó)海洋大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。主要從事海工裝備材料及其防護(hù)技術(shù)研發(fā)，圍繞海洋耐蝕材料與涂層防護(hù)、生物污損與抗菌材料、智能自修復(fù)防護(hù)涂層、材料多尺度仿真模擬、極端環(huán)境微生物腐蝕評(píng)價(jià)、環(huán)境凈化電催化納米材料、海洋微納能源與自驅(qū)動(dòng)防污等方面開展基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。近五年課題組先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)/面上/青年項(xiàng)目、省部級(jí)課題等20余項(xiàng)，在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Corrosion Science, Nano Today, Chemical Engineering Journal等雜志發(fā)表SCI論文300余篇。

李濤：通訊作者，濱州魏橋國(guó)科高等技術(shù)研究院研究員，金屬材料中心副主任。主要從事功能涂層設(shè)計(jì)構(gòu)筑與應(yīng)用、先進(jìn)表面工程技術(shù)、高純氧化鋁研發(fā)。

侯悅：第一作者，濱州魏橋國(guó)科高等技術(shù)研究院博士后。主要從事鋁合金表面腐蝕與防護(hù)相關(guān)研究。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

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