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什么是腐蝕?
腐蝕是材料與周圍環(huán)境(介質(zhì))之間發(fā)生作用所引起的破壞或變質(zhì),如金屬在環(huán)境作用下發(fā)生銹蝕。金屬之所以會(huì)發(fā)生腐蝕是因?yàn)樗鼈冊(cè)诠ぷ鳝h(huán)境下化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。自然界中除了銅和金、銀、鉑等貴金屬在常態(tài)下是金屬態(tài)以外,從礦石中提煉出來的其他所有金屬,在自然工作環(huán)境下它們都是非穩(wěn)態(tài)的。非金屬材料也會(huì)發(fā)生腐蝕,如涂料、塑料和橡膠的膨脹、變形、開裂、老化等。
4月24日是世界腐蝕日,有一種說法:比起驚天動(dòng)地的自然災(zāi)害,腐蝕的破壞力,悄無(wú)聲息,損失卻大于所有自然災(zāi)害之和。就讓我們一起來關(guān)注“腐蝕”。
無(wú)聲無(wú)息的威脅
世界腐蝕組織主席、中科院沈陽(yáng)分院院長(zhǎng)、國(guó)家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心主任、中科院金屬研究所研究員韓恩厚說:“設(shè)立世界腐蝕日的宗旨是喚醒政府、工業(yè)界以及每個(gè)普通人,讓大家認(rèn)識(shí)到腐蝕的存在,認(rèn)識(shí)到由于腐蝕引起的經(jīng)濟(jì)損失。目前在各國(guó)每年的GDP中,腐蝕導(dǎo)致的損失約為4.3%(中國(guó)約達(dá)5%)?!?/span>
韓恩厚指出,腐蝕造成的損失大于所有自然災(zāi)害的損失之和,這已被全世界公認(rèn)。腐蝕導(dǎo)致工程裝備、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)設(shè)施損壞,進(jìn)而引起災(zāi)難性事故。
2001年,四川宜賓市南門大橋轟然斷裂成三截,這座大橋預(yù)計(jì)使用壽命達(dá)百年,但實(shí)際僅僅使用了11年就發(fā)生斷裂,“事故原因是承重鋼纜的應(yīng)力腐蝕?!表n恩厚說。
1981年,我國(guó)臺(tái)灣民航客機(jī)B-737在飛行中失事,失事原因是機(jī)身下部高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)件多處發(fā)生嚴(yán)重的晶間腐蝕和剝蝕,進(jìn)而形成裂紋。2013年青島管道爆炸,造成62人死、136人傷,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7.5億,爆炸原因是腐蝕導(dǎo)致管道泄漏,而進(jìn)一步引起爆炸。
腐蝕不僅造成經(jīng)濟(jì)損失,而且還會(huì)影響人類健康。韓恩厚例舉道:“腐蝕產(chǎn)生的重金屬離子還會(huì)污染飲用水、污染土壤和農(nóng)作物等,通過飲食攝入進(jìn)而影響人類健康?!?/span>
對(duì)此,美國(guó)、德國(guó)、日本、印度、中國(guó)等國(guó)家都有檢測(cè)證據(jù)。歐洲、紐約等地由于很多古老的雕塑和屋頂?shù)母g析出銅和鉛等離子,過去50年來使周圍土壤中的重金屬離子不斷升高。
今年世界腐蝕日科普活動(dòng)由世界腐蝕組織、中科院沈陽(yáng)分院、遼寧省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)聯(lián)合主辦,遼寧省科學(xué)技術(shù)館、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)、中科院金屬研究所承辦,主辦方和承辦方希望通過此活動(dòng),倡議全民關(guān)注腐蝕問題、重視腐蝕問題、用科學(xué)的武器應(yīng)對(duì)腐蝕問題。
想方設(shè)法地防腐
腐蝕是材料與周圍環(huán)境(介質(zhì))之間發(fā)生作用所引起的破壞或變質(zhì),如金屬在環(huán)境作用下發(fā)生銹蝕。
韓恩厚向記者解釋了金屬之所以會(huì)發(fā)生腐蝕,是因?yàn)樗鼈冊(cè)诠ぷ鳝h(huán)境下化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。自然界中除了銅和金、銀、鉑等貴金屬在常態(tài)下是金屬態(tài)以外,從礦石中提煉出來的其他所有金屬,在自然工作環(huán)境下它們都是非穩(wěn)態(tài)的。非金屬材料也會(huì)發(fā)生腐蝕,如涂料、塑料和橡膠的膨脹、變形、開裂、老化等。
韓恩厚列舉到,由于在月球環(huán)境與火星環(huán)境存在明顯差異,同樣是航天部件其耐腐蝕性的就有不同的要求。而看是同類材料使用環(huán)境不同,也需要調(diào)整。例如,我們?nèi)粘I钪杏玫牟讳P鋼在海水環(huán)境中不耐腐蝕,就需要使用耐海水腐蝕的不銹鋼。
因此,材料與環(huán)境的組合顯得很重要。無(wú)論是在自然環(huán)境(大氣、土壤、海水等)中使用的各類材料,還是在苛刻工業(yè)環(huán)境(石油化工、核電、火電等)中使用的各類材料,都需要開展系統(tǒng)研究,掌握材料的腐蝕損傷規(guī)律,研發(fā)各類低成本環(huán)保型腐蝕控制技術(shù),才能實(shí)現(xiàn)降低腐蝕損失的目的。
“調(diào)整鋼鐵材料中的化學(xué)元素成分、微觀結(jié)構(gòu)、腐蝕產(chǎn)物膜的性質(zhì),實(shí)現(xiàn)降低電化學(xué)反應(yīng)速度,從而可以顯著改善鋼鐵的耐腐蝕性?!表n恩厚說道,“我們的科研人員正在探究材料與環(huán)境的搭配關(guān)系,進(jìn)行合理選材來對(duì)抗腐蝕?!?/span>
韓恩厚還帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)研究出納米復(fù)合涂料與鍍層,即在金屬表面涂覆一層耐水、氧、離子滲透的材料(非金屬或耐腐蝕金屬),起到把腐蝕性介質(zhì)與材料隔離的作用,目前團(tuán)隊(duì)研發(fā)的納米復(fù)合涂料已經(jīng)用于多項(xiàng)工程。
造福人類的利用
雖然腐蝕給人類生產(chǎn)生活帶來了巨大的傷害,但事物具有兩面性,腐蝕在善加利用之后也給可以造福人類。
韓恩厚舉了一個(gè)最常見的例子就是儲(chǔ)水式電熱水器里的鎂棒,鎂棒具有減緩水堿、水垢對(duì)熱水器內(nèi)膽的腐蝕,其原理是給熱水器內(nèi)膽找了一個(gè)擋箭牌,讓所有腐蝕由鎂棒這個(gè)擋箭牌來完成,等它犧牲后再找一個(gè)新的擋箭牌,因此鎂棒需要定期更換。
在醫(yī)用領(lǐng)域,可降解鎂合金心血管支架也是腐蝕的有效應(yīng)用。在植入體內(nèi)環(huán)境初期,可降解鎂合金心血管支架會(huì)對(duì)病變血管起到一定的支撐作用,防止病變血管發(fā)生負(fù)性重構(gòu)。隨著植入時(shí)間的延長(zhǎng),支架會(huì)發(fā)生緩慢的腐蝕而降解,多余的腐蝕產(chǎn)物會(huì)通過人體正常新陳代謝排出,這樣可以有效避免在植入的后期,由于支架對(duì)血管壁的刺激而導(dǎo)致內(nèi)膜增生及再狹窄的發(fā)生。
此外,鎂合金還可以作為骨固定材料。目前,應(yīng)用于骨板、骨釘?shù)纳镝t(yī)用材料主要是鈦以及鈦合金、不銹鋼等,但這些材料在人體內(nèi)是不可降解的。鎂合金不僅具有良好的力學(xué)性能與生物安全性,在使用一定時(shí)間后該合金能自動(dòng)消失,避免了傳統(tǒng)上需要進(jìn)行二次手術(shù),取出固定物對(duì)患者造成的痛苦及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
在工業(yè)領(lǐng)域,利用銅刻蝕技術(shù)來制作電路板的原理就是利用銅在三氯化鐵溶液中的腐蝕作用,將銅箔鍍?cè)谟呻娔?、纖維編織布及環(huán)氧樹脂壓制而成的絕緣板材上,然后使用硝基磁漆涂覆需要保護(hù)的部分,再用三氯化鐵溶液刻蝕掉未被涂覆硝基磁漆的部分,將硝基磁漆溶解掉后,就得到了人們所需的電路板。再比如可利用TIS-NM的金屬防腐蝕涂層材料可以使金屬表面形成一層保護(hù)膜,可以使電子元件管腳等金屬表面的防腐蝕,也可以運(yùn)用在不銹鋼及其它有色金屬表面,具有持久防腐蝕,抗鹽霧,耐酸堿等功效。
“當(dāng)然腐蝕還有許多其他應(yīng)用,比如金相侵蝕、化學(xué)加工及電解拋光等?!表n恩厚希望通過科研人員的努力,一方面抑制有害的腐蝕,一方面又能利用有益的腐蝕。來自:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、《中國(guó)科學(xué)報(bào)》