屈少鵬，尹衍升

(1.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306； 2. 深海極端環(huán)境服役材料上海高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(上海海事大學(xué))，上海 201306)

深海通常指500 m以下更大深度的海洋，占海洋總體積的3/4.深海是人類科學(xué)探索和資源需求的寶庫和未來.據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界深海油氣探明儲量已占海洋油氣儲量的65%以上；天然氣水合物在海洋中的總量為(1～5)×1015m3；多金屬結(jié)核在海洋中約5 000億噸，主要富集在4 000～6 000 m深度；富鈷結(jié)殼在海洋中含量達(dá)10億噸，主要分布在500～4 000 m深度；上百處海底熱液多金屬硫化物礦床含量達(dá)6億噸，分布在1 500～4 000 m深度；深海已發(fā)現(xiàn)數(shù)千種新生物，絕大部分物種是深海環(huán)境所獨(dú)有的[1].深海是高壓、低溫或局部高溫(400 ℃)環(huán)境[2]，深海并不平靜，經(jīng)常出現(xiàn)類似于陸地上颶風(fēng)等的激流——深?！帮L(fēng)暴”.雖然深?！帮L(fēng)暴”的流速僅有50 cm/s左右，但能量巨大，甚至可以改變海底地形.其巨大的破壞力會對海底的科學(xué)儀器、通訊電纜等造成毀壞，甚至可能危及海上石油鉆井平臺等.深海的腐蝕和磨損常常是耦合發(fā)生的[3]，高壓[4-7]、低溫(或熱液區(qū)高溫)[8-11]、極端微生物附著[12-13]、毒性氣體[14-15]都會加劇海水對服役材料的腐蝕，更會加劇海底“風(fēng)暴”涌動的磨蝕及毀損過程，并隨著海底“風(fēng)暴”的沖擊在金屬表面產(chǎn)生“犁溝”，形成新的裸露表面而進(jìn)一步被腐蝕.

深?？量痰沫h(huán)境對于服役金屬材料的蝕損機(jī)制研究一直是我國材料研究的空白.一般物質(zhì)在經(jīng)歷高壓過程中會產(chǎn)生相變，因而在深海高壓環(huán)境下，材料的組織和性能可能會發(fā)生出人意料的變化.材料在深海環(huán)境中服役時(shí)，其在高壓下的摩擦系數(shù)、熱衰退及熱穩(wěn)定性等與常溫常壓下不同，所表現(xiàn)出的腐蝕、磨損機(jī)制也與常壓環(huán)境下不同，尤其在深海環(huán)境中溫度梯度較大時(shí),金屬材料的腐蝕速率、摩擦系數(shù)及磨損均會加劇.隨著油氣勘探向地質(zhì)條件和環(huán)境更加復(fù)雜的深海區(qū)域發(fā)展，一些高H2S和CO2、高含硫深海熱液環(huán)境區(qū)域成為油氣勘探的重點(diǎn).因而，研究材料在深海高壓有毒氣體等環(huán)境下的蝕損行為也顯得極其重要.

深海蘊(yùn)藏著世界未來發(fā)展所必須的豐富能源與戰(zhàn)略資源.目前，我國深海裝備關(guān)鍵材料 90%以上依賴進(jìn)口，隨著我國海洋強(qiáng)國建設(shè)的加速，海洋科技向著深遠(yuǎn)化進(jìn)軍，石油鉆采向著深海延伸以及南?？扇急目碧胶烷_采，我國對于深海裝備國產(chǎn)化的需求更為迫切，如果無法建立一套完整的深海服役材料的腐蝕評價(jià)體系，將會嚴(yán)重影響深海裝備的安全性和可靠性，從而成為深海戰(zhàn)略發(fā)展的“瓶頸”.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 金屬材料的深海腐蝕行為

各國科研工作者對各種材料深海腐蝕做了大量工作[16]，許多研究機(jī)構(gòu)也對各種材料進(jìn)行了大量、長時(shí)間的實(shí)海掛片實(shí)驗(yàn)[17-20].1962～1970年間，加利福尼亞的海軍工程中心(Naval Construction Battalion Center)在懷尼米港西南方向81海里及西部方向75海里的海水對 475 種合金材料、20000 多種試樣進(jìn)行了掛片實(shí)驗(yàn)，試樣包括鋼、鑄鐵、不銹鋼、銅、鎳、鋁等多種材料，掛片深度分別為762和1 829 m.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除了鋁合金在深海中的點(diǎn)蝕深度加大并出現(xiàn)了縫隙腐蝕，而淺海掛片試樣未出現(xiàn)縫隙腐蝕外，水深對其他材料腐蝕的影響要么可以忽略，要么就是減輕了[21].Venkatesan等[22]將表面不會形成鈍化膜的低碳鋼浸泡于500～5 100 m 深的海水中68 d后，發(fā)現(xiàn)深海中低碳鋼的腐蝕速率明顯低于淺海中低碳鋼的腐蝕速率，而在所有深海掛片試樣中，500 m深處的腐蝕速率最低，歸因于此處的溶解氧最小.需要注意的是，不同海域溶解氧隨水深的變化規(guī)律是不一樣的， Venkatesan等進(jìn)行試驗(yàn)的海域?yàn)橛《妊?，而我國南海?shí)測數(shù)據(jù)顯示，水深750 m左右時(shí)海水中含氧量最低，約為2.5 mg/L.Beccaria等[23]研究發(fā)現(xiàn)，隨著靜水壓的升高，Al及6061-T6 鋁合金發(fā)生局部腐蝕的傾向均有所增加，并且6061-T6鋁合金的點(diǎn)蝕深度增加，而由于Mg-Al氧化層的形成，總體上腐蝕有所減少.實(shí)驗(yàn)室模擬方面，Yang等[24]發(fā)現(xiàn)，隨著靜水壓的增加，Ni-Cr-Mo-V 高強(qiáng)鋼的腐蝕速率增加，且極化曲線表明，陰極過程和靜水壓關(guān)系不大，而腐蝕電位負(fù)移，腐蝕電流加大；通過腐蝕形貌的觀察及壓力的有限元分析，認(rèn)為靜水壓將使得點(diǎn)蝕更易于向點(diǎn)蝕周邊輪廓的法向方向擴(kuò)展，進(jìn)而使得相鄰的點(diǎn)蝕相互連通并由此發(fā)展為全面腐蝕，而點(diǎn)蝕的深度則與靜水壓關(guān)系不大[25].和實(shí)海掛片相比，實(shí)驗(yàn)室模擬除了模擬試驗(yàn)易于開展、投入較少外，另一明顯的優(yōu)點(diǎn)就是可以方便地進(jìn)行在線電化學(xué)性質(zhì)的測試，對于深入研究腐蝕機(jī)制有很大的幫助[26].

1.2 深海微生物腐蝕行為

關(guān)于深海微生物腐蝕，由于深海微生物取樣、保種、培養(yǎng)等方面需要較高技術(shù)水平，因此這方面研究報(bào)道較少，但就微生物腐蝕機(jī)制及其和局部腐蝕的關(guān)系，則有較多文獻(xiàn)報(bào)道.如 Mehanna等[27]選擇1145低碳鋼，403鐵素體鋼和304L、316L奧氏體鋼，G. sulfurreducens為腐蝕菌種，通過開路電位的檢測，發(fā)現(xiàn)浸泡數(shù)小時(shí)后1145鋼、403鋼、304L鋼的開路電位正移了300 mV，而316L鋼的開路電位正移較少，開路電位的正移和細(xì)菌的富集相關(guān)，這表明G. sulfurreducens的附著可直接從材料攫取電子，增加了鐵素體鋼和低碳鋼的局部腐蝕.San等[28]選擇A. eucrenophila在Ni-Cu合金表面進(jìn)行試驗(yàn)，極化曲線分析表明，細(xì)菌附著后極化曲線發(fā)生了偏移，5 h后腐蝕電位發(fā)生了正移，腐蝕電流增加，EDS元素分析表明合金表面有明顯的NiO和CuO產(chǎn)物.Nercessian等[29]選擇P. fluorescens,研究其對銅的腐蝕，通過檢測微生物膜生長過程中RNA和DNA量比隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)合極化曲線和阻抗譜的檢測，分析了微生物代謝過程與腐蝕速率的關(guān)系，認(rèn)為微生物的呼吸加速了銅的腐蝕. Bhaskar等[30]研究發(fā)現(xiàn),微生物的胞外分泌物對重金屬離子可選擇性地固定，結(jié)果表明:每毫克EPS固定的Cu2+要多于Pb2+，且在酸性溶液中會吸收更多的Cu2+和Pb2+;然而，隨著溶液中NaCl濃度的升高，微生物對Cu2+和Pb2+的吸收會隨之減少.Bevilaqua等[31]通過檢測Cu5FeS4在A. ferrooxidans培養(yǎng)液中浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)噪聲，對噪聲電壓和電流的平均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差、噪聲電阻進(jìn)行分析，結(jié)果表明,細(xì)菌的生物活動可引起這些參數(shù)的明顯變化.趙曉棟等[32]取青島膠州灣海底泥中的SRB進(jìn)行富集培養(yǎng)，研究其對Q235腐蝕的影響，結(jié)果表明,硫酸鹽還原菌可將腐蝕產(chǎn)物由球形的水合氧化鐵轉(zhuǎn)化為海綿狀的球形鐵硫化物.牛桂華等[33]對316不銹鋼在無菌培養(yǎng)基介質(zhì)和海水微生物接種培養(yǎng)有菌培養(yǎng)基介質(zhì)中的腐蝕行為進(jìn)行了研究，認(rèn)為海洋微生物的附著和繁殖可加速316不銹鋼的腐蝕.Yuan等[34]通過研究aerobic pseudomonas對Cu-Ni合金在海水中的腐蝕行為發(fā)現(xiàn)，當(dāng)aerobic pseudomonas和EPS存在時(shí),可顯著降低Cu-Ni合金的腐蝕速率，這可能是由于微生物的存在影響了材料腐蝕過程中的陰極反應(yīng).

基于目前深海微生物腐蝕的研究結(jié)果可知，深海微生物對材料腐蝕的影響結(jié)果有多樣性、復(fù)雜性，這與深海中微生物種類的多樣性及復(fù)雜性有密切的關(guān)聯(lián).

1.3 深海裝備材料

高的靜水壓是深海環(huán)境的特點(diǎn)之一，靜水壓隨著海深的增加而增加，因而對于深海裝備而言，最重要的材料是耐壓性能好的結(jié)構(gòu)材料.它們應(yīng)具有較高的屈服強(qiáng)度和彈性模量，目前，高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金、陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料等是深海裝備所使用的主要結(jié)構(gòu)材料[35].其中,高強(qiáng)度合金鋼是最重要、最關(guān)鍵的深海裝備用結(jié)構(gòu)材料.以潛艇耐壓殼體材料為例，潛艇耐壓殼體用鋼材的屈服強(qiáng)度等級由第二次世界大戰(zhàn)前的450 MPa級替換為第二次世界大戰(zhàn)后的600 MPa級，其下潛深度得到提升；現(xiàn)代的潛艇耐壓殼體用鋼材的屈服強(qiáng)度等級多為1 000 MPa級，因而其下潛深度進(jìn)一步增加.

美、日、英、俄等國家自第二次世界大戰(zhàn)后就開始建立深海裝備結(jié)構(gòu)鋼體系.美國研制了HY系列高強(qiáng)度合金鋼，日本研制了NS系列高強(qiáng)度合金鋼，英國研制了QT系列高強(qiáng)度合金鋼，俄羅斯研制了AK系列高強(qiáng)度合金鋼[35].我國也成功研制了屈服強(qiáng)度等級為400、450、600和800 MPa級的高強(qiáng)度合金鋼[35].

深海裝備用高強(qiáng)度合金鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還須保證足夠的韌性.在韌性評價(jià)時(shí)除夏比沖擊試驗(yàn)外，往往還需要由爆炸試驗(yàn)或落錘試驗(yàn)來確定其止裂行為.另外，隨著強(qiáng)度的提高，高強(qiáng)度合金鋼焊接接頭的延遲裂紋亦是一個(gè)重大問題[36].因此，在追求高強(qiáng)度時(shí)應(yīng)嚴(yán)格限制甚至降低高強(qiáng)度合金鋼中的含碳量，同時(shí)應(yīng)通過增加適量的鎳元素來保證其良好的韌性；加入適量的鉻、鉬、釩等元素改善其淬透性和抗回火軟化性；在煉鋼時(shí)應(yīng)對鐵水預(yù)脫硫脫磷，并采用真空精煉等措施以降低硫、磷和有害氣體對高強(qiáng)度合金鋼力學(xué)性能的危害.為保證裝備的強(qiáng)度和韌性，在深海裝備用高強(qiáng)度合金材料焊接時(shí)還要控制好道間溫度和熱輸入焊接工藝參數(shù).

鈦合金材料具有高比強(qiáng)度、低密度、耐高溫、耐腐蝕、無磁、透聲和抗沖擊振動等特點(diǎn),是具有研發(fā)前景的深海裝備結(jié)構(gòu)材料.俄羅斯的鈦合金研究和應(yīng)用水平處于國際領(lǐng)先地位，研發(fā)了船用鈦合金系列，且用鈦合金建造了首個(gè)潛艇耐壓殼.目前,深海潛水器的耐壓殼體材料多采用鈦合金材料，如俄羅斯阿爾法級攻擊型核潛艇及塞拉級多用途核潛艇的耐壓殼體均采用鈦合金建造，其下潛深度可達(dá)800 m[35]；美國“海崖”號深潛器的耐壓殼體材料為Ti6Al2Nb1Ta0.8Mo鈦合金，其下潛深度可達(dá)6 100 m；日本“深海6500”的耐壓殼體材料為Ti6Al4VELI鈦合金，其下潛深度可達(dá)6 500 m.此外，一些知名的深潛器的耐壓殼體材料也都采用了鈦合金，如法國的“鸚鵡螺”號、俄羅斯的“和平”號和我國的“蛟龍”號.

陶瓷材料具有高強(qiáng)度、大彈性模量、低密度、耐腐蝕、耐高溫、電絕緣、非磁性和可透過輻射等特點(diǎn)，也是具有研發(fā)前景的深海裝備結(jié)構(gòu)材料.然而，陶瓷材料往往具有較大的脆性，在很大程度上限制了其應(yīng)用.近年來的研究表明:利用高純度超細(xì)原料粉末配合特殊的制備工藝可以獲得性能更優(yōu)的先進(jìn)陶瓷材料；通過在陶瓷中合理添加第二相,制備的陶瓷基復(fù)合材料的韌性可以得到大幅提升.這些先進(jìn)陶瓷及陶瓷增韌技術(shù)的發(fā)展為陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料在深海中的應(yīng)用創(chuàng)造了必要的前提條件.美國海軍利用氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料成功制成了深潛船殼，這類船殼不僅具備載人所需的安全性及可靠性，還具有一定的浮力.研究表明：潛深深度為6 096 m時(shí)，氧化鋁陶瓷材質(zhì)的耐壓殼體的質(zhì)量與排水量比值小于0.60，小于鈦合金材質(zhì)的耐壓殼體的0.85；排水量相同時(shí)，氧化鋁陶瓷比Ti6Al4V鈦合金材質(zhì)的殼體的有效載荷高166%;有效載荷相同時(shí)，相比于氧化鋁陶瓷材質(zhì)的耐壓殼體，鈦合金材質(zhì)的耐壓殼體的排水量必須增加50%，而其對應(yīng)的質(zhì)量則會增加83%[35-37].2009年，美國伍茲霍爾海洋研究所采用特制的新型輕量級陶瓷基復(fù)合材料研制的“海神”號機(jī)器人潛艇成功抵達(dá)了馬里亞納海溝最深處，下潛深度達(dá)10 902 m.

作者研究的Fe3Al/ZrO2(3Y)復(fù)合材料也是一類非常有應(yīng)用潛力的深海裝備用結(jié)構(gòu)材料.氧化鋯增韌陶瓷(ZTC)中室溫力學(xué)性能最高的是四方氧化鋯陶瓷(TZP)，其抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性可達(dá)1.5 GPa和15 MPa·m1/2.然而，TZP材料除了自身的脆性外，由于應(yīng)力誘導(dǎo)相變對溫度因素很敏感，因而高溫將增加TZP的穩(wěn)定性，使相變增韌失效，其在低溫環(huán)境下時(shí)效亦會導(dǎo)致其強(qiáng)度和韌性下降,且其抗熱震性能較差，因而大大限制了其應(yīng)用[38].Fe3Al金屬間化合物具有良好的熱強(qiáng)塑性、較高的熱導(dǎo)率、耐蝕性和耐磨性，但氫脆和加工性差是其產(chǎn)業(yè)化的嚴(yán)重障礙.Fe3Al與ZrO2的熱膨脹系數(shù)比較接近，界面殘余熱應(yīng)力小，將Fe3Al金屬間化合物與ZrO2陶瓷復(fù)合,過程如下：首先利用ZrO2顆粒對金屬間化合物的間隔作用，阻止氫的擴(kuò)散，抑制Fe3Al金屬間化合物的氫脆；再利用這些消除了氫脆的金屬間化合物顆粒對ZrO2陶瓷增韌和穩(wěn)定形成一種兩組元“互補(bǔ)增韌”的效應(yīng).設(shè)計(jì)制備的Fe3Al/ZrO2(3Y)復(fù)合材料的斷裂韌性高達(dá)30 MPa·m1/2，為單相ZrO2(3Y)的2倍，抗彎強(qiáng)度達(dá)1.2 GPa，較單相ZrO2(3Y)提高了29%.

1.4 深海油氣開發(fā)用材料現(xiàn)狀

在深海油氣資源開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域，20世紀(jì)70年代前，世界海洋油氣開采水深不足100 m，到80年代初海洋油氣開采水深提高到了300 m.目前，先進(jìn)國家海洋油氣開采水深已突破3 000 m，且生產(chǎn)水深可達(dá)2 500 m[39].深海油氣勘探技術(shù)、深海油氣鉆井技術(shù)、深海油氣開采技術(shù)、深海油氣儲運(yùn)技術(shù)等都屬于深海油氣資源開發(fā)技術(shù)[40].目前，這項(xiàng)開發(fā)技術(shù)水平最先進(jìn)的國家是美國.我國已經(jīng)大規(guī)模開發(fā)的海上油氣田主要集中在淺海區(qū)域，如面積7.7萬平方公里、平均水深僅18 m的渤海海灣和包括潿洲油田、東方氣田等南海海域近海的區(qū)域.此外，僅有唯一一個(gè)鉆采深度超過3 000 m的荔灣油氣田，但更為廣闊的南海中部、西部和南部深海海域的油氣資源開發(fā)還依然為0.

在深海石油鉆采過程中，鉆采部件將經(jīng)受高壓海水環(huán)境下的磨蝕與H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)的嚴(yán)重侵蝕，其耦合作用將使諸多部件在此嚴(yán)酷環(huán)境下的壽命甚至只有幾個(gè)小時(shí).如無磁鉆鋌的壽命只有200～500 h，是消耗品.國內(nèi)市場目前對無磁鉆鋌的需求量為每年5 000余支，隨著海洋資源鉆采工程項(xiàng)目的不斷增加，規(guī)模不斷擴(kuò)大，對高性能無磁鉆鋌等產(chǎn)品的需求還將增加.與國外同類型奧氏體氮強(qiáng)化不銹鋼的無磁鉆鋌相比，國產(chǎn)無磁鉆鋌采用的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼的最大問題是晶間腐蝕合格率和力學(xué)性能指標(biāo)偏低.通過對比中原特鋼W1813N和W2014N不銹鋼與國外主流同類型產(chǎn)品的化學(xué)成分，可以看出二者之間的主要差異在于Cr、Mo、N含量明顯偏低.中原特鋼生產(chǎn)的W1813N和W2014N中，Cr、Mo、N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限分別僅為14.0%、1%、0.35%，而大多數(shù)國外主流同類型產(chǎn)品中Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限均高于18%；Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都控制在1%甚至2%以上，且N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限一般都已達(dá)到0.5%～0.6%，甚至達(dá)到1%.Cr、Mo含量的增加可提升材料的耐腐蝕性能；N含量增加不僅可以增加材料的強(qiáng)度性能，還可以顯著改善該類型不銹鋼的抗局部腐蝕性能[16].

我國在深海油氣資源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域使用材料的研發(fā)和國外先進(jìn)國家之間的差距是顯著的，國產(chǎn)相關(guān)材料的性能及使用深度遠(yuǎn)不及同類先進(jìn)材料，這也直接制約了我國對深海油氣資源開發(fā)的步伐.

1.5 固體浮力材料

固體浮力材料主要為水下作業(yè)裝備提供所需的浮力，為適應(yīng)深海高壓的環(huán)境，高強(qiáng)度固體浮力材料從20世紀(jì)60年代末開始得到研制.美國、日本和俄羅斯等深潛技術(shù)發(fā)達(dá)的國家目前已經(jīng)攻克了水下6 000 m用固體浮力材料的技術(shù)難題，并且已形成了系列標(biāo)準(zhǔn).如美國Emerson & Cuming公司利用空心玻璃微珠與聚合物樹脂復(fù)合研發(fā)出TG和DS型兩種新型的兩相復(fù)合泡沫材料，其中,DS型最大使用深度超過11 000 m[41].

在深海用固體浮力材料的研究開發(fā)方面，我國與深潛技術(shù)發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距.研制初期，我國的浮力材料主要為聚氨酯泡沫、環(huán)氧樹脂泡沫或其他發(fā)泡塑料，雖然其成本較低，但其耐壓強(qiáng)度低，吸水率高，可靠性差，最大工作深度僅能達(dá)到400 m左右[42].隨后，哈爾濱船舶工程學(xué)院采用空心樹脂球、空心玻璃微珠、環(huán)氧樹脂研制了密度0.55 g/cm3的泡沫復(fù)合固體浮力材料，其抗壓強(qiáng)度為28.87 MPa.海洋化工研究院研制的可加工輕質(zhì)復(fù)合材料亦有較好的性能，當(dāng)復(fù)合材料的密度為0.55 g/cm3時(shí)，抗壓強(qiáng)度為50 MPa，因而可用作4.5～5.0 km水深的浮力材料.國家海洋技術(shù)中心通過研發(fā)，目前已經(jīng)在高強(qiáng)度輕質(zhì)浮力材料的配方、工藝、成型技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破，其成果已在深海領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[43].筆者所在課題組采用一種具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的聚合物中空微球與聚合物樹脂、空心玻璃微珠以適當(dāng)比例混合，制備出一系列三組分固體浮力材料，密度為0.39～0.60 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為8.27～39.41 MPa，可滿足用于0～3 500 m水深的海洋裝備的浮力補(bǔ)償.

1.6 深海防護(hù)材料

在防腐方面，目前主要的防腐措施有涂層防護(hù)技術(shù)、犧牲陽極技術(shù)等，涂層防護(hù)技術(shù)約占市場份額的95%左右，其中有機(jī)涂層占近九成,因此，研究、開發(fā)、使用有機(jī)涂層對金屬進(jìn)行防護(hù)具有重要的實(shí)際意義.有機(jī)涂層在腐蝕過程中往往有如下作用：1)屏蔽作用，涂層阻止了腐蝕介質(zhì)和材料界面的接觸，隔斷腐蝕電池的通路，增加腐蝕電阻；2)鈍化作用，在涂料中加入某些鈍化金屬的物質(zhì)，使金屬表面形成金屬的鈍化膜防腐；3)犧牲陽極的作用，在涂料中加入活潑金屬，當(dāng)腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層后將優(yōu)先與這些活潑金屬反應(yīng)，保護(hù)基體金屬.然而，現(xiàn)有涂料、涂層防護(hù)技術(shù)不能滿足深海裝備防護(hù)要求[44].在深海中，海水的巨大靜水壓使腐蝕介質(zhì)在涂層中的滲透性增強(qiáng)，海水會進(jìn)入涂層后會使活潑金屬發(fā)生腐蝕，活潑金屬在腐蝕后形成的產(chǎn)物往往使體積膨脹，且在產(chǎn)物與金屬基體以及產(chǎn)物與周圍樹脂之間形成應(yīng)力并會產(chǎn)生裂隙，裂隙的延伸、擴(kuò)展使涂層粉化、脫離基體金屬表面，從而使其防護(hù)作用失效[45-46].另外，深海特種海洋微生物、毒性氣體亦會對涂層有較大的破壞作用.研制高性能的深海防護(hù)材料需要同時(shí)考慮材料的防腐蝕、防污著性能，還需要滿足高靜水壓、溫度變化等因素對防護(hù)材料的影響.因而，深海防護(hù)材料的研制已成為深海極端環(huán)境服役材料研制的熱點(diǎn)之一.

多年來，筆者所在團(tuán)隊(duì)開展了深海材料蝕損模擬平臺、鉆采裝備及部件防護(hù)材料與防護(hù)技術(shù)的研發(fā)，并取得了一些初步成果.另外，北京科技大學(xué)、鋼鐵研究總院、中國科學(xué)院金屬研究所、東北大學(xué)、廈門大學(xué)、中國海洋大學(xué)、上海交通大學(xué)等團(tuán)隊(duì)也都在不同領(lǐng)域?yàn)樯詈Ｑb備材料的研發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)，并取得了一些重要進(jìn)展，但總體而言，這方面的研究還沒有形成一個(gè)完整的體系.

2 國內(nèi)外研發(fā)趨勢

進(jìn)入21世紀(jì)，海洋科學(xué)技術(shù)發(fā)展十分迅猛，并呈以下發(fā)展趨勢：1)研究方法趨于多學(xué)科交叉、滲透和綜合，如從材料科學(xué)到裝備制造，從基因技術(shù)到生物藥物工程，從數(shù)值模擬技術(shù)到立體全球大生態(tài)等多學(xué)科的綜合滲透交叉；2)研究重點(diǎn)趨向資源、環(huán)境等與人類生存與發(fā)展密切相關(guān)的重大問題，如在深海資源勘探利用、海洋空間利用、海洋生物基因、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的問題；3)研究手段不斷采用高新技術(shù)，并趨于全覆蓋、立體化、自動化和信息化，如從衛(wèi)星遙感、航空遙感、船舶監(jiān)測、浮標(biāo)，到潛標(biāo)、深潛器,再到海底的實(shí)時(shí)觀測，形成全天候、全覆蓋、立體的觀測體系.但總體上，我國海洋科技水平與發(fā)達(dá)國家相比差距約10～15年，海洋科技對海洋經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)率低；科技成果的轉(zhuǎn)化率低；海洋科技投入不足；海洋科技力量和資源利用整合度低[47].其最直接的原因就是裝備材料難以適應(yīng)海洋特別是嚴(yán)酷的深海環(huán)境，適用于深海極端環(huán)境服役材料的研究和開發(fā)不足是制約深海技術(shù)發(fā)展的瓶頸.

深海材料研發(fā)的瓶頸在于研究深海環(huán)境試驗(yàn)平臺的缺乏.因而，破解瓶頸的關(guān)鍵必須從深海研究平臺的研發(fā)開始[48].2013年，上海市海洋局深海裝備材料與防護(hù)工程技術(shù)研究中心在上海海事大學(xué)正式揭牌成立，這是國內(nèi)首個(gè)深海材料研發(fā)平臺.隨后，中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所、浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等與深海材料研發(fā)相關(guān)的平臺陸續(xù)成立.這些深海材料研發(fā)平臺的成立，對實(shí)驗(yàn)室開展深海材料的研發(fā)奠定了基礎(chǔ).

深海復(fù)雜嚴(yán)酷環(huán)境涵蓋了物理極端環(huán)境、化學(xué)極端環(huán)境和生物極端環(huán)境.如此極端的惡劣環(huán)境，是深海服役材料與裝備部件壽命極低的主因.由于深海環(huán)境自身的特點(diǎn)，因而要求深海材料必須具有高強(qiáng)度、高韌性、耐海水熱液腐蝕、抗硫化腐蝕、抗微生物附著等特點(diǎn)[16].香山科學(xué)會議第423次學(xué)術(shù)討論會以“深海極端環(huán)境下材料腐蝕科學(xué)理論與關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)”為主題，首次明確地將深海極端環(huán)境服役材料的研發(fā)提到了研究日程[49]；次年，中國工程院召開的“海洋工程材料研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用研討會”也明確指出進(jìn)研發(fā)深海服役材料的迫切性；“十三五”國家深海高技術(shù)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃也已將“深海材料技術(shù)”列為發(fā)展重點(diǎn).目前關(guān)于深海探索，雖然一些材料已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，但對材料的深海腐蝕規(guī)律與失效機(jī)制仍停留在表觀認(rèn)識，缺乏系統(tǒng)的研究，因此不能指導(dǎo)深海材料的制備與開發(fā).這主要是由于深海的腐蝕因素眾多，如高壓、溫度、pH值、化學(xué)成分、流速、生物環(huán)境等等，而這些參數(shù)都會對材料的腐蝕產(chǎn)生影響.因此，進(jìn)一步準(zhǔn)確研究材料的深海腐蝕規(guī)律與失效機(jī)制，對深海的開發(fā)意義重大.

蝕損是磨蝕和腐蝕共同作用對材料毀損的總稱[16].深海的腐蝕和磨損常常是耦合發(fā)生的，而深海苛刻的環(huán)境對于服役金屬材料的蝕損機(jī)制研究一直是我國材料研究的空白.盡管科研工作者已從淺海和小于3 000 m海深層面上開展了細(xì)致有效的研究工作，但很少報(bào)道在深海高壓、低(高)溫、有毒氣體、極端微生物、大于3 000 m海深苛刻環(huán)境下服役金屬材料的耦合蝕損行為研究.進(jìn)一步進(jìn)行深?？量汰h(huán)境金屬材料蝕損機(jī)理的深入探索不僅具有重大的材料科學(xué)理論價(jià)值，而且也為我國深海工程金屬材料的設(shè)計(jì)、制備、遴選提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

在深海極端環(huán)境服役材料研發(fā)時(shí)，應(yīng)該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究和深海實(shí)測實(shí)驗(yàn)技術(shù)對材料的服役安全性及服役壽命進(jìn)行評價(jià)，這種聯(lián)合實(shí)驗(yàn)技術(shù)對于材料深海服役機(jī)理的揭示有非常重要的意義；研發(fā)新型深海材料，提高其在深海中的適用深度，使其在深海極端環(huán)境下有更加優(yōu)異的綜合服役性能；進(jìn)一步研發(fā)深海用防護(hù)材料，使其防腐、防污及適應(yīng)深海復(fù)雜環(huán)境的能力進(jìn)一步優(yōu)化.

3 結(jié) 語

深海極端環(huán)境服役材料的研發(fā)是深海戰(zhàn)略發(fā)展的“瓶頸”.深海極端環(huán)境服役材料的研發(fā)需要基于更加完善的深海研究平臺，通過在大于3 000 m海深以上的深海條件下進(jìn)行研究，建立完善的金屬材料深海蝕損機(jī)理；開展深海環(huán)境復(fù)雜因素耦合下的多因素耦合蝕損機(jī)理研究；研究深海裝備結(jié)構(gòu)材料在力學(xué)條件下的深海腐蝕及蝕損的機(jī)理；深海微生物菌樣的培養(yǎng)也是深海極端環(huán)境服役材料研發(fā)的一個(gè)必要前提.