海洋工程材料

海洋工程材料主讲人：黄翔中国海洋大学本科生课程第一章绪论§1.1引言一、意义：21世纪是海洋的世纪，而材料科学又是发展海洋科学技术的基础；没有高性能材料作为物质保证，海洋科技的发展和产业化将受到很大制约。目前，除航天等少数领域外，我国许多高技术产业在世界范围内，尚不具备强势的竞争力；海洋材料研究在一些领域甚至落后于韩国。加速海洋材料领域的科学研究及高科技成果的产业化已迫在眉睫。第一章绪论二、国际背景：美国2001年成立海洋政策委员会，对海洋政策进行全面评估；2004年12月美国总统宣布成立部长级的海洋政策委员会，直属总统办公室，全面反思海洋政策。日本明确提出要和美国争夺海上领导权，政府斥资6亿美元建造5700吨，210米长的大洋钻探船，比美国的大三四倍，明文提出要在海洋科学里“起领导作用”，以期与美国争雄。韩国的水下无人运载器也已经不在美国之下，而且其在东海济洲岛西南，已经建成了目前全球最大的海上观测平台。如果说，100年前海上的国际之争靠的是炮舰，现代的海上竞争则很大程度上已经是科技之争。海洋上的这些科学举措，实际意义往往超出学术范围。第一章绪论§1.2材料与海洋一、海洋材料的概念所谓海洋材料，宏观上是指能从海洋中提取的材料和专属用于海洋开发的各类特殊材料二、海洋材料的研究意义彰显学科的交叉性和融合性：与众多学科（生命科学、环境科学、化学化工、海洋地质、海洋物理等）产生交叉融合彰显研究领域的创意性：提出海洋材料的概念并将材料科学与工程建立在海洋大科技的背景下，有利于拓展和开创新型研究领域及新的材料产业化方向适应沿海地区（区域）科技发展和经济建设的需要：适时提出海洋材料概念和战略，对于完善国家新材料产业框架和布局以及对于创立我国的新材料品牌均具有重大战略意义第一章绪论§1.3海洋极端环境一、深海热液活动海底热液活动是人类认识地球深部过程的窗口，其产物之一-热液硫化物，富含铜、铅、锌、金、银等多金属元素，是极具开发远景的潜在资源。热液活动区生物群落奇异的生命表现，改变了传统的极端环境下无生命存在的认识，丰富了深海生物基因库，在工业、医药、环保等领域有广泛的应用前景。图1海底热液活动图图2金属硫化矿的形成第一章绪论§1.3海洋极端环境二、热液的概念所谓热液，就是原来比较冷的海水沿裂隙进入洋中脊的地壳，由于这里的地壳是地球上最薄的地方，海水可以继续渗入数公里深处的地幔处，并发生物质交换，被地幔加热后返回到海底，由于高温（300～400℃）而比重轻（0.7g/cm3）、富含硫化物，这种热液的喷出速度高达每秒数米，就如黑烟一般，尉为奇观。图3热液生物群图打破“深海无生命论”第一章绪论§1.3海洋极端环境三、热液生物群热液生物群的发现是石破天惊的，不仅是因为生物的密度比周围海底高一万倍到十万倍，而且还是这种生物群所赖以生存的能量来源热液群生物图4三米长的蠕虫图5瓣鳃类贝壳图图6海底油井中发现的热液细菌第一章绪论§1.3海洋极端环境四、热液生物群的研究意义人类对深海海底的了解，并不比月球、甚至于火星了解更多。虽然有众多的考察航次，或者通过取样甚至深潜的直接方法，或者借助间接的物理手段进行考察，但仍免不了沧海一粟或者雾里看花的缺陷。从海底的地震源区到热液活动区，都亟需进行长期连续、而不是瞬间短暂的观测。因此近十余年来，做出了种种努力将观测点布置到海底这些处于极端环境的区域。这就提出了研究深海极端环境的海洋微生物对于探测设备材料的腐蚀机制及其耐深海硫化腐蚀特性的课题，因为海洋工程材料是进行深海研究的基础载体。第一章绪论§1.4海洋微生物腐蚀(microbialcorrosion)统计表明，与海洋微生物附着有关的材料破坏和失效占到涉海材料总量的70%-80%，微生物膜对材料界面腐蚀过程的影响已经受到材料界和海洋界的广泛关注。微生物膜及界面的性质、结构和生长规律，以及检验和控制技术已经成为海洋材料科学及海洋工程关键配套材料的重要研究方向。研究涉海材料的微生物特别是深海热液区微生物附着腐蚀机制，对于材料科学更有力的服务于国家海洋发展战略至关重要。图7.常见的几种附着海洋微生物A海洋细菌B海洋细菌C硅藻E钟形虫海洋生物污损(biofoul)显微镜下的世界：微观摄影最佳照片1979年最佳图片：细长的原生动物吸附在充满细菌的绿藻表面（美国罗德爱兰州大学摄影师、生物学家保罗-约翰逊拍摄，放大了160倍）第一章绪论§1.4海洋微生物腐蚀从国内外对海水中生物膜与微生物附着腐蚀的研究现状来看，生物污损和微生物附着腐蚀控制的唯一有效措施是长期使用杀菌剂，由于环保要求和不完全有效等原因，杀菌剂的使用会越来越受到限制，发展新型更有效的控制措施和新型材料势在必行。生物污损和微生物腐蚀都是通过生物膜发生作用的，控制生物污损和微生物腐蚀的有效途径是控制生物膜生长。深入了解生物膜的特征和发展过程是发展有效的生物膜控制技术的基础，是减少生物污损和生物诱导腐蚀影响的关键解决微生物腐蚀和生物污损的有效方法之一是控制微生物膜在涉海材料表面的寄生附着和生长。第一章绪论§1.4海洋微生物腐蚀生物膜的形成和增长可分为五个阶段：条件膜可逆吸附不可逆吸附生物膜形成生物膜脱落不可逆和大量发生的微生物以可逆的传输机理和材料表面相接触。微生物紧紧的吸附在材料的表面。粘性的微生物生长繁殖，同时形成了一种多重的膜部分生物膜有脱落现象发生控制关键步骤第一章绪论§1.4海洋微生物腐蚀界面和表面一直是材料研究的前沿和难点,以往的研究仅限于无生命材料之间形成的界面和表面，而涉海材料与附着微生物之间形成的界面和表面是半生命、半活性的独特复合界面，不仅具有复合材料界面的普遍组织结构特征，而且具有动态发展、兼有生物化学反应的“活”的独特结构的特征，这就使得海洋材料界面研究的新颖性不仅对于材料制备科学具有重大的理论意义，而且对于发展耐海洋微生物附着的海洋平台及深海探测用材料也具有极其重要的实际意义。第一章绪论§1.5海洋工程材料一、海洋环境材料海洋是生物物种的发源地，也是地球生态系统的重要环节。然而，由于工业化速度的快速增长和资源的过渡利用，人类对于海洋环境的污染也日趋严重。由于海洋自身的特点，海洋环境污染的治理与陆地环境有相当大的差别，治理的难度要大得多。对于使用方便、耐风浪、易回收的油污围栏材料，低成本、高强度，具有良好油污吸收，吸附性能的新型高分子絮凝材料的研究和开发式极为重要的。第一章绪论§1.5海洋工程材料二、海洋国防材料海洋是各国争夺的重要领域，领海是国家主权的一部分，发展用于海洋作战的装备制造材料是增强一个国家国防实力的重要组成部分。由于海洋和海空的特殊性，具有特殊功能的结构和功能材料是海防高科技研究的重要组成部分。第一章绪论§1.5海洋工程材料三、海洋结构材料船体结构钢及配套材料研究：材料制备的低成本、工艺简单、高效是第三代船体结构钢的发展目标。如超低碳贝氏体钢和高强度低合金钢的结合可使耐腐蚀性和高强度获得重大发展。钛和钛合金：由于钛合金材料显示良好的断裂韧性、耐腐蚀性、高温强度和低磁信号，重视发展钛合金材料的规格配套及制造工艺技术是十分重要的。高温合金及高温结构材料：以解决舰船燃气轮机、增压锅炉、大功率柴油机用关键结构材料为重点，逐步形成舰船高温合金的系列。高温结构材料和涂层包括金属基复合材料、金属间化合物、碳-碳基复合材料、高性能永磁材料、高温超导材料、防滑涂层、储氢材料、梯度功能材料等。第一章绪论§1.5海洋工程材料四、海洋生物材料海洋是一个巨大的生物生长环境，其表面积远远大于陆地面积，生物的生长量非常巨大。目前，海洋除了提供食品的海洋捕捞和养殖产业外，作为材料生产的原料资源利用得还相当不充分。海藻资源利用技术甲壳素资源利用技术第一章绪论§1.6海洋材料研究现状针对海洋科技的研究特点及经济发展的需要，目前我们对海洋材料的研究主要集中在以下几个方面：海洋新型防护材料：主要围绕长效新型环保型树脂、防污剂以及防污涂料；满足船舶及海洋工程设施用超耐候、超长寿命防护的水性化系列海洋涂料；混凝土堤坝、码头的耐海水冲刷表面保护的新材料进行研究设计；海洋深潜材料：针对海洋开发研究向深海推进的趋势，研究设计深水耐压浮力材料、高性能耐蚀钛合金材料、非晶态耐蚀合金材料、高耐压密封防水、可在6000-10000米深海使用的新型海洋专用材料；海水淡化基地配套关键材料：配合国家海水淡化基地建设，为海水泵体及叶轮叶片研究专门配制的关键材料；新概念海洋材料：根据海洋新材料的发展趋势，预先开展表面抗老化、抗附着功能层原位自生海洋材料探索研究；智能海洋材料探索研究；海洋能源新材料，生物海洋材料探索研究。第一章绪论§1.6海洋材料研究现状海洋环境材料：海洋环境材料是用于保护海洋环境用的材料。对海洋环境影响最大的是油料的泄漏，应重点研究设计使用方便、耐风浪、易回收的油污围栏材料；高效能，一次性和可回收的油污吸附、吸收材料；高分子絮凝材料、多孔型石墨和高分子材料、可生物降解型油污吸收和吸附材料；海洋敏感与监测材料：海洋环境参数的监测是海洋科学与工程的重要内容，研究具有温度敏感、化学物质敏感、生物敏感的功能材料，是提高海洋研究水平的重要保证；军事海洋材料：包括各种舰船的隐身材料、防腐材料、甲板防滑材料、发动机排气隔热材料，阻燃材料、深水耐压浮力材料、舰载导弹天线罩材料、军港防卫设施建筑材料，雷达探测及各种检测传感器材料等均是寓军于民的重大措施第一章绪论§1.7海洋材料探索性研究一、涉海材料微生物附着腐蚀界面动力学过程海洋环境千变万化，温度、盐度、水深及其污染程度等无不对海洋微生物的生长繁殖起到不可忽视的影响，而涉海材料表面化学、矿相组成与微观组织结构的不同也决定了海洋微生物的附着过程的多样性，复杂性和不可确定性。因此，针对涉海材料海洋微生物附着动力学的研究就不能局限于一类物种，或者一种材料。根据海洋材料的研究特点，我们将海洋微生物环境主要分为两个区域：近岸浅海区域与深海海泥区。传统的海洋微生物腐蚀研究主要是针对深海海泥区的缺氧环境，也就是对厌氧的硫酸盐还原菌的研究，而对近岸浅海区域涉海材料表面附着的优势菌种研究较少。青岛近岸优势菌种为需钠弧菌第一章绪论§1.7海洋材料探索性研究一、涉海材料微生物附着腐蚀界面动力学过程从图中可以看出，浸泡1天后不锈钢表面附着的细菌数量很少，直到第3天才可以清晰确定其表面已有细菌。随着浸泡时间的延长，在第7天时，不锈钢表面附着的细菌数量急剧增加，并聚集形成菌落，细菌呈链状排列，试样表面逐渐被细菌覆盖，形成微生物膜。在第14天时，由于生物膜、腐蚀产物的脱落，表面细菌数量明显减少，说明材料表面附着的微生物膜并非一成不变，而是处于吸附、脱附动态变化中。第一章绪论§1.7海洋材料探索性研究一、涉海材料微生物附着腐蚀界面动力学过程从能谱图上可以发现，除了基体原有的Fe、Cr、Ni三种元素，又出现了与微生物生命活动有关的C、O、P、S四种元素，证明了生物膜的存在。第一章绪论§1.7海洋材料探索性研究二、陶瓷基高强高韧轻质深海材料的设计与制备我国深海探测及其他深海设备使用的特种材料基本依赖进口，如深潜器外壳材料，需要材料高强度、比重轻、高韧性、耐腐蚀、抗附着。该材料已经成为我国深海科技发展和军事用途的制约因素。而TiAl/B4C复合材料是我们目前研究的突破口。晶内纳米TiB2颗粒TiAl/B4C复合材料断口SEM照片TiAl/B4C复合材料海水中浸泡50天后的表面形貌仿蜂巢结构纳米涂层仿荷叶表面纳米涂层氧化钛纳米管阵列的FESEM照片第一章绪论§1.7海洋材料探索性研究三、环境友好型仿生纳米涂层的研究人类已经进入海洋开发的新时代，海洋资源开发、海上运输、海港和海防建设等领域都需要大量新型表面防护材料，研究这些材料的制备工艺、失效机制、探索未来海洋开发所需求的新概念表面防护理论就显得格外重要和迫切。而在金属基体上构建环境友好型仿生纳米涂层是近年来表面防腐技术的一个新兴领域。第一章绪论§1.8展望将材料与海洋科技