如何练就防腐蚀“护体神功”
来源:广东科技报2021-04-16

第83期珠江科学大讲堂聚焦“腐蚀”

 

广东科技报讯(记者 刘肖勇 通讯员 熊知一)4月11日,由广州市科学技术局、广东科学中心、羊城晚报社联合主办的珠江科学大讲堂第83讲,邀请了曾经为“嫦娥”系列探测器穿上“防护服”的中国科学院沈阳分院院长、国家金属腐蚀控制工程技术研究中心主任韩恩厚,科学解析腐蚀现象的危害及应对之道。本次大讲堂吸引了300多市民大众参加。


大讲堂现场。主办方供图.jpg

 

韩恩厚说,每年4月22日是世界腐蚀日。世界腐蚀组织是联合国的正式机构。腐蚀是无声的威胁。早在2003年,中科院院士柯伟就曾经发布了《中国腐蚀调查报告》,提出我国腐蚀总成本约占5%的GDP,而在世界范围内,美国的比例为3.4%,日本则小于3%。如果按此比例计算,比如我国2020年因为腐蚀造成的损失将达到5万亿元,而每年我国各类自然灾害所造成的损失总和大约为5000亿元。也就是说,腐蚀损失是各类自然灾害所造成的损失的10倍之多。

 

那么,科学是如何定义“腐蚀”的?韩恩厚说,腐蚀在日常生活工作中非常常见,从科学上说,腐蚀是材料与周边环境(介质)之间相互作用而引起的材料的破坏或变质(特别是通过化学与电化学反应),通过腐蚀,会让我们经过一系列工业流程制造出来的材料,重新变成矿石状态,回到热力学的稳定状态。

 

腐蚀分为均匀腐蚀和局部腐蚀两种形态,均匀腐蚀比较容易进行预测和控制,而局部腐蚀是导致金属材料发生灾难性事故的重要原因,很难被检测。腐蚀会造成巨大破坏。韩恩厚介绍说,腐蚀会造成各种严重的影响。由于腐蚀作用,金属材料将会产生重金属离子污染土壤、植物和水。很多铜制的雕塑,都面临着腐蚀的威胁,里面的铜铅离子经过雨雪融化而被冲蚀到土壤中去。根据数据统计,美国纽约在过去的50年中,土壤中的铜含量不断线性增加。而高速运行的飞机和高铁等交通工具,更是有可能因为腐蚀导致材料疲劳而引发严重事故。

 

随着航空航天的发展,我国应对太空腐蚀的需求更是迫在眉睫。比如嫦娥系列、天问一号的探测器有很多大型部件都需要做抗腐蚀。国内自主技术做的防腐蚀技术,就是让表面生成非常薄的膜层,厚度不到一微米,差不多是头发丝的千分之一,就这么一点膜层我们能够实现太空防护。

 

在日常生活中,不要用钢锅铁锅熬中药。韩恩厚还告诉大家,不锈钢其实并不能保证不会生锈。通过电子透镜对不锈钢在微观层面上进行观察,发现不锈钢同样会产生腐蚀现象。而微生物在与金属接触时,会将酸性排泄物排到金属物质上,导致了腐蚀。在日常生活中,韩恩厚建议说,不锈钢锅中尽量不要放置盐和醋,尽快把有盐醋的食物倒出,而且在钢锅、铁锅中不要熬中药,刚拧开水龙头的水最好不用,稍微流一会再用。包括金、银、白金在内的贵金属,不容易生锈的原因在于,部分金属阳离子的标准电极电位为正值,化学活性较弱,不与水等介质发生反应。那么延伸到外太空,月球环境与火星环境存在明显差异,同样是航天部件,其耐腐蚀性有着不同的要求。同一个部件,前后面由于背对或面对太阳,会导致300多度的温差。

 

腐蚀虽然无处不在,不过不用过度担心,因为人类的科技水平已经发展处了很多应对腐蚀的方法。2500年前古人就已经掌握了先进的防腐蚀技术。韩恩厚说,可以通过很多方法来控制腐蚀,涂料涂装、耐腐蚀材料和表面处理是最常用的手段。通过调整钢铁材料中的化学元素成分、微观结构、腐蚀产物膜的性质,实现降低电化学反应速度,从而可以显著改善钢铁的耐腐蚀性。他说,2500年前的越王勾践剑和吴王夫差矛,在出土时居然没有腐蚀,原来当时就已经做了防腐蚀处理,所以出土时剑刃明亮锋利,金黄的青铜本色仍然一目了然,说明我们的祖先就已经有了先进的防腐蚀技术,甚至直到现在科学家都不知道古人是如何做的。

 

还有一种处理方式是覆盖层,在金属表面涂覆一层耐水、氧、离子渗透的材料,起到隔离腐蚀的作用。在航天事业中,防腐蚀技术更加重要。需要耐腐蚀材料与防腐蚀技术,应对空间原子氧腐蚀、低温真空、冷热循环、老化等一系列的极端环境挑战。韩恩厚还强调要对金属结构进行健康监测与检测,作为腐蚀控制决策的决策依据。那么,腐蚀是不是一点益处都不是?韩恩厚说,其实,腐蚀现象也有可以被利用的地方。其中,干电池就是典型的腐蚀应用,电池内部的中心碳棒发生腐蚀后,产生了电流。而在生活中,科学家们已经研发出了可降解的心血管支架、骨内固定器件,其原理就是腐蚀,通过设定器材的腐蚀寿命,就可以让器材不会长期在体内存在,在体内自然消解,而无须再利用手术等手段取出。