海洋工程材料學(xué)

海洋工程材料學(xué)第1頁(yè)/共25頁(yè)2第一章緒論二、國(guó)際背景：美國(guó)2001年成立海洋政策委員會(huì)，對(duì)海洋政策進(jìn)行全面評(píng)估；2004年12月美國(guó)總統(tǒng)宣布成立部長(zhǎng)級(jí)的海洋政策委員會(huì)，直屬總統(tǒng)辦公室，全面反思海洋政策。日本明確提出要和美國(guó)爭(zhēng)奪海上領(lǐng)導(dǎo)權(quán)，政府斥資6億美元建造5700噸，210米長(zhǎng)的大洋鉆探船，比美國(guó)的大三四倍，明文提出要在海洋科學(xué)里“起領(lǐng)導(dǎo)作用”，以期與美國(guó)爭(zhēng)雄。韓國(guó)的水下無(wú)人運(yùn)載器也已經(jīng)不在美國(guó)之下，而且其在東海濟(jì)洲島西南，已經(jīng)建成了目前全球最大的海上觀測(cè)平臺(tái)。如果說(shuō)，100年前海上的國(guó)際之爭(zhēng)靠的是炮艦，現(xiàn)代的海上競(jìng)爭(zhēng)則很大程度上已經(jīng)是科技之爭(zhēng)。海洋上的這些科學(xué)舉措，實(shí)際意義往往超出學(xué)術(shù)范圍。第2頁(yè)/共25頁(yè)3第一章緒論§1.2材料與海洋一、海洋材料的概念所謂海洋材料，宏觀上是指能從海洋中提取的材料和專屬用于海洋開(kāi)發(fā)的各類(lèi)特殊材料二、海洋材料的研究意義彰顯學(xué)科的交叉性和融合性：與眾多學(xué)科（生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、化學(xué)化工、海洋地質(zhì)、海洋物理等）產(chǎn)生交叉融合彰顯研究領(lǐng)域的創(chuàng)意性：提出海洋材料的概念并將材料科學(xué)與工程建立在海洋大科技的背景下，有利于拓展和開(kāi)創(chuàng)新型研究領(lǐng)域及新的材料產(chǎn)業(yè)化方向適應(yīng)沿海地區(qū)（區(qū)域）科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要：適時(shí)提出海洋材料概念和戰(zhàn)略，對(duì)于完善國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)框架和布局以及對(duì)于創(chuàng)立我國(guó)的新材料品牌均具有重大戰(zhàn)略意義第3頁(yè)/共25頁(yè)4第一章緒論§1.3海洋極端環(huán)境一、深海熱液活動(dòng)海底熱液活動(dòng)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地球深部過(guò)程的窗口，其產(chǎn)物之一-熱液硫化物，富含銅、鉛、鋅、金、銀等多金屬元素，是極具開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)景的潛在資源。熱液活動(dòng)區(qū)生物群落奇異的生命表現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的極端環(huán)境下無(wú)生命存在的認(rèn)識(shí)，豐富了深海生物基因庫(kù)，在工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。圖1海底熱液活動(dòng)圖圖2金屬硫化礦的形成第4頁(yè)/共25頁(yè)5第一章緒論§1.3海洋極端環(huán)境二、熱液的概念所謂熱液，就是原來(lái)比較冷的海水沿裂隙進(jìn)入洋中脊的地殼，由于這里的地殼是地球上最薄的地方，海水可以繼續(xù)滲入數(shù)公里深處的地幔處，并發(fā)生物質(zhì)交換，被地幔加熱后返回到海底，由于高溫（300～400℃）而比重輕（0.7g/cm3）、富含硫化物，這種熱液的噴出速度高達(dá)每秒數(shù)米，就如黑煙一般，尉為奇觀。圖3熱液生物群圖

打破“深海無(wú)生命論”第5頁(yè)/共25頁(yè)6第一章緒論§1.3海洋極端環(huán)境三、熱液生物群熱液生物群的發(fā)現(xiàn)是石破天驚的，不僅是因?yàn)樯锏拿芏缺戎車(chē)５赘咭蝗f(wàn)倍到十萬(wàn)倍，而且還是這種生物群所賴以生存的能量來(lái)源熱液群生物圖4三米長(zhǎng)的蠕蟲(chóng)

圖5瓣鰓類(lèi)貝殼圖圖6海底油井中發(fā)現(xiàn)的熱液細(xì)菌第6頁(yè)/共25頁(yè)7第一章緒論§1.3海洋極端環(huán)境四、熱液生物群的研究意義人類(lèi)對(duì)深海海底的了解，并不比月球、甚至于火星了解更多。雖然有眾多的考察航次，或者通過(guò)取樣甚至深潛的直接方法，或者借助間接的物理手段進(jìn)行考察，但仍免不了滄海一粟或者霧里看花的缺陷。從海底的地震源區(qū)到熱液活動(dòng)區(qū)，都亟需進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)、而不是瞬間短暫的觀測(cè)。因此近十余年來(lái)，做出了種種努力將觀測(cè)點(diǎn)布置到海底這些處于極端環(huán)境的區(qū)域。這就提出了研究深海極端環(huán)境的海洋微生物對(duì)于探測(cè)設(shè)備材料的腐蝕機(jī)制及其耐深海硫化腐蝕特性的課題，因?yàn)楹Ｑ蠊こ滩牧鲜沁M(jìn)行深海研究的基礎(chǔ)載體。第7頁(yè)/共25頁(yè)8第一章緒論§1.4海洋微生物腐蝕(microbialcorrosion)

統(tǒng)計(jì)表明，與海洋微生物附著有關(guān)的材料破壞和失效占到涉海材料總量的70%-80%，微生物膜對(duì)材料界面腐蝕過(guò)程的影響已經(jīng)受到材料界和海洋界的廣泛關(guān)注。微生物膜及界面的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)規(guī)律，以及檢驗(yàn)和控制技術(shù)已經(jīng)成為海洋材料科學(xué)及海洋工程關(guān)鍵配套材料的重要研究方向。研究涉海材料的微生物特別是深海熱液區(qū)微生物附著腐蝕機(jī)制，對(duì)于材料科學(xué)更有力的服務(wù)于國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略至關(guān)重要。圖7.常見(jiàn)的幾種附著海洋微生物A海洋細(xì)菌B海洋細(xì)菌C硅藻E鐘形蟲(chóng)海洋生物污損(biofoul)第8頁(yè)/共25頁(yè)9顯微鏡下的世界：微觀攝影最佳照片1979年最佳圖片：細(xì)長(zhǎng)的原生動(dòng)物吸附在充滿細(xì)菌的綠藻表面（美國(guó)羅德愛(ài)蘭州大學(xué)攝影師、生物學(xué)家保羅-約翰遜拍攝，放大了160倍）/bbs/localhw/155732891.html第9頁(yè)/共25頁(yè)10第一章緒論§1.4海洋微生物腐蝕從國(guó)內(nèi)外對(duì)海水中生物膜與微生物附著腐蝕的研究現(xiàn)狀來(lái)看，生物污損和微生物附著腐蝕控制的唯一有效措施是長(zhǎng)期使用殺菌劑，由于環(huán)保要求和不完全有效等原因，殺菌劑的使用會(huì)越來(lái)越受到限制，發(fā)展新型更有效的控制措施和新型材料勢(shì)在必行。生物污損和微生物腐蝕都是通過(guò)生物膜發(fā)生作用的，控制生物污損和微生物腐蝕的有效途徑是控制生物膜生長(zhǎng)。深入了解生物膜的特征和發(fā)展過(guò)程是發(fā)展有效的生物膜控制技術(shù)的基礎(chǔ)，是減少生物污損和生物誘導(dǎo)腐蝕影響的關(guān)鍵解決微生物腐蝕和生物污損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著和生長(zhǎng)。第10頁(yè)/共25頁(yè)11第一章緒論§1.4海洋微生物腐蝕生物膜的形成和增長(zhǎng)可分為五個(gè)階段：條件膜可逆吸附不可逆吸附生物膜形成生物膜脫落不可逆和大量發(fā)生的微生物以可逆的傳輸機(jī)理和材料表面相接觸。微生物緊緊的吸附在材料的表面。粘性的微生物生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)形成了一種多重的膜部分生物膜有脫落現(xiàn)象發(fā)生控制關(guān)鍵步驟第11頁(yè)/共25頁(yè)12第一章緒論§1.4海洋微生物腐蝕界面和表面一直是材料研究的前沿和難點(diǎn),以往的研究?jī)H限于無(wú)生命材料之間形成的界面和表面，而涉海材料與附著微生物之間形成的界面和表面是半生命、半活性的獨(dú)特復(fù)合界面，不僅具有復(fù)合材料界面的普遍組織結(jié)構(gòu)特征，而且具有動(dòng)態(tài)發(fā)展、兼有生物化學(xué)反應(yīng)的“活”的獨(dú)特結(jié)構(gòu)的特征，這就使得海洋材料界面研究的新穎性不僅對(duì)于材料制備科學(xué)具有重大的理論意義，而且對(duì)于發(fā)展耐海洋微生物附著的海洋平臺(tái)及深海探測(cè)用材料也具有極其重要的實(shí)際意義。第12頁(yè)/共25頁(yè)13第一章緒論§1.5海洋工程材料一、海洋環(huán)境材料海洋是生物物種的發(fā)源地，也是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。然而，由于工業(yè)化速度的快速增長(zhǎng)和資源的過(guò)渡利用，人類(lèi)對(duì)于海洋環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重。由于海洋自身的特點(diǎn)，海洋環(huán)境污染的治理與陸地環(huán)境有相當(dāng)大的差別，治理的難度要大得多。對(duì)于使用方便、耐風(fēng)浪、易回收的油污圍欄材料，低成本、高強(qiáng)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開(kāi)發(fā)式極為重要的。第13頁(yè)/共25頁(yè)14第一章緒論§1.5海洋工程材料二、海洋國(guó)防材料海洋是各國(guó)爭(zhēng)奪的重要領(lǐng)域，領(lǐng)海是國(guó)家主權(quán)的一部分，發(fā)展用于海洋作戰(zhàn)的裝備制造材料是增強(qiáng)一個(gè)國(guó)家國(guó)防實(shí)力的重要組成部分。由于海洋和?？盏奶厥庑?，具有特殊功能的結(jié)構(gòu)和功能材料是海防高科技研究的重要組成部分。第14頁(yè)/共25頁(yè)15第一章緒論§1.5海洋工程材料三、海洋結(jié)構(gòu)材料船體結(jié)構(gòu)鋼及配套材料研究：材料制備的低成本、工藝簡(jiǎn)單、高效是第三代船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展目標(biāo)。如超低碳貝氏體鋼和高強(qiáng)度低合金鋼的結(jié)合可使耐腐蝕性和高強(qiáng)度獲得重大發(fā)展。鈦和鈦合金：由于鈦合金材料顯示良好的斷裂韌性、耐腐蝕性、高溫強(qiáng)度和低磁信號(hào)，重視發(fā)展鈦合金材料的規(guī)格配套及制造工藝技術(shù)是十分重要的。高溫合金及高溫結(jié)構(gòu)材料：以解決艦船燃?xì)廨啓C(jī)、增壓鍋爐、大功率柴油機(jī)用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料為重點(diǎn)，逐步形成艦船高溫合金的系列。高溫結(jié)構(gòu)材料和涂層包括金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物、碳-碳基復(fù)合材料、高性能永磁材料、高溫超導(dǎo)材料、防滑涂層、儲(chǔ)氫材料、梯度功能材料等。第15頁(yè)/共25頁(yè)16第一章緒論§1.5海洋工程材料四、海洋生物材料海洋是一個(gè)巨大的生物生長(zhǎng)環(huán)境，其表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地面積，生物的生長(zhǎng)量非常巨大。目前，海洋除了提供食品的海洋捕撈和養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)外，作為材料生產(chǎn)的原料資源利用得還相當(dāng)不充分。海藻資源利用技術(shù)甲殼素資源利用技術(shù)第16頁(yè)/共25頁(yè)17第一章緒論§1.6海洋材料研究現(xiàn)狀針對(duì)海洋科技的研究特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，目前我們對(duì)海洋材料的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：海洋新型防護(hù)材料：主要圍繞長(zhǎng)效新型環(huán)保型樹(shù)脂、防污劑以及防污涂料；滿足船舶及海洋工程設(shè)施用超耐候、超長(zhǎng)壽命防護(hù)的水性化系列海洋涂料；混凝土堤壩、碼頭的耐海水沖刷表面保護(hù)的新材料進(jìn)行研究設(shè)計(jì)；海洋深潛材料：針對(duì)海洋開(kāi)發(fā)研究向深海推進(jìn)的趨勢(shì)，研究設(shè)計(jì)深水耐壓浮力材料、高性能耐蝕鈦合金材料、非晶態(tài)耐蝕合金材料、高耐壓密封防水、可在6000-10000米深海使用的新型海洋專用材料；海水淡化基地配套關(guān)鍵材料：配合國(guó)家海水淡化基地建設(shè)，為海水泵體及葉輪葉片研究專門(mén)配制的關(guān)鍵材料；新概念海洋材料：根據(jù)海洋新材料的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)先開(kāi)展表面抗老化、抗附著功能層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17頁(yè)/共25頁(yè)18第一章緒論§1.6海洋材料研究現(xiàn)狀海洋環(huán)境材料：海洋環(huán)境材料是用于保護(hù)海洋環(huán)境用的材料。對(duì)海洋環(huán)境影響最大的是油料的泄漏，應(yīng)重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)使用方便、耐風(fēng)浪、易回收的油污圍欄材料；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；海洋敏感與監(jiān)測(cè)材料：海洋環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)是海洋科學(xué)與工程的重要內(nèi)容，研究具有溫度敏感、化學(xué)物質(zhì)敏感、生物敏感的功能材料，是提高海洋研究水平的重要保證；軍事海洋材料：包括各種艦船的隱身材料、防腐材料、甲板防滑材料、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣隔熱材料，阻燃材料、深水耐壓浮力材料、艦載導(dǎo)彈天線罩材料、軍港防衛(wèi)設(shè)施建筑材料，雷達(dá)探測(cè)及各種檢測(cè)傳感器材料等均是寓軍于民的重大措施第18頁(yè)/共25頁(yè)19第一章緒論§1.7海洋材料探索性研究一、涉海材料微生物附著腐蝕界面動(dòng)力學(xué)過(guò)程海洋環(huán)境千變?nèi)f化，溫度、鹽度、水深及其污染程度等無(wú)不對(duì)海洋微生物的生長(zhǎng)繁殖起到不可忽視的影響，而涉海材料表面化學(xué)、礦相組成與微觀組織結(jié)構(gòu)的不同也決定了海洋微生物的附著過(guò)程的多樣性，復(fù)雜性和不可確定性。因此，針對(duì)涉海材料海洋微生物附著動(dòng)力學(xué)的研究就不能局限于一類(lèi)物種，或者一種材料。根據(jù)海洋材料的研究特點(diǎn)，我們將海洋微生物環(huán)境主要分為兩個(gè)區(qū)域：近岸淺海區(qū)域與深海海泥區(qū)。傳統(tǒng)的海洋微生物腐蝕研究主要是針對(duì)深海海泥區(qū)的缺氧環(huán)境，也就是對(duì)厭氧的硫酸鹽還原菌的研究，而對(duì)近岸淺海區(qū)域涉海材料表面附著的優(yōu)勢(shì)菌種研究較少。青島近岸優(yōu)勢(shì)菌種為需鈉弧菌第19頁(yè)/共25頁(yè)20第一章緒論§1.7海洋材料探索性研究一、涉海材料微生物附著腐蝕界面動(dòng)力學(xué)過(guò)程從圖中可以看出，浸泡1天后不銹鋼表面附著的細(xì)菌數(shù)量很少，直到第3天才可以清晰確定其表面已有細(xì)菌。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，在第7天時(shí)，不銹鋼表面附著的細(xì)菌數(shù)量急劇增加，并聚集形成菌落，細(xì)菌呈鏈狀排列，試樣表面逐漸被細(xì)菌覆蓋，形成微生物膜。在第14天時(shí)，由于生物膜、腐蝕產(chǎn)物的脫落，表面細(xì)菌數(shù)量明顯減少，說(shuō)明材料表面附著的微生物膜并非一成不變，而是處于吸附、脫附動(dòng)態(tài)變化中。第20頁(yè)/共25頁(yè)21第一章緒論§1.7海洋材料探索性研究一、涉海材料微生物附著腐蝕界面動(dòng)力學(xué)過(guò)程從能譜圖上可以發(fā)現(xiàn)，除了基體原有的Fe、Cr、Ni三種元素，又出現(xiàn)了與微生物生命活動(dòng)有關(guān)的C、O、P、S四種元素，證明了生物膜的存在。第21頁(yè)/共25頁(yè)22第一章緒論§1.7海洋材料探索性研究二、陶瓷基高強(qiáng)高韌輕質(zhì)深海材料的設(shè)計(jì)與制備我國(guó)深海探測(cè)及其他深海設(shè)備使用的特種材料基本依賴進(jìn)口，如深潛器外殼材料，需要材料高強(qiáng)度、比重輕、高韌性、耐腐蝕、抗附著。該材料已經(jīng)成為我國(guó)深?？萍及l(fā)展和軍事用途的制約因素。而TiAl/B4C復(fù)合材料是我們目前研究的突破口。晶內(nèi)納米TiB2顆粒TiAl/B4C復(fù)合材料斷口SEM照片TiAl/B4C復(fù)合材料海水中浸泡50天后的表面形貌第22頁(yè)/共25頁(yè)23第一章緒論§1.7海洋材料探索性研究三、環(huán)境友好型仿生納米涂層的研究人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)入海洋開(kāi)發(fā)的新時(shí)代，海洋資源開(kāi)發(fā)、海上運(yùn)輸、海港和海防建設(shè)等領(lǐng)域都需要大量新型表面防護(hù)材料，研究這些材料的制備工藝、失效機(jī)制、探索未來(lái)海洋開(kāi)發(fā)所需求的新概念表面防護(hù)理論就顯得格外重要和迫切。而在金屬基體上構(gòu)建環(huán)境友好型仿生納米涂層是近年來(lái)表面防腐技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域。氧化鈦納米管陣列的FESEM照片仿荷葉表面納米涂層仿蜂巢結(jié)構(gòu)納米涂層第23頁(yè)/共25頁(yè)24第一章緒論§1.8展望將材料與海洋科技結(jié)合還