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1、海洋工程材料,主講人：黃翔,中國海洋大學(xué)本科生課程,第一章 緒論,1.1 引 言,一、意義： 21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，而材料科學(xué)又是發(fā)展海洋科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)；沒有高性能材料作為物質(zhì)保證，海洋科技的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化將受到很大制約。目前，除航天等少數(shù)領(lǐng)域外，我國許多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)，尚不具備強(qiáng)勢的競爭力；海洋材料研究在一些領(lǐng)域甚至落后于韓國。加速海洋材料領(lǐng)域的科學(xué)研究及高科技成果的產(chǎn)業(yè)化已 迫 在 眉睫。,第一章 緒論,二、國際背景：,美國2001年成立海洋政策委員會，對海洋政策進(jìn)行全面評估；2004年12月美國總統(tǒng)宣布成立部長級的海洋政策委員會，直屬總統(tǒng)辦公室，全面反思海洋政策。,日本明確提出要和

2、美國爭奪海上領(lǐng)導(dǎo)權(quán)，政府斥資6億美元建造5700噸，210米長的大洋鉆探船，比美國的大三四倍，明文提出要在海洋科學(xué)里“起領(lǐng)導(dǎo)作用”，以期與美國爭雄。,韓國的水下無人運(yùn)載器也已經(jīng)不在美國之下，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平臺。,如果說，100年前海上的國際之爭靠的是炮艦，現(xiàn)代的海上競爭則很大程度上已經(jīng)是科技之爭。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發(fā)的各類特殊材料,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

3、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，對于完善國家新材料產(chǎn)業(yè)框架和布局以及對于創(chuàng)立我國的新材料品牌均具有重大戰(zhàn)略意義,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)是人類認(rèn)識地球深部過程的窗口，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)境下無生命存在的認(rèn)識，豐富了

4、深海生物基因庫，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（300400）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 “深海無生命論”,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?/p>

5、底高一 萬倍到十萬倍，而且還是這種生物群所賴以生存的能量來源,熱液群生物,圖4 三米長的蠕蟲,圖5 瓣鰓類貝殼圖,圖6 海底油井中發(fā)現(xiàn)的熱液細(xì)菌,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,人類對深海海底的了解，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)行長期連續(xù)、而不是瞬間短暫的觀測。因此近十余年來，做出了種種努力將觀測點(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)境的海洋微生物對于探測設(shè)備材料的腐蝕機(jī)制及其

6、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。,第一章 緒論,1.4 海洋微生物腐蝕(microbial corrosion),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%，微生物膜對材料界面腐蝕過程的影響已經(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，對于材料科學(xué)更有力的服務(wù)于國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略至關(guān)重要。,圖7.常見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

7、蟲,海洋生物污損(biofoul),顯微鏡下的世界：微觀攝影最佳照片,1979年最佳圖片： 細(xì)長的原生動(dòng)物吸附在充滿細(xì)菌的綠藻表面 （美國羅德愛蘭州大學(xué)攝影師、生物學(xué)家保羅-約翰遜拍攝，放大了160倍）,第一章 緒論,1.4 海洋微生物腐蝕,從國內(nèi)外對海水中生物膜與微生物附著腐蝕的研究現(xiàn)狀來看，生物污損和微生物附著腐蝕控制的唯一有效措施是長期使用殺菌劑，由于環(huán)保要求和不完全有效等原因，殺菌劑的使用會越來越受到限制，發(fā)展新型更有效的控制措施和新型材料勢在必行。生物污損和微生物腐蝕都是通過生物膜發(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。深入了解生物膜的特征和發(fā)展過程是發(fā)展有效

8、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。,第一章 緒論,1.4 海洋微生物腐蝕,生物膜的形成和增長可分為五個(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),以往的研究僅限于無生命材料之間形成的界面和表面，而涉海材料與附著微

9、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于材料制備科學(xué)具有重大的理論意義，而且對于發(fā)展耐海洋微生物附著的海洋平臺及深海探測用材料也具有極其重要的實(shí)際意義。,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)化速度的快速增長和資源的過渡利用，人類對于海洋環(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。對于使用方便、耐風(fēng)

10、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發(fā)式極為重要的。,第一章 緒論,1.5 海洋工程材料,二、海洋國防材料,海洋是各國爭奪的重要領(lǐng)域，領(lǐng)海是國家主權(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)國家國防實(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

11、：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，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、儲氫材料、梯度功能材料等。,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)巨大的生物生長環(huán)境，其表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地面積，生物的生長量非常巨大。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。,

12、海藻資源利用技術(shù),甲殼素資源利用技術(shù),第一章 緒論,1.6 海洋材料研究現(xiàn)狀,針對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：主要圍繞長效新型環(huán)保型樹脂、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：針對海洋開發(fā)研究向深海推進(jìn)的趨勢，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：配合國家海水淡化基地建設(shè)，

13、為海水泵體及葉輪葉片研究專門配制的關(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，預(yù)先開展表面抗老化、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)測材料：海洋環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測是海洋科學(xué)與工程的重要內(nèi)容，研究具有溫度敏感、化學(xué)物質(zhì)

14、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)探測及各種檢測傳感器材料等均是寓軍于民的重大措施,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不對海洋微生物的生長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程的多樣性，復(fù)雜性和不可確定性。因此，針對涉海材料海洋微生物附著動(dòng)力學(xué)的研究就不能局

15、限于一類物種，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深海海泥區(qū)的缺氧環(huán)境，也就是對厭氧的硫酸鹽還原菌的研究，而對近岸淺海區(qū)域涉海材料表面附著的優(yōu)勢菌種研究較少。,青島近岸優(yōu)勢菌種為需鈉弧菌,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，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

16、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,我國深海探測及其他深海設(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)成為我國深海科技發(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。,TiAl/B4C復(fù)合材料海水中浸泡50天后的表面形貌,仿蜂巢結(jié)構(gòu)納米涂層,仿荷葉表面納米涂層,氧化鈦納米管陣列的FESEM 照片,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,人類已經(jīng)進(jìn)入海洋開發(fā)的新時(shí)代，海洋資源開發(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、探索未來海洋開發(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表面防腐技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域。,第一章 緒