美丽的极地让人遐想无限，壮丽的冰川、浪漫的极光、奇妙的极昼与极夜、可爱的企鹅无一不令人憧憬和向往，这些也吸引着我国一代又一代科学家探索极地的美妙，勾勒出多彩的极地。自从1984 年五星红旗在乔治王岛首次飘扬至今，我国在两极已建成长城站、中山站、昆仑站、泰山站、黄河站等试验站，有力支持了我国极地科考研究。

极地气候系统在全球资源和战略中具有重要意义，随着人类对极地资源的开发以及各国极地权益的维护，极地研究也日益成为地区与环境科学领域的核心和热点话题。根据常识认为，冰天雪地环境下，气温如此之低，发生腐蚀的可能微乎其微。然而，根据实际观察，极地环境下并非没有腐蚀发生，而是在这种特殊环境下发生了一定程度的腐蚀，本期“2023年世界腐蚀日”就带您探索极地环境下的腐蚀问题。

一、极地环境下材料腐蚀 / 老化研究意义

 极地海洋资源开发与权益维护离不开海洋工程装备，而材料是海洋工程装备建设的基础，材料在极地环境下的腐蚀 /老化问题研究的意义重大。首先，目前国际间海洋资源开发及权益维护已经逐步向极地及深远海环境扩展，而应对这些的关键在于海工及海军装备的服役安全问题。材料在极地环境下的腐蚀与国内及近海区域明显不同，目前美国、韩国、俄罗斯、澳大利亚等国家均已开展了典型材料在极地环境下的腐蚀研究工作并获得了一手的数据，但这些研究才刚刚开始，所获数据也只是部分大气及海洋环境下的腐蚀规律。我国在极地环境下的腐蚀行为研究及其数据积累方面还处于空白阶段，相关研究的开展对于提升我国在深极地区域权益维护的竞争力具有重要意义；第二，国家“十三五”规划明确提出了拓展蓝色经济空间的四项海洋重大工程，其中 “雪龙探极”及“全球海洋立体观测网”分别要求研发适用于极地环境的探测技术及装备并形成全球海洋立体观（监）测系统。而材料在极地极端、苛刻环境下的服役安全问题是上述重大工程建设的关键所在；第三，在开展极地资源开发过程中，海洋工程装备服役中无法避免的问题即为海工材料在苛刻环境下的腐蚀损伤和失效，这已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一。目前，我国相继开展了典型金属材料在海洋大气及近海海水中的腐蚀行为，然而国内对于材料极地环境下腐蚀数据积累工作还处于空白阶段，这无疑限制了极地环境下海洋工程装备的选材工作。因此，开展材料在极地环境下的腐蚀数据积累及环境-腐蚀/老化相关性研究是海洋资源深入开发的关键所在，具有重要的科学意义和工程应用价值。

二、极地环境下材料的腐蚀/老化

目前，极地材料腐蚀研究主要集中在北极和南极圈附近的国家，他们已经率先开展了相关研究项目，旨在评估材料在这种苛刻环境下的服役安全性。目前已知的极地腐蚀研究项目包括俄罗斯远东及南极腐蚀研究项目、挪威-俄罗斯北极联合研究项目、澳大利亚南极腐蚀研究项目、美国阿蒙森海-斯科特南极试验站以及世界范围内的大气腐蚀研究项目ISOCORRAG 和MICAT中的部分站点（图 2）。

1. 金属材料腐蚀

    澳大利亚的 Maxwell 等通过研究南极 Ross 岛上材料的腐蚀认为，南极区域影响腐蚀的主要因素包括以下四点（图 3）：

    （1） 较高的风速，且风中有时会含有颗粒损伤材料表面；

    （2） 较高的太阳辐照，导致有机材料的老化；

    （3） 材料表面覆盖的雪以及冰中的可溶性盐；

    （4） 夏季温度高于冰雪的融点导致材料表面被可溶性盐膜覆盖。

以上四方面会严重影响材料的腐蚀行为，并且Morcillo等发现，即使在冰层下，电化学腐蚀依然可以发生，这也导致金属材料在极地环境下腐蚀并没有想象中的轻微。以北极圈附近的阿蒂加斯为例，该地平均温度虽然低于0℃，但相对湿度和Cl^-沉积速度均不低于我国的西沙海洋大气环境，对比不同材料的腐蚀速率结果发现，碳钢、锌、铜和铝均有较高的腐蚀速率，铝的腐蚀速率甚至高于我国西沙海洋大气环境。

图3 极地大气环境下材料腐蚀影响因素示意图

Marco等研究了SAE1070 碳钢在极地气候的乔治王岛以及亚热带海洋气候的复活节岛的腐蚀行为发现，极地气候的相对湿度较高，且当地 SO2 浓度较高，可能与火山喷发有关。极地气候下碳钢的腐蚀速率略低，腐蚀产物主要为 α-FeOOH，亚热带气候下碳钢的腐蚀速率略高，腐蚀产物主要为 γ-FeOOH。

Hughes及Mikhailov 等对北极及南极区域碳钢的腐蚀行为进行了研究发现，在南极区域（纬度为负值），碳钢均经受了不同程度的腐蚀，在海拔较高且靠近南极的区域腐蚀较为轻微，其中在南极点，碳钢的腐蚀最轻；在海拔较低的区域，腐蚀相对较为严重且波动较大；在北极纬度略低的区域，腐蚀较为严重，甚至高于其他海洋大气环境。

2. 有机涂层老化

    除金属材料外，涂层在极地区域也会经受严重的损坏直至失去对金属的保护作用。在低温与强辐射综合作用下，涂层极易与基体发生剥离，并在强风下发生脱落。我国南极长城站即面临涂层老化严重的问题。目前，关于涂层在极地环境下服役的研究相对较少，Hattori 等在 1991 年研究了 12 种涂层材料在阿拉斯加地区 -25℃～+16℃下的失效行为，研究发现，氯乙烯和氯化橡胶在低温下的保护性较差，富锌涂料、喷涂锌与环氧树脂 / 聚氨酯混合使用具有较好的效果。Bjoergum等研究了5种涂层在 -10℃～-60℃下对金属的保护性发现，低温条件下，腐蚀与机械载荷共存时，聚硅氧烷面漆保护性较差，增强聚酯涂料和硫化橡胶性能较好。Momber 等在实验室研究过程中提出，使用 ISO20340 进行涂层耐久性试验中选用的最低温度（-20℃）偏高，并选用 -60℃开展了加速老化试验，用来模拟极地环境下涂层的失效行为。研究结果表明，聚氨酯涂层低温下对金属的保护性效果较好，并以此指导极地开发中的海洋平台的涂装选择。

3. 微生物腐蚀

南北极寒冷、干燥及强紫外辐射的极端环境孕育出数量丰富、种属各异的极地微生物，它们参与了极地大气和海洋间的碳循环，在基础研究方面具有重大的意义，是各领域科学家们研究新型微生物资源、低温修复、极地环境工程等科学技术问题的首要关注目标。由于极地海洋具有常年酷寒冰冻、光照辐射大、海冰层海水盐度高等极端环境特点，导致极地微生物也多具备独特分子生物学机制和生理生化特征。

温度是影响多糖分泌和活性的重要因素，上海海事大学研究发现叶氏假交替单胞菌在4 ℃与20 ℃下的总糖含量分别5.67 mg/g 与3.27 mg/g，证明低温环境确实促进极地微生物的分泌多糖。而多糖总量的提高可以有效抑制金属材料的腐蚀。埃及学者Hassan等研究发现多糖对于金属材料表面腐蚀的作用受温度影响比较明显，果胶酸盐作为一种水溶性天然多糖对于金属铝的腐蚀具有抑制作用，而其抑制效率随着温度的升高而降低，说明在低温条件下多糖能够更大程度地抑制金属表面腐蚀。极地微生物为保证生存，低温下分泌多糖含量增加，大大提高了生物膜的形成速度，而极地微生物的多糖含量一般较高，例如，来自南极的Sporobolomyces Salmonicolor AL 的胞外多糖最大产量为5.64 g/L，L. scotii 和C. laurentii AL 分别具有7.5 g/L 和6.0 g/L 的多糖生物量，以及文中提到极地微生物多糖的结构也发生一定改变，推测极地微生物分泌多糖对于金属材料的腐蚀会有比较明显的作用。目前极地微生物多糖的腐蚀研究相对空白，但是极地微生物多糖对金属材料腐蚀意义重大。该领域的研究可以丰富现有的微生物腐蚀机制、开发绿色缓蚀剂、提高极地微生物资源的利用率等（图4）。微生物多糖、生物膜、金属材料腐蚀三者构成沙漏状关系，不同种微生物多糖通过生物膜作为连接点，促进或者抑制金属材料表面的腐蚀，在此基础上，进一步探索极地微生物多糖的腐蚀机制对于未来极地服役材料的抗腐蚀性研究十分重要。

图4 极地微生物多糖结构、功能、合成及应用

三、国内极地环境材料服役性能研究进展及发展方向

目前，关于海工钢尤其是极地用钢的低温脆性关注较多，为发展海洋强国战略，开发利用极地资源，中国极地研究中心、中国船级社、上海海事大学、中国海洋大学、吉林大学、宝武钢铁、鞍山钢铁、江南造船等多家研究院所及企业都将极地钢铁材料的研制作为其工作方向之一。

极地钢铁材料的研发，首先需要满足其在极地环境下使用的力学性能要求。极地钢铁材料作为结构材料在极地特色的低温、高盐、大风、高浪、暴风雨雪、浮冰等环境下服役时，要求极地钢具有低的脆韧转变温度、高的屈服强度、优的低温止裂性、好的焊接性，同时还应具有优秀的耐磨性等。

极地钢铁材料的研发需要在满足其低温力学性能要求的同时兼顾其耐腐蚀性能。极地特色的腐蚀环境对于极地钢铁材料的耐腐蚀性能要求也是非常苛刻的，揭示极地钢铁材料化学成分、微观组织、制备工艺等对其在极地各种腐蚀环境下的腐蚀机理，尤其是冰雪、冰水存在时的极地大气腐蚀、磨蚀、疲劳腐蚀、冲刷腐蚀等极地低温腐蚀机理；极地钢铁材料作为结构钢，在极地环境中服役时还应考虑其极地环境中的应力腐蚀机理、力学-化学效应等腐蚀机理；基于上述理论研发具有综合低温力学性能及耐极地环境腐蚀的钢铁材料是极地钢铁材料研发重要的方向；开发我国自主知识产权、特色的、国产化的极地钢铁材料产品体系也是非常重要且有意义的一项任务。

极地钢铁材料的研发还需配套研究极地钢铁材料在极地环境中适用的防护技术。研发抗冰、耐磨、耐蚀、绿色的低温涂层，揭示极地环境下涂层的防腐机理、调整涂层设计、研究涂层与金属界面科学问题、优化涂装技术都是重要的研发方向；在极地阴极保护技术研发中，需要研究阴极保护技术的适用性，基于阴极保护理论研究布局牺牲阳极的位置和大小、设计合理的阴极保护电流大小、研制配套阴极保护装备等内容，同时，还可基于数值模拟等技术，利用有限元等方法研究及优化阴极保护技术。