北京
近日，中國海洋大學與濱州魏橋國科高等技術研究院（以下簡稱“高研院”）合作完成的兩項重要成果，相繼在國際腐蝕領域頂刊《Corrosion Science》發表。中國海洋大學陳守剛教授和高研院李濤研究員共同擔任通訊作者，高研院侯悅博士為第一作者。研究聚焦7xxx系高強鋁合金在海洋工程、氫能儲輸兩大關鍵場景的腐蝕失效痛點，深度解析腐蝕機制，為高端裝備材料的安全應用提供了堅實的理論支撐與工程參考。
7xxx系高強鋁合金憑借“高強度+輕量化”的獨特優勢，成為海洋工程承重結構、氫能儲氫罐內膽等關鍵部件的首選材料——既能降低海洋裝備能耗，又能提升氫能儲輸效率，是支撐海洋強國戰略與氫能產業發展的關鍵基礎材料。但在實際服役中，它卻面臨兩大“致命挑戰”：氫能儲輸場景下，鋁合金會吸收氫能產生的原子氫，引發氫脆，導致材料韌性驟降、突發斷裂；海洋環境中，硫酸鹽還原菌等微生物通過代謝活動破壞鋁合金表面鈍化膜，加速應力腐蝕開裂，大幅縮短裝備服役壽命。
基于此，聯合團隊首先針對氫能儲輸中的氫脆問題，創新結合原位/預充氫實驗與多尺度模擬，系統闡明了7xxx鋁合金的氫脆行為與機制。研究表明，氫脆機制呈現顯著的濃度依賴性。低氫濃度下，氫促進局部塑性變形（HELP機制），延緩頸縮開裂；高氫濃度下，氫會削弱晶界結合力（HEDE機制），引發沿晶斷裂。值得關注的是，原位充氫條件下，鋁合金氫脆敏感性顯著降低，氫脆敏感性指數HEI僅為10.3%，為儲氫裝備的優化設計與安全運行提供了重要啟示。
與此同時，針對海洋環境中脫硫弧菌引發的微生物腐蝕與應力腐蝕問題，團隊通過電化學測試、微生物分析與原位慢應變率拉伸實驗，揭示了微生物腐蝕的核心機制。發現脫硫弧菌通過胞外電子轉移（EET）直接獲取鋁合金表面電子，其代謝產物硫化物進一步破壞鈍化膜、誘發點蝕，成為應力腐蝕裂紋的起源。在此基礎上，團隊進一步優化出適配不同環境的最優陰極保護電位，生物介質（含脫硫弧菌）中最優電位為-1050 mV（vs SCE），非生物介質中為-800 mV（vs SCE）。該結果為海洋工程中鋁合金結構的陰極保護方案提供了精準的電位窗口。
兩項研究不僅深化了對高強鋁合金在苛刻環境下失效機制的科學認識，更從“氫環境”與“微生物環境”兩個維度，為我國重大工程中材料選型、工藝優化與壽命評估提供了直接參考。
圖1 電化學充氫及SSRT實驗示意圖：（a）預充氫，（b）原位充氫
圖2 7xxx鋁合金在（A）未充氫、（B）低氫濃度和（C）高氫濃度環境下氫脆機理示意圖
圖3 配備原位電化學工作站與恒電位儀的慢應變速率拉伸裝置
圖4 7xxx鋁合金在D. vulgaris介質中的SCC機理示意圖：（a）初始階段，（b）成熟階段
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113291
https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113531
作者介紹:
陳守剛：通訊作者，中國海洋大學教授、博士生導師。主要從事海工裝備材料及其防護技術研發，圍繞海洋耐蝕材料與涂層防護、生物污損與抗菌材料、智能自修復防護涂層、材料多尺度仿真模擬、極端環境微生物腐蝕評價、環境凈化電催化納米材料、海洋微納能源與自驅動防污等方面開展基礎和應用基礎研究。近五年課題組先后主持國家自然科學基金重點/面上/青年項目、省部級課題等20余項，在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Functional Materials, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Corrosion Science, Nano Today, Chemical Engineering Journal等雜志發表SCI論文300余篇。
李濤：通訊作者，濱州魏橋國科高等技術研究院研究員，金屬材料中心副主任。主要從事功能涂層設計構筑與應用、先進表面工程技術、高純氧化鋁研發。
侯悅：第一作者，濱州魏橋國科高等技術研究院博士后。主要從事鋁合金表面腐蝕與防護相關研究。
本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。
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