引言
船舶海洋工程是现代经济发展的重要支柱，它不仅涵盖了国际贸易中超过 90% 的货运海洋运输，还包括了海洋油气资源开发、海上风电等新能源领域。海洋工程结构与船舶的腐蚀防护是保障其安全、可靠运行的关键。
由于海洋高盐，富氧，微生物、宏生物多等，再加上波浪的拍打和日光的照射，使得腐蚀问题尤为严重。当前海洋资源开发工作中，仅仅腐蚀问题所造成的损失，占据我国 GDP 的 5%。在 ISO12944 中，海洋环境的腐蚀等级被列为最高。腐蚀不仅会导致船舶海洋工程结构材料的强度和耐久性下降，增加维护和更换成本，还可能引发重大安全事故。此外，还会引起生物污损，如海洋生物在船底的附着和生长，会增加船舶的航行阻力，降低航行速度，增加燃耗，造成经济损失。有效的腐蚀防护措施可显著提高海洋工程结构服役寿命，降低维护成本，保障人员和环境安全，对于实现海洋资源的可持续开发具有重要意义。
1、船舶海洋工程腐蚀现状
1.1 腐蚀类型与机理
船舶和海洋工程结构长期处于海洋环境中，高盐度、高湿度、微生物活动及温度变化大等因素造成了腐蚀。腐蚀包括但不限于电化学腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、氢致开裂、晶间腐蚀、脱合金化、摩擦腐蚀和高温腐蚀等 [1]。不仅影响结构完整性和功能性，还可能导致灾难性事故，如断裂、泄漏等，对人员安全和环境都构成威胁。
1.2 腐蚀造成的危害与损失
腐蚀对船舶和海洋工程结构的影响很大，不仅会使材料强度下降、结构失效，还可能引发重大安全事故。例如，腐蚀可能导致船舶结构失效，海洋平台结构损坏，海底管道泄漏，以及港口和码头设施的破坏，不仅增加了经济成本，还可能导致环境污染和资源浪费。
1.3 现有防腐措施的有效性分析
为减少海洋腐蚀的危害，已发展出多种防腐措施，包括使用耐腐蚀材料、表面处理技术、防腐涂层、阴极保护、环境控制及定期检查和维护等。比如，通过对钢材化学成分、组织结构、腐蚀产物膜等的调控，可以大幅提高钢材的抗腐蚀性能。另外，也可以通过化学和物理的方法来改变材料或部件的化学组成和微观结构，从而改善部件的抗腐蚀性能。在金属表面涂覆一层耐水、氧、离子渗透的材料，以及注重工程装备使用过程中的日常维护保养等也是应对腐蚀的有效方法 [2]。
然而，防腐措施有效性受防腐材料选择、施工质量、维护保养及时性等因素影响。例如，涂层完整性对防腐蚀至关重要，一旦涂层破损，腐蚀就可能在局部区域加速发生。因此，需定期检查和维护涂层，确保其完整性和有效性。此外，阴极保护系统的设计和施工质量也直接影响其保护效果，需要专业设计和施工团队负责。
2、防腐涂料的创新与应用
2.1 海洋防腐涂料的分类与性能要求
海洋防腐涂料是海洋工程中至关重要的材料，其保护结构免受海洋环境恶劣条件的侵蚀。涂料的应用范围广泛，包括船舶、海上平台、港口机械、输油管线等。
海洋防腐涂料包括环氧类、聚氨酯类、富锌类、丙烯酸类、橡胶类、氟树脂类、有机硅类、聚脲类、玻璃鳞片类和石墨烯类等。每种涂料都有独特的性能和应用场景。例如，环氧类防腐涂料因其优异的附着力、强度和耐化学品性，在海洋重防腐领域应用广泛。而氟树脂类涂料则因其出色的耐候性和耐腐蚀性，适用于桥梁等长期暴露在海洋环境中的结构。
性能要求方面，海洋防腐涂料需要具备良好的物理性能，如抗渗性和附着力；优良的化学特性，包括耐海水，耐盐雾，耐油性，耐化学腐蚀；与电化学防护体系兼容；良好的施工性能和环保性。此外，涂料还应符合特定的健康、安全和环保要求，如低挥发性有机化合物（VOC）含量。
2.2 重防腐涂料的应用现状
重防腐涂料的应用现状表明，尽管现有的涂料能够在一定程度上满足防腐需求，但仍存在一些局限性，例如在耐冲击力、耐韧性和耐候性方面的不足。为了解决这些问题，研究人员正在开发新型的防腐涂料，如氟碳涂料，这种涂料结合了酚醛树脂涂料、环氧树脂涂料和氟碳树脂涂料的优点，具有更强的机械强度、耐磨性和耐腐蚀性。
环保型新材料的开发也是当前的一个研究重点。例如，使用复合磷酸盐防锈颜料代替有毒的防锈颜料，以及开发水性涂料，都是减少环境污染的重要步骤。此外，聚脲弹性体防腐涂料作为一种新兴的高性能重防腐涂料，因其无溶剂、无污染的特性，在海洋工程中的应用越来越广泛 [3]。
总的来说，海洋防腐蚀涂层的研究与开发正在朝着绿色、长寿、厚膜、低表面处理和易于施工的方向发展。高固率、低挥发性有机化合物、无溶剂粉末涂层及室温固化涂层将成为今后的研究热点。同时，纳米粒子在涂料改性中的应用，以及无机 - 有机涂料混用的研究，都为提高涂层性能提供了新的可能性。
2.3 纳米复合涂料技术的发展
纳米复合涂料技术的发展为防腐涂料领域带来了革命性的进展。通过将纳米材料如纳米二氧化硅、纳米氧化锌等引入涂料配方中，可以显著提升涂料的耐腐蚀性、耐磨性、抗老化性等性能。这些纳米粒子的小尺寸效应和表面效应，使得涂料能够形成更加致密、均匀的防护层，有效阻挡水分、氧气及有害物质的渗透，从而大大延长资产的使用寿命。
在海洋防腐涂料的研究中，中国科学院宁波材料科学与工程研究院已攻克石墨烯改性防腐蚀涂层研制与应用的技术瓶颈，研制出一种具有自主知识产权的新型石墨烯涂层，其耐盐雾寿命超过 6000 h，是国际上最优重防腐涂料耐盐雾寿命的 2 倍。该技术成果已实施产业化，具备年产万吨级的生产能力，并在多个领域进入规模示范应用阶段。
2.4 环保型防污涂料的创新
环保型防污涂料的创新也是当前研究热点。中国科学院海洋所段继周所在的科研团队，在水性纳米复合涂料的防腐蚀与抗污染研究上取得了一定的进展。为环保型防腐防污涂料研发提供了新思路。本项目拟以具有优异耐腐蚀、抗污染性能的氧化石墨烯 / 氧化锌量子点纳米复合体系为研究对象，采用共价杂化、功能化修饰等方法，构建点 - 片结构二维纳米杂化材料，使其综合性能大幅提高，实现长效防腐蚀与绿色防污的双效协同。
此外，纳米复合涂层的微观形貌对其性能有着重要影响。上海理工大学材料学院的李伟教授团队在国家科技支撑计划和国家自然科学基金等项目的支持下，历经 11 年的合作研究，攻克了多项关键核心技术，研制出的多系列高性能纳米复合涂层产品，已批量应用于各种工具上，广泛应用于航空航天、汽车发动机、工程机械、轨道交通、冶金、发电能源、通用机械等众多领域。
3、耐腐蚀材料的开发与应用
3.1 耐海水腐蚀钢的研发进展
在海洋工程领域，材料的耐腐蚀性能是保障结构安全和延长使用寿命的关键。随着技术的发展，耐海水腐蚀钢和有色金属合金如钛合金、铜合金等的应用越来越广泛。
耐海水腐蚀钢的研发进展显著。这类钢材通过添加特定的合金元素，如铜、磷、铬、镍等，显著提高了在海水中的耐蚀性能。例如，日本开发的 NAC5 耐蚀钢，以及 JFE 公司研发的 JFE-SIPTM-OT 耐蚀钢板，都在实际应用中表现出了优异耐蚀性能。这些钢材的研发，使得在海水环境中的装备能够减少维护成本，延长使用寿命。中国在耐海水腐蚀钢方面也取得了进展，如鞍钢、首钢等企业已经成功开发出油船货油舱用耐蚀钢，并进入了工业试制与实船试验阶段。这些耐蚀钢的研发和应用，对于减少维护成本和延长海洋工程结构的使用寿命具有重要意义。
3.2 钛合金、铜合金等有色金属的应用
钛合金、铜合金等有色金属的应用在海洋工程中也占有重要地位。钛合金因其出色的耐海水腐蚀性和高强度，被广泛用于船舶、潜艇、海洋平台等关键部件的制造。
例如，超细晶钛合金因其更高的强度与良好的塑性匹配，以及更高的耐磨性和更佳的生物相容性，在航空航天、生物医学等领域颇具应用价值 [4]。中国科学院金属研究所开发的本项目拟采用“双相层包覆超细等轴晶”的组织结构设计理念，大幅提升超细晶钛合金的热稳定性；采用传统的热处理和热加工相结合的方法，实现以上组织的大尺寸制备，解决超细晶钛合金制备困难和组织稳定性差的难题。铜合金，尤其是超高强铜钛合金，因其优异的屈服强度、弹性极限、导电性能、延展性和抗疲劳性能，在电器接触元件中具有广阔的应用前景。铜钛合金的制备多在真空条件下进行，以控制 Ti 元素的损耗率，减少制备过程中缺陷的形成，从而获得高性能的铜钛合金。
3.3 复合材料与高分子材料的耐腐蚀性能
在海洋工程领域，耐腐蚀材料的开发与应用是保障结构安全和延长使用寿命的关键技术。复合材料和高分子材料因其独特的性能，如高强度、轻质、耐化学介质等，被广泛应用于海洋工程领域。复合材料通常由 2 种或更多不同性质的材料组成，以提高材料的整体性能。在海洋环境中，复合材料能够提供比传统金属材料更好的耐腐蚀性能，尤其是在高盐、高湿度的条件下。例如，玻璃纤维增强塑料（GFRP）因其轻质、高强度和良好的耐化学性，在船舶制造和海洋结构中有着广泛应用。此外，碳纤维增强塑料（CFRP）也因其卓越的力学性能和耐腐蚀性，被用于制造船舶某些部件，如船体、甲板和桅杆等。
高分子材料，包括塑料和橡胶等，在海洋工程中的应用也在不断增加。这些材料通常具有良好的耐化学腐蚀性，能够在广泛的温度范围内保持性能稳定。例如，乙烯基酯树脂和环氧树脂等高分子材料，因其优异耐海水腐蚀性和耐化学性，被广泛用于海洋工程中的涂层、密封材料和绝缘材料。然而，高分子材料的耐老化性能和长期稳定性仍然是需要关注的问题，特别是在紫外线和海洋微生物的影响下。
3.4 免涂装耐腐蚀钢的应用前景
免涂装耐腐蚀钢的应用前景十分广阔。免涂装耐腐蚀钢通过添加特定的合金元素，如铜、磷、铬等，能够在表面形成致密的锈层，从而提供自我保护的腐蚀防护。
耐候钢和耐海水腐蚀钢的发展，为海洋工程提供了更为经济和环保的解决方案。例如，耐候钢在桥梁建设中的应用，不仅减少了维护成本，还降低了环境污染。随着技术的进步和对环境友好型材料需求的增加，免涂装耐腐蚀钢在未来的海洋工程中将发挥更大的作用。
总的来说，复合材料、高分子材料和免涂装耐腐蚀钢的开发与应用，为海洋工程领域提供了更多材料选择。
这些材料不仅能提高结构的耐腐蚀性能，还能降低维护成本和环境污染，对于推动海洋资源的可持续开发具有重要意义。随着材料科学的不断进步，未来将有更多的高性能耐腐蚀材料被研发出来，以适应不断扩展的海洋工程需求。
4、结语
在耐腐蚀材料的开发上，耐海水腐蚀钢、钛合金、铜合金等材料的应用日益广泛。耐海水腐蚀钢通过调整化学成分和微观结构，显著提高了在海水中的耐蚀性能。
钛合金和铜合金等有色金属因其出色的耐蚀性和高强度，被用于制造船舶的关键部件和海洋平台的结构材料。此外，复合材料和高分子材料的耐腐蚀性能也受到了重视。这些材料以其轻质、高强度、耐化学介质等特性，在船舶和海洋工程结构中发挥着重要作用。例如，玻璃纤维增强塑料（GFRP）和碳纤维增强塑料（CFRP）在船舶制造中的应用，不仅减轻了结构重量，还提高了耐蚀性能。
随着海洋工程的不断扩展和深化，对防腐技术的需求也日益增长。未来的防腐技术将更加注重环保、节能、高性能和功能化，同时，对新型材料的开发和应用也将不断推进。通过不断的技术创新和材料改进，可以期待船舶海洋工程中的防腐技术将更好地服务于海洋资源的开发利用，为建设海洋强国提供坚实的材料和技术支撑。
参考文献：
[1] 程大威 . 海洋船舶上的新型防腐蚀技术研究 [J]. 船舶物资与市场 ,2020(1):42-43.
[2] 陈钦伟 , 张羽臣 , 杨志成 , 等 . 新型防腐蚀技术在海洋船舶上的应用 [J]. 涂层与防护 ,2019,40(5):1-6+11.
[3] 张铭玮 , 周效国 . 船舶与海洋工程防腐蚀技术初探 [J]. 科技创新与应用 ,2018(36):150-151.
[4] 侯世忠 . 船舶的腐蚀防护技术现状与应用 [J]. 全面腐蚀控制 ,2017,31(3):21-25+72.
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