1、海洋工程材料，主講人：黃翔，中國(guó)海洋大學(xué)本科，第1章緒論，1.1引言，1。意義：21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，材料科學(xué)是發(fā)展海洋科技的基礎(chǔ)；沒有高性能材料作為物質(zhì)保證，海洋科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化將受到極大限制。目前，除了航空航天等少數(shù)幾個(gè)領(lǐng)域外，中國(guó)許多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)在世界上沒有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；在某些領(lǐng)域，海洋材料研究甚至落后于韓國(guó)。加快海洋材料領(lǐng)域的科學(xué)研究和高新技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。第一章為緒論，第二章為國(guó)際背景：美國(guó)于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)宣布成立一個(gè)部長(zhǎng)級(jí)海洋政策委員會(huì)，直接隸屬于總統(tǒng)辦公室，以全面思考海洋政策。日本明確提議與美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)海事

2、領(lǐng)導(dǎo)權(quán)。政府斥資6億美元建造了一艘5700噸、210米長(zhǎng)的海洋鉆井船，比美國(guó)大三四倍，并明確提出要在海洋科學(xué)領(lǐng)域“發(fā)揮主導(dǎo)作用”，以便與美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)。韓國(guó)的水下無人駕駛飛行器已經(jīng)不在美國(guó)管轄之下，它已經(jīng)在東海的冀州島西南建造了世界上最大的海上觀察平臺(tái)。如果說100年前，國(guó)際海上競(jìng)爭(zhēng)依賴炮艇，而現(xiàn)代海上競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上已經(jīng)是科技競(jìng)爭(zhēng)。這些科學(xué)舉措在海洋中的實(shí)際意義往往超出學(xué)術(shù)范圍。第一章是緒論，1.2材料與海洋，第一，海洋材料的概念，所謂海洋材料是指可以從海洋中提取的材料和專門用于海洋開發(fā)的各種特殊材料，第二，海洋材料的研究意義，突出跨學(xué)科和多學(xué)科的融合：與多學(xué)科(生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、化學(xué)和化學(xué)工程

3、、海洋地質(zhì)學(xué)、海洋物理學(xué)等)的交叉融合。)，展示研究領(lǐng)域的創(chuàng)新性：提出海洋材料的概念，在海洋科技背景下建立材料科學(xué)與工程，有利于拓展和創(chuàng)新新的研究領(lǐng)域和新的材料產(chǎn)業(yè)化方向，適應(yīng)沿海地區(qū)(地區(qū))科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要；及時(shí)提出海洋材料的概念和戰(zhàn)略，對(duì)于完善國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)的框架和布局，打造中國(guó)新材料品牌具有重要的戰(zhàn)略意義。第一章是緒論，1.3極端海洋環(huán)境，1。深海熱液活動(dòng)，這是人類了解地球深部過程的一個(gè)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，是一種極具開發(fā)前景的潛在資源。熱液活動(dòng)區(qū)生物群落奇特的生命表達(dá)方式改變了人們對(duì)極端環(huán)境下無生命存在的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，豐富了深海生物基因庫，

4、在工業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。圖1海底熱液活動(dòng)圖，圖2金屬硫化物礦石的形成，第1章簡(jiǎn)介，1.3極端海洋環(huán)境，2。熱液的概念，即所謂的熱液，意味著冰冷的海水沿著裂縫進(jìn)入大洋中脊的地殼。因?yàn)檫@里的地殼是地球上最薄的地方，海水可以繼續(xù)滲入地幔幾公里深，交換生物量，并在被地幔加熱后返回海底。由于高溫(300 400)圖3熱液生物群，打破了“深海無生命理論”，第1章緒論，1.3極端海洋環(huán)境，3。熱液生物群，熱液生物群的發(fā)現(xiàn)是突破性的，不僅因?yàn)樯锏拿芏缺戎車４驳拿芏雀?0，000到100，000倍，而且還因?yàn)檫@種生物群所依賴的能源，熱液生物群，圖4長(zhǎng)度為100微米的蠕蟲從震源區(qū)到熱液活

5、動(dòng)區(qū)，迫切需要長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，而不是瞬時(shí)短期觀測(cè)。因此，近十年來，人們做出了各種努力，在處于極端環(huán)境中的海底布置觀測(cè)點(diǎn)。因此，海洋工程材料是深海研究的基本載體，因此建議研究海洋微生物在極端深海環(huán)境中對(duì)勘探設(shè)備材料的腐蝕機(jī)理及其抗深海硫化物腐蝕的能力。第1章引言，1.4海洋微生物腐蝕。統(tǒng)計(jì)表明，海洋微生物附著相關(guān)材料的破壞和失效占海洋所涉及材料總量的70%- 80%，微生物膜對(duì)材料界面腐蝕過程的影響一直受到材料和海洋界的廣泛關(guān)注。微生物膜和界面的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)規(guī)律，以及檢測(cè)和控制技術(shù)，已經(jīng)成為海洋材料科學(xué)和海洋工程中關(guān)鍵支撐材料的重要研究方向。研究海洋材料，尤其是深海熱液區(qū)海洋材料的微生物附著和

6、腐蝕機(jī)理，對(duì)于材料科學(xué)更有效地服務(wù)于國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。圖7。幾種常見的附著海洋微生物，甲類海洋細(xì)菌，乙類海洋細(xì)菌，丙類硅藻，戊類鐘形蟲，生物污損生物，顯微鏡下的世界：最佳顯微攝影照片，最佳照片1979年：細(xì)長(zhǎng)的原生動(dòng)物吸附在綠藻表面布滿細(xì)菌(由攝影師兼美國(guó)羅德島大學(xué)生物學(xué)家保羅約翰遜拍攝，放大160倍)1.4海洋微生物腐蝕，從國(guó)內(nèi)外海水中生物膜和微生物附著腐蝕的研究現(xiàn)狀來看，控制生物污損和微生物附著腐蝕的唯一有效措施是長(zhǎng)期使用由于環(huán)保要求和不完全有效性，殺菌劑的使用將日益受到限制，開發(fā)新的更有效的控制措施和新材料勢(shì)在必行。生物污垢和微生物腐蝕都是通過生物膜發(fā)生的?？刂粕镂酃负臀⑸?/p>

7、物腐蝕的有效方法是控制生物膜的生長(zhǎng)。深入了解生物膜的特性和發(fā)展過程是發(fā)展有效生物膜控制技術(shù)的基礎(chǔ)，也是減少生物污損和生物腐蝕影響的關(guān)鍵。解決微生物腐蝕和生物污損的有效方法之一是控制海洋相關(guān)材料表面微生物膜的寄生附著和生長(zhǎng)。第1章引言1.4海洋微生物的腐蝕、生物膜的形成和生長(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，以及微生物與物質(zhì)表面接觸的可逆?zhèn)鬏敊C(jī)制。微生物被緊緊地吸附在材料的表面。粘性微生物生長(zhǎng)和繁殖，同時(shí)形成多層膜，一些生物膜脫落?？刂频年P(guān)鍵步驟：第一章引言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)。以前的研究?jī)H限于無生命物質(zhì)

8、之間形成的界面和表面，而海洋相關(guān)物質(zhì)和附著微生物之間形成的界面和表面是半生物和半活性的獨(dú)特復(fù)合界面。它不僅具有復(fù)合材料界面的一般組織結(jié)構(gòu)特征，而且具有動(dòng)態(tài)發(fā)展和“活”生化反應(yīng)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征，這使得海洋材料界面研究的新穎性不僅對(duì)材料制備科學(xué)具有重要的理論意義，而且對(duì)開發(fā)抗海洋微生物粘附的海洋平臺(tái)和深?？碧讲牧暇哂袠O其重要的現(xiàn)實(shí)意義。第1章引言1.5海洋工程材料1。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)化的快速發(fā)展和資源的過度利用，人類對(duì)海洋環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。由于海洋本身的特點(diǎn)，海洋環(huán)境污染的處理與陸地環(huán)境污染的處理有很大的不同，而且處理起來要困難得多。研

9、究一個(gè)第一章是緒論，1.5海洋工程材料，2。海洋防御材料。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。開發(fā)用于海上作戰(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、海洋和空氣的特殊性，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1章引言，1.5海洋工程材料，3。海洋結(jié)構(gòu)材料、船體結(jié)構(gòu)鋼及支撐材料的研究：低成本、工藝簡(jiǎn)單、材料制備效率高是第三代船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展目標(biāo)。例如，超低碳貝氏體鋼和高強(qiáng)度低合金鋼的結(jié)合可以在耐腐蝕性和高強(qiáng)度方面取得很大進(jìn)展。鈦及鈦合金：由于鈦合金材料具有良好的斷裂韌性、耐蝕性、高溫強(qiáng)度和低磁信號(hào)，因此重視鈦合金材料的規(guī)格和制造技術(shù)的發(fā)

10、展非常重要。高溫合金和高溫結(jié)構(gòu)材料：圍繞解決船用燃?xì)廨啓C(jī)、增壓鍋爐和大功率柴油機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，逐步形成船舶用高溫合金系列。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。第一章是緒論，1.5海洋工程材料，4。海洋生物材料。海洋是生物生長(zhǎng)的巨大環(huán)境，其表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸地面積，生物的生長(zhǎng)量非常大。目前，除了提供食物的海洋漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)外，用作原料生產(chǎn)的海洋資源沒有得到充分利用。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海洋材料的研究現(xiàn)狀。鑒于海洋科學(xué)技術(shù)的研究特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我們對(duì)海洋材料的

11、研究主要集中在以下幾個(gè)方面：(1)新型海洋防護(hù)材料：主要是長(zhǎng)效新型環(huán)保樹脂、防污劑和防污涂料；滿足船舶和海洋工程設(shè)施超強(qiáng)耐候和長(zhǎng)壽命保護(hù)要求的水性系列海洋涂料；混凝土壩和碼頭抗海水侵蝕表面保護(hù)新材料的研究和設(shè)計(jì)；海洋深水潛水材料：針對(duì)海洋開發(fā)和研究向深海推進(jìn)的趨勢(shì)，研究設(shè)計(jì)深水耐壓浮力材料、高性能耐腐蝕鈦合金材料、非晶耐腐蝕合金材料、高壓密封防水材料以及可用于6000-10000米深海的新型海洋特種材料；海水淡化基地關(guān)鍵支撐材料：配合國(guó)家海水淡化基地建設(shè)，專門為海水泵體和葉輪葉片研究準(zhǔn)備的關(guān)鍵材料；新概念海洋材料：根據(jù)新型海洋材料的發(fā)展趨勢(shì)，提前探索和研究表面具有抗老化和抗粘連功能層的原位自生

12、海洋材料；智能海洋材料的探索與研究：新型海洋能源材料和海洋生物材料的探索與研究。第一章引言，1.6海洋材料的研究現(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)境的材料。對(duì)海洋環(huán)境影響最大的是油的泄漏，因此我們應(yīng)重點(diǎn)研究和設(shè)計(jì)使用方便、耐風(fēng)浪、易于回收利用的油污防護(hù)材料；高效、一次性、可回收的油污吸附和吸收材料；高分子絮凝材料、多孔石墨和高分子材料、可生物降解的油污吸收和吸附材料；海洋敏感和監(jiān)測(cè)材料：海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)是海洋科學(xué)與工程的重要組成部分，研究具有溫度敏感性、化學(xué)敏感性和生物敏感性的功能材料是提高海洋研究水平的重要保證；軍用海洋材料：包括隱身材料、防腐材料、甲板防滑材料、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣隔熱

13、材料、阻燃材料、深水耐壓浮力材料、艦載導(dǎo)彈天線罩材料、軍用港口防御設(shè)施建筑材料、雷達(dá)探測(cè)和各種探測(cè)傳感器材料等。都是對(duì)軍隊(duì)和人民的重大措施。第一章緒論，1.7海洋材料的探索性研究，一、海洋材料附著腐蝕界面的動(dòng)態(tài)過程海洋環(huán)境是不斷變化的，溫度、鹽度、水深和污染程度都對(duì)海洋微生物的生長(zhǎng)和繁殖起著重要作用。海洋物質(zhì)的表面化學(xué)、礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)的差異也決定了海洋微生物附著過程的多樣性、復(fù)雜性和不確定性。因此，海洋微生物對(duì)海洋相關(guān)物質(zhì)的附著動(dòng)力學(xué)研究不能局限于一個(gè)物種或一種物質(zhì)。根據(jù)海洋材料的研究特點(diǎn)，將海洋微生物環(huán)境分為兩個(gè)區(qū)域：近海淺海區(qū)和深海泥區(qū)。傳統(tǒng)的海洋微生物腐蝕研究主要針對(duì)深海泥區(qū)的缺氧環(huán)

14、境，即厭氧硫酸鹽還原菌的研究，而對(duì)近海淺海區(qū)海洋相關(guān)物質(zhì)表面附著優(yōu)勢(shì)菌的研究較少。青島沿海地區(qū)的優(yōu)勢(shì)菌株是弧菌。第1章緒論，1.7海洋材料探索性研究，1。海洋材料微生物附著和腐蝕界面的動(dòng)態(tài)過程。從圖中可以看出，浸泡1天后附著在不銹鋼表面的細(xì)菌數(shù)量非常少，可以清楚地判斷到第三天不銹鋼表面仍有細(xì)菌。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，第7天附著在不銹鋼表面的細(xì)菌數(shù)量急劇增加，并聚集形成菌落。細(xì)菌排列成鏈狀，樣品表面逐漸被細(xì)菌覆蓋，形成微生物膜。第14天，由于生物膜和腐蝕產(chǎn)物的脫落，表面細(xì)菌數(shù)量明顯減少，表明附著在材料表面的微生物膜不是靜態(tài)的，而是處于吸附和解吸的動(dòng)態(tài)變化中。第1章緒論，1.7海洋材料的探索性研究，

15、1。海洋材料微生物附著和腐蝕界面的動(dòng)態(tài)過程，從能譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，除了基體中原來的三種元素鐵、鉻和鎳外，還有四種元素碳、氧、磷和硫與微生物的生命活動(dòng)有關(guān)，證明生物膜的存在。第1章引言1.7海洋材料的探索性研究2。陶瓷基高強(qiáng)度、高韌性輕質(zhì)深海材料的設(shè)計(jì)和制備我國(guó)深?？碧胶推渌詈ＴO(shè)備所用的特殊材料基本上依賴進(jìn)口，如深潛器的殼體材料，這些材料要求高強(qiáng)度、輕比重、高韌性、耐腐蝕性和抗粘連性。這種材料已經(jīng)成為中國(guó)深?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展和軍事用途的制約因素。然而，TiAl/B4C復(fù)合材料是我們當(dāng)前研究的突破。TiAl/B4C復(fù)合材料在海水中浸泡50天后的表面形貌，氧化鈦納米管陣列的蜂窩狀納米涂層、荷葉狀納米涂層和FESEM照片，第一章緒論，1.7海洋材料的探索性研究，3。研究環(huán)保型仿生納米涂料，人類已經(jīng)進(jìn)入海洋發(fā)展的新時(shí)代。海洋資源開發(fā)、海洋運(yùn)輸、海港和海岸防護(hù)等領(lǐng)域需要大量新的表面防護(hù)材料第一章是緒論，1.8展望，材料與海洋科技的結(jié)合也是出于以