1、海洋工程材料，發(fā)表人：黃翔，我國海洋大學本科生課程，第一章引言，1.1引用，1，意義： 21世紀是海洋世紀，材料科學作為發(fā)展海洋科學技術(shù)的基礎(chǔ)物質(zhì)保證沒有高性能材料，海洋科學技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化受到很大制約。 目前，除宇宙飛行等少數(shù)領(lǐng)域外，我國許多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)在生存界范圍內(nèi)，尚不具有強競爭力的海洋材料研究在一些領(lǐng)域落后于韓國。 加快海洋材料領(lǐng)域科研和高新技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。 第一章緒論、二、國際背景：美國于2001年成立海洋政策委員會，全面評價海洋政策2004年12月，美國總統(tǒng)成立部長級海洋政策委員會，直屬總統(tǒng)辦公室，全面反思海洋政策。 日本明確建議與美國爭奪海上領(lǐng)導地位，政府投資6億美元建

2、設5700噸、210米大洋挖掘船，大小是美國的3、4倍，明確建議在海洋科學中“發(fā)揮領(lǐng)導地位”，與美國競爭。 韓國的水中無人運營商也不在美國之下，在東海濟洲島西南，建設了現(xiàn)在世界上最大的海上觀測平臺。 如果一百年前海上的國際斗爭依靠炮艦，那么現(xiàn)代的海上競爭已經(jīng)是科學技術(shù)的斗爭。 海洋上的這些科學措施，實際意義往往超出學術(shù)范圍。 第一章引言1.2材料與海洋、一、海洋材料的概念、海洋材料，從宏觀上講是指從海洋中提取的材料與海洋開發(fā)專用的各種特殊材料，二、表現(xiàn)海洋材料的研究意義、與學科的交叉性和融合性：許多學科(生命科學、環(huán)境科學、化工)。 闡明研究領(lǐng)域的創(chuàng)造性：提出海洋材料概念，在海洋大科技背景下建

3、立材料科學和工程，有利于新型研究領(lǐng)域和新材料產(chǎn)業(yè)化方向的開拓和開拓，適應沿海地區(qū)科技發(fā)展和經(jīng)濟建設的需要：及時提出海洋材料概念和戰(zhàn)略，對于國家新材料產(chǎn)業(yè)框架和配置的完善和我國新材料品牌的建立至關(guān)重要第一章引言1.3海洋極端環(huán)境、一、深海熱水活動、海底熱水活動是人類認識地球深部過程的窗口，其產(chǎn)物之一熱水硫化物富含銅、鉛、鋅、金、銀等多金屬元素，是開發(fā)遠景的潛在資源。 熱水活動區(qū)生物群落的奇妙生命表現(xiàn)改變了傳統(tǒng)極端環(huán)境下無生命存在的認識，豐富了深海生物基因庫，在工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護等領(lǐng)域有著廣泛的應用前景。 圖1海底熱水活動圖，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、熱水的概念，

4、熱水原本是比較冷的海水沿裂縫進入洋中脊的地殼，因為這里的地殼是地球上最薄的地方，所以海水繼續(xù)進入數(shù)公里深的地幔，進行生物量交換深海無生命論，第一章緒論，1.3海洋極限環(huán)境，三、熱水生物群、熱水生物群的發(fā)現(xiàn)是石破天驚，不僅生物密度比周圍海底高1萬倍到10萬倍，而且是該生物群生存的能源，也是熱水群的圖6海底油井發(fā)現(xiàn)的熱水細菌，第一章緒論，1.3海洋極端環(huán)境，四、 有很多考察航海，從采樣中通過潛在的直接方法或間接的物理手段進行考察，但滄海一粟或霧中看花的缺陷是不可避免的。從海底震源到熱水活動區(qū)，不是瞬間的短暫觀測，而是需要長期的連續(xù)觀測。 因此，近10個侑年以來，為了在海底這個極端環(huán)境的地區(qū)配置觀測

5、點，進行了各種各樣的努力。 提出了深海極端環(huán)境對海洋微生物勘探設備材料的腐蝕機理及其耐深海硫化腐蝕特性的研究課題。 因為海洋工程材料是進行深海研究的基礎(chǔ)載體。 第一章引言1.4海洋微生物腐蝕(microbial corrosion )，據(jù)統(tǒng)一修訂，海洋微生物附著相關(guān)材料的破壞和失效占涉海材料總量的70%到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關(guān)注。 微生物膜和界面的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和生長規(guī)律，以及檢測和控制技術(shù)已經(jīng)成為海洋材料科學和海洋工程重要輔助材料的重要研究方向。 研究海洋材料相關(guān)微生物，特別是深海熱水區(qū)的微生物附著腐蝕機理，對于為材料科學更強大的國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略提供服

6、務至關(guān)重要。 圖7 .一些常見的海洋附著微生物，a海洋細菌，b海洋細菌，c硅藻，e鐘形蟲，海洋生物污染(biofoul )，顯微鏡下的世界：微觀照片最佳照片，1979年最佳照片：細長的原生動物吸附在充滿細菌的綠藻表面的1.4海洋微生物腐蝕， 國內(nèi)外對海水中生物膜和微生物附著腐蝕的研究現(xiàn)狀表明，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)境保護要求和不完全有效等原因，殺菌劑的使用越來越受到限制，有必要發(fā)展新型的更有效的控制措施和新型材料的發(fā)展趨勢。 生物污損和微生物腐蝕通過生物膜的作用，控制生物污損和微生物腐蝕的有效方法是控制生物膜的生長。 深入理解生物膜的特點和發(fā)展過程是

7、發(fā)展有效生物膜控制技術(shù)的基礎(chǔ)，是減少生物污損和生物誘導腐蝕影響的關(guān)鍵，解決微生物腐蝕和生物污損的一種有效方法是控制微生物膜在涉海材料表面的寄生附著和生長。 第一章引言1.4海洋微生物腐蝕、生物膜的形成和生長可分為5個階段：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、微生物以可逆的運輸機制接觸材料表面。 微生物牢牢地吸附在材料的表面。 粘性微生物增殖，同時形成一個多層膜，部分生物膜發(fā)生脫落現(xiàn)象，控制了重要步驟，第一章引言，1.4海洋微生物的腐蝕，界面和表面一直是材料研究的前沿和難點，以往的研究僅局限于無生命材料之間形成的界面和表面， 由于海洋材料與附著微生物之間形成的

8、界面和表面不僅具有半生命、半活性獨特的復合復合材料界面的普遍組織結(jié)構(gòu)特征，而且具有動態(tài)發(fā)展、生化反應“活”兼具的獨特結(jié)構(gòu)特征，因此海洋材料界面研究的意外性不僅對材料制造科學具有重大的理論意義，而且對海洋微生物附著也具有較強的海洋平臺第一章緒論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)祥地，也是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。 然而，隨著工業(yè)化速度的快速增長和資源的過渡利用，人類海洋環(huán)境污染也日益嚴重。 從海洋本身的特點來看，海洋環(huán)境污染的治理與陸地環(huán)境存在著相當大的差異，管理的難度要大得多。 對于易于使用、抗風浪、易于回收的油污柵欄材料，研究和開發(fā)低成本、高強度、具有良好的油污吸收、吸附

9、性能的新型高分子絮凝材料至關(guān)重要。第一章引言1.5海洋工程材料、二、海洋防御材料、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)展海洋作戰(zhàn)的裝備制造材料是增強國家防御力量的重要組成部分。 由于海洋和海空的特殊性，具有特殊功能的結(jié)構(gòu)和功能材料是海防高新技術(shù)研究的重要組成部分。 第一章引言1.5海洋工程材料、三、海洋結(jié)構(gòu)材料、船體結(jié)構(gòu)鋼及配套材料的研究：材料制造成本低、技術(shù)簡單、效率高是第三代船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展目標。 例如超低碳貝氏體鋼和高強度低合金鋼的結(jié)合能夠大大發(fā)展耐腐蝕性和高強度。 鈦和鈦合金：鈦合金材料顯示出良好的斷裂韌性、耐腐蝕性、高溫強度和低磁信號，因此重視鈦合金材料的配套規(guī)范和制

10、造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。 高溫合金及高溫結(jié)構(gòu)材料：以解決艦船燃氣輪機、增壓鍋爐、大功率柴油機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料為重點，形成艦船高溫合金系列。 高溫結(jié)構(gòu)材料和涂層包括金屬復合材料、金屬間化合物、碳-碳復合材料、高性能永磁材料、高溫超導材料、防滑涂層、貯氫材料、梯度功能材料等。 第一章引言1.5海洋工程材料、4、海洋生物材料、海洋是一個巨大的生物生長環(huán)境，其表面積遠大于陸地面積，生物生長量非常巨大。 現(xiàn)在，海洋除了提供食品的海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)，還沒有充分利用作為材料生產(chǎn)的原料資源。 海藻資源利用技術(shù)、甲殼質(zhì)資源利用技術(shù)，第一章引言，1.6針對海洋材料的研究現(xiàn)狀、海洋科學技術(shù)的研究特點和經(jīng)濟發(fā)展需求，目前，

11、海洋材料的研究主要集中在以下方面：船舶以及海洋工程設施用的滿足超耐候、超長壽命防護的水性化系列海洋涂料混凝土堤壩， 研究修訂碼頭耐海水沖刷表面保護新材料的海洋深潛材料：針對海洋開發(fā)研究深入深海的趨勢，采用深水耐壓浮力部件、高性能耐腐蝕鈦合金材料、非晶耐腐蝕合金材料、高耐壓密封防水、 研究修訂可用于深海的新型海洋專用材料6000-10000米海水淡化基地的輔助重要材料：配合國家海水淡化基地的建設，專門針對海水泵體及葉輪葉片的研究而制備的重要材料新概念海洋材料：根據(jù)海洋新材料的發(fā)展趨勢，事先開展表面老化防止、抗附著功能層原位自生海洋材料探索研究的知識第一章緒論，1.6海洋材料的研究現(xiàn)狀，海洋環(huán)境材

12、料：海洋環(huán)境材料是保護海洋環(huán)境的材料。對海洋環(huán)境影響最大的是油料泄漏，應著重研究修訂的易用性、抗風浪、易回收的油污圍護材料的高性能、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， 生物可降解油污吸收和吸附材料海洋敏感和監(jiān)測材料：海洋環(huán)境殘奧表監(jiān)測是海洋科學和工程的重要內(nèi)容，研究溫度敏感、化學物質(zhì)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：各種艦船隱身材料、防腐材料、甲板防滑材料， 包括發(fā)動機排氣絕熱材料、阻燃材料、深水耐壓浮力材料、艦載導彈天線罩材料、軍港防御設施建筑材料、雷達探測及各種檢測傳感器材料等，是人民的重要措施，第一章引言1.7海洋材

13、料探索性研究海洋環(huán)境千變?nèi)f化，溫度、鹽分、 水深及其污染程度等對海洋微生物的生長繁殖沒有不可忽視的影響，但海洋材料表面化學、礦相組成和微觀組織結(jié)構(gòu)的差異也決定了海洋微生物附著過程的多樣性、復雜性和不確定性。 因此，有關(guān)海洋材料的海洋微生物附著動力學研究不限于一種或一種材料。 根據(jù)海洋材料的研究特點，將海洋微生物環(huán)境主要分為近岸淺海區(qū)域和深海海泥區(qū)兩個區(qū)域。 傳統(tǒng)的海洋微生物腐蝕研究主要是對深海海泥區(qū)缺氧環(huán)境即厭氧硫酸鹽還原菌的研究，而對近岸淺海區(qū)海材表面附著的優(yōu)勢菌種的研究較少。 青島近岸優(yōu)勢菌種為要鈉弧菌，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力學過程，由圖可

14、知，浸泡1天后附著在不銹鋼表面的細菌數(shù)量少，直到第3天才能明確其表面有細菌。 隨著浸泡時間的延長，第7天附著在不銹鋼表面的細菌數(shù)量急劇增加，聚集形成菌落，細菌排成鏈狀，樣品表面逐漸被細菌復蓋，形成微生物膜。 第14天，生物膜、腐蝕生成物脫落，表面細菌數(shù)顯著減少，材料表面附著的微生物膜不一定，提示處于吸附解吸的動態(tài)變化中。 第一章引言1.7海洋材料探索性研究，第一章海洋材料微生物附著腐蝕界面動力學過程，能譜圖顯示，除了基本的Fe、Cr、Ni三種元素外，還出現(xiàn)了與微生物生命活動相關(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陶瓷基高強度高韌性輕量深海材料的修訂

15、和制造，中國深海勘探及其他深海設備使用的特殊材料基本上取決于進口，如深潛器殼材料需要材料的高強度、比重輕量、高韌性、耐腐蝕、耐附著。 這種材料已經(jīng)成為我國深?？萍及l(fā)展和軍事用途的制約因素。 TiAl/B4C復合材料是我們目前研究的突破口。TiAl/B4C復合材料在海水中浸泡50天的表面形態(tài)、擬巢結(jié)構(gòu)納米涂層、擬蓮葉表面納米涂層、氧化鈦納米管陣列的FESEM照片，第一章引言，1.7海洋材料探索性研究，三，環(huán)保型仿生納米涂層的研究， 人類已經(jīng)進入海洋開發(fā)新時代的海洋資源開發(fā)、海運、海港和海防建設等領(lǐng)域需要大量新型表面保護材料，研究這些材料的制造技術(shù)、失效機制，探索未來海洋開發(fā)所需的新概念表面保護理論尤為重要和迫切。 在金屬基體上構(gòu)建環(huán)保型仿生