铜镍锡系列合金在海洋高温高压环境下的腐蚀机制研究

深海探测是人类吹响进军海洋号角后的第一步征程，其中对于富含各种稀有资源的深海热液区的探索是近年来海洋领域研究的热点。然而，深海热液区处于特殊的高压、高温、高硫化物以及富含各种微生物等的极端环境下，对于探测装备用材要求极高，尤其是材料在该环境下的抗微生物附着腐蚀问题亟待开展深入研究。本项目以铜镍锡系列合金材料为研究对象，借助电化学腐蚀实验技术和第一性原理相结合的研究方法，深入原子和分子层次了解微生物与材料表面的相互作用，包括键合方式、各种腐蚀参数以及电子结构特征等。通过探讨深海微生物在材料表面的成膜规律、微生物膜与材料间形成的界面结构以及由此引起的特殊腐蚀机制；同时研究海洋微生物的代谢产物以及热液区高硫化海水对该类材料微观结构的腐蚀动力学规律，进而建立起海洋微生物存在条件下该类材料的腐蚀动力学模型，为深海探测材料的研究和制备奠定实验基础，力争对我国深海科技的发展贡献一份力量。

对于富含各种稀有资源的深海热液区的探索是近年来海洋领域研究的热点。然而，深海热液区处于特殊的高压、高温、高硫化物以及富含微生物等极端环境下，对于探测装备用材要求极高，尤其是材料在该环境下的抗微生物附着腐蚀问题亟待开展深入研究。.本项目以铜镍锡系列合金为研究对象，采用第一性原理密度泛函计算方法结合深海模拟反应釜以及扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、X-射线衍射（XRD）电化学工作站等开展大量暴露腐蚀、电化学腐蚀测试、表征、产物分析的理论实践相结合的研究方法，深入原子和分子层次探讨深海微生物在材料表面的成膜规律、海洋微生物及热液区高硫化海水对该类材料微观结构的腐蚀动力学影响规律，进而揭示海洋微生物存在条件下该类材料的腐蚀机制。取得的主要研究结果如下：.对镍和锡掺杂铜团簇稳定几何构型、电子结构和活性区域的计算表明，掺杂原子影响铜团簇最低能量构型，且锡极易偏析；掺杂原子使团簇具有比纯铜团簇更低、更稳定能量构型，当含Ni>25%，Sn含量<10%时结构稳定性更强；掺杂原子会有规律影响团簇活性区域，在氧化性因子作用下，合金活性区域（多为掺杂原子区域）会首先形成一层氧化膜。腐蚀实验显示合金无晶间腐蚀，腐蚀产物外层为疏松的碱式氯化铜，内层为致密的镍和锡氧化层，提高了耐腐蚀性能。.海水中有机碎片，无机颗粒等吸附到材料表面，改变材料与海水界面环境和特征，形成条件膜，微生物向材料表面运动；微生物在材料表面进行新陈代谢及繁殖、形成菌落以及培养液中的不溶物吸附到表面，最终形成一层多重主要由硫化物组成的复杂生物膜。随着微生物的周期性生长，该生物膜的脱附过程伴着微生物的附着过程不断进行，达到动态平衡。.深海微生物在铜镍锡合金表面的成膜改变了合金表面的电化学性能，破坏了其表面氧化膜，但由于该产物膜在形成初期相对较致密，对附着基体有保护作用，随着暴露时间延长，变得疏松多孔，对基体的阻挡保护作用渐弱甚至消失，大量溶液渗透到达基体，在基体/膜层界面处发生活化状态的腐蚀。.当深海介质溶液中的H2S浓度较低时，使刚萌芽的点蚀孔处的局部溶液pH升高，此处材料基体的再钝化能力提高，从而降低了Cu-15Ni-8Sn合金的点蚀敏感性，起到明显的抑制点蚀作用；存在一个对点蚀不敏感H2S浓度区间，工作在该H2S浓度区间的海水介质中的Cu-15Ni-8Sn合金具有优良的耐点蚀性能。