金屬鈍化膜擊破機制研究取得進展

　　中國科學院金屬研究所固體原子像研究部研究員馬秀良、副研究員張波和博士王靜等人組成的介質條件下材料電子顯微學研究小組在原子尺度下直接獲得金屬表面超薄鈍化膜的剖面顯微圖像，并揭示了氯離子擊破鈍化膜的作用機制。7月2日，英國《自然-通訊》(Nature Communications)在線發表了該項研究成果。9月7日，美國《科學》(Science)周刊在相關專欄以Tracking corroding chloride 為題對該成果進行了推介，認為“利用透射電子顯微技術對氯離子傳輸的直接觀測加深了對金屬腐蝕過程的理解”。

　　金屬表面幾個納米厚的鈍化膜賦予其優良的抗均勻腐蝕能力，然而，在抗均勻腐蝕的同時，金屬的局部點狀腐蝕（即“點蝕”）卻難以避免。點蝕的發生起始于材料表面，最終向材料表面以下的縱深方向迅速擴展。因此，點蝕破壞具有極大的隱蔽性和突發性，特別是在石油、化工、核電等領域，點蝕容易造成金屬管壁穿孔，使大量油、氣泄漏，甚至造成火災、爆炸等災難性事故。

　　點蝕的發生起始于鈍化膜的局部破損，是材料科學與工程領域中的經典問題之一。由于鈍化膜非常薄（3~5nm），對其結構的直接觀測極具挑戰性，探究氯離子導致的結構演變則更為困難。自上世紀六十年代開始至今，材料科學家普遍采用表面譜學等間接的實驗手段研究氯離子擊破鈍化膜的機制，并因此提出了多種模型和假說，但尚無定論。其爭論的核心問題是氯離子在鈍化膜中的存在位置及作用方式。

　　金屬所固體原子像研究部界面結構研究團隊長期致力于材料基礎科學問題的電子顯微學研究，經過多年的學術積累，在解決上述基礎科學難題方面近來取得突破。他們利用像差校正透射電子顯微技術證實，鈍化膜由極其微小的具有尖晶石結構的納米晶和非晶組成；基于定量電子顯微學分析并結合相應的理論計算，發現氯離子沿著納米晶和非晶之間的特殊“晶界”并以貫穿通道為路徑，傳輸至鈍化膜與金屬之間的界面。到達界面處的氯離子造成基體一側的晶格膨脹、界面的起伏以及膜一側的疏松化，并在界面處引入了拉應力。起伏界面的凸起在應力的作用下最終成為鈍化膜發生破裂的起始位置。這一研究成果為揭示氯離子與金屬鈍化膜的交互作用機制提供了直接的實驗證據，為修正和完善數十年來基于模型和假說所建立起來的鈍化膜擊破理論提供了原子尺度的結構信息。

　　該項研究得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究項目以及金屬所創新基金重點項目等資助。