【甬派】深一度|寧波科研“國家隊”，正在挺進極地?
“雪龍”號
破冰前行！
北緯80度的浩瀚冰原上，“雪龍2”號極地科考破冰船宛如一柄狹長的紅色利刃，割開一米多厚的冰層，駛向茫茫北極。
鮮為人知的是，這一破冰船上，涂裝有來自中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所自主研發(fā)的新材料。
9月25日，這一成果，在首屆極地海洋裝備關(guān)鍵材料論壇上亮相。作為論壇主辦方，該所海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室不只帶來了這一件“破冰”驚喜——
同日，極地低溫環(huán)境模擬實驗平臺宣布通過驗收，成為全國首個集多因子環(huán)境模擬實驗艙、冰力沖擊實驗艙、低溫力學原位表征實驗艙、低溫鹽霧試驗箱、低溫砂塵試驗箱、高低溫力學試驗機等六大子系統(tǒng)于一體的大型綜合實驗平臺。
它能夠在-70℃的極地低溫條件下，模擬風、雪、冰、霜、凍雨、紫外、陽光等多種環(huán)境因素，并實現(xiàn)對材料在近服役狀態(tài)下的快速表征。
首屆極地海洋裝備關(guān)鍵材料論壇舉辦
“這標志著寧波在極地海洋裝備關(guān)鍵材料研究領(lǐng)域已展開系統(tǒng)性布局，邁出了堅實而富有前瞻性的一步。”中國工程院院士薛群基評價。
科研“國家隊”，正以科技助力，挺進極地。
一
涂料“破冰”，助力“雪龍2”號馳騁極地
“‘雪龍2’號出航極地后，經(jīng)過驗證，中國科學院寧波材料所研發(fā)的低溫防冰耐磨涂層通過了實?？己蓑炞C?！痹谑讓脴O地海洋裝備關(guān)鍵材料論壇上，海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室藍席建高級工程師用翔實的圖片和數(shù)據(jù)展現(xiàn)了成效。
這場“大考”的難度超乎想象。
在嚴酷的冰雪世界，零下50℃的超低溫會讓材料結(jié)構(gòu)發(fā)生異變，“即便是鋼鐵，也會變得像蛋殼一樣脆弱?！眳⒓诱搲暮Ｑ笱b備金屬材料及其應(yīng)用全國重點實驗室劉鵬程副研究員解釋，這便是材料的“低溫脆性”現(xiàn)象。
不止超低溫，極地海域中，風雪、鹽霧、風沙、海冰沖擊、紫外線輻照等多種環(huán)境因素耦合，共同構(gòu)成了對材料性能的極端考驗。
“在極地，不僅要破冰，還要防冰?！彼{席建說。
破冰船割開冰層后，浮冰會在水面涌動，鋒利的冰塊擠壓、撞擊、摩擦著船體，極易造成船體損傷。從海面蒸發(fā)、升華的水霧，還會悄然凝結(jié)在船體上，形成厚厚的冰層，成為行船的沉重負擔。
“雪龍2”號
中國科學院寧波材料所研發(fā)的極地低溫系列涂層可通俗地看作“破冰涂層”和“防冰涂層”。
破冰涂層，宛如一面充滿彈性的“盾牌”，軟硬兩種涂層分別承擔著不同的任務(wù)。軟涂層“以柔克剛”，在受到?jīng)_擊時將沖擊粒子反彈出去，減少材料表面劃痕的產(chǎn)生；而硬涂層“刀槍不入”，每平方厘米能承受100kg以上的沖擊力，以極高的硬度起到堅實的防御作用。
防冰涂層則具備超疏水特性，水珠在該涂層表面可以迅速滾落。這種效應(yīng)源于材料表面極小的固-液接觸面積，使水滴難以附著，從而實現(xiàn)自動防冰效果。薄薄的一層涂層，因為科技創(chuàng)新的力量，而具有了神奇的作用。
“雪龍2”號長122.5米，寬22.3米，是中國第一艘自主建造的極地科學考察破冰船，能破除1.5米高的冰層、0.2米厚的雪。
自2019年起，中國科學院寧波材料所研發(fā)的破冰涂層在北方某基地持續(xù)開展戶外驗證。2024年該涂層首次在“雪龍2”號破冰船上開展示范涂裝。在“雪龍2”號順利完成航行任務(wù)后檢查發(fā)現(xiàn)，涂層主體保持完好，經(jīng)受住了實船“大考”。
“極地”號破冰船上，工作人員正在檢測中國科學院寧波材料所研發(fā)的特種涂層
因此，今年在“雪龍2”號出海航行前，在中國極地研究中心大力支持下，再次進行了破冰涂層涂裝驗證工作。
為國之重器“披鎧甲”，這是寧波科研“國家隊”交出的答卷。
實踐表明，我國自主研發(fā)的極地防護材料正不斷走向成熟。但與此同時，一個更為根本的問題浮現(xiàn)：能否在實驗室里模擬極地環(huán)境，讓材料驗證不再完全依賴成本高昂、周期漫長的實船航行？
二
平臺“破冰”，打造極地環(huán)境“演武場”
如今，這個設(shè)想在寧波已成為現(xiàn)實。
論壇上，薛群基院士透露，極地低溫環(huán)境模擬實驗平臺已經(jīng)在中國科學院寧波材料所通過驗收，中國科研人員擁有了一個可以在地面“復(fù)刻”極地嚴酷條件的“演武場”。
這個“演武場”，來頭不小。
它由中國科學院寧波材料所王立平所長親自布局，歷時近3年，突破了低溫兼容、原位監(jiān)測、環(huán)境仿真、動態(tài)跟蹤等系列關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了一個接近真實服役狀態(tài)的極地多因素耦合復(fù)雜環(huán)境。
極地低溫環(huán)境模擬實驗平臺
據(jù)平臺負責人藍席建介紹，該平臺包含多因子環(huán)境模擬、冰力沖擊、低溫力學原位表征、低溫鹽霧、低溫沙塵、高低溫力學六大子系統(tǒng)，可模擬最低-70℃極地低溫多因素耦合復(fù)雜服役環(huán)境下極地關(guān)鍵使役材料的損傷與失效過程。
走進冰力沖擊實驗艙，一股冷氣直撲全身，頭頂飄著雪花，冰水池內(nèi)是一層厚厚的冰，一艘船模型已經(jīng)起航，正開展破冰實驗。
冰力沖擊實驗艙
“現(xiàn)在的溫度是-53℃，最低溫度可達-70℃，接近極地海洋裝備服役的最低溫度。”該所海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室參與平臺建設(shè)的伍大恒博士介紹，冰水池長18米、深度超過90厘米，可為極地船舶材料在冰面上的性能測試提供實驗條件。
低溫鹽霧試驗箱用于模擬極地海洋大氣腐蝕環(huán)境，其工作溫度范圍為-10℃至50℃，可以評估材料在低溫鹽霧條件下的耐腐蝕性能。換言之，這一實驗平臺既能打造一個“微縮版”的綜合極地環(huán)境，也能將鹽霧、沙塵等單一因素精準“剝離”出來，進行獨立測試。
“它的最大價值，在于能讓我們‘看見’材料在極端環(huán)境下?lián)p傷失效的動態(tài)全過程?！彼{席建介紹。
極地低溫環(huán)境模擬實驗平臺突破了以往僅知材料“服役前”和“失效后”狀態(tài)，卻難窺其中演變過程的瓶頸，為材料的精準設(shè)計和迭代升級建立了新的捷徑。
“該平臺以極地關(guān)鍵材料原位監(jiān)測和分析表征為特色，填補了我國極地材料快速模擬驗證平臺的空白，成為連接實驗室研究和實際應(yīng)用的橋梁。”薛群基院士表示。
多因子環(huán)境模擬實驗艙
隨著極地海域成為各國爭奪的戰(zhàn)略要地，極寒環(huán)境材料研發(fā)能力已成為決定未來極地話語權(quán)的關(guān)鍵。
挑戰(zhàn)和任務(wù)，還有不少。
“從國際權(quán)威分級看，‘雪龍2’號的破冰等級相當于PC3級。目前它主要選擇在氣溫相對較高的春秋季進行極區(qū)作業(yè)，尚無法滿足在低于零下30℃的極寒天氣下正?？瓶甲鳂I(yè)?！敝袊胶W會極地航行與裝備專業(yè)委員會主任黃嶸指出。
迫切的防寒需求，恰恰凸顯了這一平臺和材料研發(fā)的緊迫性、重要性。
三
極地“破冰”，搶占極地科技制高點
海洋那么大，為何要如此向極地進軍？
答案藏在冰封之下。
論壇上，專家們勾勒出極地的巨大潛力——
美國地質(zhì)調(diào)查局估計，北極地區(qū)未發(fā)現(xiàn)的石油和天然氣儲量約占全球未探明儲量的22%。那里還蘊藏著豐富的鐵礦、煤炭、銅、鎳、稀土等礦產(chǎn)資源，以及南極磷蝦、北極鱈魚等獨特生物資源。
此外，地球上約70%的淡水資源以冰的形式儲存于極地，北極航道更是能顯著縮短亞歐美之間的航程，具有極高的經(jīng)濟與科研價值。
“海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室定位明確，不與企業(yè)在常規(guī)船體材料上競爭，而是專注于高性能防腐防污及特種功能涂層、特種合金、復(fù)合材料及尖端防護技術(shù)等高端環(huán)節(jié)?！毖θ夯菏勘硎?。
薛群基院士在論壇上發(fā)言
本次論壇海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室聯(lián)合了中國航海學會極地航行與裝備專業(yè)委員會、哈爾濱工程大學、上海海事大學、海洋裝備金屬材料及其應(yīng)用全國重點實驗室等優(yōu)勢單位，旨在構(gòu)建產(chǎn)學研協(xié)同的創(chuàng)新體系，支撐我國極地裝備新材料的自主可控與跨越式發(fā)展。
在相關(guān)材料研發(fā)上，實驗室已經(jīng)取得進展——
針對極地與深海鉆探需求，已開發(fā)出適用于鉆頭、軸承等關(guān)鍵部件的高導熱金屬基復(fù)合材料及高強韌金屬陶瓷復(fù)合材料。
研發(fā)多維結(jié)構(gòu)增強的新型海洋重防腐涂料，利用其獨特的多維協(xié)同屏障結(jié)構(gòu)，有效阻隔氯離子、水、氧的滲透。
攻克了多維結(jié)構(gòu)材料易團聚、難分散以及材料跨尺度多界面彌散強化等技術(shù)瓶頸，相關(guān)成果已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
……
破冰的終點，“極”是關(guān)鍵詞。
“極地，極寒，這個極端環(huán)境里，正是我們科研人員應(yīng)該建功立業(yè)的地方。”薛群基院士說。
（原文發(fā)布于2025年9月26日甬派客戶端）
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