《自然·通訊》：寧波材料所發(fā)現(xiàn)銅鎳合金表面氧化膜修復(fù)新策略，破解換熱管耦合損傷修復(fù)難題
銅鎳合金被廣泛應(yīng)用于濱海電廠、船舶的冷凝器及熱交換器管道。海水中懸浮的固體顆粒會不斷沖刷管道表面，造成氧化膜劃傷。劃傷區(qū)域不僅失去保護，更易誘發(fā)局部穿孔，且腐蝕會像“傳染病”一樣擴散，最終導(dǎo)致管道過早失效。如何實現(xiàn)破損防護膜的快速、高效自修復(fù)，一直是國際海洋材料領(lǐng)域的難題。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室王立平研究員團隊提出了一種創(chuàng)新策略，通過在損傷區(qū)域的垂直方向施加磁場，實現(xiàn)氧化膜損傷后快速修復(fù)。
研究發(fā)現(xiàn)，磁場的施加會產(chǎn)生兩種作用力：（1）洛倫茲力驅(qū)動對流：磁場通過洛倫茲力誘導(dǎo)磁流體動力學(xué)效應(yīng)，如同“無形攪拌”，加速了物質(zhì)傳輸和氧氣向劃傷區(qū)的補充，促進了修復(fù)初期的成膜反應(yīng)。（2）磁梯度力精準分選：損傷區(qū)域的磁通密度增加，促使順磁性離子向劃痕內(nèi)部移動，導(dǎo)致劃傷區(qū)局部pH值升高，加速了Ni2?在表面富集并形成高保護性的NiO。在兩種作用力的協(xié)同作用下，實現(xiàn)了銅鎳合金氧化膜損傷后快速修復(fù)，且具有以下優(yōu)點：（1）修復(fù)加速：掃描振動電極技術(shù)測試顯示，在磁場作用下，劃傷區(qū)域的電化學(xué)反應(yīng)信號迅速減弱，9天后其電流密度甚至低于周圍完好區(qū)域，表明再生膜的抗腐蝕性已優(yōu)于原始完好膜層。（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化：無磁場條件下，再生膜為常見的雙層結(jié)構(gòu)，外層是抗蝕性較差的堿式氯化銅，且覆蓋不均。而在磁場下，再生膜形成了一層均勻、致密的單層結(jié)構(gòu)。（3）成分升級：磁場抑制了外層堿式氯化銅的沉積，同時顯著促進了NiO在氧化膜表面的富集。這種“表面富NiO的單層膜”結(jié)構(gòu)此前從未被報道，正是其耐蝕性躍升的關(guān)鍵。
該策略成功突破了銅鎳合金應(yīng)用中長期存在的氧化膜損傷后難以修復(fù)的瓶頸，為解決海洋工程關(guān)鍵材料的延壽與防護提出了一種新的思路。未來，這一發(fā)現(xiàn)有望發(fā)展成為一種新型的海洋工程防護技術(shù)，為船舶、海上平臺、海底管線等重大設(shè)施的長期安全運行與延壽維護，提供低成本、高效率的解決方案，對保障海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
相關(guān)成果以“Regeneration-repair-strengthening mechanism in the oxidation film damage region of copper-nickel alloys under magnetic field effects”為題發(fā)表在Nature Communications上（Doi：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66216-7），碩士研究生王嘉木為第一作者，寧波材料所王立平研究員、毛飛雄研究員和宮克副研究員為該論文的共同通訊作者。本項成果獲得了中國國家杰出青年科學(xué)基金（52425501）、國家重點研發(fā)計劃（2022YFB3808802）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項（XDB1210100）的資助。
圖1?劃痕區(qū)域再生氧化膜形貌表征及微區(qū)電化學(xué)測試
圖2 劃痕區(qū)域氧化膜再生1天后的成分與結(jié)構(gòu)
圖3 劃痕區(qū)域氧化膜再生5天后的成分與結(jié)構(gòu)
圖4?劃痕區(qū)域氧化膜再生9天后的成分與結(jié)構(gòu)
圖5 損傷區(qū)域微環(huán)境變化及氧化膜再生機制
（海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室）