【甬派】深一度|寧波科研“國(guó)家隊(duì)”，正在挺進(jìn)極地?
“雪龍”號(hào)
破冰前行！
北緯80度的浩瀚冰原上，“雪龍2”號(hào)極地科考破冰船宛如一柄狹長(zhǎng)的紅色利刃，割開(kāi)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(lái)自中國(guó)科學(xué)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室不只帶來(lái)了這一件“破冰”驚喜——
同日，極地低溫環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)宣布通過(guò)驗(yàn)收，成為全國(guó)首個(gè)集多因子環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙、冰力沖擊實(shí)驗(yàn)艙、低溫力學(xué)原位表征實(shí)驗(yàn)艙、低溫鹽霧試驗(yàn)箱、低溫砂塵試驗(yàn)箱、高低溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等六大子系統(tǒng)于一體的大型綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
它能夠在-70℃的極地低溫條件下，模擬風(fēng)、雪、冰、霜、凍雨、紫外、陽(yáng)光等多種環(huán)境因素，并實(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)志著寧波在極地海洋裝備關(guān)鍵材料研究領(lǐng)域已展開(kāi)系統(tǒng)性布局，邁出了堅(jiān)實(shí)而富有前瞻性的一步。”中國(guó)工程院院士薛群基評(píng)價(jià)。
科研“國(guó)家隊(duì)”，正以科技助力，挺進(jìn)極地。
一
涂料“破冰”，助力“雪龍2”號(hào)馳騁極地
“‘雪龍2’號(hào)出航極地后，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所研發(fā)的低溫防冰耐磨涂層通過(guò)了實(shí)海考核驗(yàn)證。”在首屆極地海洋裝備關(guān)鍵材料論壇上，海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室藍(lán)席建高級(jí)工程師用翔實(shí)的圖片和數(shù)據(jù)展現(xiàn)了成效。
這場(chǎng)“大考”的難度超乎想象。
在嚴(yán)酷的冰雪世界，零下50℃的超低溫會(huì)讓材料結(jié)構(gòu)發(fā)生異變，“即便是鋼鐵，也會(huì)變得像蛋殼一樣脆弱。”參加論壇的海洋裝備金屬材料及其應(yīng)用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(fēng)雪、鹽霧、風(fēng)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(duì)材料性能的極端考驗(yàn)。
“在極地，不僅要破冰，還要防冰。”藍(lán)席建說(shuō)。
破冰船割開(kāi)冰層后，浮冰會(huì)在水面涌動(dòng)，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(huì)悄然凝結(jié)在船體上，形成厚厚的冰層，成為行船的沉重負(fù)擔(dān)。
“雪龍2”號(hào)
中國(guó)科學(xué)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(dān)著不同的任務(wù)。軟涂層“以柔克剛”，在受到?jīng)_擊時(shí)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(jiān)實(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)防冰效果。薄薄的一層涂層，因?yàn)榭萍紕?chuàng)新的力量，而具有了神奇的作用。
“雪龍2”號(hào)長(zhǎng)122.5米，寬22.3米，是中國(guó)第一艘自主建造的極地科學(xué)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(guó)科學(xué)院寧波材料所研發(fā)的破冰涂層在北方某基地持續(xù)開(kāi)展戶外驗(yàn)證。2024年該涂層首次在“雪龍2”號(hào)破冰船上開(kāi)展示范涂裝。在“雪龍2”號(hào)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(shí)船“大考”。
“極地”號(hào)破冰船上，工作人員正在檢測(cè)中國(guó)科學(xué)院寧波材料所研發(fā)的特種涂層
因此，今年在“雪龍2”號(hào)出海航行前，在中國(guó)極地研究中心大力支持下，再次進(jìn)行了破冰涂層涂裝驗(yàn)證工作。
為國(guó)之重器“披鎧甲”，這是寧波科研“國(guó)家隊(duì)”交出的答卷。
實(shí)踐表明，我國(guó)自主研發(fā)的極地防護(hù)材料正不斷走向成熟。但與此同時(shí)，一個(gè)更為根本的問(wèn)題浮現(xiàn)：能否在實(shí)驗(yàn)室里模擬極地環(huán)境，讓材料驗(yàn)證不再完全依賴成本高昂、周期漫長(zhǎng)的實(shí)船航行？
二
平臺(tái)“破冰”，打造極地環(huán)境“演武場(chǎng)”
如今，這個(gè)設(shè)想在寧波已成為現(xiàn)實(shí)。
論壇上，薛群基院士透露，極地低溫環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在中國(guó)科學(xué)院寧波材料所通過(guò)驗(yàn)收，中國(guó)科研人員擁有了一個(gè)可以在地面“復(fù)刻”極地嚴(yán)酷條件的“演武場(chǎng)”。
這個(gè)“演武場(chǎng)”，來(lái)頭不小。
它由中國(guó)科學(xué)院寧波材料所王立平所長(zhǎng)親自布局，歷時(shí)近3年，突破了低溫兼容、原位監(jiān)測(cè)、環(huán)境仿真、動(dòng)態(tài)跟蹤等系列關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)接近真實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)
據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé)人藍(lán)席建介紹，該平臺(tái)包含多因子環(huán)境模擬、冰力沖擊、低溫力學(xué)原位表征、低溫鹽霧、低溫沙塵、高低溫力學(xué)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(guò)程。
走進(jìn)冰力沖擊實(shí)驗(yàn)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(kāi)展破冰實(shí)驗(yàn)。
冰力沖擊實(shí)驗(yàn)艙
“現(xiàn)在的溫度是-53℃，最低溫度可達(dá)-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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室參與平臺(tái)建設(shè)的伍大恒博士介紹，冰水池長(zhǎng)18米、深度超過(guò)90厘米，可為極地船舶材料在冰面上的性能測(cè)試提供實(shí)驗(yàn)條件。
低溫鹽霧試驗(yàn)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(píng)估材料在低溫鹽霧條件下的耐腐蝕性能。換言之，這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既能打造一個(gè)“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(zhǔn)“剝離”出來(lái)，進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試。
“它的最大價(jià)值，在于能讓我們‘看見(jiàn)’材料在極端環(huán)境下?lián)p傷失效的動(dòng)態(tài)全過(guò)程。”藍(lán)席建介紹。
極地低溫環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(guò)程的瓶頸，為材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和迭代升級(jí)建立了新的捷徑。
“該平臺(tái)以極地關(guān)鍵材料原位監(jiān)測(cè)和分析表征為特色，填補(bǔ)了我國(guó)極地材料快速模擬驗(yàn)證平臺(tái)的空白，成為連接實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)際應(yīng)用的橋梁。”薛群基院士表示。
多因子環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)艙
隨著極地海域成為各國(guó)爭(zhēng)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(lái)極地話語(yǔ)權(quán)的關(guān)鍵。
挑戰(zhàn)和任務(wù)，還有不少。
“從國(guó)際權(quán)威分級(jí)看，‘雪龍2’號(hào)的破冰等級(jí)相當(dāng)于PC3級(jí)。目前它主要選擇在氣溫相對(duì)較高的春秋季進(jìn)行極區(qū)作業(yè)，尚無(wú)法滿足在低于零下30℃的極寒天氣下正常科考作業(yè)。”中國(guó)航海學(xué)會(huì)極地航行與裝備專業(yè)委員會(huì)主任黃嶸指出。
迫切的防寒需求，恰恰凸顯了這一平臺(tái)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(diǎn)
海洋那么大，為何要如此向極地進(jìn)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局估計(jì)，北極地區(qū)未發(fā)現(xiàn)的石油和天然氣儲(chǔ)量約占全球未探明儲(chǔ)量的22%。那里還蘊(yùn)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(dú)特生物資源。
此外，地球上約70%的淡水資源以冰的形式儲(chǔ)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(jì)與科研價(jià)值。
“海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室定位明確，不與企業(yè)在常規(guī)船體材料上競(jìng)爭(zhēng)，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(hù)技術(shù)等高端環(huán)節(jié)。”薛群基院士表示。
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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合了中國(guó)航海學(xué)會(huì)極地航行與裝備專業(yè)委員會(huì)、哈爾濱工程大學(xué)、上海海事大學(xué)、海洋裝備金屬材料及其應(yīng)用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等優(yōu)勢(shì)單位，旨在構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同的創(chuàng)新體系，支撐我國(guó)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(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得進(jìn)展——
針對(duì)極地與深海鉆探需求，已開(kāi)發(fā)出適用于鉆頭、軸承等關(guān)鍵部件的高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料及高強(qiáng)韌金屬陶瓷復(fù)合材料。
研發(fā)多維結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的新型海洋重防腐涂料，利用其獨(dú)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(tuán)聚、難分散以及材料跨尺度多界面彌散強(qiáng)化等技術(shù)瓶頸，相關(guān)成果已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
……
破冰的終點(diǎn)，“極”是關(guān)鍵詞。
“極地，極寒，這個(gè)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(shuō)。
（原文發(fā)布于2025年9月26日甬派客戶端）
【報(bào)道鏈接】https://ypstatic.cnnb.com.cn/yppage-share/news/share/news_detail?newsId=68d6751fe4b0262e87d994cf&type=wxfs
?