《自然·通訊》：寧波材料所發(fā)現(xiàn)銅鎳合金表面氧化膜修復新策略，破解換熱管耦合損傷修復難題
銅鎳合金被廣泛應用于濱海電廠、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，一直是國際海洋材料領域的難題。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關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。
研究發(fā)現(xiàn)，磁場的施加會產生兩種作用力：（1）洛倫茲力驅動對流：磁場通過洛倫茲力誘導磁流體動力學效應，如同“無形攪拌”，加速了物質傳輸和氧氣向劃傷區(qū)的補充，促進了修復初期的成膜反應。（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部移動，導致劃傷區(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，且具有以下優(yōu)點：（1）修復加速：掃描振動電極技術測試顯示，在磁場作用下，劃傷區(qū)域的電化學反應信號迅速減弱，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）結構優(yōu)化：無磁場條件下，再生膜為常見的雙層結構，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、致密的單層結構。（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”結構此前從未被報道，正是其耐蝕性躍升的關鍵。
該策略成功突破了銅鎳合金應用中長期存在的氧化膜損傷后難以修復的瓶頸，為解決海洋工程關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，為船舶、海上平臺、海底管線等重大設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，對保障海洋經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
相關成果以“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基金（52425501）、國家重點研發(fā)計劃（2022YFB3808802）和中國科學院戰(zhàn)略性先導專項（XDB1210100）的資助。
圖1?劃痕區(qū)域再生氧化膜形貌表征及微區(qū)電化學測試
圖2 劃痕區(qū)域氧化膜再生1天后的成分與結構
圖3 劃痕區(qū)域氧化膜再生5天后的成分與結構
圖4?劃痕區(qū)域氧化膜再生9天后的成分與結構
圖5 損傷區(qū)域微環(huán)境變化及氧化膜再生機制
（海洋關鍵材料全國重點實驗室）