【现货速发】极地环境服役材料与表面防护技术

21世纪以来，国际竞争重点已从陆地转向了海洋，从临海和近海走向深远海和极地。随着全球气候变暖，北冰洋的“黄金海道”有望在2040年完全开通并投入商业使用。北极航线的东北航道将成为连接欧、亚两大洲的最短航线，比我国北方港口到欧洲西北部的传统航线缩短25％～55％，每年可节省533亿～1274亿美元的国际贸易海运成本。北极航线的开通极大地促进了极地运输船舶的需求与发展，同时对满足极地服役条件的船舶与海洋工程材料也提出了更高的要求。值得关注的是，在极地特殊环境中，服役材料要经受氯离子、海冰、低温、微生物等多种因素的影响，材料耦合损伤与失效情况非常严重。在此背景下，专门针对极地环境的材料开发就成为了多个国家共同面对且亟待突破的技术瓶颈。随着近些年各个国家极地探索脚步的加快，极地破冰船钢铁材料及其涂层的腐蚀（包括微生物腐蚀）、磨蚀等失效问题更是引起了国内外的广泛关注。
极地海洋环境差异化明显，水线以上的船体材料受到的飞溅海水腐蚀作用非常严重。在吃水线附近及以下区域，船舶的中舷侧平直区域在航行中受到浮冰、多年冰、水下冰川的碰撞作用，会破坏船体表面防护层，加重船体表面的破坏。因此，提高极地环境下的材料性能是一个系统工程，要从材料本体、涂料防护和环境因素等多个方面进行综合探索和研究。
本书首先从系统层面介绍了极地环境与极地研究的发展趋势，帮助读者了解极地开发的战略意义；接着聚焦于极地船舶材料的整体研究现状与进展；然后结合本书作者团队和国内外其他优秀团队的科研成果，分别从表面处理工艺、表面防护涂层、抗冰涂层等几个方面进行阐述，最后从极地船舶材料的检测标准等方面进行总结。因此，无论是相关领域的学者、行业领域的专家还是立志于极地研究的学子，都或多或少可以从本书中找到自己感兴趣的内容。
当然，限于作者的专业领域和知识水平，本书难免有一些错漏之处，希望国内外专家和读者朋友多多包涵并不吝赐教。衷心希望此书的出版可做引玉之砖，带动极地材料领域更多优秀的成果与读者见面，那将是本书作者的荣幸。本书在撰写过程中得到了国内外同行们的大力支持，很多专家都提出了宝贵的意见和建议，在此谨对各位同行及专家学者致以诚挚的谢意。作者
2023年6月

在极地开发的大背景下，本书作者以所在团队10年来在极地服役材料领域的科研成果为基础，并汇集了国内外最新的一些技术成果，组织编写了《极地环境服役材料与表面防护技术》一书。本书介绍了极地材料服役环境、极地船舶材料（包括低温钢、低温焊料及极地用表面涂层与防护材料）、极地服役材料表面处理技术及工艺、适用于极地环境的表面耐磨耐腐蚀涂层及防护材料、激光熔覆技术和等离子堆焊技术、极地抗冰涂层研究及其发展趋势，以及目前关于极地环境服役材料的检测方法与标准体系。

1.董丽华，二级教授。交通运输部领军人才，上海市曙光学者，上海市三八红旗手。现任上海深远海洋装备材料工程技术研究中心主任，上海市重型破冰船关键钢材协同创新中心主任，海洋材料科学与工程研究院常务副院长。作为首席科学家，主持国家海洋行业公益性重大项目1项，主持完成国家自然基金、国家重点研发计划子课题，上海市曙光计划、交通运输部重点科技项目、上海市科技创新行动计划等科研项目50余项。获国家、省部级科技进步奖10余项，其他奖多项。发表学术论文100余篇，其中被SCI收录70余篇，出版著作12部，授权专利30余项。

2. 刘涛，上海海事大学海洋科学与工程学院教授，上海深远海洋装备材料工程技术研究中心副主任，交通运输部科技英才，上海市人才发展基金获得者。获得省部级奖励3项，主持国家自然基金及省部级项目10余项。发表SCI论文50余篇，其中一区论文20余篇，封面论文1篇，他引合计600余次。

3. 范丽，上海建桥学院机电学院副教授。发表SCI论文20余篇，授权发明专利3项。

第1章极地环境与极地研究发展趋势
1.1极地探索与开发／1
1.2极地的低温环境／3
1.3极地的雪／4
1.4极地的冰川与海冰／4
1.4.1冰川／4
1.4.2海冰／5
1.5极地的微生物／7
1.5.1极地微生物在低温环境的自我防护／8
1.5.2极地微生物分泌的冰结构蛋白／9
1.5.3极地微生物在强紫外辐射环境的自我防护／11
1.5.4极地微生物对服役材料的影响／12
1.6极地研究发展趋势／14
1.6.1国内外学术研究论文发表情况／14
1.6.2科研项目情况／19
1.6.3专利申请情况／29
1.6.4相关活动开展情况／32
参考文献／36
第2章极地船舶材料
2.1极地船舶低温钢材料及其焊接材料／39
2.1.1研究低温钢材料的战略意义／39
2.1.2破冰船建造用低温钢／41
2.1.3破冰船建造用焊接材料／44
2.2极地船舶表面防护材料／47
2.2.1耐冰摩擦涂料／47
2.2.2耐磨耐腐蚀复合钢板／51
2.2.3耐磨耐腐蚀金属基复合涂层／52
参考文献／52
第3章极地服役材料表面处理技术及工艺
3.1激光熔覆技术／54
3.1.1激光熔覆粉末的添加方式／56
3.1.2激光熔覆工艺参数／58
3.1.3激光熔覆技术应用现状／60
3.1.4激光熔覆技术存在的主要难题及解决措施／61
3.1.5激光熔覆技术发展趋势／63
3.2等离子堆焊技术／63
3.2.1等离子堆焊工艺／66
3.2.2等离子堆焊技术的应用现状／68
3.2.3等离子堆焊技术存在的主要问题及发展前景／68
3.3热喷涂技术／70
3.3.1热喷涂技术的特点和分类／71
3.3.2热喷涂材料现状与挑战／72
参考文献／73
第4章表面耐磨耐腐蚀涂层及防护材料
4.1激光熔覆材料设计的一般原则／77
4.1.1激光熔覆材料与基体材料热膨胀系数的匹配／77
4.1.2激光熔覆材料与基体材料熔点的匹配／78
4.1.3激光熔覆材料对基体材料的润湿性／78
4.2激光熔覆用材料体系／78
4.2.1自熔性合金粉末／79
4.2.2陶瓷粉末／83
4.2.3复合材料粉末／86
4.2.4稀土及其氧化物粉末／87
4.3激光熔覆用材料的现状／89
参考文献／90
第5章激光熔覆技术在极地服役材料表面防护中的应用
5.1激光熔覆涂层的制备与微观结构表征／94
5.1.1实验材料及样品的制备／94
5.1.2涂层表面物相分析／99
5.1.3涂层表面微观组织分析／100
5.1.4涂层截面分析／102
5.2激光熔覆涂层力学性能表征／105
5.2.1实验材料与方法／105
5.2.2拉伸性能测试结果与分析／106
5.2.3剪切强度结果与分析／108
5.2.4冲击韧性结果与分析／109
5.2.5硬度测试结果与分析／110
5.3激光熔覆涂层的低温耐磨性／112
5.3.1实验材料与方法／112
5.3.2干摩擦环境下涂层的耐磨性／112
5.3.3NaCl溶液介质中涂层的耐磨性／116
5.3.4温度对涂层的耐磨性的影响／118
5.4激光熔覆涂层的低温耐腐蚀性／122
5.4.1实验材料与方法／122
5.4.2试样在0.5mol/L HCl溶液中电化学测试结果与分析／122
5.4.3试样在质量分数3.5％ NaCl溶液中的电化学测试结果与分析／130
5.5激光熔覆涂层的耐微生物腐蚀性／138
5.5.1实验材料与方法／138
5.5.2Co基涂层与317L不锈钢浸泡菌液时电化学测试结果与分析／140
5.5.3Co基涂层与317L不锈钢浸泡菌液后的扫描电子显微表面形貌分析／143
5.5.4Co基涂层与317L不锈钢浸泡菌液后的腐蚀3D轮廓形貌／145
5.5.5Co基涂层与317L不锈钢浸泡菌液后的失重分析／146
5.6小结／147
参考文献／148
第6章极地服役低温钢表面等离子堆焊涂层与激光熔覆涂层的性能比较
6.1样品制备与性能表征／151
6.1.1试验材料与样品制备／151
6.1.2涂层的性能表征／155
6.2不同工艺对Co基涂层显微组织结构的影响／158
6.3不同工艺对Ni基涂层显微组织结构的影响／162
6.4不同工艺下涂层的显微硬度性能分析／163
6.5不同工艺下的Co基涂层耐磨性分析／164
6.6不同工艺下的Ni基涂层耐磨性分析／167
6.7等离子堆焊工艺下两种涂层的耐磨性分析／169
6.8激光熔覆工艺下两种涂层的耐磨性分析／171
6.9小结／172
参考文献／173
第7章极地抗冰涂层研究及其发展趋势
7.1固体表面浸润理论／179
7.1.1超疏水表面的润湿性／179
7.1.2润湿理论模型／180
7.2结冰理论／183
7.3超疏水界面的抗冰特性／186
7.4极地抗冰涂层的发展趋势／189
7.4.1超疏水涂层／189
7.4.2功能性光热超疏水涂层／193
7.4.3功能性电热超疏水涂层／196
7.4.4其他复合功能性超疏水涂层／201
7.5小结／204
参考文献／205
第8章极地船舶材料的性能检测与标准
8.1极地船舶主要金属材料的性能检测／209
8.1.1高强度结构钢／209
8.1.2复合钢板／212
8.1.3Z向钢／213
8.1.4耐辐照钢／214
8.1.5焊接材料／214
8.2极地船舶材料性能试验方法／215
8.2.1极地船舶材料的力学性能试验／215
8.2.2极地船舶材料耐腐蚀性检测的重要性／217
8.2.3极地船舶材料耐腐蚀性检测方法讨论／221
8.2.4极地船舶焊接材料耐腐蚀性检测方法讨论／223
参考文献／232

在极地开发的大背景下，本书作者以所在团队10年来在极地服役材料领域的科研成果为基础，并汇集了国内外最新的一些技术成果，组织编写了《极地环境服役材料与表面防护技术》一书。本书介绍了极地材料服役环境、极地船舶材料（包括低温钢、低温焊料及极地用表面涂层与防护材料）、极地服役材料表面处理技术及工艺、适用于极地环境的表面耐磨耐腐蚀涂层及防护材料、激光熔覆技术和等离子堆焊技术、极地抗冰涂层研究及其发展趋势，以及目前关于极地环境服役材料的检测方法与标准体系。

1.董丽华，二级教授。交通运输部领军人才，上海市曙光学者，上海市三八红旗手。现任上海深远海洋装备材料工程技术研究中心主任，上海市重型破冰船关键钢材协同创新中心主任，海洋材料科学与工程研究院常务副院长。作为首席科学家，主持国家海洋行业公益性重大项目1项，主持完成国家自然基金、国家重点研发计划子课题，上海市曙光计划、交通运输部重点科技项目、上海市科技创新行动计划等科研项目50余项。获国家、省部级科技进步奖10余项，其他奖多项。发表学术论文100余篇，其中被SCI收录70余篇，出版著作12部，授权专利30余项。

2. 刘涛，上海海事大学海洋科学与工程学院教授，上海深远海洋装备材料工程技术研究中心副主任，交通运输部科技英才，上海市人才发展基金获得者。获得省部级奖励3项，主持国家自然基金及省部级项目10余项。发表SCI论文50余篇，其中一区论文20余篇，封面论文1篇，他引合计600余次。

3. 范丽，上海建桥学院机电学院副教授。发表SCI论文20余篇，授权发明专利3项。