在全球氣候變暖和人類對自然資源需求日益增長的背景下，南極和北極地區已逐漸成為世界各國進行科學研究、資源勘探、航道開發等項目的重要海洋區域。寒帶地區的北冰洋區域占全球海洋面積的 3.6%，蘊藏著豐富的自然資源，并逐漸成為連接歐亞兩大洲的新通道。隨著我國 “冰上絲綢之路” 倡議的提出和寒帶海域資源開發的持續推進，海工用金屬材料在寒帶海洋環境下的安全性和耐久性成為保障我國海洋戰略的重要基礎。

由于寒帶海洋區域緯度較高，海水表層溫度常年維持在 0°C 左右，部分海域冬季大氣溫度低至 - 50°C 以下。極端的低溫環境，與寒帶海域的高濕、強紫外輻射等極端條件共同構成了復雜的環境體系，對金屬材料在服役期間的耐環境腐蝕性和穩定性提出了嚴苛的要求 [1-4]。與中低緯度的海洋區域相比，通常認為寒帶海域的低溫環境會減緩金屬材料的腐蝕速率，并且金屬表面覆蓋的冰層會減緩大氣中的氧氣到達金屬表面，從而抑制金屬材料的腐蝕失效。然而，隨著俄羅斯、挪威、瑞典等諸多國家對寒帶地區一系列金屬材料的腐蝕研究發現，寒帶海洋環境中金屬的局部腐蝕及應力腐蝕開裂等問題尤為突出 [5,6]。我國對寒帶海洋地區金屬材料的腐蝕研究起步較晚，但是隨著我國寒帶地區科學考察站的相繼成立以及科考船的竣工服役，國內多家科研機構和高校積極開展寒帶海洋環境多種金屬材料的腐蝕試驗。研究結果證實了金屬材料在寒帶極端海洋環境中腐蝕速率和腐蝕機制相較于其他海洋環境具有獨特性 [7]。寒帶海洋環境的低溫、冰雪凍融循環、紫外輻射等多種極端環境的耦合作用對海工裝備材料結構安全性和服役壽命帶來極大威脅，嚴重制約了寒帶海洋工程技術的持續發展 [8-10]。因此，深入研究寒帶海洋環境中金屬材料的腐蝕行為與防護技術，已成為當前南極和北極地區工程材料領域的重要研究方向，并對海工裝備的安全服役和避免經濟損失具有重要意義。

金屬材料的腐蝕研究根據寒帶海洋環境的特征主要分為海洋大氣區、冰水摩蝕區、海洋全浸區和海底泥土區 4 個典型區域 [11,12]。本文基于近年來的研究進展，系統梳理了寒帶海洋大氣和海水兩種典型環境中金屬材料的影響因素、腐蝕行為及機理研究。結合寒帶海洋環境特征，介紹了當前適用于寒帶海洋環境的金屬材料防護技術，以期為南極和北極地區海工用金屬材料的選用和腐蝕防護提供理論依據和技術參考。

1、寒帶海洋大氣環境下的金屬腐蝕

以南極和北極為代表的寒帶海洋大氣是一種極端且復雜的自然環境，具有低溫、高濕、大氣污染物種類特殊和紫外輻射強等特征。與溫帶或熱帶海洋大氣環境相比，兩極地區特殊的大氣環境對金屬材料的腐蝕行為具有獨特的影響。本節從大氣溫度、大氣污染物、紫外線輻射 3 個方面，介紹金屬材料在寒帶海洋大氣典型環境因素作用下的腐蝕研究進展。

1.1 寒帶低溫對金屬材料腐蝕的影響

在寒帶海洋大氣環境中，溫度是影響金屬材料腐蝕行為最關鍵的因素之一 [13-16]。兩極地區常年處于低溫狀態，極端的低溫條件不僅影響金屬材料的力學性能，還對金屬的腐蝕速率以及腐蝕產物的形成和轉化行為具有顯著的影響 [17-20]。20 世紀 80 年代，西班牙、葡萄牙、智利等國家聯合開展了常規金屬材料在南極沿海地區的大氣暴露腐蝕試驗 [21]。21 世紀后，我國研究工作者在南極中山站也相繼開展了多種金屬材料在南極沿海大氣環境下的腐蝕研究工作 [21]。國內外研究者在南極沿海的科考站獲得的典型金屬材料的大氣腐蝕數據如表 1 所示，可以看出寒帶低溫環境下金屬材料仍發生較嚴重的大氣腐蝕。與溫帶海洋環境相比，寒帶低溫環境中金屬材料的腐蝕具有其獨特的特征。冷文俊等 [22] 比較了 Ni-Cr-Mo-V 鋼在南極中山站大氣暴露試驗和室內加速試驗的腐蝕結果表明，南極低溫環境中 Ni-Cr-Mo-V 鋼的腐蝕產物主要為Fe₃O₄、γ-FeOOH、α-FeOOH 和 β-FeOOH，而且低溫造成 β-FeOOH 含量顯著增加，導致 Ni-Cr-Mo-V 鋼形成的銹層保護性較差。寒帶低溫環境中溫度的變化會造成鋼材表面的腐蝕產物層開裂，導致腐蝕性離子的侵入從而引發金屬表面的點蝕現象。Choi 等 [23] 通過在循環腐蝕試驗中加入 - 40°C 低溫冷凍環節探究了寒帶海洋環境對焊接低碳鋼腐蝕的影響，發現金屬銹層會在劇烈溫度變化過程中出現裂紋，促進氧氣和水分擴散到金屬表面，從而加速低碳鋼的腐蝕。

表 1 金屬材料在寒帶大氣環境中的腐蝕速率 [21,22] Table 1 Corrosion rates of metals in polar atmospheric environments [21,22]

Material	Exposure site	Test period/a	Corrosion rate/μm·a⁻¹
Mild steel	Jubany Base	1	38.1
Mild steel	Marsh Base	1	24.1
Mild steel	Artigas Base	1	65.8
Steel St3	Mirnyi Station	1	7.8
Q235	Zhongshan Station	1	16.3
Q460	Zhongshan Station	1	10.8
Q960	Zhongshan Station	1	15.8
Ni-Cr-Mo-V steel	Zhongshan Station	1	13.0
Aluminium	Jubany Base	1	4.03
Aluminium	Marsh Base	1	3.65
Aluminium	Artigas Base	1	2.49
Copper	Jubany Base	1	2.03
Copper	Artigas Base	1	2.16
Copper	Mirnyi Station	1	1.1
Zinc	Jubany Base	1	1.89
Zinc	Artigas Base	1	2.11

相較于溫帶海洋環境下溫濕度變化引起的干濕交替現象，寒帶大氣溫度的變化會造成金屬材料表面冰雪的凍融循環，導致冰層覆蓋下的金屬表面存在一層薄液膜，進而腐蝕電化學過程會在金屬與冰層界面處的薄液膜內發生。在低溫凍融條件下，鋼材會隨著凍融周期的增加從局部腐蝕發展為均勻腐蝕 [24]。Li 等 [25] 研究了低溫冷凍處理后低溫鋼 EH40 在人造海水環境中耐腐蝕性能的變化。圖 1 為經過 - 80°C 深冷處理和未經深冷處理的 EH40 鋼在 0°C 左右的人造海水中浸泡 3d 后的 SEM 圖和腐蝕速率變化結果，可以看出經過深冷處理后 EH40 鋼在浸泡試驗后出現了明顯的點蝕現象，而未經深冷處理的 EH40 鋼表現為均勻腐蝕特征。與未經深冷處理的樣品相比，-80°C 深冷處理造成了 EH40 鋼在人造海水中腐蝕速率增加。彭文山等 [26] 研究了冰覆蓋條件下恒溫和變溫環境對 Ni-Cr-Mo-V 鋼腐蝕的影響，發現鋼的腐蝕速率隨溫度升高而增大。在 - 45°C、-45~5°C 和 - 5°C 3 種低溫環境下，Ni-Cr-Mo-V 鋼的腐蝕產物主要為 γ-FeOOH、α-FeOOH、β-FeOOH 和Fe₃O₄ /γ − Fe₃O₄，溫度對腐蝕產物成分的影響較小。

有色金屬材料在寒帶大氣低溫環境中同樣表現出獨特的腐蝕行為。在寒帶大氣環境中，雪的沉積和金屬表面冰的形成并不會阻礙金屬和冰雪界面處形成高濃度的氯化物溶液。隨著寒帶大氣溫度的變化，冰層和金屬基體界面的薄液層會引起 Zn、Cu、Al 發生局部腐蝕。Morcillo 等 [21] 通過南極沿�？瓶颊镜拇髿獗┞对囼灠l現 Zn 和 Cu 出現了類似其他海洋區域的腐蝕形貌特征，但是 Zn 和 Cu 在寒帶大氣環境下的腐蝕速率要低于溫帶和熱帶大氣環境。然而，Al 在寒帶大氣環境中則呈現不同的腐蝕特征。圖 2 為 Al 在南極 Jubany 和 Artigas 工作站暴露 1 年和 2 年后的表面腐蝕形貌，可以看出僅暴露 1 年后 Al 表面就出現了明顯的局部腐蝕。通過對比 Al 在其他海域的腐蝕特征，Morcillo 等 [21] 發現 Al 在南極沿海大氣環境中腐蝕速率更高，并且腐蝕形貌更接近于海水浸泡環境下的結果。Esmaily 等 [27] 研究了溫度對鎂合金 AM50 大氣腐蝕的影響。結果表明，鎂合金在 - 4°C 下會發生腐蝕，并且腐蝕速率與溫度存在明顯正相關關系。相較于 0°C 以上的環境，鎂合金中 Al 的存在以及低溫環境中 CO 2 在電解液中溶解度的增加造成了腐蝕產物組成和性質的改變。在 - 4°C 條件下，AM50 表面無法形成結晶的碳酸鎂羥基化合物，而是生成一種非晶態腐蝕產物，造成了低溫環境下鎂合金腐蝕行為的差異。

當前研究進展表明，與常溫海洋環境相比，寒帶海洋大氣環境中長期暴露會造成鋼、Cu、Zn 的腐蝕速率降低，但 Al 的腐蝕速率升高。寒帶大氣環境中溫度變化過程中金屬材料的腐蝕機制相比其他海洋大氣環境有所不同。常溫海洋環境下金屬材料的大氣腐蝕過程通常表現為隨大氣溫濕度變化的干濕循環腐蝕，而寒帶海洋大氣環境下溫度變化引起的冰雪凍融過程對金屬材料的腐蝕具有重要影響。溫度降低引起的金屬表面水分凍結會造成冰層下腐蝕性離子的濃度升高，導致局部腐蝕現象的發生。另一方面，低溫環境下腐蝕產物相較于常溫海洋環境更加疏松且易發生應力破壞，造成寒帶海洋大氣環境中腐蝕性介質更容易侵入到金屬基體，從而引發金屬材料發生局部腐蝕。

1.2 寒帶大氣污染物對金屬材料腐蝕的影響

寒帶地區大氣中的腐蝕性介質的組成及其作用機制是金屬材料腐蝕研究的另一個重點。腐蝕性污染物在海洋大氣中的遷移和沉積會導致金屬腐蝕速率增加，表現為特定類型的腐蝕，包括點蝕、剝落腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂 [28]。腐蝕性污染物以氣溶膠形式廣泛分布于南極和北極地區的大氣中，并通過降雪、霜凍或霧氣沉積于金屬材料表面。寒帶海洋大氣中的 Na +、 Cl −等海鹽離子會延緩凍結過程，并在金屬 / 冰層界面形成一層高濃度的氯化物液膜。 Cl −的存在會破壞金屬的表面鈍化膜并促進局部腐蝕的發生，進而造成極端低溫環境下金屬的腐蝕 [29]。

除了寒帶海洋大氣中海鹽氣溶膠的主要成分，例如 Na +、 Cl −、 K +、 Mg 2+和 Ca 2+外，非海鹽氣溶膠也逐漸受到重視。Li 等 [30] 對南極大氣環境下 Q235 鋼的腐蝕行為研究表明，盡管南極大氣中人為污染較少，但自然環境中含硫氣溶膠與 Cl −的協同作用導致碳鋼發生了嚴重的腐蝕，如圖 3 所示。碳鋼表面形成了由 γ-FeOOH、β-FeOOH、α-FeOOH 和Fe₃O₄組成的復雜腐蝕產物層。另一方面，研究發現寒帶地區的強風攜帶的冰粒和砂礫對金屬材料表面產生機械磨損作用，這種沖刷腐蝕效應會破壞金屬表面保護膜，從而加速局部腐蝕的發生。

Cu 和鋁鎂合金在寒帶海洋大氣環境的腐蝕行為同樣受到海鹽離子的影響。在寒帶海洋大氣環境下，NaCl 會誘導鋁鎂合金生成不同于常溫環境下的腐蝕產物，并且 NaCl 濃度的升高會增加鋁鎂合金的腐蝕速率 [27]。在極端低溫環境下， Cl −在 Cu 腐蝕過程中具有關鍵作用，不僅促進了腐蝕產物 Cu 2  (OH) 3  Cl的形成，還通過破壞表面鈍化膜加速了腐蝕進程 [30]。綜合研究表明，低溫環境與腐蝕性離子協同作用下金屬材料的腐蝕行為與溫帶和熱帶海洋環境具有顯著差異。

1.3 寒帶紫外輻射對金屬材料腐蝕的影響

與常溫海洋環境相比，紫外輻射 (UV) 是寒帶海洋大氣環境的典型特征。由于兩極地區大氣稀薄和臭氧層空洞的存在，導致地表接收到的紫外線強度遠高于中緯度地區。寒帶海洋環境中 UV 對金屬材料的影響通常伴隨著大氣腐蝕共同進行，高強度的 UV 會對金屬表面造成物理與化學的雙重破壞 [31,32]。Li 等 [33] 研究了 EH36 鋼在模擬寒帶海洋大氣環境中的腐蝕行為。圖 4 (a) 為 EH36 鋼在黑暗和 UV 下腐蝕失重變化的擬合曲線，可以看出兩種環境下失重曲線在暴露 96h 后開始出現偏離。但在暴露 240h 后，有無 UV 環境下 EH36 鋼的失重結果并無明顯差異。研究認為，在短時間的暴露環境中 UV 對 EH36 鋼腐蝕失重的影響較小。Song 等 [34] 研究了 UV 對 Q235 鋼大氣腐蝕的影響。圖 4 (b) 為 Q235 鋼在黑暗和 UV 下腐蝕失重變化，可以看出 UV 相較于黑暗環境能夠顯著促進鋼的腐蝕速率。研究表明，UV 對 Q235 鋼大氣腐蝕行為的影響隨著輻射周期的延長而增強。UV 能夠促進 Q235 鋼表面 β-FeOOH 的形成，并加速 γ-FeOOH 向 α-FeOOH 的轉變。在 UV 條件下，由于 Q235 鋼表面腐蝕產物具有半導體特性，其光電效應產生的電子和空穴會參與大氣腐蝕過程中的陰陽極反應，導致 Q235 大氣腐蝕速率增加。

2、寒帶海水環境造成的金屬材料腐蝕

海水作為寒帶地區一種極端環境下的自然腐蝕介質，其對金屬材料腐蝕的影響與溫帶或熱帶海洋環境相比展現出顯著的差異。兩極地區的低溫海水、高鹽度、溶解氧變化劇烈以及特殊的微生物生態系統共同構成了復雜的腐蝕體系。這些環境因素的協同作用導致金屬材料在寒帶海水環境中的腐蝕機理呈現特殊性。本節從寒帶海水溫度和海洋環境微生物兩個主要方面，介紹其對金屬腐蝕行為影響機制的研究進展。

2.1 海水溫度對金屬材料腐蝕的影響

寒帶海域環境的海水參數與常規海洋環境存在顯著差異，其特有的環境參數體系構成了獨特的腐蝕介質環境，其中水溫是影響金屬腐蝕行為的核心參數之一 [35-37]。北極和南極海域的表層海水溫度常年維持在 0°C 左右。低溫不僅直接影響金屬材料的電化學腐蝕動力學，還會改變海水的物理化學性質，如溶解氧含量、鹽度分布以及冰 - 水界面的離子傳輸過程 [38,39]。Shen 等 [40] 研究了 EH40 鋼在低溫 3.5% NaCl 溶液中的腐蝕行為。結果表明，EH40 鋼在浸泡 14d 后腐蝕速率高于室溫人造海水。低溫海水會造成 EH40 鋼表面形成疏松多孔的腐蝕產物層 ( Fe(Cl x  O y  )和Fe₃O₄)，使得腐蝕介質更容易侵入金屬表面并造成金屬發生點蝕。而在室溫海水環境中，EH40 鋼表面的腐蝕產物層主要由Fe₃O₄組成，具有一定的保護作用。

與常溫海水環境相比，碳鋼和低合金鋼的腐蝕過程受低溫影響顯著。Rajput 等 [41] 探究了低碳鋼 (A 級) 和高強鋼 (A 級和 D 級) 在 - 10°C、0°C 和 18°C 3 種溫度的淡水和海水浸泡條件下的腐蝕特性，結果顯示低碳鋼和高強鋼 (A 級) 在海水中的腐蝕速率最大，并且隨著溫度升高腐蝕加快，但是高強鋼 (D 級) 在 - 10°C 海水中的腐蝕速率高于 0°C 條件。研究表明海水溫度的降低會抑制低碳鋼和高強鋼 (A 級) 的腐蝕，但過低的海水溫度會加速高強鋼 (D 級) 的腐蝕行為。Fu 等 [42] 采用 Zn 和 316L 不銹鋼在冷凍 3.5% NaCl 溶液中模擬寒帶海水環境下鍍鋅鋼結構的腐蝕過程，并對冷凍鹽溶液的電導率和鋅的腐蝕進行了表征。圖 5 是 Zn 分別連接和不連接 316L 不銹鋼后在 - 23°C 下 3.5% NaCl 中腐蝕后的能譜分析結果。結果表明，完全冷凍的 3.5% NaCl 溶液仍然具有導電性和腐蝕性，并且電偶效應在低溫環境下加速了鋅的腐蝕。

2.2 寒帶海洋環境微生物對金屬材料腐蝕的影響

寒帶海洋環境中微生物群落的特殊性也是金屬腐蝕的重要影響因素。盡管兩極地區海水溫度較低，但研究表明寒帶海洋中存在眾多類型的嗜冷微生物。同時由于船舶在不同海域之間航運的原因，嗜熱微生物也存在于寒帶海洋環境。這些微生物具有獨特的代謝機制和環境適應性，能夠在冰下的金屬表面生存、附著并形成生物膜 [43,44]。微生物在金屬腐蝕中的作用主要通過改變氧濃度和環境 pH、分泌腐蝕性代謝產物等方式對金屬材料的腐蝕造成影響。Atalah 等 [45] 利用電化學方法和表面分析技術研究了兩種南極地區的嗜熱細菌 (厭氧芽孢桿菌 Anoxybacillus 和葡萄球菌 Staphylococcus) 對 7075-T6 鋁合金腐蝕行為的影響。結果顯示嗜熱細菌群落產生的過氧化氫酶和過氧化物酶會參與鋁合金的腐蝕過程并促進了腐蝕。

相較于南極地區的嗜熱細菌對鋁合金腐蝕的加速作用，也有研究報道了寒帶海水中微生物抑制金屬材料腐蝕的現象。毛曉敏等 [46] 研究了兩株典型寒帶海冰水中的微生物 (養料嗜冷桿菌 P.cibarius 和南方鹽單胞菌 H.meridiana) 在 4℃條件下對 EH40 鋼腐蝕行為的影響。圖 6 為 EH40 鋼在實驗溶液中浸泡 30d 后點蝕坑的光學輪廓圖及失重速率圖，可以看出空白對照組中 EH40 鋼的均勻腐蝕和點蝕最嚴重，兩種寒帶低溫菌液中的鋼樣腐蝕相對較輕。在 4°C 下，兩株低溫菌附著于 EH40 鋼表面與腐蝕產物共同形成了具有一定防護效果的生物膜，其中 H.meridiana 分泌的可溶性多糖量更大，細菌附著更加均勻連續，其在樣品表面形成的生物膜的致密性更高，防護效果也好于 P.cibarius。

3、寒帶海洋環境下金屬材料的防腐技術

在寒帶海洋環境中，低溫、凍融循環、大氣污染物、紫外輻射以及微生物群落共同構成了獨特的腐蝕性海洋體系，嚴重制約著金屬材料的結構安全性和服役壽命。當前針對寒帶海洋環境的腐蝕防護研究可以分為 3 個主要方向：一是通過新型抗低溫和紫外的涂層技術，實現對腐蝕介質的有效阻擋；二是開發低溫適應性強的犧牲陽極材料以實施電化學防護；三是利用金屬表面改性技術，提升材料自身對極端海洋環境的抗腐蝕能力。

3.1 涂層防護

由于寒帶海洋環境的特殊性，傳統的有機涂層、無機涂層以及復合涂層，在兩極地區條件下均表現出不同程度的局限性。在北極地區，涂層必須能夠承受極低的溫度，抗開裂和脆化，并且在凍融循環環境下也保持良好的穩定性 [47-50]。此外，它們還必須承受結冰造成的機械應力、冰塊運動造成的磨損以及浮冰的潛在沖擊 [51,52]。Momber 等 [53,54] 通過加速防腐 / 老化試驗、涂層附著力試驗、霜凍積聚測量、抗沖擊試驗、磨損試驗和潤濕性試驗評價了六種有機涂層體系在北極近海低溫環境中的性能表現。結果表明，低溫會造成涂層耐腐蝕、耐沖擊和耐磨性能下降，而涂層附著力增加。Bjørgum 等 [55] 研究了 5 種防護涂層系統 (聚氨酯 PU、聚硅氧烷 PSO、增強聚酯 Reinforced、橡膠 Rubber、環氧樹脂 Epoxy) 在北極環境 (低至 - 60℃) 下的性能。圖 7 為 5 種涂層體系在低溫環境下老化后的腐蝕擴展結果。研究表明，低溫環境會造成涂層更硬及柔韌性更低 / 更脆，其中增強聚酯涂層具有優異的抗腐蝕擴展性能。Kim 等 [56] 開發的水性聚二甲基硅氧烷改性聚氨酯 (WPU-PDMS) 樹脂在 - 40℃下仍保持高拉伸強度和伸長恢復率 (90%)，適用于海洋環境下需耐寒性的應用場景。

相較于傳統的防腐涂層，防冰涂層是目前寒帶海洋環境腐蝕防護中重要的研究領域。由于傳統的機械除冰、化學防 / 除冰等技術存在效率低、易造成環境污染等問題，具有高效防冰能力的超疏水涂層在防 / 除冰領域獲得了普遍的關注 [57,58]。超疏水涂層的原理是通過微納米粗糙結構和低表面能修飾，在金屬表面構建出具有高接觸角的超疏水結構，使金屬表面與水的接觸角大于 150° 且滾動角小于 10°，從而減少水在金屬表面的停留和結冰，實現防水、防結冰和抗腐蝕等功能 [59]。Zhang 等 [60] 利用噴涂法制備了具有多級粗糙結構的超疏水涂層，由多壁碳納米管和 SiO 2 構成，能夠顯著提升鋁合金的長期防腐和防冰性能。近年來，超疏水涂層與電熱型、光熱型等主動除冰技術的結合也進一步推動了防冰涂層發展。Hou 等 [61] 通過將電熱層與超疏水層相結合的方式制備了基于石墨烯納米板的電熱超疏水涂層，在具備優異的防水、防冰性能同時涂層能源效率也得到了提升。劉亞華等 [62] 通過超疏水涂層和多壁碳納米管的結合，制備出的光熱超疏水涂層具有出色的抗結冰和光熱轉換能力。在寒帶海洋環境中，金屬材料的腐蝕過程通常伴隨海水中海冰和大氣中冰粒造成的金屬表面摩擦磨損危害。因此，適用于寒帶海洋環境的超疏水涂層在具備良好的抗冰抗腐蝕功能外，還應提高涂層的耐磨能力。Gu 等 [63] 設計了一種細胞狀超疏水涂層，由微殼和納米種子組成基本單元，其自身充當保護性屏障的同時可以加強涂層和材料基底之間的化學結合力，使得該超疏水涂層在耐腐蝕性能優異的同時具有強大的耐磨性。

當前寒帶海洋環境中的涂層防護技術正逐步向多功能、高耐久、綠色環保方向發展，不僅需要滿足傳統的耐低溫、耐磨損和防冰性能，還需具備優異的抗 UV 能力與生態環境友好性。由于寒帶地區 UV 強度較高，傳統有機涂層中常見的環氧、聚氨酯體系在長期 UV 環境下易發生老化失效，進而導致涂層防腐性能快速衰減。與傳統單一涂層材料相比，通過引入多重防護添加劑的方式逐漸成為提升涂層抗 UV 老化性能的重要途徑。Sun 等 [64] 通過對添加劑進行適當的改性，利用添加劑中各組分的協同作用，顯著提高了復合涂層在紫外線照射后的水接觸角、光澤度、吸水率和拉伸性能。在超疏水涂層的改進方面，Guo 等 [65] 利用一種氟硅烷改性氧化鋅作為納米填料，成功制備了具有耐 UV 性能的超疏水復合涂層。同時，為應對兩極地區生態系統敏感、污染物降解周期長的環境保護問題，近年來防護涂層體系在原材料選擇與制備工藝方面也趨于綠色可持續發展 [66]。例如在超疏水防冰涂層研制過程中，通過替換含氟類污染物制備無氟的超疏水復合涂層 [67]。盡管當前具備多功能的涂層研究已經取得了一定進展，但面向寒帶極端海洋環境具備防凍、防磨損、防沖擊、防冰、耐 UV 等多功能涂層的適用性仍是亟待解決的問題。

3.2 犧牲陽極合金設計

犧牲陽極保護作為一種有效的電化學防護手段，已在海洋腐蝕防護領域獲得廣泛應用。該方法通過確保陽極材料在海水中優先發生腐蝕，從而保護被連接的金屬結構不被海洋環境腐蝕 [68]。寒帶海洋環境中海水溫度較低，因而相比于常溫海洋環境對犧牲陽極材料的活化能力、放電穩定性和產物溶解特性具有更高的要求。傳統的犧牲陽極材料雖然在溫帶海域表現良好，但在寒帶環境下容易因表面鈍化或腐蝕產物積聚導致陽極失效，降低保護效率 [68-71]。因此，材料研究者從陽極合金成分設計出發，優化微合金化元素的添加以提升低溫適應性 [72-76]。

張一晗等 [77] 對寒帶低溫環境專用的 Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn 犧牲陽極材料在模擬寒帶環境下進行了電化學性能測試，結果顯示開路電位約為 - 1.04 V，電流效率平均值達到了 84.9%。圖 8 為 Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn 犧牲陽極表面微區電位分布，可以看出寒帶低溫犧牲陽極表現出良好的電化學性能，表面溶解和電位微區分布均勻，犧牲陽極整體保持了良好的活化溶解性能。另一方面，犧牲陽極通常與外加電流陰極保護系統結合共同實現極端海洋環境的金屬腐蝕防護。通過布設可調控電位的輔助電極系統，實現結構全壽命周期內腐蝕電位的動態控制，從而顯著延長結構服役壽命。Stavitsky 等 [78] 開發了適用于寒帶破冰船的鉑鈮犧牲陽極材料。該抗冰陽極材料作為破冰船陰極保護系統的一部分，通過在工作電極上采用結構化鉑涂層，降低了鉑陽極溶解速度，并提高了鉑涂層與鈮基體的結合強度，從而將陽極的使用壽命延長至 25a 或更長。

3.3 金屬表面改性技術

金屬表面改性作為提升材料本體耐蝕性的關鍵手段，在極端海洋環境防腐研究中占據重要地位。不同于依賴外部防護層的傳統方法，表面改性通過調控材料最表層微結構、化學成分或能態結構，在根本上改變材料與環境界面的腐蝕反應過程。當前主流表面改性手段包括激光熔覆、等離子體噴涂、表面合金化、微弧氧化、激光沖擊強化等，其在寒帶海洋中的應用研究日益深入 [79-81]。Wang 等 [82] 在 EH40 鋼表面制備 Ni-15% WC 熔覆層，-40℃下腐蝕電流密度較小，且鈍化膜中 Cr、W 氧化物有效阻隔 Cl −滲透。王超逸等 [83] 研究了新型 F 級船用低溫鋼表面氧化物的耐磨耐腐蝕性能，發現鋼表面Fe₃O₄氧化層的耐磨性和耐腐蝕性最佳，而 γ-FeOOH 氧化層因結構疏松，耐磨性和耐腐蝕性較差。研究結果表明，通過控制鋼表面氧化物類型可顯著改善鋼材的耐腐蝕和耐磨性能。

4、總結與展望

在寒帶海洋環境中，低溫、大氣污染物、強紫外線輻射、冰雪凍融以及寒帶海洋微生物等復雜因素對金屬材料的安全和耐久性提出了嚴峻挑戰。通過對金屬材料在寒帶大氣和海水兩種典型極端海洋環境下的腐蝕研究進展進行梳理可見，寒帶海洋環境下金屬材料的腐蝕問題具有顯著的環境耦合特征，腐蝕機制呈現出多因素驅動、多尺度演化與多模式協同的復雜性。針對寒帶海洋環境特征，金屬材料在涂層技術、犧牲陽極材料設計和金屬表面改性 3 個主要方面已經取得了一定的進展。寒帶海洋環境下金屬材料的腐蝕與防護研究不僅關乎海工裝備的服役安全與壽命，更是我國戰略實施的重要技術支撐，是一項復雜的系統工程，涉及材料科學、環境化學與力學的交叉融合，仍存在若干關鍵問題亟待解決：

傳統海洋工程金屬材料雖具備優異的低溫韌性，但其在寒帶復雜環境中的長期腐蝕行為尚未明確。我國對寒帶海洋環境下金屬材料腐蝕的系統研究起步較晚，相關環境數據積累有限。因此，建立寒帶海洋環境腐蝕數據庫，涵蓋不同金屬材料在典型極端工況下的長期服役數據是當前研究工作的重點之一。

現有研究多基于實驗室模擬，室內加速試驗譜也多基于中緯度海洋環境，缺乏對寒帶環境特殊凍融循環與冰蓋效應的精確模擬，難以掌握真實的寒帶海洋環境動態過程對金屬材料腐蝕的影響。未來研究需進一步整合寒帶海洋現場暴露試驗與實驗室模擬試驗，深化對寒帶海洋多環境因素耦合下金屬材料腐蝕機理的理解。

寒帶海洋環境中金屬材料的防腐研究正從傳統單一手段向多策略集成、多尺度協同的方向發展。涂層防護技術應面向寒帶海洋環境服役場景，開發具有多功能集成、環境響應調控與長效穩定特性的智能化防護材料體系，強化防護手段之間的協同效應，如實現涂層與陰極保護的功能互補、表面改性與抗微生物附著的協同增效，探索環境適應性與自適應調節能力兼具的新一代極端海洋環境防腐材料。

在當前人工智能高速發展和多學科交叉的背景下，面向寒帶海洋環境的金屬材料腐蝕與防護研究應融合人工智能、大數據分析、材料基因組等先進工具和平臺，通過室內和現場金屬腐蝕數據融合建模，實現寒帶海洋環境下金屬材料腐蝕壽命預測與防護方案優化配置，提升寒帶海洋環境金屬材料腐蝕防護策略的前瞻性與智能化水平。

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（注，原文標題：寒帶海洋環境下金屬材料腐蝕與防護研究進展）

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tag標簽:金屬材料,寒帶海洋環境,多因素耦合,腐蝕機制,凍融循環,強紫外輻射

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