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铝合金门窗腐蚀点怎么修复
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文章目录：
1、铝及铝合金材料的腐蚀与防蚀2、永锢小科普——铝合金的腐蚀3、铝合金耐蚀新思路如何耐腐蚀还高强度？竟来自动画片的灵感
铝及铝合金材料的腐蚀与防蚀
一. 铝的特征
1. 铝的机械性质
1.2强度：纯铝很软，强度值也低，但是添加铜，镁等元素制成合金，经淬火时效处理，强度值很高，再添加锌，则可获得更高的强度值。
铝合金经淬火和其它热处理可以获得各种各样的性质。这些热加工均附加了热处理符号。表1表示出日本工业标准的附加符号及其含义。
1.3导电性：铝有较高的导电性，仅次于铜，约为铜的64%。铝的密度只有铜的1/3，但是，当铝、铜的长度和重量相等时，铝的截面积却比铜大，通过的电流量可达铜的两倍。利用这个优点，铝可用于高压输电线。
1.4导热性：铝的导热率为0.53，约为铜的2/3，铁的3倍，容易导热，因此铝广泛用于各种热交换器。
1.5加工性：铝有良好的展性和延性，容易进行压延、挤压、锻造、成形等塑性加工。容易制成各种板、箔、型材、管、棒、线等各种形状的铝制品。
1.6铸造性：铝的熔点660.4℃，容易熔融。此外，含有硅的铝熔液，流动性良好，可用于制造铸件和压铸件。
表1 铝的热处理符号及其含义
热处理符号
符号的含义
基本符号
细分符号
F
原制造状态(不经任何热处理)
O
退火
H
加工硬化
H1
只经过加工硬化
H2
加工硬化后经过适当的软化处理
H3
加工硬化后经过稳定性处理
T
用热处理方法达到F、O、H以外的稳定质量
T1
高温加工冷却后自然时效
T2
高温加工冷却后进行冷加工，再自然时效
T3
固溶热处理后进行冷加工，再自然时效
T4
固溶热处理后再自然时效
T5
高温加工冷却后人工时效硬化处理
T6
固溶热处理后人工时效处理
T7
固溶热处理后进行稳定性处理
T8
固溶热处理后进行冷加工，再人工时效硬化处理
T9
固溶热处理后进行人工时效处理，再冷加工
T10
高温加工冷却后进行冷加工，再人工时效硬化处理
F
原制造状态(不经任何热处理)
1.7接合性：铝可以利用焊接、钎焊、铆接、粘接等方法连接起来，广泛应用于各产业界。
1.8磁性：铝是非磁性材料，在磁场中不受影响，可用于与超导相关的机械、半导体基板等方面。
1.9反射性：铝对光、热、电波都有良好的反射性，可用作照明器材、取暖设备的反射板等。
1.10抗低温性能：铝在液态氮(-196℃)、液态氧(-183℃)、液化天然气(-162℃)低温状态下，也不会发生脆性变化，仍有韧性，所以可用于低温设备，液化天然气气罐，超导相关的机械。
1.11毒性：铝与重金属不同，无毒性，所以广泛用于食品包装、餐具、饮料罐等。
1.12美观性：铝本身具有银光色泽，是一种美观的金属，尤其是经过阳极化处理，可获得比自然色泽、电解成色更美观的多彩表面，可用作装饰品、建筑物内外装饰材料和包装材料等。
1.13再利用性：铝制品(以饮料罐为代表)使用后再熔化制造成铝制品。再生铝所需能源仅为铝矾土炼制铝块所需能源的3%，是容易实现再生利用的一种金属。
2.铝的化学特性和耐腐蚀性
铝在氧化性酸液中能生成钝态保护膜，不易腐蚀，但是在非氧化性酸(如盐酸)液中，在pH值＜3.5的酸性溶液中腐蚀得很快。
图1 pH值对铝的腐蚀的影响
铝在下列反应中生成可溶性的盐而溶解，所以不腐蚀：
常温时，铝在pH值＞8.5的碱性溶液中腐蚀得很快。因 ①导热率原文为0.53，无单位。但查国内有关手册，铝的导热率为203W/(m-k)，铜为392W/(m-k)，铝是铜的1/2，铁为46W/(m-k)，铝是铁的4.4倍，如果铝在短时间内与pH值=12左右的灰浆等接触后会被腐蚀。所以，在建筑施工中必须注意。
各种金属和展伸用铝合金的自然电极电位如表2所示。
图2 各种调味品液体对碳钢的腐蚀速度
(室温、24h浸渍试验)
表2 各种金属和展伸用铝合金的自然电极电位
金属及铝合金
自然电极电位*
金属及铝合金
自然电极电位
Mg
-1.73
2014-T6
-0.78
Zn
-1.10
2014-T4，
2017-T4，
2024-T3，
2024-T4
-0.68～
0.70②
7072，Alclad 3003，Alclad 6061，Alclad 7075
-0.96
软钢
-0.58
5056，7079-T6，5456，5083
-0.87
Pb
-0.55
5154，5254，5454
-0.86
Sn
-0.49
5052，5652，5086，1099
-0.85
Cu
-0.20
3004，1185，1060，1260，5050
-0.84
Bi
-0.18
1100，3003，6053，6051-T16，6062-T6，
6063,6363,Alclad 2014，Alclad 2024
-0.83
不锈钢(300系
列，430系列)
-0.09
Cd
-0.82
Ag
-0.08
7075-T6
-0.81
Ni
-0.07
2024-T81，6061-T4，6062-T4
-0.80
Cr
-0.49～
+0.018
*在(53g/l的NaCl+3g/l的H2O2)水溶液(25℃)中测定(0.1N甘汞.标度)
①Alclad——纯铝包皮超硬铝板
②根据淬火速度的不同而变化
从表2可知，铝合金对其它金属(除镁和锌外)而言，在电化学方面属于贱金属(易氧化金属)，所以铝在使用中与贵金属铜，铁等重金属相接触时，会产生异种金属的接触腐蚀。因此，铝合金不要在酸、碱液体中使用，还必须注意不要与异种金属材料相接触。
铝在室温的大气环境中，在pH值=4～8.5的水溶液中，由于能形成稳定的自然氧化保护膜，所以具有耐腐蚀性。
在铝和铝合金中，以纯铝的耐蚀性为最好。其中降低耐蚀性的铁和铜等不纯物质越少越好。
铝制品广泛应用于烹饪器具，当这些器具接触调料时，其腐蚀性与碳钢相比较，如图2、3所示。
由图2和图3可知，铝比碳钢的耐蚀性大10倍。
图3 各种调味品液体对铝的腐蚀速度
(A1050、室温、24h浸渍试验)
为了改进铝的机械性质而加入Cu、Mg、Zn、Si等元素的高强度铝合金。这些添加元素除了降低耐腐蚀性外，由于热处理还容易引起晶间腐蚀和应力腐蚀裂纹。
3.表面处理特性
如前所述，铝具有自然生成保护膜的性质，所以在室内使用的器具，只经过成形抛光加工，不作特别表面处理，但是，要想人工形成较坚固的表面保护膜，一般要进行阳极氧化处理。
铝的阳极氧化保护膜是对其多孔质的结构进行封孔处理，提高其耐蚀性。然而，利用这种多孔质结构进行染色处理，可使其表面获得美观多采的铝制品。
同时，采用阳极氧化和电泳喷漆处理所形成的复合保护膜，更加改善了铝制品的耐候性。
图4表示阳极氧化保护膜暴露10年的耐候性，图中纵坐标的额定数10是无缺陷时的数值，此数值下降表示劣化。由图可知保护膜厚度＞14μm的铝制品，暴露10年后几乎没有劣化现象。
二. 铝的腐蚀特性及防蚀
图4 阳极氧化保护膜和阳极氧化复合保护膜的耐候性(暴露10年)
图5 铝表面氧化膜的结构模型
通常，这层氧化膜能防止铝在大气中受到侵蚀，但是万一受到损伤，表面疏松层遭到破坏，则下面阻挡层的外表面会形成新的疏松层，阻挡层下面是铝的基体，会再产生新的阻挡层，恢复损伤前的三层结构状态。阻挡层的厚度在大气中大致上是一定的，能够保持防蚀效果。这个反应是在自然环境中短时间内进行。由于铝是活泼金属，与大气中的氧起反应形成的氧化保护膜是作为阻挡层而显示出其防蚀效果。但是把这层氧化保护膜浸在强酸，强碱中，会发生均匀腐蚀、局部腐蚀(孔蚀)。此外，还有接触腐蚀(电蚀、裂隙腐蚀)以及由于材料的原因而产生剥离腐蚀、应力腐蚀。
1.均匀腐蚀
铝及铝合金表面受到均匀侵蚀时，称之为均匀腐蚀。这时有两种情况，一种是只有表面的氧化膜被侵蚀，另一种是进一步侵蚀到铝合金的基体上。后者是根据特定溶液及其浓度、温度的不同而改变其表面受侵蚀的程度。
氧化膜的固有颜色是银白色，一般在被腐蚀后，颜色有所改变。这是根据铝合金的种类和氧化的程度而定，有的变为闪光色、白色、褐色，还有的变为灰色。如浸渍在强酸(盐酸)或强碱(氢氧化钠)中，则表面上自然形成的氧化膜被溶解掉了，与基体金属急剧地起化学反应，一边产生氢气，一边侵蚀下去。在这种场合下，溶液的浓度、pH值、温度、接触时间等作为反应因素，影响很大。
2.黑色腐蚀
铝发生黑色变化的原因，除了有氢氧化钠及铝酸钠的生成变色理论和铁、硅、铜、钛的影响理论外，还有很多的研究报告。但是铝和防蚀铝(Alumite)的加工制品，其黑色变化却有这样的定论，即认为其主要原因是在水中或溶液中析出的各种金属离子附着在露出的铝表面上以及由于铝合金中异种金属元素的露出，使外露铝表面的反射率大为降低所造成。
铝的纯度越低，溶解的金属离子量和露出表面的异种金属量就越多。由于水和溶解在水中的氧共存离子等的作用，在水中析出金属的一部分变为氧化物、氢氧化物、盐类等，助长了铝的黑色变化。当接近于纯水的饮用水被煮沸时，铝罐内会形成一层厚的坚固的一水铝软石保护膜和存在坚固的阳极氧化膜，这时铝就不变黑。
综上所述，可以推定变黑的原因是：
(1)由于析出的细微状态的异种金属元素附着在铝表面上以及铝本身的外露降低了铝表面的反射率。
(2)附着在铝表面上的析出金属元素和露出的金属元素变化为有色的氧化物、氢氧化物。
3.局部腐蚀
在铝制产品上容易看得见的腐蚀是孔蚀，它是以局部分散的形式出现的。关于孔蚀的结构还不十分清楚，现说明如下。
铝及铝合金在润湿环境中，表面氧化保护膜的缺陷部分(孔)吸附着Cl离子，局部地把氧化保护膜溶化掉，并在铝的基体上形成细微的小孔。例如在食品的铝制容器中，溶液中各种异种元素如食盐等，开始时多吸附在铝的表面上，在这个小孔里面，铝被溶解下来，与所产生的铝离子相平衡的Cl离子等从表面上浸入、扩散、并且提高了小孔中的酸度，促进铝的溶解。小孔的断面形成像箭囊那样的口小体大的形状，如图6所示。
图6 自然腐蚀孔(孔蚀)
4.接触腐蚀
如果铝及其合金与异种金属材料长久接触，往往会产生接触腐蚀。
1)与异种金属材料长久接触会产生电蚀(电池作用腐蚀)。
2)与非金属材料接触会产生接触腐蚀(间隙腐蚀)。
一般金属材料及其合金单独在电解溶液中都能保持各自的电极电位，但是与高电位的银(-0.08V)、铜(-0.20V)、铁(-0.58V)相比，低电位的铝(-0.85V)、锌(-1.00V)、镁(-1.73V)若与高电位金属材料以电接合方式置于电解溶液中，则会产生电蚀，这是因为贱金属(易氧化金属)成为阳极而放出离子，所以有腐蚀电流流过(图7)
图7 在电蚀情况下铝合金受侵蚀的状况
铝与铜和铁相接触时，有上述危险。但是在接触金属的电极表面会形成绝缘性或半导体的保护膜和其它化合物后，就会阻止腐蚀电流的流动，从而防止侵蚀(极化反应)的现象发生。铝及铝合金与奥氏体不锈钢(SUS304)相接触时，铝就难以被侵蚀，所以，当与异种金属材料相接合时，必须充分考虑防止侵蚀的对策。
目前，汽车上很多零件采用铝合金材料，如发动机、发动机罩、车身外壳等，因此铝合金与钢相接触的情况就无法避免。铝合金与钢接触，暴露在腐蚀环境中，与钢相接触部位的附近，铝合金的腐蚀就很显著，因此，防止电蚀的对策很重要。根据防止电蚀试验可知，答库朗牌号涂漆层(一种加有锌粉的涂料)和电泳喷涂漆能有效地防止电蚀发生。
对于钢制紧固件多经过答库朗牌号涂漆处理后使用。图8为钢制零件与铝合金零件用机械联接的一种方法，两个联接零件之间涂敷粘接剂就可以避免电蚀。这种事例应用范围很广。
铝在自然环境中是一种耐腐蚀性非常优良的金属材料，但与高电位的其它金属材料相接触且暴露在腐蚀环境中时，常常看到铝被首先侵蚀的现象。但是铝腐蚀的程度不仅受到两种不同材料电位差大小的影响，而且下述各种因素也有很大影响。
图8 涂漆兼用作粘接剂的机械紧固结合件
1)接触部位的电阻
金属材料间的电阻越大，腐蚀电流越难流过，因此，腐蚀程度越低。如果生成物附着在金属表面上，则电阻会增加，有减轻接触腐蚀的作用。
2)溶液中的电导率
在不纯物含量少的水中，接触腐蚀比较弱，而在海水、化学药品等高电导率的媒体中，则接触腐蚀明显地变得强烈。但是要注意，即使在不纯物含量比较少的水中，当阳极和阴极的面积比值大时，腐蚀程度往往也高。
3)极化特性
铝和异种金属材料处于接触状态，并与电解质接触时，其平衡电位高于铝单独存在时的电位，并低于异种金属材料的面积比。其趋势是，当铝的面积大时，则接近于铝单独存在时的浸渍电位。
相反，异种金属材料的面积大时，则接近于异种金属单独存在时的浸渍电位。此外，浸渍电位在各个部位上并不相同，显示出以下的倾向，即距离铝与异种金属材料的接触界面越远的地方，二者的电位越接近各个金属单独存在时的浸渍电位。电位的分布状态，或者说离开接触界面的距离与电位的关系，受到铝与异种金属材料的形状、面积比、尤其是电解液的电阻值、各种金属材料在电解液中的金属极化作用的影响，这些关系非常复杂，要综合考虑确定才妥。其中极化作用大致上可分为下列三种：
① 阴极支配型；
② 阳极支配型；
③ 混合支配型。
在电极处发生的反应为活化反应时，其电极电位是电流密度的函数，可用Tafel公式表示：
η=a+blogi
式中 η——极化电位
a,b——常数
i——电流密度
腐蚀速度是由极化大的一方的极化反应速度所支配。因此，知道金属材料电位的同时，研究极化特性就很重要了。
4)阳极和阴极的面积比
金属材料的阳极和阴极的面积比值影响接触腐蚀，腐蚀速度是由阴极支配还是由阳极支配根据情况的不同而不同，但是，在一般情况下阴极面积小，阳极面积大时腐蚀轻，反之，阴极面积大，阳极面积小时会受到剧烈腐蚀。流过两种金属材料之间的腐蚀电流量是根据阴极面积的大小而增减。
在实际的结构中，常常遇到阴极面积大的情况。例如，将喷漆过的铝板与裸露钢材或不锈钢装配在一起时，这些异种金属材料成了阴极，漆膜缺陷部分(损伤、销孔等)成了阳极。因为阳极面积很小，阴极与阳极的面积比值会出现无穷大的情况，于是，腐蚀就集中在漆膜的缺陷部分。
5)溶液的pH值和溶解在水中的氧的影响
pH值接近中性时，腐蚀量小，在倾向于酸性或碱性时，腐蚀量变大。当pH值在4～10范围内时，溶解在水中的氧有显著影响。
另外，也可以看出，如果对钢板做防蚀处理，对铝的腐蚀程度可大幅减小。
5.剥离腐蚀与应力腐蚀
剥离腐蚀是材料在特定腐蚀条件下的层状腐蚀，这是由于腐蚀生成物的压力使材料产生像树皮卷起来那样的剥离现象，它与应力没有关系。其原因估计如下：
1)处于连接状态的某种特定阳极。比如沿加工方向金属间存在化合物。
2)结晶形状特别长，在一个方向延长，与其宽度相比较厚度甚薄。
3)在产生剥离腐蚀的环境中有一定的条件。认为应力不一定必要，但氯离子的存在则是不可缺少的条件。
对于A7N01 Al-Zn-Mg合金，经固溶体处理后再自然时效，剥离腐蚀的敏感性很低，通常认为在一般大气中产生剥离腐蚀的情况是非常少的，但是，焊接件由于进行了加热，焊接热影响区被暴露在某种温度范围内，增强了敏感性。相当于JIS A7N01(JIS—日本工业标准—编者注)的合金铸块，其均质处理温度与应力腐蚀裂纹(腐蚀形态为晶间腐蚀)以及与剥离腐蚀的关系如表4所示。
表4 铸块均质处理对A1-Zn-Mg合金的剥离腐蚀与应力腐蚀裂纹的影响
铸块均质处理温度℃
剥离腐蚀的敏感性
低温时效材料产生应力腐蚀裂纹的时间（天）
300
无
3
300
很小
12
400
强
22
450
强
21
550
中等程度
8
590
无
5
从上表可知，铸块以400～450℃作均质处理时，剥离腐蚀的敏感性强，而应力腐蚀裂纹的敏感性却低。即A7N01合金的剥离腐蚀与应力腐蚀裂纹有正好相反的关系，一种腐蚀如被抑制，另一种腐蚀的敏感性就增大。在这两种腐蚀形态中，与材料破坏有密切关系的是应力腐蚀。为了防止产生应力腐蚀裂纹，通过添加微量元素及热处理把A7N01合金的结晶状组织转变成纤维状组织。因此估计焊接热影响区或多或少会有剥离腐蚀的敏感性。
6.点蚀
图9 点蚀模型
图10 氧化铝保护膜产生点蚀的机理
三. 铝及其合金的耐腐蚀特性
铝及其合金根据所添加元素的种类不同，其耐腐蚀性也大不相同。希望能掌握这些特性加以灵活应用。
1.纯铝(JIS 1000系列铝，非热处理型)
纯铝的强度值低而耐腐蚀性好。通常使用的纯铝，其纯度为99.0%～99.8%，主要的不纯物质有Cu、Fe、Si。铝的纯度越高，其耐腐蚀性越好。
2.Al-Cu合金、Al-Cu-Mg合金(JlS 2000系列合金，热处理型)
以杜拉铝、超杜拉铝命名的2017、2024为代表，其强度可与钢材相匹敌，但由于Cu的含量高，耐腐蚀性变差，特别容易发生晶间腐蚀。使用时必须采取一些防蚀处理。
3.Al-Mn合金(JlS 3000系列合金，非热处理型)
添加了Mn以后，并未降低铝的加工性和耐蚀性，却提高了强度，这种合金的耐孔蚀性良好。
添加元素Mn后，把有害的Fe沉析成为(MnFe)AL6，减少了Fe的不利影响。
4.Al-Si合金(JlS 4000系列合金、非热处理型)
假如Si是处于细小而分散的状态，耐腐蚀性并不那么差，但是Si过多存留于晶间界面上，则容易产生晶间腐蚀。
5.Al-Si-Cu-Mg合金(JIS 4000系列合金，热处理型)
耐腐蚀性差，但是添加Cu、Mg元素后，则可提高铝的强度和耐热性。
6.Al-Mg合金(JlS 5000系列合金，非热处理型)
此种合金的耐腐蚀性与纯铝相同，但在微弱的碱溶液中，能提高耐腐蚀性，耐海水性也优良。Mg含量高的Al-Mg合金，如果进行过度的冷加工，然后原封不变地在高温中使用，则容易发生应力腐蚀裂纹，所以要采取调质处理。
7.Al-Mg-Si合金(JIS 6000系列合金，热处理型)
这种合金有含Cu和不含Cu的两种。含Cu的在铝合金中强度最高，但耐腐蚀性差。不含Cu的与6061合金有相同的耐腐蚀性。
此外，这种合金如果采用的热处理工艺不适当，则会产生应力腐蚀裂纹。不含Mg的Al-Zn合金(7072)用作层合板的外层材料时，其芯材为纯铝1100或Al-Mg合金(3033)。
9.铸造铝合金
铸造铝合金冠以AC代号，压铸铝合金冠以ADC代号。它们的分类见表5
表5 用于铸造和压铸的铝合金分类
非热处理型合金
JlS符号
Al-Si系列合金
AC3A ADC1
Al-Mg系列合金
AC7A ADC5 ADC6
热处理型合金
JlS符号
.Al-Cu系列合金 Al-Cu-Mg系列合金
AC1A AC1B
.Al-Cu-Si系列合金
AC2A、AC2B
.Al-Cu-Mg-Ni系列合金
AC5A
.Al-Si-Mg系列合金
AC4A、AC4C、AC4CH、ADC3
.A1-Si-Cu系列合金
AC4B、ADC10、ADC12
.Al-Si-Cu-Mg系列合金
AC4D
.AC-Si-Cu-Mg-Ni系列合金
AC8A、AC8B、AC8C、AC9A、AC9B、ADC14
此外，铸造铝合金的耐腐蚀性与前述的各种铝合金相同
永锢小科普——铝合金的腐蚀
你知道吗？铝合金的耐蚀程度是由氧化膜在不同环境中的稳定性所决定的。在干燥的大气环境下，钝化膜具有稳定性，不易被破坏。若长期暴露在户外大气环境下，就会发生局部点蚀。
这主要是因为表面沉积灰尘离子后，在灰尘离子下的水膜中金属表面形成缺氧区，导致钝化膜破坏和自钝化能力下降所造成的。在工业大气中保护膜易受到破坏，耐蚀性下降，特别是在有硫氧化物酸雨污染地区的耐蚀性下降较为明显。铝材正面普遍发黑，为黑色密布白点或灰白密布黑点。在海洋大气中，CL—对钝化膜有很强的破坏作用。
铝合金在海水中的钝态是不稳定的，局部腐蚀是其主要腐蚀形式。常见的局部腐蚀是孔蚀和缝隙腐蚀。纯铝不会产生晶间腐蚀，铝合金具有较大的晶间腐蚀敏感性。应力腐蚀主要发生在经过热处理的高强度铝合金中，且均为沿晶间开裂型。
铝合金在海水中与大多数金属接触时，都呈阳极性，会使铝腐蚀加速。铝合金在还说全浸区腐蚀最重，飞溅区最轻，潮差区居中。在全浸区或潮差区，表面的海生物污损比其他金属要严重，这会加剧铝合金的局部腐蚀。
在工业环境中，铝合金20年的平均腐蚀速率约1μm/a。在不同的腐蚀环境下，20年铝合金的平均点蚀程度则严重很多，数据如下：乡村环境10~55μm；城市环境100~190μm；海洋环境85~260μm。
铝和钢铁、铜和不锈钢等金属相接触时，有着电偶腐蚀的危险。因此，铝和这些金属之间要相互绝缘。
铝合金含4.5%的镁和1%的锰，称之为耐海水铝合金，在海洋环境中有着很好的耐腐蚀性能。这种铝合金多用于不含氧化亚铜的防污漆。因为以氧化亚铜为主要防污剂的防污漆与铝合金船体相接触，会因电偶作用而导致船体的腐蚀。
通过今天的科普，你对铝合金的腐蚀有所了解了吗，关注我们，定时更新你的铝合金知识。
铝合金耐蚀新思路如何耐腐蚀还高强度？竟来自动画片的灵感
出品：科普中国
作者：王政彬（中国科学院金属研究所）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
生活中的铝
铝是地壳中含量第三高的元素（仅次于氧和硅），同时，由于金属铝具有密度小、强度高、易加工等特点，铝合金在国民经济和国防等各个领域均得到了广泛应用。
金属铝的密度只有金属铁密度的约1/3，因此，以铝合金为代表的铝基材料是飞机、车辆、舰船等装备轻量化的关键材料，其大规模应用不仅能够显著降低飞机、车辆等民用装备的燃料消耗，减少温室气体排放，还能够提高武器装备的机动性、航程和载弹量，对于节能减排、国防安全等具有重要意义。
铝元素
（图片来源：veer图库）
近年来，在全球应对气候变化的紧迫背景和在“双碳”战略目标驱动下，装备轻量化对铝基材料（包括铝合金、铝基复合材料等）提出了更高强更耐蚀的迫切需求。高的强度可以保证更少的材料，即可承载更大的载荷，高的耐蚀性可以保证无需大量防腐涂装，均有利于轻量化。
金属铝由于能自发地在表面形成Al2O3保护膜，通常具有较好的耐蚀性能，这也是我们日常生活中很多铝合金制品（如铝合金门窗等）不容易发生腐蚀（生锈）的根本原因。
然而，这些铝合金强度往往较低（成年人徒手即可使很多铝合金门窗框变形），无法满足高强度的要求。
如何在保证耐腐蚀的基础上提高铝合金的强度？
在金属铝中引入强化相（包括向金属铝中加入镁、锌、铜等其他金属元素所形成的析出相和向金属铝中加入陶瓷颗粒、碳纳米管等增强相），是开发高强铝基材料最有效的方法，由此也发展出2系（铝-铜合金）、7系（铝-锌-镁合金）等高强铝合金，已成为航空航天和装备轻量化的关键材料（例如2系铝合金是飞机蒙皮的主要材料）。
然而，强化相的引入在提高强度的同时，会显著降低铝合金的耐蚀性能，这是因为强化相与金属铝基体之间存在本征的腐蚀电位差异，极易产生微电偶效应而发生加速腐蚀。
铝卷
（图片来源：veer图库）
强化相对强度有利、对耐蚀性不利的相反作用导致铝合金普遍存在高强度与高耐蚀不可兼得的矛盾（即强度越高，耐蚀性越差，如下图所示），这是制约高强铝合金应用和发展的瓶颈。如何设计开发出兼具高强度和高耐蚀性的铝基材料，已成为国内外学术界和工业界的关注热点和研究难点。
铝合金普遍存在高强度与高耐蚀不可兼得的矛盾问题
（图片来源：作者供图）
动画片启发，思路有了！
为了解决高强铝基材料不耐腐蚀的问题，研究者们采取了成分优化、热处理调控、相界面优化等诸多措施，虽然在一定程度上提升了耐蚀性，但往往以牺牲强度为代价或导致强度提升不明显。
其根本原因是这些措施局限于通过调控强化相的成分、尺寸和分布来优化力学和腐蚀性能，没有改变强化相“对强度有利、对耐蚀有害”的矛盾角色。因此，需要另辟蹊径，寻找高效的兼顾力学强化与抑制腐蚀的全新材料设计方法。
因为我本身是研究腐蚀防护的，所以首先从腐蚀的角度来尝试解决这个问题。偶然一次在陪女儿看动画片时，了解到一些鳗鱼在受到外界刺激（例如遇到危险）时，会通过皮肤的腺体自发分泌粘液进行自我保护。
鳗鱼
（图片来源：veer图库）
受此启发，我联想到如果金属材料也能在受到外部腐蚀（外界刺激）时，也能够自发“分泌”某种物质在表面形成保护膜，那么就能实现金属材料的自发耐蚀了。
要想实现这一思路，需要解决三方面问题：选择什么物质作为金属中的“粘液”？选择什么物质作为金属中的“腺体”？在受到外部腐蚀刺激时金属中的“腺体”能否自发分泌“粘液”抑制腐蚀？
根据已有知识，可溶性钼酸盐、磷酸盐等无机盐（沉淀剂）可以与腐蚀产生的Al3+离子反应生成沉淀，能够抑制金属铝的腐蚀，因此，其可以作为所需的“粘液”。
然而，无机盐与金属之间是完全不兼容的，直接把无机沉淀剂加入金属铝中必然会严重影响成型性和强度。因此，我们需要寻找一个“腺体”在装载沉淀剂的同时，还能与金属铝实现界面兼容。
研究表明，碳纳米管可以通过外壁传递载荷等机制进行力学强化，已被成功应用于增强金属铝的强度。值得注意的是，目前添加到块体金属材料中的碳纳米管的内腔大多是中空的，而这个空腔恰恰能填充物质。受此启发，我们就可以将碳纳米管作为“腺体”，利用其内腔把无机沉淀剂加到金属中。
同时，碳纳米管还是一种纳米毛细管，当接触水溶液（外部腐蚀介质）时，水可以通过毛细作用进入碳纳米管内腔，溶解其内部负载的沉淀剂，在浓度梯度的驱动下，碳纳米管内腔的沉淀剂就可以自发扩散到金属/溶解界面，与腐蚀产生的Al3+离子反应生成沉淀，从而抑制腐蚀。
碳纳米管
（图片来源：veer图库）
由此可见，碳纳米管“腺体”在受到外部腐蚀溶液刺激时，可以通过“腺体”利用毛细作用自发分泌“粘液”来抑制腐蚀。据此，我提出了“内生沉淀剂为粘液，中空碳纳米管为腺体，毛细作用为分泌驱动力”的仿生设计新策略，并利用真空负载技术和粉末冶金技术成功制备出高强高耐蚀的块体7系铝基复合材料。
该材料具有~700 MPa的超高抗拉强度，塑性满足应用要求，耐晶间腐蚀等级为N级（最优级），耐剥落腐蚀等级为1级（最优级），且无应力腐蚀敏感性，其强度和耐蚀性的综合匹配超过了目前公开报道的其他铝合金（图A）。
不仅如此，该材料在酸、碱、盐环境中均具有极低的腐蚀速率，表明其具有优异的腐蚀环境适应性。
值得一提的是，其在强腐蚀性碱性介质中浸泡2天也不发生明显腐蚀（图B），腐蚀速率仅有0.15 mm/a，是最耐蚀的纯铝的一百分之一，颠覆了金属铝不耐碱腐蚀的传统认知。与之相比，传统7系铝合金及其复合材料在强碱中发生了严重腐蚀，7系铝基复合材料甚至被腐蚀成渣了（图B）。
优异的耐蚀性主要是因为毛细作用能够诱导沉淀剂自发从碳纳米管中溶解释放并在表面发生富集，从而形成保护性膜层隔绝腐蚀介质。这种自发释放具有快速、可控和微量的特点，同时，沉淀剂遍布于块体铝基复合材料内部。因此，该材料优异的耐蚀性具有自愈性且伴随整个服役周期。
同时，运用上述仿生策略同样研制出了兼具高强高耐蚀的2024以及6061铝基复合材料，表明该策略具有可拓展性，有望能研发出其他高强高耐蚀金属材料，可应用于飞行器、舰船、高速列车等大型装备以及电池极板等新能源领域。
A.高强高耐蚀7系铝基复合材料强度和耐蚀性的综合匹配超过了目前公开报道的其他铝合金。
（图片来源：作者供图）
B.传统7系铝合金、传统7系铝基复合材料以及高强高耐蚀7系铝基复合材料在强碱性溶液（1 M NaOH）的腐蚀形貌。
（图片来源：作者供图）
结语
总之，上述新思路解决了铝基材料高强度与高耐蚀不可兼得的矛盾问题，有望能拓宽高强铝合金及其复合材料的应用范围，推动装备轻量化发展。
不仅如此，该思路中的“粘液”和“腺体”均可按需调控，可用于开发功能导向的金属材料，有望衍生发展成为解决金属材料高强度和某一性能（耐蚀、防污、导电等）相矛盾难题的新途径，对推动多功能金属材料发展具有潜在影响力。未来随着研究的深入和技术的不断进步，相信会有更多高强高耐蚀、高强高导电等金属材料被开发出来，为各行各业的发展提供有力支撑。
