环境功能复合材料

1 绪论 人类的生存与发展既受到环境的制约，同时又对环境产生影响，从而反作用于人类。例如，大气环境、海洋环境、土壤环境等对建筑、桥梁、各类工业设施等有一定的破坏，影响着人类的生产生活；而人类生产生活引起的温室效应、酸雨、海洋污染、土地沙漠化等一系列环境问题，反过来又会制约人类的生存与发展。近二十年来，我国冶金、化工、能源（火力发电）、交通（汽车）、造纸等工业快速发展的同时对自然环境也造成一定污染，不仅破坏生态环境，同时使材料在受污染环境中的腐蚀速率显著增加，导致设备、工程构件、建筑物等的使用寿命大大缩短，原材料的消耗进一步增加。例如，我国部分地区受硫化物的污染，雨水的 pH可降低到 3.2～3.8，导致室外普碳钢制品的腐蚀速率增大数倍，混凝土建筑物的腐蚀破坏大大加速。此外，行星际空间与地球空间环境中的流星体、空间碎片、等离子体、电离气体、带电粒子、太阳电磁辐射、行星际磁场、各种宇宙线，以及不同行星表面的特殊空间环境等也影响着空间环境中航天器、空间站及各类卫星系统等的安全运行。 物理学、化学、力学等学科的研究和发展推动了对物质结构，材料的物理、化学和力学性能的深入认识和了解。同时，金属学、冶金学、工程陶瓷技术、高分子科学、半导体科学、复合材料科学以及纳米技术等的发展促进了各种新材料的产生。这些新材料可分为结构材料和功能材料。结构材料是以力学性能为基础，制造受力构件所用的材料。当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐射、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。针对目前人类面临的自然或人为因素引起的地球表面及外部空间的各类环境问题，环境功能复合材料的提出不仅可以提高自然环境中材料的抗腐蚀、抗氧化、抗电磁辐射、抗粒子侵蚀等性能，还能够利用功能复合材料的设计获得新型环境材料。 无论结构材料还是功能材料，无论传统材料还是新型材料，其均可统一定义为“可供制作成成品的物质、原料”。既然是一种物质或原料，那么它就必然取自于环境，其加工、制造和使用过程也离不开环境，同时又影响着环境。材料和环境是相互依存、相互影响的，如何使其协调发展，即不仅使材料可以长期存在于各类环境中，而且使环境在新材料的影响下可持续发展，环境功能复合材料旨在解决这一问题。 1.1 环境和材料的相互关系 1.1.1 环境对材料的作用 材料总是在一定的环境中使用。环境包括“自然环境”和“社会环境”。其中，自然因素的总体称为自然环境，目前认为是以大气、水、土壤、地形、地质、矿产等一次要素为基础，以植物、动物、微生物等作为二次要素的系统总体；由人所组成的社会因素的总体称为社会环境。 社会环境是推动材料科学发展的动力，正确的材料生产、加工和使用，体现了人们对材料发展的认识过程。表1-1反映了我国社会认识材料的社会和经济性的演变过程。 随着时代发展，人们发现除了“质量”（即“性能”判据）外，还要考虑“效益”（即“经济”判据）。直到 1995年我国宣布实施“可持续发展”战略，才在社会上广泛地认识到“资源、能源、环保”这三个战略性判据。 表1-1 我国社会认识材料判据的演变 广义上，材料科学与工程是关于材料组成与结构、合成与制备、性能、使用效能之间关系的有关知识的开发和应用的学科。这一传统的四要素体系没有充分考虑材料的环境协调性问题，或者说环境协调性在早期还没那么突出。按照传统的材料评价方法不可能反映材料的环境作用优劣，因此必须把环境因素对材料的作用考虑进去。从广义上来看，自然环境中风、沙、雨、露、阳光等均对材料有一定的影响，如使各种材料发生腐蚀、分解、风化或降解等。材料在使用过程中因受环境的作用而发生性能下降、状态改变，甚至损坏变质，这通常称为“腐蚀”或“老化”。几乎所有材料在环境作用下（大气、水、土壤）都存在腐蚀或老化问题。材料腐蚀不仅带来重大的经济损失和大量资源与能源的消耗，还会给设备、装备、建筑物及人身安全带来威胁。随着经济的发展，在人们从事大量社会活动时往往会引起一系列环境问题，如全球气候变化、酸雨、土地沙漠化、海洋污染等，以及由此引发的大范围全球性环境危机。因此，研发一系列相应的环境工程材料去改善环境、控制环境污染、降低环境对人类的进一步危害，具有十分重要的意义。 1.1.2 材料对环境的影响 材料产业支撑着人类社会的发展，为人类带来了便利和好处，但材料的整个生命周期，也就是从原材料开采与提炼开始，到产品制造、运销、使用、报废和*终处理的全过程，将对生态环境有重要影响。材料对环境的影响包含正面和负面两种影响。正面影响是指用各种材料来不同程度地修复环境所受到的损伤、治理或减轻环境污染等，但是从长远来看，这种修复作用、治理作用或减轻作用是暂时的、局部的和相对的。材料对环境的负面影响主要指在材料的开采、提炼、加工、制造、生产以及使用和废弃的过程中对环境造成的直接的或间接的损伤和破坏。众所周知，一方面，在材料加工、制造、生产、使用和再生等过程中，需要消耗大量的资源和能源，以保证这些过程的顺利进行；另一方面，在这些过程中，由于物理变化或化学变化排放出的大量废水、废气和废渣又会造成环境的污染与生态的破坏，威胁着人类的健康和生存。材料对环境的负面影响是本书讨论的重点内容。 在材料加工、生产和使用过程中，资源消耗可分为直接消耗和间接消耗两类。直接消耗是指将资源用于材料的加工和生产。间接消耗是指在材料的运输、储藏、包装、管理、流通和使用等环节造成的资源消耗。如材料的运输需要运输工具；储藏需要占地、建造仓库；产品包装、流通以及使用等需要各种辅助设施等。从理论上讲，材料的加工、制造、生产、使用和再生过程对环境造成的负面影响具有必然性、不可逆性和普遍性。由此而产生的环境问题是与人类的欲望、经济的发展、科技的进步同时产生和发展的，表现出相互依存的关系。从材料与环境之间的密切关系可以看出，材料的整个生命周期与环境共同组成一个包含路径 a、b、c、d、e、f的完整的闭合系统，如图1-1所示。 图1-1 材料与环境的相互关系 由 a→b→c→d→e→f组成的闭合系统是传统材料的整个生命周期。可以看出，传统材料的生产原料（资源和能源）来自自然环境，包括可耗竭资源和可更新资源。可耗竭自然资源是指人类开发利用后，在相当长的时间内，不可再生的自然资源，主要指自然界的各种矿物、岩石和化石燃料，如用于生产金属材料的金属矿产资源、用于生产无机非金属材料的矿物资源等。可更新资源是指能够通过自然力以某一增长率保持或不断增加蕴藏量的自然资源，如用于生产木制品的森林资源、用于生产纺织材料的农牧业资源等。原料加工、制造成物品、器件、构件或其他产品，供生产、生活使用，在加工、制造以及使用、废弃过程中将产生大量的废水、废气和固体废物等。 由 b→g→h组成的循环系统与上述闭合系统共同构成环境材料的生命周期。可以看出，环境材料的生产过程注重废弃物的处理和循环利用，可耗竭 /更新资源中存在大量可回收的资源，它们的效用丧失后，大部分物质还能够回收利用，如金属等。通过路径 h的物质流量越大，则通过路径 a和路径 f的物质流量就越小。即废弃物的再资源化程度越高，地球的资源耗竭就会越慢，对环境的污染和资源的过度消耗程度就越小，这是一个良性循环，受益者是人类。反之，若路径f的废弃物越多，则对环境的负荷越重，资源不断被消耗，环境不断被破坏，这是一个恶性循环，这个恶性循环的*终受害者是人类。 1.2 不同环境类型及其对材料的影响 材料存在于不同环境中，从地面土壤环境、海洋环境，再到地表以上的大气环境，以及大气层以外的空间环境，无论材料服役于哪类环境中，均会受到相应的影响，本节将介绍大气环境、海洋环境、土壤环境和空间环境的特性及其对材料的影响规律。 1.2.1 大气环境及其对材料的影响 大气环境是指生物赖以生存的空气的物理、化学和生物学特性。物理特性主要包括空气的温度、湿度、风速、气压和降水，这一切均由太阳辐射这一原动力引起。化学特性则主要为空气的化学组成：大气对流层中氮、氧、氩 3种气体占 99.96%，二氧化碳约占 0.03%，还有一些微量杂质及含量变化较大的水汽。人类生活或工农业生产排出的氨、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化合物与氟化物等有害气体可改变原有空气的组成，并引起污染，造成全球气候变化，破坏生态平衡。 大气环境分类方法多种多样，其中与材料密切相关的划分方式是按地理位置和空气成分对材料的影响情况来分，可分为：农村大气、工业大气、海洋大气。农村地区的大气比较纯净；工业地区的大气中则含有 SO2、H2S、NH3和 NO2等；海洋大气是指在海平面以上由于海水的蒸发形成的含有大量盐分的大气环境。 从腐蚀条件看，参与材料大气腐蚀过程的主要大气组分是氧气、水汽和大气污染物。大气中含有水蒸气，水蒸气压与同一温度下大气中饱和水蒸气压的比值称为相对湿度。相对湿度达到 100%时，大气中的水蒸气含量达到饱和，就会凝结成水滴，凝聚在金属表面形成可见的液膜。即使相对湿度小于 100%，由于毛细管凝聚、吸附凝聚或化学凝聚作用，水蒸气也可以在金属表面凝聚成很薄的液膜，液膜的厚度影响着金属在大气中的腐蚀速率，大气中的水汽是形成腐蚀性薄液膜的前提条件。 当前，大气环境的影响已经遍及国民经济和国防建设各个领域，其危害十分严重，具体表现在以下几个方面。 （1）大气环境引起材料腐蚀造成的灾难性事故和重大经济损失不胜枚举。全世界在大气环境中使用的钢材一般超过其每年生产总量的 60%，而由于大气环境腐蚀引起的钢材类金属材料失效损失约占总腐蚀损失量的 50%以上。大气腐蚀和其他外力因素的联合作用往往会造成重大事故，危及人身安全。 （2）大气环境对人类文化遗产带来了重大破坏。例如，世界上*大的古代石刻佛像 ——四川的乐山大佛，由于受酸雨和风吹日晒等的影响，鬓发脱落，鼻梁发黑，佛容日渐暗淡，虽然投入巨资维护，但收效甚微；希腊的 Acropolis纪念碑和雕塑因硫化而产生裂纹和斑迹；美国的自由女神像因大气污染而被严重侵蚀等。 （3）大气污染影响生态平衡。 Stigliani等的研究指出，水体中的许多金属元素（如 Zn、Cd、Pb）绝大部分来自分散面源的排放，其中就包括材料大气腐蚀这一过程。 1.2.2 海洋环境及其对材料的影响 海洋环境包括海洋大气环境和海水环境，其中海洋大气环境与农村大气、工业大气等相比有明显不同，本书将此部分归属在海洋环境中进行论述。 海水是含有 3.2%～3.75%的多种盐类（ NaCl含量*高），同时溶解有氧气和二氧化碳等多种气体的强腐蚀性电解质溶液。海水的盐度、 pH、温度、溶解氧量随海水深度、地理位置、季节的不同而有所变化。因此，海水腐蚀是个复杂的问题。 20 世纪 60年代后期到 70年代初期，人们对海水脱盐环境中材料的腐蚀问题进行了大量研究。 70年代初期，能源危机促进了对海洋资源的探索开发，推进了海上设备的海水腐蚀等方面的研究，比如特别着重于研究海上石油平台的稳定性，其中包括平台的腐蚀控制。在这个时期，也推动了海洋其他形式能源的研究，其中之一就是海洋热能转换电站，为此研究了海洋环境中缝隙腐蚀、冲刷腐蚀和腐蚀产物膜对热交换器材料热传导的影响。 70年代后期，沿海电厂设备腐蚀的研究得到关注，特别是冷凝器管材的腐蚀。 多年来，有关海水腐蚀及其防护的研究多集中于碳钢和铜合金，但目前的研究重点开始向高合金钢、镍合金、复合材料等新材料转移。涂层作为一种常用的海水腐蚀防护技术，随着新材料的出现，也有了新的发展。 20世纪 40年代，油基涂料和磁漆是海水中金属及合金材料的主要防护涂层，其使用寿命大约是 1年；而现在，许多涂料和涂层系统的保护寿命已达到 15～20年或更长的时间。随着海洋工程的发展