现代生活中各行各业离不开金属单质及其合金等工程材料，腐蚀是阻碍其发展的最大问题。 据估算，每年因金属发生腐蚀造成的直接经济损失大约占国民生产总值的 2%—4%，损耗的钢材约为年产量的 1/3，每年因金属腐蚀造成的经济损失大于水灾、火灾、风暴和地震等自然灾害的损失的总和，严重影响了人们生命财产的安全和和国民经济的发展。其中，电化学腐蚀是最普遍的腐蚀现象，它是金属与电解质发生电化学反应而引起的金属损耗，其本质是电化学传荷过程，形式多样且危害较大。

为全面了解电化学保护技术的发展现状及研究进展，尤其在装备智能化诊断中的重要作用和未来走向，记者特邀请到浙江大学化学系张昭教授做相关方面的精彩解读。

张昭，浙江大学教授、博士生导师，中国腐蚀与防护学会常务理事，在电化学腐蚀领域有较深研究和较高造诣。

记者：您所在的浙江大学化学系历史悠久，实力雄厚，是国内和国际上具有重要影响的化学人才培养和学术研究机构。请您对浙江大学做一个简单的介绍，并简要说明一下化学系的发展过程和所获成就。

张教授：浙江大学是一所历史悠久、声誉卓著的高等学府，坐落于中国历史文化名城、风景旅游胜地杭州。浙江大学的前身求是书院创立于 1897 年，为中国人自己最早创办的新式高等学校之一。1928 年，定名国立浙江大学。抗战期间，浙大举校西迁，在贵州遵义、湄潭等地办学七年，1946 年秋回迁杭州。1952 年全国高等学校院系调整时，浙江大学部分系科转入兄弟高校和中国科学院，留在杭州的主体部分被分为多所单科性院校，后分别发展为原浙江大学、杭州大学、浙江农业大学和浙江医科大学。1998 年，同根同源的四校实现合并，组建了新浙江大学。浙江大学始终秉承“求是创新”为校训的优良传统，以天下为己任、以真理为依归，逐步形成了“勤学、修德、明辨、笃实”的浙大人共同价值观和“海纳江河、启真厚德、开物前民、树我邦国”的浙大精神。

浙江大学化学系的前身可追溯到创办于 1897 年的求是书院和育英书院。几经演变，求是书院 1912 年发展为浙江高等学校，并于 1915 年创建化学系，1928 年发展为浙江大学化学系；育英书院 1897 年创建化学科，1914 年育英书院发展为之江大学，化学科于 1920 年发展为化学系；1952 年全国高等学校院系调整，浙江大学化学系与之江大学化学系合并组建浙江师范学院化学系，1958 年发展成为杭州大学化学系；1958年浙江大学恢复化学系。1998 年四校合并后，由浙江大学化学系与杭州大学化学系、浙江医科大学和浙江农业大学基础部化学教研室合并组建成新的浙江大学化学系。化学系曾培养和造就了一大批杰出学者。许多著名化学家如纪育沣、卢嘉锡、陈耀祖、曹楚南等 29 位中国科学院，中国工程院院士、美国医学和生物工程院院士先后在我系学习或任教。目前，拥有化学一级学科国家重点学科、化学一级学科博士点和博士后流动站。化学系还被教育部批准为“国家理科基础科学研究和教学人才培养基地”、“国家工科基础课程教学基地”和“化学国家级实验教学示范中心”。

记者：金属的腐蚀原理有多种，其中电化学腐蚀是最为广泛的一种。请您介绍一下您和您的团队在腐蚀防护领域取得了哪些技术和成果，发挥了怎样的经济效益和社会效益？

张教授：我和我的团队在中国科学院曹楚南院士和张鉴清教授的指导下，长期从事电化学、海洋化学和油气田化学的基础理论与应用研究。对材料腐蚀过程的电化学机理、金属电沉积机理和电化学噪声技术及其原理等进行了深入的研究；创新性地导出了表征材料腐蚀类型和腐蚀强度的特征参数（SE 和SG，已编入普通高等教育十一五国家级规划教材《电化学测量》，2008 年），从而解决了传统的 PSD（谱功率密度）特征参数均不能单独正确地刻画材料腐蚀过程的历史遗留问题；创新性地采用电化学噪声的 EDP（相对能量分布）谱图实现了金属镀层结构和性能及金属腐蚀类型和强度的在线监测（已编入电化学丛书——《电化学测试技术》，2010年），提出了电化学反应活性能量、晶核 / 蚀点“成核相对能量”和“生长相对能量”的概念并诠释了其意义；首次采用量子化学的观点解释了 Zn-Fe 合金的异常共沉积行为和 Zn-Fe-P 合金共沉积中的 Fe-P 协同效应、建立了 Hull Cell阴极电流分布公式并验证了公式的正确性（已编入电化学丛书——《电化学测试技术》，2010 年）。

同时，在海洋构件的腐蚀监测与防护、油气田开采与原油炼化助剂领域奠定了特色基础，研制的腐蚀电化学噪声监测仪、原油 H 2 S 脱除剂、自生酸、缓蚀剂和防污抗腐涂料等已经成功试用或应用于海洋构件的防污防腐及油气田的生产开发。其中腐蚀电化学噪声监测仪已经使用于大专院所的科研领域和水下航行器的腐蚀监测，自生酸和缓蚀剂已在新疆库尔勒投产并用于油气田的生产开发，研制的两类防污抗腐涂料正在浙江宁波生产、其接触角分别为 105 和154 左右、滚动角分别小于 30 和 5、且具有优良的耐久性（包括机械稳定性）和防腐蚀性能。目前，团队已在国内外专业期刊上发表论文 170 余篇、授权发明专利 10 余项。

记者：随着科学技术的发展，现代企业中设备的结构越来越复杂，自动化的程度也越来越高，由于腐蚀等因素的影响，导致设备原有的功能下降或丧失，最终带来灾难性的后果，因此发展装备智能化诊断意义重大。请您介绍一下腐蚀大数据在装备智能化发展起到怎样的意义和作用。

张教授：利用腐蚀大数据，人们可以全天候地对在役装备的使役状态进行远程在线监测和诊断，甚至预测装备的服役寿命。因此，合理运用腐蚀大数据并配备其它技术手段，肯定可以显著降低、甚至杜绝由腐蚀所导致的灾难性事故的发生。

记者：请您详细说明一下电化学过程能量学在腐蚀大数据监检测中的有哪些应用？目前我国在该领域成就如何，与国外相比有哪些优势和不足？

张教授：在材料的服役过程中，材料与环境中各种因素的交互作用涉及到电子的迁移、旧键的断裂和新键的生成，其必将导致材料与环境之间的能量交换，部分能量以（反应）热的形式耗散掉，而其中的功“所造成的材料（研究中常被称为‘电极’）能量的得失”则以“电极电势”的变化表现出来。

实际上，电势或电极电势本身就是体系能量高低的一种体现：在物理学上，“电场中某一点 a 的电势就是指在假定无限远处的电势能和电势均为零的前提下，将单位正电荷从无限远处的真空中移到 a 点的过程中，电场力所做功的负值”。在物理化学和电化学理论体系中，由于电极反应同时包含电荷的迁移及其引起的化学反应，因此：（1） 处于外电位为 ψ（Volta 电位，相当于物理学上的“离电极相 P 外表面约 10-4cm 处”的 a 点的电势）的单位正电荷在进入电极相 P 内部时还需进一步克服相 P 的表面电位（χ）而做电功（金属中的电子溢出金属表面将导致电极相 P 表面形成了偶极子层，电功的总和 =ψ+χ 被定义为电极相 P 的内电位）；同时，（2）电荷与相P中粒子间的短程相互作用（化学反应）将会引起相 P 吉布斯自由能的变化（μ），即产生化学功。在恒温恒压、组成不变条件下的总能量变化被定义为荷电量为的 j 粒子在相 P 中的电化学势（在有限温度范围内，其近似等于费米能级；e 为电子的电量；对于荷正电的 j粒子，为正值；对于荷负电的 j 粒子，为负值）。因此，材料与环境中各种因素的交互作用过程中所造成的电极材料电势的变化实际上就是电极体系能量的变化。在物理学上，能量分为动能和势能，并且可以相互转化；相对于动能，势能具有“惰性”、其值的大小并不代表着物体的移动速率，而动能则直接取决于物体的运动速率、具有“活（泼）性”。与此类似，源于电极反应的电化学噪声能量（简称：EN 能量）可以通过改变电极的表面状态而引起电极材料电势（E）的变化，而 E 的相对大小（正负）可以改变电极表面的反应速率，即引起不同频率和幅度的噪声。由于 EN 能量类似于物理学中物体的动能、与电化学反应速率直接相关，因此，可以称其为“电化学反应活性能量”。综上所述，监测材料服役过程中材料与环境所交换的能量，特别是其中的电化学反应活性能量，则可以判断材料的腐蚀状态、腐蚀速率及其变化趋势。

目前，我们正在采用多种技术将电极体系能量变化值中的动能和势能进行在线分离，提取其中的动能。现有研究发现，可以采用电化学反应活性能量表征缓蚀剂的保护效果、区分缓蚀剂在材料表面的物理和化学吸附作用、监测材料的腐蚀速率等，提出的晶核“成核相对能量”和“生长相对能量”可以用于在线监测电沉积过程中镀层晶粒大小的变化。目前，相关研究成果已经在美国电化学会志等刊物上发表论文近10篇。

在很久以前，国外科技工作者就将耗散结构理论用于材料的腐蚀研究。但是，其仅仅只是定性地提及材料腐蚀过程的能量变化问题。可以自豪地说，我们的工作才是真正意义上、在国内外率先开展了材料腐蚀与防护领域的能量学研究。

记者：当前，以智能制造为代表的新一轮产业变革迅猛发展，网络化、智能化日益成为制造业的主要趋势，国务院颁布实施的《中国制造 2025》将智能制造作为主攻方向，抢占新一轮产业竞争制高点。请您从电化学腐蚀发展的角度，对装备智能化发展与安全提出自己的建议和看法。

张教授：材料的功能和服役寿命主要取决于材料本身的组成和结构、以及服役的环境因素，而在材料的电化学制备及其腐蚀过程中均涉及到电子的迁移、旧键的断裂和新键的生成。因此，电化学技术是新型材料制备及其服役状态评价和寿命预测的一个重要方法。

我认为目前材料腐蚀与防护领域的重点和难点工作主要是材料的腐蚀监测和实时保护技术，及其技术原理。应该发展多种电化学技术，特别是研发那些“所提供的电化学参数”能够关联、甚至监测材料结构和性能的电化学技术，建立相关数据库并反馈指导材料的结构、性能和腐蚀寿命监测过程；联用电化学和非电化学技术，监测材料的电化学制备过程、以便调控其组成、结构和性能，监测材料的服役过程、以便预测其服役寿命，研发新型保护技术和材料、以便延长材料的使役寿命。

后记：

不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。张昭教授及其团队在不懈努力之下聚沙成塔，在电化学腐蚀研究领域取得了诸多的先进成果。相信在张昭教授这类科研学者的共同努力下，我国的电化学腐蚀研究将更上一层楼，未来将在装备智能化诊断中发挥更大的作用和预警。

●  人物简介

张昭，湖南省宁乡县人，中南（工业）大学应用化学硕士（1993-1996）、冶金物理化学博士（1996-1999），浙江大学化学学科博士后（1999-2001）、教授（2005）、博士生导师，美国电化学学会会员，中国机械工程学会表面工程分会委员，中国腐蚀与防护学会缓蚀剂专业委员会委员，中国腐蚀与防护学会腐蚀电化学及测试技术专业委员会副主任委员，中国腐蚀与防护学会常务理事。

长期从事电化学、海洋化学和油气田化学的基础理论与应用研究；对材料腐蚀过程的电化学机理、金属电沉积机理和电化学噪声等进行了深入的研究；创新性地导出了表征材料腐蚀类型和腐蚀强度的特征参数（SE 和SG，已编入普通高等教育十一五国家级规划教材《电化学测量》，2008 年），从而解决了传统的 PSD（谱功率密度）特征参数均不能单独正确地刻画材料腐蚀过程的历史遗留问题；创新性地采用电化学噪声的EDP（相对能量分布）谱图实现了金属镀层结构和性能及金属腐蚀类型和强度的在线监测（已编入电化学丛书——《电化学测试技术》，2010 年），提出了电化学反应活性能量、晶核 / 蚀点“成核相对能量”和“生长相对能量”的概念并诠释了其意义；首次采用量子化学的观点解释了 Zn-Fe 合金的异常共沉积行为和 Zn-Fe-P 合金共沉积中的 Fe-P 协同效应、建立了 Hull Cell 阴极电流分布公式并验证了公式的正确性（已编入电化学丛书——《电化学测试技术》，2010 年）；同时，在海洋构件的腐蚀监测与防护、油气田开采与原油炼化助剂领域奠定了特色基础，研制的腐蚀电化学噪声监测仪、原油 H2S 脱除剂、自生酸、缓蚀剂和防污抗腐涂料等已经成功试用或应用于海洋构件的防污防腐及油气田的生产开发。目前，已在国内外专业期刊上发表论文 170 余篇。