项目首席科学家-李晓刚
2014-06-23 15:04:30 作者:郭静来源:

  北京科技大学新材料技术研究院副院长、腐蚀与防护中心教授、博士生导师;国家材料环境腐蚀平台主任;教育部腐蚀与防护重点实验室主任;中国腐蚀与防护学会秘书长;政府特殊津贴获得者;中国科学院宁波材料研究所研究员兼海洋腐蚀973首席科学家;南京钢铁股份有限公司研究员首席腐蚀工程师;国际腐蚀联盟执委。

  在材料腐蚀与防护,尤其是自然环境(大气、海水和土壤)腐蚀数据积累与机理研究方向上长期坚持系统研究。秉承应用基础研究、科技数据积累与共享和工程应用三结合的原则,以解决工程实际材料腐蚀难题为最终研究目的,经常深入厂矿企业,解决了许多材料腐蚀的重大难题。主要研究为:

  一、在材料腐蚀与防护应用基础方面如下:

  1、材料大气环境初期腐蚀行为、机理与规律的探索。系统研究了在单一和复合污染物(SO2、 CO2、 Cl-)下金属材料腐蚀初期过程中的协同效应,及其与锈层演变间的关联机制,得到了30多种金属材料在不同大气环境中腐蚀的动力学幂指数规律;原位研究了大气腐蚀初期产物演变规律,阐述了Cu、Cr合金元素在锈层中富集及其对锈层转化的作用机理;实现了可控稳态薄液膜下电化学测量,进一步完善了大气腐蚀的电化学理论体系。特别是利用激光测量装置,在0.01秒(目前所能观测到的最短时间)内在线观测到点蚀的形成,并利用同时在线的腐蚀电化学测量装置,对其腐蚀电化学和动力学规律进行了目前最短时间极限内的研究。

  2、腐蚀微区电化学和相电化学的探索。系统研究了碳钢、管线钢和铝合金在大气和土壤环境薄液膜下微区腐蚀电化学特性,对微区腐蚀电化学和以上材料相结构之间的关系进行了探索,尤其原位表征了应力腐蚀裂尖的电子能量场,提出裂纹扩展路径与其分布梯度有关;利用微区电化学技术发现管线钢土壤应力对裂纹尖端腐蚀过程的促进作用需要满足塑性变形的条件,裂纹尖端作为阳极,远离裂尖的基体作为阴极,以电偶对的方式对裂纹尖端的阳极溶解过程起到促进作用,指出裂纹尖端是非稳态的电化学过程并对其演化机制进行了表征和建模。

  3、腐蚀过程的计算机模拟。建立了概率型元胞自动机模型,对稳态薄液膜下大气腐蚀初期进行了计算机模拟,仿真结果与室内湿热实验结果吻合。对不锈钢点蚀动力学的过程进行了模拟,尤其是对点蚀亚稳态向稳态转变机制的模拟,是腐蚀过程计算机模拟开拓性的研究,对点蚀机理定量化认识和腐蚀过程模拟都是重要的基础工作。

  4、高分子材料环境老化及涂层下金属腐蚀机理。对典型塑料、橡胶、粘结剂和涂料在我国典型气候下的老化规律进行了系统研究;尤其选取丙烯酸聚氨酯和环氧树脂清漆两种涂层体系,在具有典型的强紫外辐照的拉萨进行室外曝晒试验,并以位于相同纬度、具有亚热带湿热城市气候的武汉曝晒结果相对比,研究了两种涂层室外老化与膜下腐蚀的行为与规律;建立了两种涂层在室内人工气候环境下的加速老化模拟实验以及室内外的相关性;对光老化涂层的膜下腐蚀行为机理进行了原位研究,为自然环境下有机涂层/金属体系的寿命预测和相关性及膜下腐蚀行为研究提供了一种新尝试。

  已经培养博士后9名,博士44名,硕士78名。目前所领导的研究团队有教师14名,博士后、博士生和硕士生共计128人。团队承担了大量的国家自然科学基金面上(16项)、重点(3项)和重大基金子课题(3项);973; 863;国家支撑计划;科技部平台建设项目;军工基础研究项目。共发表英文SCI文章256篇,被引次数1053次;共发表中文文章445篇,被引次数(扣除SCI文章引用次数)2164次;总论文被引用次数合3217次,出版专(译)着八部。2009年度以排名第一的身份获得了国家科技进步二等奖项。

  二、材料腐蚀与防护科学数据积累与共享方面:

  1、主持国家材料环境腐蚀野外科学观测研究台站的建设。作为我国科技条件平台建设和科学数据共享工程的最早推动者之一,2003-2004年主持了科技部基础条件平台建设项目“国家材料环境腐蚀野外台站建设与资源共享”,2005年主持了国家科技基础条件平台建设重大项目“国家材料自然环境腐蚀实验台网建设”。本着边建设、边积累、边共享的原则,组织了跨行业跨部门跨地区的十五个单位协同工作,建成了由30个台站组成的新的国家材料环境腐蚀野外科学观测研究站网,2006年组织了我国最大规模的材料环境腐蚀试验,共计投试金属、涂镀层、高分子和建材等123种,5万多片试样,最长达16年的暴露试验。该平台是材料腐蚀学科几代学者工作在新时期的延续,在科技部建设的23个科技条件平台每年的年度评估中,均以优秀成绩名列前茅。

  2、创办了“中国腐蚀与防护网”,建设了中国最大的材料腐蚀与防护数据库,完全实现数据网络共享和信息日常服务,并向着物联网的方向发展。1999年创建了“国家材料环境腐蚀试验站”的工作网站“材料环境腐蚀数据共享网”,经过漫长的建设和大量数据的入库,该网于2013年发展成为“中国腐蚀与防护网”,而“中国腐蚀与防护网”作为中国科技资源网的重要组成部分,正在向物联网的实体方向发展,并承载着我国的材料腐蚀信息学这一新学科的发展。该网包含20GB的腐蚀数据,核心元数据18000余条,日均用户访问数超过200个IP,网页浏览量日均达到2000个PV.

  3、提出了建立“材料腐蚀信息学”,阐述了材料腐蚀基因组工程的框架体系。在自己二十多年材料腐蚀数据积累与计算机技术结合研究工作的基础上,根据当今“大数据”时代信息科学发展的趋势,提出了建立“材料腐蚀信息学”,并阐述了“材料腐蚀信息学”的框架体系及与材料腐蚀基因组工程之间的关系。“材料腐蚀信息学”是材料腐蚀学科发展的必然,也是材料基因组工程的重要组成部分。

  2009年6月,获得“全国野外科技先进个人”称号,所领导的团队获得“全国野外科技先进集体”称号。2011年获科技部执行“十一五”国家重大科技计划优秀团队奖。2014年开始担任国家“海洋腐蚀973项目”首席科学家,提出了“海洋腐蚀综合治理”的研究思路。

  三、应用基础研究和数据积累对材料防腐蚀工程的贡献:

  1、腐蚀数据积累对工程应用的贡献。积累了大量材料在我国自然环境下的腐蚀数据,为三峡工程、西气东输、南水北调、海上石油平台和路桥工程等国家重大建设工程;石油、石化、通讯、航空、航天、水利、冶金、汽车等行业领域;为航天、陆军、海军、空军、雷达通讯等数十家国防单位提供数据共享与应用服务。国家20多项相关的国家标准制定,50多项行业标准的制定,无一例外的使用了所积累的数据,为行业发展提供了技术支撑。

  2、腐蚀数据软件系统的工程应用。在大量腐蚀数据积累的基础上,研制了不同类型的数据应用和腐蚀评估软件系统。截至目前为止,数据软件系统在山东电网、国家电网、华为、宝钢、武钢、兵器59所、独山子石化等企业获得成功应用,产生了巨大的经济和社会效益,有效的提升了企业的防腐蚀工程水平。

  3、在众多腐蚀失效案例分析基础上,提出的基于环境载荷谱的新的腐蚀寿命评估方法与工程应用。在积累的大量材料环境腐蚀数据和在众多腐蚀失效案例分析的基础上,建立了新的腐蚀寿命评估方法,指出制定符合服役环境的室内加速腐蚀试验的载荷谱,以及室内外腐蚀试验良好的相关性是评估腐蚀寿命的关键。提出金属材料腐蚀寿命预测的工作流程为:预测对象的确定与现场腐蚀机理分析、服役环境监测、室内加速试验载荷谱制定、加速腐蚀试验与机理研究、室内外相关性分析、现场试验数据验证、实际腐蚀案例标定和数据库建设等八个方面要素。

  该方法在天宫一号、天宫二号、大飞机、国家电网、华为构件和长城汽车等企业材料腐蚀寿命评估工程中得到了应用和验证,特别是2012年成功解决了“天宫一号”某关键部件腐蚀的重大问题,为按时发射提供了坚实的科学基础,受到中国航天员科学培训中心的表彰。

北京科技大学腐蚀与防护中心
  北京科技大学腐蚀与防护中心是1985年经国家科委代表中国政府向联合国申请,联合国开发计划署(UNDP)于1987年批准成立的,UNDP投入100万美元,中国政府投入350万人民币,建造了3500m2的腐蚀实验室,购置了一批先进设备。选派教师到国外着名大学和科研机构进修、培训,邀请国外知名专家讲学,举办各类培训班,培训的人员活跃在全国各个工业领域,是中国腐蚀与防护学会、氢脆及应力腐蚀专业委员会、防腐蚀工程专业委员会的挂靠单位。近几年,腐蚀与防护中心研究条件得到明显改善,除购置了环境扫描电镜、多台不同型号的原子力显微镜、高温高压应力腐蚀试验机、纳米压痕仪、高温高压硫化氢实验装置外,实验室面积也得极大改善,面积达到6000m2,有了以“腐蚀楼”命名的独立实验大楼。

  承担973课题主要任务:负责多因素作用下海洋材料腐蚀的力学-电化学交互作用规律和机理;并承担力学载荷和化学腐蚀环境共同作用下的摩擦磨损机制研究。

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