人的生命是有期限的，材料物质也是如此。
所谓钢筋铁骨、百炼成钢。一直被人们视作最坚硬材料之一的钢铁，却每时每刻都在经历着自然老化的腐蚀过程。也许在短时间内，它看不见、摸不着，但随着时间的推移，因材料腐蚀而造成的经济损失、人员伤亡和环境灾难等后果，同样触目惊心。
早在20世纪80年代，北京科技大学新材料技术研究院教授李晓刚就意识到了材料腐蚀是颗“定时炸弹”。40多年来，他带领团队聚焦材料自然环境腐蚀与耐蚀钢研究，主持建成了国家材料环境腐蚀野外观测研究台，建设了国家材料腐蚀与防护科学数据中心及其测试与评价技术新体系，构建起世界上最大的材料腐蚀防护共享数据库。
瞄准天宫一号和天宫二号、中马友谊大桥、北京首钢滑雪大跳台等一系列重大装备设施的耐蚀性难题，团队发明了耐蚀低合金系列新钢种及其制备新工艺和重防腐成套新技术，大幅提升了我国防腐蚀工程水平。
李晓刚到钢铁企业考察耐蚀钢生产情况
以锈防锈
早上8时，记者来到位于北京科技大学腐蚀楼5层的国家材料腐蚀与防护科学数据中心。在李晓刚团队成员、北科大博士生导师骆鸿的指引下，记者穿过一条静悄悄的走廊，在标有“自然环境腐蚀实验室”招牌的房间前停下脚步。“这个点儿，实验室的学生一般都还没来，李老师却总是来得比我们早，走得比我们晚，只要不出差，他基本上都扎在办公室。”骆鸿说。
话音刚落，实验室的门被打开，李晓刚穿着一身白色实验服、佩戴透明护目镜，笑着迎出来：“快请进，不好意思，我在赶一个实验，你先随便看看，咱们一会儿细聊。”说着，他便走向实验台，接着埋头工作。
和大家想象中烟熏火燎的炼钢场景不同，实验室里安静得只能听到金属材料碰撞玻璃烧杯的“叮咚”声，吸一口气，还能从空气中捕捉到化学试剂的酸涩气味。实验台上，摆放着大小不一的瓶瓶罐罐，里面盛有绿色、黄色等不同颜色的液体，瓶身则用白色贴纸标注了复杂的化学名称，“这些是为金属材料做化学反应实验的试剂。”李晓刚轻声提醒，“别摸，都是有腐蚀性的。”
其中一只烧杯里，一块手掌心大小的金属材料浸在液体中，表面颜色正从银白逐渐变黄。
“这是我们在使用化学试剂，模拟钢铁材料在极端水溶液环境中受到侵蚀的过程。”李晓刚解释，因为水是导致钢铁腐蚀的一个重要因素——水中含有大量溶解的氧气和其他化学物质，会和钢铁发生电化学反应。水分子还会解离成氢离子和氢氧离子，形成电解质，会加快钢铁的腐蚀速度，“事实上，腐蚀就是材料丢失各种元素的过程。研究清楚钢铁在水中的元素丢失情况，再将这些丢失的元素提前在制造钢铁时加入进去，就能起到补偿作用。”这也是团队多年来的主要工作。
2019年6月，河北省怀来县跨官厅水库公路大桥贯通，这座全长1988米的大桥联通了北京延庆和河北怀来，为北京增添了一条直通塞外的快速通道。尤其值得一提的是，这座大桥使用了免涂装耐蚀钢材料，是国内同类型大跨度悬索桥的首创。这项技术就出自李晓刚的实验室。
为了提高桥梁钢结构耐久性和环保性，降低运营养护成本，李晓刚自2008年就开始了基于极端气候环境下耐蚀钢腐蚀行为及适应性的研究。那时，国内几乎所有钢桥都是通过油漆涂装来防腐的，“大约每隔15年就要重新对桥梁进行涂装，费时费力，更重要的是这种做法还不环保。”李晓刚进一步解释，“在水的冲刷和紫外线作用下，油漆膜很容易脱落，随之生出铁锈，把水也污染了。”
于是，李晓刚将钢桥的原始材料搬进实验室，从小钢块的化学实验做起，为桥梁寻找可替代油漆涂装的“保护膜”。
实验室中，摆放着一套电化学工作站，由一台高性能计算机和一台测试器构成，通过密密麻麻的电线串联起来。测试器外观像个电表箱，电线从一侧的小孔伸进去，连接着几个小夹头——“我们把材料放进测试器里，通过夹头与电脑连接起来，就能获取材料的腐蚀电流点位，从而分析出材料在腐蚀中丢掉了哪些元素，以及材料受腐蚀的程度。”李晓刚用镊子小心地将金属材料从液体中夹出，放进测试器里，计算机便启动分析、输出数据信息。
通过一次次类似的实验，李晓刚发现，浸泡在水中的钢材在含有更多的铜、铬、镍等合金元素时，受腐蚀的速度就会变得极为缓慢。通过高精度电子显微镜，他看到融合这些元素的钢材表面形成了致密且附着性强的“保护膜”，“它其实就是一层锈膜，保护锈层下面的基体不受锈蚀，以减缓钢材的腐蚀速度。”
这一发现，为团队研发免涂装耐蚀钢打开了突破口——让含有更多铜、铬、镍等合金元素的钢材，通过自身在服役过程中产生的致密而稳定的锈层“以锈防锈”，阻止钢材锈蚀的持续发展，从而达到长期防腐的目的。
“目前，美国、日本等都建设了大量由本国技术团队研发的免涂装耐蚀钢桥，我国桥梁免涂装耐蚀钢的应用才刚刚起步。”李晓刚说，团队研发的免涂装耐蚀钢能有效阻止腐蚀介质的渗入和传输，让钢桥不通过油漆涂装就能解决防腐的问题，大大节省了后期的养护工作，是一种具有高强度、高韧性、耐腐蚀、长寿命等特性的绿色低碳建桥材料，经济及环保效益显著。
令人欣慰的是，这项技术发展势头正旺，已经被国内外多个桥梁建设项目所应用。
马尔代夫的第一座桥——中马友谊大桥，就应用了李晓刚团队研发的免涂装耐蚀钢。“这里虽是旅游的天堂，却是基建的地狱。”他说，马尔代夫是典型的海洋性气候，高温、高湿、高盐、高辐照，也是地球上海洋腐蚀最严重的地区之一，“桥梁建设难度之大前所未有，这里的腐蚀环境比中国南海还要严峻。”
越具挑战，李晓刚就越是迎难而上——既然和国内的气候、环境条件都不同，那就无法照搬国内免涂装耐蚀钢的“配方”，只好重新研发。利用长期积累的科学数据，团队结合当地环境条件，研发出高镍耐蚀钢与高耐蚀重防腐涂层协同设计方案，为大桥的准时通行和长寿命安全服役保驾护航，助力国产装备“走出去”。
拆“弹”行动
钢铁材料对李晓刚有股神奇的“吸引力”。1980年报考大学时，他选择了材料专业，“原因很简单：我们这一代人是在科学的春天里成长起来的，当时国家鼓励学习科学技术，所以就报了工科。”为什么是材料？他接着解释，因为钢铁材料是工业的粮食、大国的筋骨，“我们这代人很简单，国家需要什么，我们就做什么。”
1991年，他又考入中国科学院原金属腐蚀与防护研究所，成了我国著名材料科学家师昌绪院士最早的“腐蚀”博士生之一。
至今，他还记得自己参与的第一个重大项目——研究金属镁。镁合金比重轻，但由于不耐蚀、强度低，一直没有很大发展。上世纪90年代初，师昌绪团队分析了金属材料资源的状况，发现少则数十年、多则二三百年，现有金属材料资源便可能枯竭，只有镁这种金属元素可以被当作取之不尽、用之不竭的资源。1995年，师昌绪等5名院士联名建议将镁的研究与开发列为重点攻关项目，李晓刚就是项目团队的一员。
“具体用了哪些化学反应方程式、做了哪些实验，记忆已经模糊了，只记得当时扎在实验室，一扎就是一天。镁燃点低，必须贴身放点沙子，一旦实验中冒出火星，就得一把泼上去，隔绝空气，迅速灭火。”在团队的合力攻关下，镁易燃、不耐蚀和强度低等问题最终被解决。如今，我国镁的年产量达70万至80万吨，占世界的三分之二，并在汽车、航空航天、电子设备、医疗等众多工业领域广泛应用。
另一个备受关注的材料就是钢。在李晓刚入行的那个年代，国内对钢的需求量尤其大，但产能远不能满足市场的需要，当时的共识是“有就不错了”，没人考虑腐蚀问题。然而，隐患就此埋下，随着时间的推移，不少工程开始出现腐蚀问题。“这个问题不解决，就是定时炸弹，指不定哪天就炸了。”李晓刚说，团队正在做的，就是优化材料质量，把此前的隐患一一拆除。
导师师昌绪对“钢材防腐蚀研究”的坚持，也让李晓刚找到了耕耘的方向。“师老师一直认为，我们的钢材不过关的原因之一就是耐蚀性不好，缺乏长期的腐蚀数据作为科学依据。因此，他多年来一直呼吁国内开展钢材的环境腐蚀研究。”于是，李晓刚接过导师的接力棒，专注于耐蚀钢的研发。
2022年北京冬奥会是团队面临的一大考验。本着绿色办奥的理念，北京冬奥会对场馆钢结构建筑提出了统一要求：在综合性能不降低的前提下，尽量采用高强韧性和高耐蚀性的结构钢，并减少钢材用量，延长使用寿命。
这个任务早在2015年我国成功申办冬奥会时，就已经交到了李晓刚团队手中。“冬奥赛道新钢种的研发比桥梁耐蚀钢的研发还要难。”李晓刚回忆，难点就在于冬奥会赛道会使用盐类融雪剂，从而加重了腐蚀问题。不仅如此，冬奥会上的专业赛道，钢材还要足够耐磨，不允许出现丝毫偏差。
接到任务后，李晓刚便一头扎进实验室，与首钢、南钢、鞍钢等国内一批钢铁企业联合开展技术攻关。在此前耐蚀钢的研发基础上，团队提出了高纯净细晶化加特殊微合金化的理论，成倍提升了结构钢的耐蚀性。“就是通过超纯净冶炼和晶粒细化等工艺，提高它的抗腐蚀性。”李晓刚顿了顿，接着补充，“还不能提得太高，就像一根细绳，勒得太紧容易从中间崩断，金属材料也是这样，‘太紧’容易造成内部的晶体结构紊乱，所以研发也要掌握一个度，既达到性能要求，又不打破内部的平衡。”
经过反复实验，团队联合相关企业研发的免涂装抗融雪剂耐蚀钢材，最终在首钢滑雪大跳台和国家雪车雪橇中心等建设工程上应用，实现了安全又环保的初衷。
“钢的强度提升一倍，就意味着用量会下降一半；耐蚀性提升一倍，寿命就会延长一倍。”李晓刚笑着说，“别看我们成天在和一块钢料‘死磕’，但放在大的时空背景下，这是一件多么有性价比的事！”这些年，在我国海洋工程、航空航天、国防安全、高速铁路、石油化工等领域，都能看到李晓刚团队研发的耐蚀钢系列产品的身影。李晓刚团队也因耐蚀钢系列钢种研制项目获得了2020年北京市科学技术发明奖一等奖。
数据“地图”
当前，我国每年因自然腐蚀造成的经济损失达2.5万亿元，其中有三分之一可以通过防腐技术得以规避。经历了中马友谊大桥、岛礁治理、北京冬奥设施等项目的防腐材料研发后，李晓刚意识到，传统的碎片化的防腐项目和腐蚀数据，已经不能适应快速发展的现代制造业和社会基础建设的需要了。
“每个项目的气候环境、材料等情况都不同，每一次研发都要从头开始，费时费力。”于是，李晓刚创造性地提出了“腐蚀大数据”的概念，希望通过建立标准化的腐蚀大数据库，利用数字建模进行腐蚀过程模拟仿真及实验验证，“直白点说，就是建立一个数据库，尽量多的囊括全球各地更多的腐蚀状况。研究人员可以从中获得大量且多样化的腐蚀信息，从而帮助他们开展更精准的腐蚀失效预测和更全面的防腐蚀设计。”
如今，这个“腐蚀大数据中心”已在北科大腐蚀楼建成，每分每秒都有成千上万条数据从四面八方传来，供团队研究使用。这些数据从哪儿来？是如何传输来的？李晓刚以“国家博物馆腐蚀监测系统”为例给记者解读：只见系统实时呈现着国博古代中国展厅内“妇好青铜偶方彝”展柜的视频画面，“这是其中一个数据源，我们把探头安装在展柜里，实时监测文物的受腐蚀情况，并传回数据。”李晓刚打开手机，轻点屏幕放大画面，最终聚焦在了左侧的一排数据上——这是科研人员最关注的部分，这些数据实时显示着展柜内外的温度、湿度及腐蚀强度，同时系统根据实时监测到的数据，可以自动生成预警图，“如果图表显示为绿色，说明腐蚀程度在可接受的范围内；如果图表中出现红色，就提示展柜中的展品和环境可能出现异常的腐蚀情况。”
作为腐蚀数据来源的监控探头也大有学问——团队自主研发了多款集成化腐蚀监测传感器和高精度高频次的多通道数据采集器，把传感和采集功能集合在一个探头上，可以直接监测腐蚀过程中金属得失电子的信号，自主获取实时连续的腐蚀信息。其中，采集器采集频率达30秒一次，实时连续的采集使年数据收集量较此前扩大了109倍。
探头大小也是“量身定制”的——根据被监测物的大小，小至芯片级，长可达两三米。比如，放在国博展柜里的探头就只有一个拇指大小，而获取大桥等“大块头”建筑物腐蚀信息的探头，就要相对大一些。
如今，团队已完成了全球最大规模的腐蚀投样及数据积累工作，数据源头遍布全球20个国家的30个地区。“希望能把这幅大数据‘地图’变得更加全面完善。”
李晓刚还有一个心愿，就是培养好继承者。“团队里有很多科研小组，负责不同研究方向，李老师会定期组织每个小组开会讨论课题重点、难点，关心具体的细节。”骆鸿说。
从开拓者师昌绪，到创新推动者李晓刚，再到骆鸿等新一代攻关多个细分领域的学者，材料腐蚀与防护研究发展至今，历经几代人的努力，薪火相传。
“希望下一代新生力量尽快成长为我国海洋、电力、航空航天、石油化工等材料腐蚀相关行业里的顶梁柱。”李晓刚说，无论走到哪里，都要永远怀揣着一颗不变的“防腐心”。
原文链接：北京日报（2024年1月25日第16版）
（责编：孟婍、陈丽萍）
