تقنيات التآكل السطحي والحماية للمواد في البيئات القاسية: التآكل والحماية في الظروف الجوية البحرية

تشكل المواد المتقدمة الأساس والضمان لتحقيق الأداء العالي والموثوقية العالية والتصميم خفيف الوزن والتصغير في -المعدات المتطورة مثل أنظمة الطاقة النووية والسفن ومركبات الإطلاق والأقمار الصناعية ومركبات الفضاء الجوي. مع تنفيذ المشاريع الإستراتيجية الكبرى-بما في ذلك الهندسة البحرية، والمحطات الفضائية، واستكشاف الفضاء-العميق، ومركبات الإطلاق الثقيلة-، والطائرات الكبيرة، وأنظمة النقل الفضائية-الأرضية، والطاقة النووية-تتزايد الحاجة إلى المكونات الرئيسية للعمل بشكل موثوق على مدى فترات خدمة طويلة في ظل ظروف قاسية مثل السرعة العالية ودرجة الحرارة العالية والضغط العالي والأحمال الثقيلة والوسائط المسببة للتآكل والإشعاع. في ظل ظروف الخدمة القاسية هذه، يعد تآكل المواد وتآكلها من آليات الفشل الأساسية وقد أصبحا من العوائق الرئيسية التي تحد من تطوير-المعدات المتطورة.

في السنوات الأخيرة، تم إجراء أبحاث دولية واسعة النطاق في أربعة مجالات رئيسية: التآكل والحماية، وتقليل الاحتكاك والتشحيم، ومقاومة التآكل وتقوية الأسطح، والإصلاح وإعادة التصنيع. ركزت الدراسات على آليات التآكل وتقنيات الحماية للأجواء البحرية، وبيئات- أعماق البحار، ومناطق الهضاب الباردة، وبيئات الإشعاع النووي. بالتوازي مع ذلك، طورت صناعات مثل الطيران والحفر الجيولوجي تقنيات التشحيم الصلبة طويلة العمر-، والتشحيم الصلب ذو درجة الحرارة العالية-، وتقنيات تصلب الأسطح. لإطالة عمر خدمة المعدات، تم أيضًا إنشاء مجال إعادة التصنيع وبحثه على نطاق واسع.

ستراجع سلسلة المقالات هذه حالة التطبيق الحالية واتجاهات التطوير لتقنيات حماية سطح المواد في ظل بيئات قاسية من وجهات نظر متعددة.

نبدأ معأبحاث تكنولوجيا التآكل والحماية.

تنشأ مشكلات التآكل جنبًا إلى جنب مع تصميم المواد وتؤثر على عمر الخدمة لفترة طويلة. ومع استمرار -تقدم المعدات المتطورة، أصبحت بيئات التشغيل شديدة الصعوبة على نحو متزايد، مما يفرض متطلبات أعلى على حماية المواد. وتتميز المعدات العسكرية، باعتبارها عنصرا أساسيا في الدفاع الوطني، بتنوع أنواعها، وكمياتها الكبيرة، وفترات تخزينها الطويلة، وبيئات تشغيلها المعقدة. عادةً ما تكون المعدات الكبيرة- مثل الطائرات والسفن ومنشآت الطاقة النووية مطلوبة للعمل بشكل موثوق على مدى فترات طويلة في ظل ظروف قاسية. يمكن أن يشكل تآكل حتى مكون واحد مخاطر كبيرة على السلامة ويضر بالأداء العام للنظام.

ومن بين البيئات الطبيعية، تعتبر البيئة البحرية عدوانية بشكل خاص من حيث التآكل. توفر أفلام الأكسيد التقليدية حماية محدودة في الظروف البحرية. وفقًا لإحصائيات غير كاملة، تمثل خسائر التآكل البحري حوالي-ثلث إجمالي خسائر تآكل المواد، وهو ما يتجاوز بكثير تلك الموجودة في البيئات الأخرى. في البيئات البحرية، يكون التآكل مدفوعًا بالتآكل الميكانيكي والتآكل الكهروكيميائي والتآكل البيولوجي. تنقسم استراتيجيات الحماية المقابلة إلى ثلاث فئات رئيسية: اختيار المواد المناسبة والتصميم الهيكلي، وحماية سطح المواد، والحماية الكاثودية باستخدام الأنودات الحالية أو المضحية.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تقادم المواد وتآكل الرياح والتآكل الكاشط في المناطق القطبية والمناطق المرتفعة-، بالإضافة إلى تحديات درجات الحرارة العالية-والضغط العالي-والإشعاع في المفاعلات النووية، تتطلب أيضًا اهتمامًا وثيقًا.

يحدث التآكل الجوي البحري في المقام الأول بسبب الأغشية السائلة الرقيقة التي تتشكل في ظل الظروف الجوية الرطبة، وهو أكثر انتشارًا في المناطق الساحلية الحارة والرطبة. عند وجود الملوثات الحمضية أو جزيئات الملح في الأجواء البحرية ذات درجات الحرارة المرتفعة-والرطوبة العالية-، يتم تسريع عملية التآكل بشكل أكبر. يمكن أن تؤدي مثل هذه البيئات إلى تآكل الركائز المعدنية-على سبيل المثال، التآكل الموضعي لمخازن الأسلحة الخفيفة المعرضة للأجواء البحرية. ويمكن أن تتسبب أيضًا في فشل الطلاءات الواقية، مثل تقادم الطلاء، والتآكل تحت الغشاء، والتقرحات، والتقشير أثناء تخزين الذخيرة. علاوة على ذلك، فإن المواد غير المعدنية مثل المطاط والبلاستيك قد تتعرض للتشوه والتقصف والتشقق والتورم ونمو العفن في ظل هذه الظروف.

تعد حماية الطلاء السطحي حاليًا واحدة من أكثر تقنيات مكافحة التآكل انتشارًا وفعالية-للمعدات العسكرية. يجب أن يأخذ تصميم واختيار الطلاءات الواقية في الاعتبار تمامًا بيئات التشغيل المحددة لأنواع المعدات المختلفة، ويجب تطوير أنظمة الطلاء الوظيفية وفقًا للمتطلبات الفعلية. على سبيل المثال، تبين أن الأكسدة القوسية الدقيقة لسبائك المغنيسيوم باستخدام التحكم النبضي ثنائي القطب تعمل على تحسين مقاومة الطلاء للتآكل بشكل ملحوظ.

لقد أثبتت الدراسات أن الطلاء متعدد الطبقات Cr/GLC مع فترات تعديل مختلفة يتم ترسيبه على الفولاذ المقاوم للصدأ 316L عبر رش المغنطرون DC يمكن أن يعزز بشكل ملحوظ أداء الاحتكاك والتآكل في مياه البحر الاصطناعية. بالنسبة لهياكل السفن المعرضة بشكل متكرر لمياه البحر، -يتم تطبيق طلاءات الزنك أو الألومنيوم بشكل قوسي بشكل شائع لإضفاء مقاومة ممتازة للتآكل بمياه البحر. لمعالجة الالتصاق الميكروبي والتآكل في مياه البحر، اعتمدت صناعة بناء السفن طلاءات ذكية ذات وظائف مضادة للحشف ومضادة للبكتيريا. بالإضافة إلى تقنيات طلاء الأسطح التقليدية هذه، هناك طرق أخرى-مثل الطلاءات غير الكهربية للسبائك غير المتبلورة والطلاءات المركبة بالجسيمات النانوية-التي أظهرت أيضًا إمكانات تطبيقية كبيرة.

أصبحت الطلاءات القائمة على الجرافين- والطلاءات-الإصلاحية الذاتية من أهم نقاط البحث الرئيسية في مجال الطلاءات المضادة للتآكل-البحرية في السنوات الأخيرة. أظهرت الأبحاث أن طلاءات الجرافين يمكن أن تحسن بشكل كبير مقاومة الأكسدة مقارنة بالركائز التقليدية المصنوعة من النحاس والنيكل. تركز الدراسات حول طلاءات الجرافين في المقام الأول على أنظمة الطلاء العضوية وغير العضوية. أظهر العمل المبكر طرقًا لتحضير طبقات الجرافين باستخدام بولي ميثيل ميثاكريلات كوسيط وسيط، مما أدى إلى تعزيز مقاومة التآكل بشكل كبير.

كما تم استخدام الجرافين لتعديل الطلاءات الموجودة. على سبيل المثال، تبين أن إضافة الجرافين إلى طبقات الطلاء الإيبوكسي المنقولة بالماء يؤدي إلى تحسين الأداء العام للطلاء مقارنةً بطبقات الإيبوكسي التقليدية المضادة للتآكل-. في مجال الطلاءات غير العضوية، تم إيلاء اهتمام متزايد لتعديل الجرافين. تشير الأبحاث إلى أن إضافة الجرافين إلى الطلاءات غير العضوية المضادة للتآكل-يمكن أن يحقق مقاومة لرذاذ الملح لمدة تصل إلى 1200 ساعة بوزن طلاء يبلغ 100-150 مجم/ديسيمتر مربع فقط، مما يدل على تحسن كبير في الحماية من التآكل. كما أدى استبدال الكروم المعدني بالجرافين في طلاءات داكروميت إلى مقاومة جيدة للتآكل مع تحسين الصداقة البيئية.

تمثل-الطلاءات المضادة للتآكل-الشفاء الذاتي فئة ناشئة من الطلاءات الواقية الذكية التي يمكنها استعادة مقاومة التآكل بعد التلف في ظل ظروف معينة. يتم تصنيف الطلاءات ذاتية الإصلاح-الموجودة عمومًا إلى أنظمة مستقلة وغير-مستقلة. تعتمد الطلاءات ذاتية الإصلاح-عادةً على عوامل تشكيل غشاء مغلف-أو مثبطات التآكل لإصلاح المناطق المتضررة. أظهرت الأبحاث أن آليات البلمرة البينية-مثل التفاعلات بين الأيزوسيانات والماء-يمكن أن تملأ العيوب بشكل فعال بعد تلف الطلاء. وقد أكدت دراسات أخرى أن دمج مثبطات التآكل، مثل دوديسيلامين، في طلاءات راتنجات الألكيد يمكن أن يقلل بشكل كبير من التآكل.

تعتمد الطلاءات غير -الشفاء الذاتي- على المحفزات الخارجية مثل درجة الحرارة أو الضوء لتحفيز آليات الإصلاح. على سبيل المثال، تم تطوير أنظمة البلمرة الكاتيونية المستحثة بالأشعة فوق البنفسجية -الضوء- لتمكين إصلاح الطلاء تحت التعرض للأشعة فوق البنفسجية.