研究簡介:本研究主要聚焦于高強7075鋁合金在海洋大氣薄電解質層（Thin Electrolyte Layer,TEL）條件下的磨蝕（tribocorrosion）行為。傳統研究多基于體相溶液（Bulk Solution,BS）環境，難以準確反映實際海洋大氣中TEL條件下材料的損傷機制。作者通過構建模擬海洋大氣的3.5 wt%NaCl TEL環境（厚度約170μm），系統比較了7075鋁合金在TEL與BS中的電化學、摩擦學及耦合損傷特性。研究發現，在TEL環境中，由于氧氣擴散路徑極短、溶解氧濃度高，合金表面再鈍化能力顯著增強，迅速形成致密氧化膜（主要為Al?O?）。然而，這一“強鈍化”并未提升抗磨蝕性能，反而因反復摩擦剪切作用使脆性Al?O?膜破裂，轉化為高硬度磨粒，加劇三體磨損；同時，破損區與完整鈍化區之間形成嚴重電偶腐蝕，進一步促進材料損失。結果表明，TEL環境下摩擦系數（COF）和磨損率分別提升超10%和17%，且磨損機制由BS中的“腐蝕抑制磨損”轉變為TEL中的“腐蝕加速磨損”。通過XPS、LEIS、EBSD和微區XRD等手段，作者揭示了腐蝕產物組成（TEL中Al?O?為主，BS中Al(OH)?為主）、位錯密度及塑性變形深度的差異，并定量分析了磨損-腐蝕協同效應。該研究顛覆了“強鈍化即高防護”的傳統認知，闡明了TEL環境中再鈍化加速材料退化的反常機制，為高強鋁合金在海洋環境中的防護涂層設計提供了關鍵理論依據。

Unisense微電極系統的應用

Unisense微電極（具體型號為OX-25氧氣微傳感器）被用于測量薄電解質層（TEL）與體相溶液（BS）中溶解氧的濃度分布，以揭示不同電解質厚度對氧傳輸能力的影響，從而解釋7075鋁合金在海洋大氣模擬環境中表現出的異常磨蝕行為。首先將Unisense OX-25微電極安裝在微操縱器上，使其探針從空氣中垂直逐步插入至電解液中，步長為10μm，從而獲取沿液層厚度方向的溶解氧濃度梯度數據。

實驗結論

在模擬海洋大氣的薄電解質層（TEL）環境中，7075鋁合金表現出“增強再鈍化反而加速磨損”的反直覺現象。在體相溶液（BS）中，腐蝕產物以潤滑性的Al(OH)?為主，且氧擴散受限，再鈍化能力弱，磨損-腐蝕協同效應被抑制。而在TEL中，高溶解氧濃度促進快速形成致密但脆性的Al?O?鈍化膜，該膜在摩擦剪切作用下易破裂并轉化為硬質磨粒，加劇三體磨損。磨損區域（未完全鈍化）與周圍完整鈍化區之間形成顯著微電偶對，引發局部嚴重電偶腐蝕，進一步加速材料退化。相比BS環境，TEL條件下摩擦系數（COF）和磨損率分別升高超過10%和17%，且隨著間歇滑動中靜態腐蝕時間延長，損傷持續累積。

圖1.實驗裝置示意圖。(a)薄電解質層（TEL）厚度測量原理：通過鉑針與萬用表連接，控制TEL厚度為170±5μm（模擬海洋大氣中最嚴酷的腐蝕條件）。(b)TEL環境下的摩擦腐蝕實驗裝置：采用三電極體系（工作電極為7075鋁合金，對電極為鉑片，參比電極為Ag/AgCl飽和電極），摩擦頻率1 Hz，載荷5 N。(c)摩擦腐蝕程序：包括連續滑動模式（如BS-ocp、TEL-ocp）和間歇滑動模式（如BS-52、TEL-32），用于研究合金的再鈍化能力。

圖2、7075鋁合金的微觀結構。(a)光學顯微鏡（OM）圖像：顯示軋制形成的伸長晶粒和部分再結晶的等軸晶。(b)SEM圖像及EDS元素分布。

圖3、電化學與摩擦學參數。(a)動電位極化曲線：滑動使腐蝕電位（Ecorr）負移，TEL中腐蝕電流密度（Icorr）更高。(b)Ecorr與Icorr數值：TEL中腐蝕速率顯著提升。(c)摩擦系數（COF）：TEL-ocp的COF更高，歸因于硬質Al?O?磨粒的形成。(d)磨損率：TEL環境使磨損率增加超17%，凸顯腐蝕-磨損協同效應。

圖4、在BS和TEL環境中溶解氧的分布情況：（a）在3.5%重量百分比的NaCl溶液中，溶解氧隨深度增加而變化；（b）平均溶解氧濃度；（c）三相腐蝕過程的示意圖。

圖5、OCP厭氧MB介質中UNS G10180碳鋼的EIS數據：（a，b）奈奎斯特，（c，d）波特相位角（θvs.f）和（e，f）波特阻抗模量（|Z|與f）超過28天。（n=3）。反應器攪拌器轉速為50 rpm。

結論與展望

鋁合金的磨損-腐蝕偶損在高度腐蝕的海洋環境中是常見問題。然而散裝溶液（BS）中的摩擦腐蝕機制難以解決海洋大氣環境中薄電解質層（TEL）中的磨損腐蝕問題。本研究揭示了TEL中一種反直覺的摩擦腐蝕機制，增強的再鈍化反而加速而非減輕材料損失，同時增大塑性變形和更多剝落碎片。磨損-腐蝕協同分析表明，TEL的退化機制從以磨損為主導轉向以腐蝕為主的磨損，摩擦系數（COF）和磨損率分別增加了10%以上和17%。TEL介質促進快速氧氣運輸并促進被動膜的形成，但保護層在滑動過程中機械不穩定，轉變為堅硬的Al2O3磨料顆粒并加速磨損，且在被動區與不完全鈍化膜之間形成嚴重的電腐蝕。相比之下，BS的協同作用因再被動能力較差（受氧氣可用性限制）及潤滑性Al（OH）3物種的形成而受抑制。

Unisense微電極實驗證實，TEL極薄液層結構極大提升了氧的傳質速率，是驅動快速再鈍化和高陰極反應活性的根本原因。這項工作挑戰了傳統觀點，即強鈍化意味著更好的保護，并為高強度鋁合金在海洋大氣摩擦腐蝕期間的保護涂層設計提供了機械基礎。Unisense OX-25微電極在此研究中發揮了關鍵的環境參數量化作用。它提供了直接實驗證據，證明TEL環境因幾何尺度薄而具備高效氧傳質能力，這是理解整個磨蝕機制轉變（從BS的“腐蝕抑制磨損”到TEL的“腐蝕加速磨損”）的物理化學基礎。Unisense設備是連接宏觀磨蝕現象與微觀電化學機制的重要橋梁。本研究揭示了海洋大氣環境下高強鋁合金磨蝕失效的新機制，挑戰了傳統鈍化保護觀念，為未來開發適用于TEL條件的抗磨蝕涂層或表面改性技術提供了關鍵機理依據——并非所有快速形成的鈍化膜都具有保護性，在動態摩擦條件下可能適得其反。