Над решением проблемы коррозии вот уже много десятилетий бьются ученые со всего мира. Новые перспективные разработки, позволяющие если не устранить угрозу совсем, то, по крайней мере, существенно снизить ее тяжесть, появляются регулярно, и не будет никаким преувеличением сказать, что значительная их доля приходится на специалистов из России. О самых интересных, необычных и важных открытиях наших ученых в области защиты от коррозии рассказываем в нашей специальной подборке.
Два простых компонента в борьбе с вредными бактериями
95 процентов - впечатляющий результат, не так ли? Именно таких показателей удалось добиться ученым Пермского политеха в деле защиты стали от так называемой биокоррозии, развитие которой провоцируют микроорганизмы. В водной среде они способны образовывать биопленки - своего рода колонии - и выделять различные продукты жизнедеятельности, которые за счет сложных химических реакций буквально «проедают» металл насквозь. Дополнительные сложности создает появление оксидов и гидроксидов железа (той самой всем хорошо известной и знакомой «рыжей ржавчины»), которые впитывают влагу, ускоряя процесс корродирования, и могут отслаиваться хлопьями, забивая рабочие просветы трубопроводов.
Тем интереснее, что для борьбы с этим разрушительным воздействием микроорганизмов специалисты применили комбинацию двух достаточно распространенных, недорогих и хорошо изученных веществ - нитрида натрия и буры. Первый используется в качестве противоморозной добавки в строительстве и как консервант, подавляющий рост и развитие бактерий. Вторая представляет собой популярное минеральное сырье и применяется как чистящее средство, удобрение и антисептик. Как показали исследования, два этих компонента эффективно работают в связке. Нитрит натрия образует на поверхности металла защитный слой, препятствующий закреплению бактерий и образованию биопленок. Бура, напротив, уничтожает уже появившиеся колонии. При этом по отдельности оба вещества продемонстрировали достаточно низкие противокоррозионные свойства, однако их сочетание позволило устранить недостатки и обеспечить надежную защиту.
Ну а самое главное, отмечают авторы разработки, - это то, что она может использоваться в конструкциях, где по тем или иным причинам ограничены возможности для регулярного осмотра и техобслуживания, например, в трубопроводах, проложенных на отдаленных и труднодоступных территориях.
Теория сегодняшнего дня для практики будущего
Для эффективной борьбы с коррозией важно не только надежно защищать металл, но и понимать, откуда эта самая коррозия берется. И хорошо, если этот вопрос касается каких-то широко изученных сфер. А если речь идет о чем-то малоизвестном, но при этом таком, от чего может зависеть множество жизней и стабильность критически важной инфраструктуры?
Именно такую задачу в 2023 году решили специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) и Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН). Они смоделировали и проанализировали процессы взаимодействия поверхности стали с жидкометаллическим расплавом свинца и висмута. Для чего нужны такие сложности? Для постройки ядерных реакторов нового поколения - на быстрых нейтронах, которые в отличие от классических позволяют «замкнуть» топливный цикл и использовать ядерное топливо практически бесконечно. Помимо прочих сложностей, связанных с разработкой, есть и еще одна: в реакторах на быстрых нейтронах в качестве теплоносителя, который снимает и выводит тепло, выделяющееся в процессе деления ядер, вместо воды используется жидкий металл. Конкретно - тот самый расплав свинец-висмут, являющийся активным и очень агрессивным растворителем для стали, из которой изготавливаются основные конструкционные элементы реактора. Чтобы этого не допустить, в расплав добавляют немного кислорода: он формирует на поверхности стали тонкую защитную пленку, которая препятствует ее растворению и развитию коррозии. Вот именно процессы образования и роста этой пленки и изучили специалисты двух университетов. Им впервые удалось разработать теоретическую модель, предсказывающую поведение оксидного слоя в заданных условиях в охлаждающем контуре реактора, и учесть специфические физико-химические процессы, которые там протекают.
Эти наработки, по словам ученых, могут лечь в основу более точного прогнозирования и более надежных методов защиты стали от коррозии из-за контакта с теплоносителем, а значит, еще на шаг приблизить отечественную атомную науку к серийному производству реакторов будущего.
Плазменная обработка и двойной защитный слой
Технология нанесения на металл различных покрытий для его защиты от коррозии человечеству известна давно, однако с ней и ее многочисленными вариациями могут быть сопряжены некоторые сложности: защитный слой может оказаться недостаточно эффективным, хрупким, а при проникновении коррозии под него все придется переделывать, что ведет к дополнительным затратам. Ученые из Костромского государственного университета еще в 2017 году решили изменить эту парадигму и разработали способ обеспечения сохранности металлов при помощи азота, бора и углерода. Ключевая особенность метода в том, что эти элементы наносятся на поверхность при помощи плазменно-электролитического оксидирования: путем коротких электрических разрядов они спекаются с основой, формируя на ней непрерывный оксидный слой.
Перед тем как приступить к испытаниям, специалисты перебрали множество вариантов и провели глубокие исследования: изучали поверхность металла и происходящие в ней процессы при помощи рентгенофазового анализа, ядерного обратного рассеяния протонов, измерения микротвердости и шероховатости защитного слоя на атомно-силовом микроскопе. Как показали предварительные исследования, такой способ обработки обеспечивает формирование двойного защитного слоя: внешнего оксидного и внутреннего, представляющего собой соединение бора и железа. За счет этого удалось не только улучшить стойкость металла к коррозии, но и заметно повысить его прочность и устойчивость к агрессивным химическим веществам.
«Самозалечивающийся» состав
Ну а если уж от деструктивного влияния внешних факторов на металл никак не избавиться, то, по крайней мере, стоит максимально снизить его последствия. Такой логикой руководствовалась группа ученых из Северо-Западного университета, представивших в 2019 году уникальный состав, способный «залечивать» микротрещины за считанные секунды.
Дело в том, что даже небольшие нарушения целостности поверхности со временем могут превращаться в полноценные очаги коррозии. Осложняется же дело тем, что их очень трудно заметить. Как правило, это происходит после того, как микроорганизмы, влага и химические вещества, рассеянные в воздухе, сделали свое дело.
Согласно научной статье, опубликованной авторами разработки в журнале Research, основной инновационного состава стали полые микрокапсулы восстановленного оксида графена. Их добавили в силиконовое масло, а после нанесли получившееся соединение на металл-основу. Как показали дальнейшие исследования, такие капсулы в сочетании с маслом обеспечивают формирование непрерывного защитного слоя, с одной стороны, достаточно текучего, чтобы распространяться по металлу, «залечивая» трещины, а с другой - достаточно стабильного, чтобы не стекать с него свободно. За счет этого при разрушении участка металла покрытие начинает медленно «мигрировать» в ту сторону, где образовалась трещина, заполнять ее и снова «останавливаться». При этом субмиллиметровые и миллиметровые трещины залечиваются буквально за несколько секунд, а сам эффект наблюдается на протяжении длительного времени: в одном из экспериментов специально поврежденный металл с нанесенным инновационным покрытием восстановил сам себя 200 раз подряд, при этом постоянно находясь в растворе соляной кислоты, и при этом не показал никаких проявлений коррозии.
Послесловие
Впрочем, нельзя не отметить, что, несмотря на большое количество новых разработок, компании и предприятия по всему миру вот уже несколько лет отдают предпочтение составам класса Zinker. И это неудивительно: благодаря активному цинку они обеспечивают отличную защиту металла и вместе с тем отличаются максимальной простотой нанесения. Составы класса Zinker в отличие от многих других подобных средств не только выполняют барьерную функцию, оберегая металл от контакта с внешней агрессивной средой, но еще и вступают в электрохимическое взаимодействие со внешними факторами и принимают на себя их деструктивное воздействие. За счет этого покрытие надежно служит даже в самых агрессивных условиях.