研究人员快速老化材料以了解哪种材料在水下海洋能源技术中存活时间最长

今天，一批崭露头角的可再生海洋能源技术正在离开实验室，进行首次河流和海洋测试。但是，当他们朝着商业用途迈出这些大步时，许多人遇到了一个不可预测和荒凉的环境：盐水。

正如海洋能源研究人员正在学习的那样，盐水可以对某些类型的材料进行一些化学反应，导致它们以不可预测的方式腐蚀、相互作用或降解。

美国国家可再生能源实验室(NREL)的机械工程师保罗·默迪(PaulMurdy)说：“我们开展这项工作的原因之一是，公司不必投入大量时间和金钱来寻找困难的方法。”

这是一个艰难的方法：技术开发人员投入大量精力和资金来设计原型，结果发现，一旦出海，他们选择的材料可能无法长期使用。

现在，一项新研究的结果表明，研究人员测试了不同材料在盐水和压力测试中的耐受性，这可以帮助公司找到更容易进入海洋的途径。

这项为期多年的研究是同类研究中规模最大的，最近在一份题为“海洋能源先进材料项目复合接头的子组件验证”的报告中达到了高潮。该研究收集了大约300种不同样本的优缺点的急需数据，这些样本由海洋能源设备中常用的材料制成。其中包括钢和玻璃纤维复合材料(由玻璃纤维和可永久硬化的塑料制成)以及将它们粘合在一起的粘合剂。

在总结研究方法和发现的报告中，作者解释了哪些材料的降解速度比预期的要快，为什么一些奇怪的现象需要进一步研究，以及这项工作如何有助于改进未来的材料测试。

“在这一点上，该行业只需要指导，”该报告的作者之一默迪说。

为提供该指导，美国能源部水力发电技术办公室组建了一个多机构团队，由桑迪亚国家实验室牵头，合作者来自佛罗里达大西洋大学、蒙大拿州立大学、NREL和太平洋西北国家实验室。

从2019年到2022年，该团队制造了各种砖块大小的样本以及常见形状的更大子组件。这样一来，该研究的发现就可以应用于几乎所有海洋能源设备中使用的组件。在NREL，Murdy和他的同事制造了300个具有六种不同几何形状(例如T形螺栓连接)的样本，以代表海洋能源行业最常用材料的各种组合，包括玻璃纤维、钢和粘合剂。

为了测试这些材料在含盐、潮湿的环境中能否存活长达20年，佛罗里达州立大学和太平洋西北国家实验室的研究人员将这些组件置于海水浴中。太平洋西北国家实验室的研究人员设计了一些浴池来促进自然微生物的生长。但是佛罗里达州立大学的海洋浴场特别痛苦，使用温度更高的水，加热到大约华氏136度。热量可以使材料迅速老化，就像强迫性日光浴可以使皮肤迅速老化一样。

最后，在将材料浸泡长达18个月后，该团队将组件运回NREL的结构技术实验室进行压力测试。对于其中一些测试，一台机器慢慢地拉动材料直到它断裂;在其他情况下，另一台机器拉动并释放材料，有时超过一百万次，直到它失效。“我们正试图在几天到几周内施加一生的负荷，”默迪说。

通过所有这些测试(或折磨)，该团队收集了某些材料能持续多久的数据，某些材料是否在盐水中降解或腐蚀得更快，以及哪些材料吸收了更多的水——这也表明该设备在海洋中可能不会持续那么久。虽然更多的信息总是一件好事，但团队的一些发现可能不会让开发人员更容易选择最好的材料。

“有些人在某些情况下非常好，但在其他情况下非常非常糟糕，”默迪说。“而且每种材料都有自己的优点，这使得选择起来特别困难。”

一些标本，包括那些将钢材深深嵌入复合材料中的标本，都保持良好。但是其他的，比如那些将特定的玻璃纤维复合材料与特定的钢材结合在一起的，则表现出明显的腐蚀。有些部件完全失效或腐蚀得太厉害而无法运行。经受高温浴的材料吸收了更多的水，这并不奇怪，尽管即使是部分饱和也会影响材料的强度和耐久性。

但最令人惊讶的是，一些样品对太平洋海水和大西洋海水有不同且不寻常的反应，在西海岸水域以惊人的速度腐蚀。“我们认为这与盐水化学有关，”默迪说。或者，它可能与氧气有关;太平洋海水的含氧量高于大西洋海水。但研究人员不确定到底发生了什么。

接下来，这个多机构小组计划通过更多的盐水测试进一步研究这种奇怪的盐水化学。该实验室还将试验其他材料，如可回收塑料树脂，并评估哪种材料最适合3D打印，这可以帮助海洋能源行业以更低的总成本更快地制造原型。

但是，除了了解不同材料对盐和压力的反应之外，该团队还有另一个目标。通过这3年的过程，实验室了解到测试材料对于海洋能源行业可能具有难以置信的价值，但它也耗时且昂贵。现在，基于这第一次大规模的努力，他们希望完善这一过程，使未来的材料测试更简单、更准确。

由于海洋能源设备必须在浸泡在盐水中的同时应对猛烈的海浪，因此将盐水浴与耐久性测试相结合可能是了解材料如何在海洋任务中幸存下来的更准确的方法。

“复合材料在航空航天和风能行业中得到了广泛应用，”Murdy说。“但最大的挑战是对海洋环境的解释，人们对海洋环境的了解要少得多。你了解得越多，从长远来看，你可以节省的成本就越多。”

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