海洋环境中的铜镍合金管容易被固体颗粒冲刷，破坏保护膜并产生划痕。这些划痕区域更容易被穿孔，可能导致管道过早损坏。因此，快速修复钝化膜并恢复其耐腐蚀性是一项重大挑战。当前两种潜在解决方案：一是加速保护膜的再生以实现自我修复；二是增强再生膜的耐腐蚀性，以平衡受损与未受损区域之间的腐蚀倾向。

中科院宁波材料所海洋关键材料全国重点实验室的研究团队提出了一种思路：外部磁场作为非接触式调理方法，展示了同时实现这些目标的潜力。当管道薄膜受损和划伤时，局部感应磁场的均匀性被破坏，产生伴随磁能梯度的梯度磁场。70/30 Cu–Ni 合金约含30%的镍，Ni2+表现出显著顺磁性，这进一步影响刮痕区域薄膜的再生过程，从而增强局部修复效果。团队已系统揭示了这种在严重损伤后仍可实现组织再生、缺陷修复的全新材料作用机制，通过多尺度表征与原位微区电化学实验相结合，多层级阐明了材料在服役损伤后的“自我修复”路径，为铜镍合金管道膜的原位修复提供了可行的方法，对未来海洋基础设施的可持续利用具有重要意义。相关研究成果已于2025年12月16日在国际权威期刊《Nature Communications》以“Regeneration-repair-strengthening mechanism in the oxidation film damage region of copper-nickel alloys under magnetic field effects”为题在线发表。  

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66216-7

【核心内容】

该研究提出了一种“再生-修复-强化”协同机制：70/30 Cu-Ni 合金保护膜在非磁性和 0.1 T磁场条件下3.5 wt%氯化钠溶液中刮痕区域的再生行为，模拟海洋环境中的“薄膜损伤再生”过程。在施加磁场后，划痕区域薄膜的再生速度显著加快，其耐腐蚀性显著提升。表面富含镍的单层薄膜结构的形成与磁场与刮痕区域微环境之间的耦合效应密切相关。

【研究方法】

研究团队首先通过SEM、XPS、TEM与微区电化学系统表征材料在损伤前后的保护膜组成与演化行为；首先对抛光后的70/30 Cu–Ni合金浸泡在3.5 wt%的NaCl溶液中，在合金表面的氧化膜完全生长稳定后，使用刮痕测试仪在氧化膜上划出划痕，暴露金属基底并确保划痕深度的一致性。随后样品放置于垂直于磁场方向 0.1T的磁场环境中；在此基础上，引入原位微区电化学监测钝化膜的修复过程，揭示再生膜的形成机制，并通过COMSOL模拟分析磁场梯度下粒子的运动轨迹。

【研究成果】

① 磁场驱动的钝化膜再生动力学与腐蚀性能恢复

在无磁场条件下，划痕区域的氧化膜再生缓慢，且修复后的膜层仍存在明显的电化学活性。无磁场时划痕区域的局部电流密度与周边区域的差值在初始阶段高达51 μA·cm⁻²，即使经过9天的再生，该差值仍保持在10 μA·cm⁻²，划痕处持续存在腐蚀倾向。相比之下，在0.1 T垂直磁场作用下，划痕区域的电流密度差在初始阶段仅为19 μA·cm⁻²，且在5天内迅速降至接近零，9天后甚至出现负值（-5 μA·cm⁻²），意味着再生膜的耐腐蚀性已优于周边完整膜层。这一结果表明，磁场不仅大幅缩短了膜层的修复时间，更使其在修复后具备更强的抗腐蚀能力。

不同磁场条件下划痕区域再生膜的形态演变与电流密度变化

② 再生膜膜结构从双层转变为单层

在无磁场条件下，划痕再生的膜层依然遵循这一双层模式，但外层厚度不均、覆盖不全，且内/外层界面起伏明显。然而，在0.1T磁场作用下，再生膜呈现出完全不同的单层结构：膜层厚度均匀、界面平整，且完全缺失外层Cu₂(OH)₃Cl相。该单层膜主要由非晶态Cu₂O、NiO及少量纳米晶CuO组成。这一结构转变表明，磁场干预了膜的生长路径。

划痕区域1天再生膜的组成与结构分析

③ 表面发生NiO选择性富集，形成独特的表面防护层

磁场诱导了Ni元素在再生膜表面的特异性富集，为纳米晶NiO。而在无磁场样品中，Ni元素主要分布在内层靠近基体的界面处，表面未见富集。这种表面NiO富集层的形成与磁场的梯度力效应密切相关，表面富集的NiO极大地提升了膜的耐腐蚀性，NiO具有高电阻性，能有效阻挡电荷传输；同时，Ni掺杂进入Cu₂O晶格可减少阳离子空位浓度，进一步抑制腐蚀进程。这种“表面NiO保护层”的构建，为合金提供了一种原位生成的、自增强的防护机制。

划痕区域5天再生膜的组成与结构特征

划痕区域9天再生膜的组成与结构演变

④ 磁场调控局部微环境，实现“再生-修复-强化”

磁场的介入彻底改变了微环境：一方面，洛伦兹力驱动的对流增强了物质交换，缓解了划痕区的物质贫化；另一方面，磁场梯度力驱动顺磁性的O₂向划痕区迁移，加速了阴极氧还原反应，消耗H⁺并生成OH⁻，从而使局部pH转向碱性。COMSOL多物理场模拟，直观展示了在划痕几何造成的梯度磁场中，顺磁性离子向损伤区域的定向迁移行为，为实验现象提供了理论支撑。

划痕区域微环境动态变化及再生机制示意图

【总结与展望】

该研究提出并验证了一种损伤驱动的再生-修复-强化协同机制。通过实验与模拟分析，阐明了磁场通过加速物质传输、调节局部pH、促进NiO富集等方式，揭示铜镍合金氧化膜快速再生与结构优化的机制。这不仅是腐蚀科学领域的一项重要进展，也为海洋工程材料的智能防护与长效安全提供了创新解决方案。