腐蚀被称为“静悄悄的破坏者”，每年造成的经济损失超过全球GDP的3%。尤其在油气输送中，低碳钢因性价比高而广泛使用，但其在含CO₂和盐水环境中极易发生点蚀与穿孔。传统扫描电镜或表面分析手段只能观察表层腐蚀形貌，无法捕捉到涂层下的微观退化机制。研究团队因此希望开发一种非破坏性、可原位监测、能同步获得三维结构与相变信息的新型腐蚀观测平台。

2025年10月13日，英国利兹大学Adriana Matamoros-Veloza博士作为通讯作者在《Corrosion Science》期刊发表了题为“Integrated In-situ Imaging and Diffraction Flow Cell Technology (NX-DRT) for Advanced Corrosion Studies”的研究论文，团队提出了一种结合中子与同步辐射X射线成像与衍射的三电极原位流动池技术（NX-DRT），实现了在腐蚀过程中对钢铁材料的三维形貌、相变及孔隙演化的实时监测，打破了腐蚀研究“只能看到表面”的局限。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113417

【核心内容】

该研究团队提出的NX-DRT三电极原位流动池系统结合了中子的高穿透性与同步辐射X射线的高分辨率，能在腐蚀反应的过程中实时捕捉金属的微观结构演化与相变行为。利用了NX-DRT平台开展原位腐蚀实验，实现了钢基体体积损失、腐蚀膜厚度与孔隙分布的三维定量重建，并揭示了膜内非均质结构与点蚀萌生之间的耦合机制。

油气管道内部腐蚀类型示意：（a）均匀腐蚀；（b）CO₂诱导的点蚀

【研究方法】

设计的NX-DRT流动池集成了中子衍射、X射线成像与电化学控制，流动池窗口必须对中子和X射线具有低散射和高透射率，以确保高信噪比。固定在光束线级上的单元支架应与单元直径匹配，以保持成像分辨率。

顶部和底部由HTM140材料制成，能够承受高达140℃的温度，流动电池窗口由定制的Kapton管制成，除了对中子和X射线透明外，还可以抵抗高达400℃的温度，电池的底部有一个入口以容纳工作电极，以及一个孔以插入携带电解液的管子。

整体设计可实现0.2m/s循环流速的电解液流动，结构可兼容中子与X射线实验，能在旋转扫描过程中保持密封，实现360°无死角成像，兼顾了中子高穿透性与X射线高分辨率的互补特性。

该研究选择API 5L X65钢材为工作电极，这是一种是符合美国石油学会API 5L标准的低合金钢，主要用于油气输送管道、海洋工程及化工领域，这一材料在CO₂盐水环境中极易发生点蚀，并基于NX-DRT平台同步监测材料在3.5% NaCl或CO₂饱和溶液中的腐蚀过程。

原位腐蚀实验系统示意

【研究成果】

① 中子原位三维成像揭示钢材腐蚀动力学

清晰捕捉了钢材在氧化腐蚀过程中的材料流失与腐蚀产物生长时序演化：

• 腐蚀1小时后在铜线界面率先出现局部腐蚀现象；

• 4小时后，局部腐蚀已发展成为明显的深坑结构，样品总体积减少约31%，并生成厚度不等的氧化层。

这一结果成功实现了在无需破坏样品的条件下定量分析钢内部的腐蚀速率与形貌演变，是一种对针对腐蚀行为的无损四维（3D+时间）成像新路径。

基于中子透射图像的样品氧化腐蚀时间演化（0、1、3、4小时）

基于中子断层重建的三维腐蚀演化过程：红色为腐蚀产物，绿色为钢/铜区域

② 同步辐射X射线成像揭示CO₂蚀膜结构与孔隙特征

团队针对钢材在CO₂环境下的腐蚀进行了原位成像，在腐蚀三小时后，钢材表面的碳酸铁（FeCO₃）腐蚀膜厚度约10µm，并且膜层内部存在大量相互连通的孔洞与裂纹，此时钢材约损失了1%的体积，同时腐蚀膜内孔隙约占10%的体积，这种膜-孔双重结构的原位可视化能够清晰揭示CO₂点蚀的早期形成机制。

同步辐射X射线层析结果

③ 三维点蚀定量分析实现微米级腐蚀形貌测绘

团队对在CO₂环境中腐蚀的钢材样品进行微观点蚀测绘，一共测绘了22个独立腐蚀坑，这些腐蚀坑的最大深度为27.5µm，平均深度约7µm，该平台的三维重构能够实现对单个点蚀坑体积、面积及深度的定量化描述，为未来腐蚀防护机理模型提供了模型工具。

点蚀三维形貌重建与定量测绘结果

【总结与展望】

该研究提出的NX-DRT流动池，将成像-衍射-电化学集于一体，是一种能够无损检测腐蚀发展的原位检测平台。该技术不仅适用于钢铁腐蚀研究，在合金退化、涂层失效、储能电极反应等多领域具备充足的可推广性，将来该技术有望推动原位腐蚀科学进一步向“可视化、定量化、多维化”的变革。