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中科院物理所

咱們?cè)谥袑W(xué)時(shí)就知道，氫原子是元素周期表里最輕的元素，它也是宇宙中最早誕生、最多的元素，數(shù)量占比達(dá)到91.2%。氫的性質(zhì)活潑，燃燒后形成水可燃?xì)怏w檢測(cè)儀，因此氫能源也是備受期待的清潔能源。

不過(guò)，氫并沒(méi)有我們想象的那么“干凈”，它曾經(jīng)讓美軍造價(jià)為3600萬(wàn)美金油輪以一個(gè)月140艘的速度沉沒(méi)氫氣，讓加州海灣大橋差點(diǎn)報(bào)廢，并且阻止氫能源汽車(chē)成為主流。

為了馴服這個(gè)頑皮的元素，甚至還出現(xiàn)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)學(xué)科分支。今天，我們就來(lái)了解一下這個(gè)奇異元素的你不知道的另一面。

僅存的四艘自由輪之一的 SS John W. Brown 號(hào)圖片來(lái)源：wikipedia

二戰(zhàn)時(shí)，為了運(yùn)輸士兵和物資，美軍建造了數(shù)千艘油輪——自由輪（Liberty Ships）。不過(guò)，自由輪很快成了災(zāi)難片現(xiàn)場(chǎng)。

在2710艘自由輪中，近1500艘出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂縫。在嚴(yán)寒而又波濤洶涌的海面上，一些自由輪甚至斷成了兩節(jié)。其中最出名的就是就是 S.S. Schenectady 號(hào)油輪。

裂成兩半的自由輪 S.S. Schenectady 號(hào) 圖片來(lái)源：wikipedia

1943年1月16日的晚上，俄勒岡州Swan Island造船廠發(fā)出巨響，尚未交付的 S.S. Schenectady 裂成了兩半。

因?yàn)檫@是該造船廠造的第一艘船，所以引起了恐慌。實(shí)際上在那年3月，另一艘自由輪 the Esso Manhattan 號(hào)在進(jìn)入紐約灣的時(shí)候也裂開(kāi)了。

自由輪以一個(gè)月140艘的速度沉沒(méi)。自由輪在當(dāng)時(shí)的造價(jià)是每艘約200萬(wàn)美金，相當(dāng)于現(xiàn)在的3600萬(wàn)美金。這種沉船速度為美軍帶來(lái)了巨大的損失。問(wèn)題究竟出在哪兒了呢？

戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期沒(méi)有人知道答案，不過(guò)大家還是找到了解決方法，那就是打補(bǔ)丁。美國(guó)造船廠在裂縫處用鋼板打補(bǔ)丁，防止輪船進(jìn)一步開(kāi)裂。這個(gè)方法還挺有效，因此后來(lái)這些防開(kāi)裂鋼板就叫做止裂鉚縫（crack arrestor）。

在這個(gè)措施全面實(shí)施后，一個(gè)月里就只有20艘自由輪沉沒(méi)，數(shù)量速降到了之前的七分之一。

二戰(zhàn)后，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家喬治·蘭金·歐文（George Irwin）利用自由輪的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，終于找到了讓輪船開(kāi)裂沉沒(méi)的兇手——?dú)洹?/p>

原來(lái)在20世紀(jì)初，一些新的焊接技術(shù)被發(fā)明了出來(lái)，比如手工電弧焊（SMAW）和焊條焊接。電焊時(shí)，電弧或乙炔燃燒的熱量會(huì)熔化金屬，讓兩塊金屬焊接在一起。

在電焊技術(shù)出現(xiàn)前，拼接輪船的金屬板用的是鉚接技術(shù)。鉚接技術(shù)有不少缺點(diǎn)，比如需要受過(guò)專(zhuān)門(mén)訓(xùn)練的技工氫氣，這讓鉚接工的成本占到輪船組裝人力成本的三分之一之巨。此外，鉚接時(shí)需要把幾塊金屬板交疊，這不但會(huì)增加船體的重量，還會(huì)增加成本。

由于缺乏熟練的鉚接工，美國(guó)聯(lián)邦海事委員要求美國(guó)的造船廠用焊接替代鉚接。這樣一來(lái)，輪船的交貨速度迅速提高了。在1930-1937年間，美國(guó)的造船廠才制造了71艘船。但是用上電焊技術(shù)后，在1939-1945年間美國(guó)造船廠造了5777艘船。

制造一艘自由輪只需要5天。在1941-1945年間，美國(guó)的18個(gè)造船廠就用焊接技術(shù)為美軍制造了2710艘自由輪。

但是，當(dāng)時(shí)的人們不知道的是，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生單原子氫（H），而單原子氫會(huì)鉆入金屬中形成氫氣（H2）。

氫氣在金屬晶粒附近聚集起來(lái)，破壞金屬的結(jié)構(gòu)，讓金屬脹氣變脆。有時(shí)氫氣在金屬內(nèi)能累積到18.7兆帕，也就是地表氣壓187倍的高壓。這個(gè)現(xiàn)象被命名為氫脆（hydrogen embrittlement）。

此外在高溫下，被鋼鐵吸收的氫原子還可能和鋼材中的碳原子形成甲烷氣體（CH4），使鋼材脫碳變脆，這被稱(chēng)為氫腐蝕（hydrogen attack）。

在使用的過(guò)程中，發(fā)生氫脆和氫腐蝕的焊接部位很容易開(kāi)裂。油輪運(yùn)輸?shù)闹匚锖秃＠说呐拇驎?huì)加速裂痕的擴(kuò)張。更可怕的是，已經(jīng)發(fā)生氫脆的金屬表面看起來(lái)和普通金屬?zèng)]有什么不同，不會(huì)引起制造和使用者的警覺(jué)，這就增加了氫脆的危險(xiǎn)性。

氫脆的現(xiàn)象最早是在1875年由 W. H. Johnson 發(fā)現(xiàn)的。不過(guò)，在自由輪大量出事前，大家還不知道氫有這么強(qiáng)的破壞力。在把裂開(kāi)的自由輪歸因于氫脆后，歐文開(kāi)創(chuàng)了斷裂力學(xué)和材料強(qiáng)度的學(xué)科分支氫氣，建筑業(yè)和制造業(yè)也終于開(kāi)始重視這種邪門(mén)的元素了。

需要指出的是，直到現(xiàn)在，研究者還沒(méi)有完全搞清楚氫脆的原理，也無(wú)法預(yù)測(cè)材料在何時(shí)何處會(huì)出現(xiàn)氫脆，因此最好的方法還是預(yù)防。

剛才說(shuō)到，電焊尤其容易釋放氫原子，這是因?yàn)殡娀『秃笚l表面的纖維素涂層或空氣中的水蒸汽接觸，會(huì)產(chǎn)生單原子氫?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一種叫做低氫焊條的材料，它可以減少單氫原子的產(chǎn)生，適用于焊接高強(qiáng)度的鋼材。

當(dāng)然，有時(shí)氫是在制造過(guò)程中擴(kuò)散到金屬里的。電鍍和清洗的過(guò)程也可能會(huì)產(chǎn)生單原子氫，這些單原子氫就有可能污染金屬。

比如乙醇檢測(cè)儀，為了防腐蝕，一些螺栓常會(huì)做一層鍍鎘。在鍍鎘的時(shí)候就有可能產(chǎn)生單原子氫。因?yàn)殄冩k的問(wèn)題，美國(guó)空軍設(shè)立了低氫脆性鍍鎘的標(biāo)準(zhǔn)，要求承包商遵照?qǐng)?zhí)行。為了去除氫，螺栓的供應(yīng)商通常在鍍鎘后對(duì)螺栓進(jìn)行烘焙（如在200攝氏度的環(huán)境中烤數(shù)小時(shí)），讓氫氣從螺栓中逸出。

在氫的真面目被揭發(fā)后，現(xiàn)在氫脆引發(fā)的大災(zāi)難比較少見(jiàn)，但也并未徹底消失。

2014-2015年間，倫敦金融區(qū)的利德賀大樓的好幾個(gè)螺栓因?yàn)闅浯鄩牡袅恕?/p>

2013年，美國(guó)的舊金山-奧克蘭海灣大橋?yàn)榧磳⒌絹?lái)的通車(chē)進(jìn)行測(cè)試。這座大橋是加州歷史上最昂貴的公共建筑，也是被吉尼斯世界紀(jì)錄收錄的最寬的橋。

不過(guò)，在通車(chē)前的測(cè)試中工程師發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：負(fù)責(zé)把橋面架設(shè)在水泥柱上的保險(xiǎn)螺栓在測(cè)試運(yùn)行2周后就出現(xiàn)了裂痕，讓舊金山-奧克蘭海灣大橋險(xiǎn)些變成美式斷橋。

在測(cè)試中，96個(gè)保險(xiǎn)螺栓里30個(gè)壞掉了。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，這就是氫脆引起的。更換螺栓花費(fèi)了加利福尼亞州運(yùn)輸部2500萬(wàn)美金，是預(yù)估的5倍，引發(fā)輿論嘩然。

氫的討厭性質(zhì)也成了氫能源廣泛使用的最大阻礙之一。

氫氣（H2）雖然不能被金屬直接吸收，但在某些條件下（如高壓），金屬表面的氫氣分子會(huì)拆解成兩個(gè)單原子氫，然后被金屬吸收，引發(fā)氫脆。換言之，用金屬材料長(zhǎng)期儲(chǔ)存高壓氫氣就相當(dāng)于養(yǎng)了個(gè)不定時(shí)炸彈。

1988年，法國(guó)里昂附近圣豐 (Saint-Fons)的一個(gè)3千升的金屬氫氣罐發(fā)生爆炸，方圓500米內(nèi)的財(cái)物都受到波及。這個(gè)氫氣罐最早在1939年投入使用，后來(lái)的檢測(cè)表明爆炸就是氫脆引起的。

雖然氫氣的燃燒產(chǎn)物只有水，但氫帶來(lái)的這些麻煩使能夠安全壓縮氫氣燃料的商業(yè)技術(shù)難產(chǎn)，這就導(dǎo)致氫氣運(yùn)輸管網(wǎng)成本居高不下，氫能源汽車(chē)也沒(méi)有成為主流。

真沒(méi)想到你是這樣的氫啊。

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