海洋工程新材料技术及应用

1、演讲人：崔周平演讲人：崔周平目目 录录近海工程：近海工程： 又称离岸工程，主要是在大陆架较浅水域的海上平台、人工岛等的建设工程，和在大陆架较深水域的建设工程，如浮船式平台、移动半潜平台、自升式平台、石油和天然气勘探开采平台、浮式贮油库、浮式炼油厂、浮式飞机场等项建设工程。海岸工程：海岸工程： 自古以来就很受重视，主要包括海岸防护工程、围海工程、海港工程、河口治理工程、海上疏浚工程、沿海渔业设施工程、环境保护设施工程等。深海工程：深海工程： 包括无人深潜的潜水器和遥控的海底采矿设施等建设工程。海洋工程海洋工程31.1海洋工程材料宏观上是指从海洋中提取的材料和专属用于海洋开发的各类特殊材料。复合材

2、料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料作为新型功能结构材料，在海洋环境中可表现出优异性能，具有独特优势。海洋工程材料海洋工程材料31.2海洋工程设施通常由金属材料（特别是钢铁）、钢筋混凝土材料等制造而成。如果没有有效的腐蚀防护措施，海洋工程设施在几年内就会因腐蚀而严重破坏。因此，认识海洋腐蚀防护的重要性，并大力发展海洋工程设施专用防腐材料，推进海洋工程设施的全寿命周期维护，具有极其重要的经济价值和社会意义。然而，我国海洋工程的防

3、腐措施薄弱，急需加强腐蚀保护。影响材料在海洋环境中腐蚀的因素主要包括化学和物理两大因素，并且两者相互关联。化学因素主要是氧、盐、碳酸盐、有机化合物、污染物等，物理因素主要包括温度、流速、压力及海洋生物等。通常所指的大体分为5个腐蚀区带：海洋大气区、海水飞溅区、海水潮差区、海水全浸区以及海泥区。根据海水深度不同，全浸区带又可以分为浅水区、大陆架区和深水区，深水的定义也随着科技的进步和海洋石油的发展在改变。目前可以将水深大于500m定义为深水，水深超高1500m定义为超深水。每个区带都有其特有的腐蚀环境，但一般认为紫外、盐雾、老化是海洋环境的特征。海洋环境的腐蚀条件比较严酷和恶劣，再加上接触介质多

4、种多样，不存在任何条件下都能腐蚀的材料，因此，对海洋工程复合材料的原材料，有必要进行适当的取舍海洋环境对先进材料的迫切需求海洋环境对先进材料的迫切需求31.3目前，我国海洋工程材料的发展仍然面临着诸多问题，比如涉及船舶、海洋平台、油气管线以及离岸建筑等方面使用的高品质金属材料、复合材料的关键应用技术的开发，以及海洋用材料标准的制定。此外，鉴于海洋装备和海洋工程长期处于严酷海洋环境下工作，服役中无法回避的问题是材料的腐蚀损伤、磨蚀失效和生物污损，严重影响海洋工程和装备的可靠性和寿命，材料的腐蚀失效机理与防护技术已成为我国海洋工程领域都亟待解决的问题。海洋环境对先进材料的迫切需求海洋环境对先进材料

5、的迫切需求31.3开发深海资源，维护主权权益，提高我国海洋技术支撑和保障能力，必须要发展重大技术装备。而海洋工程材料则将在其中发挥关键性作用。2013年8月24日召开的海洋工程材料研发、生产及应用研讨会上，中国工程院院士周廉表示，“要发展先进的海洋工程装备，材料先行刻不容缓”。中船重工集团公司第701研究所研究员马运义认为：“舰船装备与材料的依存关系，相当于衣服与布料，饭食与谷物”。国家油气钻井装备工程技术研究中心研究员李岭在研讨会上表示，海洋油气钻井设备等大型海洋结构物，处于风、浪、流海水腐蚀，甚至酷暑严寒的恶劣环境下工作。特别在深海域，还受到海洋密度分层产生的内波影响，以及水波流场和结构物

6、相互作用的势流动力学影响，因此往往具有特殊的结构形式，并且在材料上提出了比船舶用钢更高的要求。采用的钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蚀等性能。“十二五”以来，随着经济转型升级需求的日益迫切，加快海洋资源的开发和利用，已成为我国的重要战略方向。海洋产业和经济的进一步高速发展，将更加依赖先进的海洋工程装备。但现实的窘境是，材料问题已成为我国海洋工程装备发展中的主要瓶颈。海洋工程材料已被社会各界广泛关注；国家重大科技专项办公室专门启动重点新材料新增专项论证；中国工程院也在2013年3月启动了“中国海洋工程材料研发现状与发展战略初步研究”咨询项目。作为该项目成果的

7、提炼展现与全面总结由18位院士、200余位材料及海洋工程领域专家共同完成了中国海洋工程材料发展战略咨询报告。报告对国内外海洋工程材料研究状况进行了系统介绍，重点分析了我国海洋工程材料应用现状及发展优势介绍，重点分析了我国海洋工程材料应用现状及发展优势，指出了加快发展海洋工程材料的措施及建议。海洋材料来源海洋材料来源32.1可从现有的全部材料，无机非金属材料，有机聚合物材料及复合材料产品中选择；研发先进海洋材料。海洋材料研究规律海洋材料研究规律32.2材料科学先研究材料的组成、结构与性能之间相互关系和变化规律的一门应用基础科学，它所包含的内容组成了一个固体的结构、化学反应、物理性能及材料工艺为顶

8、点的四面体，因而它是具有立体性质的一个科学领域，这是材料研发应该遵循的基本规律。海洋材料来源海洋材料来源32.3 材料科学的系统化研究方法和近代复合材料研制的成功经验表明，要大幅度提高材料的使用性能和拓宽其应用范围，克服现有缺陷，从复合材料的角度来研究和设计材料的组成、结构，以期获得性能符合要求的新型材料是一条有效途径。研发工具研发工具32.4 相图作为物理化学相平衡部分的主要内容，它研究目标体系的平衡状态与温度、压力、组元等因素之间的关联，并用几何图形表达出来，相图中的点、线、面、体表示一定条件下平衡体系中所包含的相，各相组成和各相的相互转变关键，相图被誉为材料设计的指导书和热力学数据的源泉

9、。因此，掌握相平衡的基本原理，能够熟练地读相图，能帮助我们正确选择配料方案的工艺制度，熟练分析微观结构，合理解决研制过程中发生的问题的产生原因，对新材料的研发具有重要的指导意义。相平衡相平衡32.5 硅酸盐材料的性质除了与化学组成有关外还取决于其显微结构，即其中所包含的每一项（晶相、玻璃相及气孔）的组成、数量和分布。研究材料显微结构的形成，需要综合考虑热力学和动力学这两方面的因素。相平衡为我们从热力学平衡角度判断系统在一定热力学条件下所趋向的最终状态，提供了十分有用的工具。 相平衡是研究一个多组分（或单组份）多相体系的平衡状态如何随影响平衡的因素（温度、压力、组分浓度等）变化而改变的规律。这种

10、研究方法的一个很大的优点是不需要把体系中的化学物质或相加以分离来分别单独研究，而是综合考察系统中组分间及相间所发生的各种物理的化学的或物理化学的变化，这就更接近自然界或人类生产活动中所遇到的真实情况，因而具有极大的普遍意义和实用价值。 对于一个硅酸盐材料工作者，掌握相平衡的基本原理，能够熟练地判读相图，是一项必须具备的基本功。它可以帮助我们正确的选择配料方案及工艺制度，合理分析生产过程中质量问题产生的原因以及帮助我们进行新材料的研制。硅酸盐材料的特点硅酸盐材料的特点33.1以SiO2为基本组元的硅酸盐类材料是用量最大的无机非金属材料，所涉及矿物材料、陶瓷材料、耐火材料、以及玻璃、水泥等建筑材料

11、，具有十分重要的实际应用价值。硅酸盐组元相平衡的特点热力学平衡态与非平衡态。1876年吉布斯以严谨的热力学工具，推导了多相平衡体系的普遍规律相律。经过长期实践的检验相律被证明是自然界最普遍的规律之一。硅酸盐系统的相平衡当然也不会例外。但由于硅酸盐材料是一种固体材料，硅酸盐系统的相平衡与以气、液相为主的一般化工业生产中所涉及的平衡体系相比，具有自己的特殊性。简要地讨论一下这个问题，对于我们今后正确理解和实际应用硅酸盐相图是有帮助的。相图又称平衡状态图。顾名思义，相图上所表示的一个体系所处的状态是一种热力学平衡态，即一个不再随时间而发生变化的状态。体系在一定热力学条件下从原先的非平衡状态变化到该条

12、件下的平衡状态，需要经过相与相之间的物质传递，因而需要一定的时间。但这个时间可长可短，依系统的性质而定。从0的水中结晶出冰，显然比从高温SiO2熔体中结晶出方石英要快得多。这是由相变过程的动力学因素所决定的。然而，这种动力学因素在相图中完全不能反映，相图仅指出在一定条件下体系所处的平衡状态（即其中所包含的相数，各相的形态、组成和数量），而不管达到这个平衡状态所需要的时间。记住相平衡的这种热力学属性，对于我们讨论硅酸盐系统的相平衡是特别重要的。硅酸盐材料是一种固体材料，与气体。液体相比，固体中的化学质点由于受近邻粒子的强烈束缚，其活动能力要小得多。即使处于高温熔融状态，由于硅酸盐熔体的粘度很大，

13、其扩散能力是有限的。这就是说，硅酸盐体系的高温物理化学过程要达到一定条件下的热力学平衡状态，所需要的时间往往比较长。而工业生产要考虑经济核算，保证一定的劳动生产率，其生产周期是收到限制的。因此，生产上实际进行的过程不一定达到相图上所指示的平衡状态。至于距平衡平衡状态的远近，则要视系统的动力学性质及过程所经历的时间这两方面因素综合判断。在这里，我们必须坚持对具体事物作具体分析，而不能用教条主义的态度看待相图。另一方面，也不能因此而低估相图的普遍意义。由于相图所指示的平衡状态表示了在一定条件下系统所进行的物理化学变化的本质、方向和限度，因而它对于我们从事科学研究以及解决实际问题仍然具有重要的指导意

14、义。由于上述的动力学原因，热力学非平衡状态，即介稳态，经常出现于硅酸盐体系中。如方石英从高温冷却时，只要冷却速度不是足够多，由于晶型转变的困难，往往不是转变为低温下稳定的磷石英，石英和石英，而是介稳态的方石英，磷石英也有类似现象，冷却时往往直接转变为介稳态的磷石英和磷石英，而不是热力学稳定态的石英和石英。鉴于相图的绘制是以热力学平衡状态为依据的。介稳态的频繁出现，是我们利用硅酸盐相图分析实际问题时，必须加以充分注意的。需要说明的是，介稳态的出现不一定都是不利的。由于某些介稳态具有我们需要的性质，人们有时还创造条件（快速冷却，掺加杂质等）有意把它保存下来。如水泥中C2S，陶瓷中介稳的四方氧化锆，

15、耐火材料硅砖中的磷石英以及所有的玻璃材料，都是我们创造条件有意保存下来的介稳态。这些介稳态在热力学上是不稳定的，处于较高的能量状态，始终存在着向室温下的稳定态变化趋势，但由于其转变速度极其缓慢，因而使它们实际上可以长期存在下去。硅酸盐材料结构的共性硅酸盐材料结构的共性33.2无机硅酸盐材料比较无机硅酸盐材料比较33.2典型无机硅酸盐材料的平衡图典型无机硅酸盐材料的平衡图33.2图图 1硅酸盐材料结构的共性硅酸盐材料结构的共性33.2图图 2硅酸盐材料结构的共性硅酸盐材料结构的共性33.2图图 34.2多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究4.1高摩尔比无机

16、聚合物基料及防海水腐蚀涂料高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料4.3纤维增强无机聚合物保温板纤维增强无机聚合物保温板4.4纤维增强陶瓷复合材料吸声板纤维增强陶瓷复合材料吸声板4.5高速铁路陶瓷超高强混凝土复合声屏障高速铁路陶瓷超高强混凝土复合声屏障成果名称：成果名称：ZM99-01水基自固化无机锌硅防腐涂料鉴定单位：鉴定单位：北京市科学技术委员会（京科鉴字1999第048号）鉴定结论：鉴定结论：ZM99-01防腐涂料的特点是：固化快，结合力强，硬度高，耐高温，抗老化，可焊接，无污染，防腐性能优异，是长期在海洋，大气，土壤和一定腐蚀介质中工作的钢铁结构理想的防腐材料，该技术的推广应用可产生巨大

17、的社会和经济效益。根据初步使用情况和检索查新结果，可认为该项研究成果的技术水平已达到国际先进水平。4.1高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料4.1高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料科技成果鉴定证书科技成果鉴定证书北京市科学进步奖北京市科学进步奖4.1高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料应用情况：应用情况：海军4307工厂，用ZM99-01无机防腐涂料对63式水陆坦克进行抗海水腐蚀综合试验，经过6个月的强化试验，效果良好。装甲兵工程学院负责的两栖装甲装备防腐改造工程技术指导工

18、作，在充分论证和多年技术积累的基础上，选用ZM99-01无机防腐涂料涂装车体表面，经过200摩托小时的下海实际考核，证明经过防腐改装过的两栖装备的耐腐蚀性能明显提高。两栖装甲突击车综合防腐对比报告装甲兵工程学院，中船总公司725所。4.1高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料中国人民解放军627工厂用ZM99-01无机防腐涂料涂装86B战车，底涂ZM99-01A01 100m，面涂迷彩漆，并于2001.78在福建东山岛演习一个月。车体外表面完好无损，漆膜光泽如初，无锈蚀现象，即使磕碰露出底漆，亦无腐蚀发生，防腐效果良好。两栖装甲车辆防腐蚀和密封措施627厂

19、 。由三沙美济渔业开发有限公司、三沙蓝海海洋工程有限公司制作的网箱和海上作业平台的框架，使用了ZM99-01无机防腐涂料涂层于2015年1月投放在南沙美济礁应用。成果名称：成果名称：多频谱隐身、防腐材料技术应用研究鉴定单位：鉴定单位：海军装备部（海装鉴字2004第33号）鉴定结论：鉴定结论：成功完成了水陆坦克整车多频谱隐身涂层与防腐涂层的设计和应用工程研究，完成了军标要求的整车、伪装网的外场对比测试、相应的航测实验及部队的使用实验工作、在我国首次成功实现了两栖装甲准备具有从可见光-近红外-热红外-毫米波-厘米波兼容的多频谱隐身能力，并同时具有多频谱隐身和防腐结合的创新特色，是一项新技术突破。成

20、功地研制了多频谱隐身与海洋防腐为一体的新型复合材料，攻克了强磁性纳米雷达波稀薄材料、纳米红外隐身材料、纳米多频谱伪装网、新型无机聚合物防腐材料的制备等关键技术，解决了厘米波与毫米波隐身材料、热红外与可见光及近红外隐身材料、雷达波与热红外隐身材料额兼容技术及大面积施工工艺可操作性技术等多项难题。4.2多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究4.2多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究海军装备部科技成果鉴定证书海军装备部科技成果鉴定证书军队科技进步一等奖军队科技进步一等奖4.2多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究多频谱隐身

21、、防海水腐蚀材料技术应用研究应用情况：应用情况：在中国人民解放军4307工厂，作为防腐隐身涂层体系的防腐涂层，在两栖装甲装备上进行现场试验，试验证明ZM99-01无机防腐涂料涂层与隐身涂层匹配性好，具有协同效应。实际应用证明，ZM9901无机防腐涂料在使用条件下，完全达到预期目标，产品具有较高的可靠性，防腐寿命长，符合环保要求，使用及运输过程安全可靠。北方兵器工业集团在研制两栖突击车的国家重点项目上，将ZM99-01无机防腐涂料列入专项防腐规范中。ZM99-01无机防腐涂料已批量应用在两栖装甲装备中，2002年涂装64台，2003年涂装32台，经部队使用和实兵演习，证明防腐效果良好。4.3纤维

22、增强无机聚合物保温板纤维增强无机聚合物保温板鉴定名称：鉴定名称：超微孔无机保温板外墙保温系统鉴定单位：鉴定单位：江西省住房与城乡建设厅（赣件科字2014第26号）鉴定结论：鉴定结论：该产品具有导热系数低（0.027 W/MK）、耐久性能好、耐高温、吸水率低、与水泥制品相容性好等优点，是一种达到A1级燃烧性能的新型隔热保温材料；该系统产品经江西省建材产品质量监督检验站和国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心等单位检测，性能指标符合外墙外保温系统技术规程JGJ144-2004、建筑材料及制品燃烧性能分级GB 8624-2012、超微孔无机保温板Q/JXZM001-2014等标准要求。符合建筑节能产品标准要求，按民用建筑节能管理规定，推荐在全省范围民用建筑工程中推广应用。4.3纤维增强无机聚合物保温板纤维增强无机聚合物保温板无机聚合物保温板鉴定证书无机聚合物保温板鉴定证书鉴定会照片鉴定会照片4.4纤维增强陶瓷复合材料吸声板纤维增强陶瓷复合材料吸声板2.4.1 陶瓷复合吸声材料制备陶瓷复合吸声