海洋工程新材料技术与应用

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1、演讲人：崔周平海洋工程新材料技术与应用目 录1. 1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述2. 2.海洋材料研发海洋材料研发3. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发4. 4.研发成果实例研发成果实例近海工程：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：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：包括无人深

2、潜的潜水器和遥控的海底采矿设施等建设工程。1.1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述海洋工程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。1.1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述海洋工程材料31.21.1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述海洋工程设施通

3、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

4、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31.31.3.11.3.1海洋环境对材料的标准要求海洋环境对材料的标准要求1.1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述目前，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

5、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31.31.3.21.3.2发展先进性材料刻不容缓发展先进性材料刻不容缓1.1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述开发深海资源，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

6、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

7、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。1.1.海洋工程及海洋材料简述海洋工程及海洋材料简述“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 目成果的提炼展现与全面总结 由18位院士、200余

8、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。2. 2.海洋材料研发海洋材料研发海洋材料来源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点的四面体，因而它是具有

9、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。因此，掌握相平衡的基本原理，能够熟练

10、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。2. 2.海洋材料研发海洋材料研发相平衡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。这种研究方法的

11、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。2. 2.海洋材料研发海洋材料研发3. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐盐材料的特点33.1以SiO2为基本组元的硅酸盐类 材料是用量最大的无

12、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，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。3. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发相图又称平衡状态图 。

13、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 。3. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发记住相平衡

14、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，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

15、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义。3. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发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

16、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，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。3. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐盐材料结结构的共性33.23. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发无机硅酸盐盐材料比较较33.23. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发典型无机硅酸盐盐材料的平衡图图33.2图图 13. 3.硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐基复合材料的研发硅酸盐盐材料结结构的共性33.2图图 23. 3.硅酸盐