海洋工程新材料技术与应用

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.海洋工程及海洋材料简述
1.3 海洋环境对先进材料的迫切需求
3
1.3.1海洋环境对材料的标准要求 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
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。
1.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
3.硅酸盐基复合材料的研发
3.1
3
硅酸盐材料的特点
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，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.硅酸盐基复合材料的研发
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
海洋工程新材技术与应用
演讲人：崔周平
目
录
1.海洋工程及海洋材料简述 2.海洋材料研发 3.硅酸盐基复合材料的研发
4.研发成果实例
1.海洋工程及海洋材料简述
1.1
3
海洋工程
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。
1.2 海洋工程材料
3
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
2.海洋材料研发
2.4
3
研发工具
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。
1.海洋工程及海洋材料简述
1.3 海洋环境对先进材料的迫切需求
3
1.3.2发展先进性材料刻不容缓
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
2.海洋材料研发
2.5
3
相平衡
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。
3.硅酸盐基复合材料的研发
3.2
3
硅酸盐材料结构的共性
图 2
3.硅酸盐基复合材料的研发
3.2
3
硅酸盐材料结构的共性
图 3
4.研发成果实例
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料 多频谱隐身、防海水腐蚀材料技术应用研究 纤维增强无机聚合物保温板 纤维增强陶瓷复合材料吸声板 高速铁路陶瓷超高强混凝土复合声屏障
研发先进海洋材料。
2.2
3
海洋材料研究规律
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。
2.3
3
海洋材料来源
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。
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。
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。
1.海洋工程及海洋材料简述
，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.硅酸盐基复合材料的研发
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，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
4.研发成果实例
4.1 高摩尔比无机聚合物基料及防海水腐蚀涂料
成果名称：ZM99-01水基自固化无机锌硅防腐涂料 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：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，
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.海洋材料研发
2.1
3
海洋材料来源
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；
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.硅酸盐基复合材料的研发
3.2
3
硅酸盐材料结构的共性
3.硅酸盐基复合材料的研发
3.2
3
无机硅酸盐材料比较
3.硅酸盐基复合材料的研发
3.2 典型无机硅酸盐材料的平衡图
3
图 1
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
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.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
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.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α—磷石英，α—石英和β—石英，而是介稳态的β—方石 英，α—磷石英也有类似现象，冷却时往往直接转变为介稳态的β—磷石英和γ—磷石 英，而不是热力学稳定态的α—石英和β—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β—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
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。