美国能源部未来工业材料研究进展

这些涂料将可以在700-1000°C的高温环境中提供保护，防止因氧化、渗碳、炼焦和金属灰化等造成的腐蚀。
    对于国家和工业而言，该项目具有以下重要意义：（1）研发的涂料将使得人们可以更多地用低成本钢代替高温合金；（2）简化的涂层方法将降低维护费用；（3）强化的抗腐蚀性能将带来大约5%的效率提升。该项目的研究成果将在以下工业领域取得重大应用：（1）化学制品业：氢气生产、重整装置；（2）石油工业：重整装置；（3）钢铁工业：新型铝化方法。

    3、主要问题与研究方法

    目前，主要存在以下两个方面的问题：（1）缺少可以防止蒸汽重整器环境中钢渗碳的低成本涂料；（2）缺少将陶瓷涂料应用于钢材的低成本涂层方法。

    为降低高温腐蚀，本项目将利用“陶瓷先驱体高温分解”和“原位取代反应合成”两种方法合成与制作适于大面积应用的陶瓷复合涂料。一旦这两种方法开发成功，该项目的工业合伙人将确保对相应涂料进行充分的测试与评价。此外，还将开发和测试一种可以将陶瓷涂料应用于钢材的简易、低本高效的涂层方法。

    4、研究成果

    该项目的研究取得了以下成果：（1）开发出3种新型涂料，在高达800°C的环境中，利用316不锈钢进行10次循环测试，经过100个小时仍然可以保持良好的抗腐蚀性能；（2）成功申请一项关于一种生产钢材铝涂层新方法的专利；（3）开发出一种新型316不锈钢鳞片涂料；（4）开发出有机溶剂的新用法以及浸涂、喷涂等涂层技术；（5）通过在生产过程中控制铝的浓度梯度改进了铝化物涂料。

    （二）新型超硬耐磨AlMgB14复合材料

    1、研究背景

    据估计，美国每年磨损和降解的材料成本超过1000亿美元。材料的磨损不仅限制了工业产出和经济发展，还导致了工业生产过程中大量的能源浪费。近期研究表明AlMgB14纳米复合材料具有良好的抗磨损性能，是一种新型的抗降解材料。在测试实验中，AlMgB14复合材料在苛刻的条件下表现出非常高的耐磨和耐蚀性能。耐磨材料和涂层的性能改良和发展将使许多工业行业从中受益，如石油行业、采矿业、金属铸造业等。这种新型材料还将促进所有工业行业中新工艺和新产品的后续开发。

    2、目标与意义

    该项目的目标是开发新型高耐磨块体材料和薄膜复合材料。硼化物超硬材料应用领域十分广泛，本项目研发的AlMgB14复合材料将主要应用于金属铸造业、采矿业、林产业、石油业、农业等行业。项目的研发成功可为国家和工业界带来相当的益处：研磨泵磨损组件30%的市场预计每年可节能5TBtu（英制热量单位）；金属铸造业（磨削与修整）10%的市场预计每年可节能5TBtu；采矿业的钻井、钻芯、钻孔和研磨工具方面10%的性能改进将每年直接节省1亿美元，更高效的磨削工具使磨削速度提高25%，节能1000亿Btu；切削工业的电力消费将降低2.5%，从而使美国的CO2排放减少2百万吨。

    3、问题与研究方法

    新型硼化物超硬材料的开发和应用还面临一些挑战，有一些障碍需要克服：（1）为了减少磨损，研磨泵运行速度通常只达到最高时的1/3到1/2；研磨时，差动泵压力限制在非研磨时的60%，从而限制了研磨泵的产出，能效下降；（2）Ti和Ti合金最大加工速度受可利用工具材料的限制，工具和工件之间粘着磨损降低了金属处理过程中的能效；（3）高压研磨喷射技术受喷嘴研磨磨损的影响。