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美国能源部未来工业材料研究进展

时间: 2011-07-05 02:04 来源: 作者: 马廷灿 冯瑞华 姜山 黄可 点击:
美国能源部未来工业材料研究计划

未来工业材料(Industrial Materials for the Future,IMF)研究计划是美国能源部能效与可再生能源办公室(EERE)的工业技术计划(Industrial Technologies Program,ITP)的一项子计划,于2000年由美国能源部工业技术办公室(DOE’s Office of Industrial Technologies,OIT)的“先进工业材料(Advanced Industrial Materials,AIM)”和“连续纤维(Continuous Fiber Ceramic Composites,CFCC)” 两个计划合并而成。

IMF的使命是引领全国的工作,研究、设计、开发、制造和测试新型和改良材料,同时积极探索对现有材料的更为有效的利用,提升工业生产和制造过程的能源效率,满足未来美国工业对更强、更轻且抗高温疲劳、抗腐蚀、抗磨损等性能更加优良的材料的需求。

IMF重点关注以下四个领域并优先开展相关研究:(1)抗衰退材料(材料开发与生产、涂层与表面改善、耐火材料);(2)热物理学数据库与模型;(3)分离材料;(4)工程应用材料。

根据委托兰德公司(RAND)进行的一项独立审查,IMF确定了针对铝、玻璃、钢铁等9种未来工业的优先研究方向,如表1所示。

2004年是IMF开始取得重大进展的第一年,开展的课题多达近30项,结题10项。2004年,IMF开展的研究主要集中在以下几个领域:(1)新型耐蚀钢、耐火材料、复合材料;(2)工业用晶体材料和;(3)合金设计数据库与模型;(4)高效分离材料;(5)工业生产用管类、工具与元件。

2005年,IMF开展的课题研究多达25项,结题12项。这25项课题分布于以下4个领域:(1)抗衰退材料(14项):先进生产与涂料、超硬材料、金属灰化预防;(2)能源系统材料(6项):耐火材料、能量回收材料;(3)分离材料(1项):薄膜、沸石、过滤材料;(4)热物理学数据库与模型(3项):衰退预测、转化与动力学建模及仿真。

IMF 2006年结题项目

(一)未来工业用先进复合涂料

1、研究背景

腐蚀是所有工业面临的一个难题。据估计,美国工业每年因腐蚀造成的损失高达3000亿美元。虽然抗腐蚀涂料已经普遍应用,但抗腐蚀性能的进一步提升需要改良的涂层材料和涂层方法。低本高效的涂料可以提高工业器件的寿命,可以用更低成本的衬底与涂料的组合代替昂贵的材料,从而节约制造与维护等费用。抗腐蚀涂料还可以提高生产效率,从而节约能源和减少排放。此外,低温陶瓷涂层技术可以进一步节约能源、降低成本、减少排放。由于复合材料和微结构可以针对关键问题进行设计,因而拥有多种功能相的复合涂料也为改善抗腐蚀性能提供了一种经济的解决方案。

2、目标与意义

该项目的目标是开发低成本的陶瓷涂料,用于化学加工、工业发电等工业中金属与陶瓷的高温腐蚀预防。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。

将通过以下方法完成本项目的目标:(1)研究先进混合技术使材料增强达到理想的分布状态,避免有害杂质掺入;(2)开发与表面能和热膨胀相一致的高强度、高硬度粘结相;(3)检测薄膜沉积技术和各种衬底材料上硼化物超硬涂层的性能;(4)结合现有粉末加工工艺,建立低本高效的大尺度加工工艺;(5)开发合适的微结构性能模型,指导加工工艺的优化;(6)与工业合作伙伴交流评价实验室材料,根据反馈意见改进和优化工艺;(7)为商业化提供技术支持。

4、研究成果

该项目的研究取得了以下成果:(1)开发出适用于硼化物工具组件的新型Co-Mn粘结相合金;(2)AlMgB14金属陶瓷硬度和韧度分别达到32GPa和10MPa sqrt(m);(3)AlMgB14-TiB2复合材料的显微硬度达到48GPa;(4)经失重腐蚀磨损实验测试,AlMgB14-TiB2复合材料的性能比标准硬质合金提高42倍;(5)达到比硬质合金或立方氮化硼还低的研磨磨损率;(6)开发高硬度、磨擦系数小于0.04的AlMgB14薄膜涂料;(7)利用非机械合金等其它方法除去Fe杂质,合成AlMgB14基材料;(8)确定替代粉末合成技术;(9)对用于硼化物复合材料中试规模产量的Dynaforge压制技术完成初期评估。

(三)基于低温超饱和法(LTCSS)的不锈钢表面硬化处理

1、研究背景

奥氏体(Austenitic)不锈钢316、304、347和321是广泛应用于室温水溶液中的主要耐腐蚀材料。然而,奥氏体钢的硬度值较低,并且不能通过热处理来提高硬度。当它们用于接触液体和泥浆的水泵时,会出现明显的叶轮和泵体磨损,因此需要使用既有高抗腐蚀性又有高硬度和抗磨损性的不锈钢。LTCSS法能够使不锈钢在较低温度下渗碳,这样可提高不锈钢的抗腐蚀性和抗磨损性。

2、目标与意义

该项目的目标是发展改良的不锈钢表面特征,主要是提高抗腐蚀性和抗磨损性,这将通过发展LTCSS方法来实现。

这项新技术能够使不锈钢成分具有抗腐蚀性和抗磨损性、高表面硬度和高抗疲劳性等特征。减少水泵及相关部件的磨损将会提高生产力,同时到2020年预计可获取超过22万亿Btu的能量。该项目开发的LTCSS覆膜技术将用于泵体、叶轮和蒸汽疏水阀。水泵系统在工业上有许多应用,包括铝业、化学制品业、林产业、矿业、石油业和钢铁工业等。

3、主要问题与研究方法

目前,主要存在以下几个方面的问题:(1)缺乏不锈钢硬化的LTCSS方法的基本数据和知识;(2)缺乏LTCSS方法表面硬化的最佳处理方案;(3)采用LTCSS方法处理的不锈钢在各种产业中应用时,有关适用性、可行性和成效性的信息十分有限。

针对上述主要问题,将通过以下方法完成本项目的目标:(1)了解加入合金成分对不锈钢中碳溶解度最大值的影响;(2)鉴别并获取能使不锈钢中的碳达到超饱和的合金成分;(3)确定活化备选合金表面的方法;(4)定义渗碳热处理过程的参数,以达到最佳的表面硬化和确定硬化的深度;(5)进行实验室和工厂的抗腐蚀试验,以研究抗斑点腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀;(6)进行硬化奥氏体钢表面摩擦学评价,以确定单向和往复移动的抗磨损性;(7)进行疲劳测试以了解残余应力对改良后钢的性能的影响。

4、研究成果

该项目的研究取得了以下成果:(1)确定表面硬度最大的最佳合金成分;(2)制作出第二代和第三代试验合金;(3)完成备选合金的低温渗碳;(4)完成LTCSS处理样本的硬化深度剖面绘制;(5)完成LTCSS处理样本渗碳层微观结构分析;(6)完成LTCSS处理样本腐蚀性测试;(7)完成LTCSS处理样本磨损性测试;(8)完成LTCSS处理样本长周期疲劳性测试;(9)在实验室和工业环境下完成组成成分的可行性测试。

(四)高温黑液气化系统材料

1、研究背景

美国林产业中的许多黑液锅炉(black liquor boiler)都需要更换或重建。对现有的回收锅炉而言,新的黑液气化技术既可对原技术予以补充完善,亦可将其替代。黑液气化联合汽轮机循环发电能够为林产业提供更大的单位能量产出,但高碱浓度和高温会导致耐火材料和金属部件的巨大损耗,并带来结构性和安全性问题以及热效力的损失,同时还有令人难以承受的高额维护费用以及停工期。现在的耐火材料的寿命约为6个月,喷嘴的寿命约为3至6个月,至少需要将它们的寿命延长至1年的时间。

2、目标与意义

该计划将专注于开发抗腐蚀耐火材料和喷嘴材料,使高温黑液气化系统能够达到至少1年的使用期限。

黑液气化器中使用的新材料将能够提高产品质量、缩短停工期并提高生产率,从而产生经济效益。同时新的气化技术的使用还将带来巨大的能源收益。除了林产业的黑液气化器,该计划中开发的新材料还能够应用于其它系统,包括锅炉、熔炉、气化器以及窑炉等。新技术也适用于化学制品、玻璃、林产业和石油等工业。

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)缺乏对耐火和喷嘴材料的破坏机制的了解;(2)缺少有关引起注射喷嘴和耐火材料损耗的流动特性的相关知识;(3)缺少备选材料在工业气化环境中的性能相关信息。

针对上述主要问题,将通过以下方法完成本项目的目标:(1)鉴定现有耐火材料和黑液注射喷嘴的破坏机制;(2)建立注射喷嘴的计算流体动力学模型以了解流动特征;(3)开发新型抗衰退耐火材料和耐磨损喷嘴材料;(4)在模拟工业环境下测试材料性能;(5)制造工业用先进材料;(6)评估先进材料在工业气化器中的工作性能。

4、研究成果

该项目的研究取得了以下成果:(1)利用计算流体动力学为流体和温度分布建模;(2)为耐火和表面处理材料起草工业规模的耐火材料制造协议;(3)评估现有可应用于气化器环境的不定形耐火材料;(4)开发新的耐火材料以适于气化器环境;(5)生产新型耐火材料面板并在商用气化器上安装;(6)采用适宜的材料和设计来生产喷嘴和热电偶保护套;(7)评估工业生产的耐火和喷嘴材料的工作性能;(8)决定对气化器耐火材料衬里的主要部分予以更换。

(五)用于碳氢化合物高能效分离的新型改良沸石

1、研究背景

目前,C2-C5碳氢化合物的主流分离技术是萃取蒸馏和低温蒸馏。低温C2-C5蒸馏是一种不可再生且有害环境的高能耗工艺。这些高能耗的分离技术激发石化工业不断探索其它替代分离技术,体现在过去10年中授权的大量专利(仅美国就54项)。截至目前的所有这些专利技术也仅仅反映了蒸馏工艺在能耗方面的不断改进。利用块状或薄膜沸石的分离工艺主要是依靠体积排阻来实现分子的物理分离。然而,对于许多重要的商业碳氢化合物的分离来说,仅仅依靠体积排阻是不够的,因为这些化合物中包含着沸点和体积相似的不同分子。该项目研究小组意识到,可以通过改善沸石的吸附特性,改变扩散分子与沸石结构内孔及外表面的交互作用,以提升沸石的选择性。

2、目标与意义

该项目的目标是开发新型改良沸石,用于碳氢化合物馏分中的异戊二烯和其它类似烯烃的基于吸附的高能效分离。该项目的研究成果将为未来吸附剂、膜分离材料以及择形催化剂的进一步发展提供使能技术。

本项目开发的技术应用于C2-C5碳氢化合物的分离,将为国家和工业带来以下潜在收益:(1)可以使美国碳氢化合物的分离能耗降低7.8%;(2)每年可以节省能量约39×1012Btu;(3)减少挥发性有机化合物、二氧化碳、一氧化碳和氮氧化合物(NOx)等。

3、主要问题与研究方法

该项目需要克服的技术障碍包括:(1)提升用于工业馏分分离的改良膜的选择性和生命周期;(2)确定沸石和积碳量的精确组合,以便更好地从异戊二烯及异戊烯中分离出n-戊烷。

本项目将通过开展下述研究达到预期目标:(1)对现有商业沸石进行深入分析;(2)开发改良的沸石吸附剂和分离膜;(3)开展块体沸石吸附剂和分离膜的小型引导测试;(4)进行新技术推广应用的经济性分析;(5)利用高温二元和四元馏分对改良沸石分离膜进行研究。

4、研究成果

该项目的研究取得了以下成果:(1)进行了碳氢化合物的吸附/解吸试验,为改良的FAU型和MFI型沸石分离膜的开发和优化提供了指导;(2)针对有机质吸附/分解,利用块体碳化对沸石活性进行了钝化;(3)通过进行NH3-TPD(Temperature Programmed Desorption,程序升温脱附)试验,确定了沸石的酸位失活;(4)确定质子化的MFI型沸石分离膜为最有前景的异戊二烯/n-戊烷分离材料;(5)证实了使用改良和质子化的MFI型沸石分离膜对二元混合物进行蒸馏前预处理,分离出的n-戊烷比分离出的异戊二烯多4.1%;(6)证实了用过的分离膜可以恢复最初的分离性能;(7)证实了在四元馏分中,改良的MFI型沸石分离膜对n-戊烷和1,3-戊二烯的选择性优于对异戊二烯的选择性,但如果异戊二烯和2-甲基-2-丁烯混合在一起,则无法将它们分离。

(六)拥有多种工业用途的新型超硬材料和纳米金刚石复合材料

1、研究背景

金刚石是人类所熟知的最硬的材料,寻找更加坚硬的材料是人们一直在追求的目标。超硬材料大多都是由轻量元素制成,例如硼、碳、氮等。这些轻量元素固有的定向性强共价键形成紧凑的三维网络,对外部切力有极强的抵抗力。随着人造金刚石和立方氮化硼CBN的高温、高压生产工艺的成功开发,制备新型超硬材料已成为可能。新型超硬材料的设计与开发也得益于第一性原理和计算机模拟。氮化硼(C3N4)和硼碳氮化合物(BC2N,BC4N)是最有希望的候选者,因为它们都可以在高压下发生相变,形成金刚石晶体结构。

2、目标与意义

该研发项目的目标是合成新型超硬硼碳氮化合物材料,并制作纳米金刚石/碳化硅复合材料。该项目的研究范围很宽,包括高温高压合成、属性表征以及工业应用。

该项目研发出的新型材料具有以下特点:硬度、韧性、强度以及耐磨性等力学性能出众;热导率高,光透明,带隙大,化学惰性。该项目开发的新型纳米超硬材料可以应用于包括采矿和石化工业等在内的各种极端条件下的工作领域。超硬材料良好的热、光、电和化学特性也使得它们在现代高科技工业中有很高的应用价值,例如用作保护涂层、半导体衬底、光学仪器目镜以及高压设备的压砧等。

3、主要问题与研究方法

目前存在的主要问题包括:(1)缺少针对超硬材料的机械、物理和晶体结构性能及其合成条件的系统性研究工作;(2)需要防止超硬材料在球磨生产过程中受到污染;(3)缺少合适的适于低温合成条件的催化剂;(4)对于纳米尺度下碳扩散过程和金刚石石墨化过程的理解还不充分。

本项目将通过开展下述研究达到预期目标:(1)在硼碳氮体系中合成新型超硬材料,并在高温高压条件下大规模生产纳米金刚石/碳化硅复合材料;(2)对合成产品的抗磨硬度、断裂韧度和屈服强度进行表征;(3)将块体新型超硬材料用于机床切削工具和岩石钻头,并探索这些新产品在高科技工业中的应用。

4、研究成果

该项目的研究取得了以下成果:(1)成功开发出了新型超硬硼碳氮化合物材料和富硼氧化物B6O材料的合成技术;(2)对金刚石/碳化硅复合材料和B6O纳米复合材料的合成工艺进行了优化;(3)设计、生产和测试了用于钻头刀片的金刚石/碳化硅纳米复合材料;(4)开发出批量生产B6O纳米复合材料的方法,并优化了将B6O纳米复合材料应用于工业工具的钎焊方法。

(七)先进材料和制作构件的局部腐蚀预测工具

1、研究背景

各种不同的工业行业都存在腐蚀问题。以前的研究主要是模拟材料腐蚀行为的各个方面,预测暴露于水溶液/有机环境中的一些合金的一般腐蚀情况。但是在多种情况下,各种不同构件的表面腐蚀特征主要表现为局部腐蚀。因此需要开发模拟工具来预测腐蚀性环境中不同合金的局部腐蚀和损坏情况。

2、目标与意义

项目的目标是开发腐蚀模拟工具,预测组成构件合金本身性能、制作过程以及外部环境条件下的局部腐蚀情况。这种创新方法能够更好预测和处理局部腐蚀,延长构件寿命、提高产量、减少浪费和环境损坏、促进风险管理等。过程损失的降低、计划外停工期的减少、腐蚀及相关问题引起的热传递损失的降低以及构件优化设计带来的热效率的提高都将使整体能效得到提升。腐蚀模拟工具可应用于构件暴露于腐蚀性环境中的多种制造工业,如化学工业、林产业和石化工业等。

3、主要问题与研究方法

项目的开发还有一些问题需要克服和解决:(1)需要考虑随工艺参数变化引起的重要微结构和成分变化;(2)缺少统一的焊接或涂料性能与局部腐蚀潜力相关参数;(3)在腐蚀潜力、折回潜力和损坏功能方面,需综合考虑局部合金化学的影响。

本项目将通过开展以下研究达到预期目标:(1)选择关键性合金、工艺性方法和代表性的加工环境;(2)开发与制造工艺参数相关的合金微化学的实验数据库;(3)获取控制局部腐蚀、损坏增长与扩散的电化学参数;(4)扩展现有预测局部腐蚀发生和扩散的方法;(5)对工程软件中的模型进行封装。

4、研究成果

该项目的研究取得了以下研究成果:(1)挑选了适用于工业行业的合金构件和工艺参数列表;(2)开发了合金微量化学相关制造工艺参数的数据库;(3)进行了特定环境中合金微量化学与折回、腐蚀潜力的关联研究;(4)完成了损坏的增长和扩散与电化学及微量化学的相关性研究;(5)完成了合金化学与一般腐蚀潜力模型的相关性研究;(6)开发出一个可以关联合金化学与折回潜力的综合模型;(7)对损坏功能模型进行了扩展和验证,以涵盖焊接及其它热处理;(8)在OLI系统现有腐蚀分析工具中对模型进行了模拟,并进行了工业试验测试。

(八)耐磨损和抗腐蚀的结构一体化涂料

1、研究背景

由磨损和腐蚀引起的材料退化是造成跟踪底盘、地面齿合工具、活塞环和缸套、发动机气门、水泵及其它活动系统中许多部件失效和寿命减少的重要原因。研究表明,经过工程强化处理的表面,例如通过物理和化学气相沉积应用到耐蚀亚表层上的薄膜涂层,可以解决实际应用中数十年来一直都没有解决的磨损和腐蚀综合难题。然而,仍然存在一些主要问题,包括相对较高的成本和薄膜涂层对于重物或磨料磨损未能提供足够的耐磨损性能。可以形成1mm或更厚的冶金粘结涂层的工艺,能够降低成本,并且能使热处理钢材料更加有效地抵抗磨损。

开发改良较为廉价的表面材料和工艺是很有必要的,它们可解决滑动和磨料磨损中的耐磨损和抗腐蚀问题。这些表面材料的性能比渗碳钢好4~8倍,不过成本需要通过比较硬质表面堆焊或涂覆技术并权衡所有涂覆性能来评估。沉积工艺包括热喷涂弧光灯熔化、激光辅助热喷涂、激光电弧复合涂覆以及等离子堆焊,它们是这个项目将要评价的候选工艺。

2、目标与意义

该项目的目标是开发2种以上比目前渗碳钢耐磨损性能高4~8倍的材料体系。此外,还要为这些涂料的沉积,从4种现有技术中开发出2种廉价的工艺。

优良而廉价的涂覆技术可减少渗碳零件、耐磨损和抗腐蚀涂料、抗裂涂料、抗残余应力涂料的用量。通过减少渗碳处理和在重型设备中使用较轻的零件,能够节约能量。本项目开发的耐磨损性能高于渗碳钢4~8倍的材料能够应用于铝业、林产品、采矿业和钢铁工业等。

3、主要问题与研究方法

目前,主要存在以下几个方面的问题:(1)开发涂料过程中必须综合权衡成本和材料性能等因素;(2)硬质材料的使用和残余应力的存在会使得处理后的涂料存在开裂趋向;(3)缺乏显微组织模型所需要的热力学等的数据。

项目的目标将通过下列方法来完成:(1)为4种涂覆工艺进行合金成分开发和给料评价;(2)涂层沉积和单独的工艺优化;(3)利用腐蚀、磨损和断裂韧度测试来筛选涂料;(4)实验室仿真条件下进行成分测试;(5)通过输入计算机模型进行材料性质评价;(6)包含热流体工艺模型的显微组织建模;(7)评估所选将要商业化的2种工艺。

4、研究成果

该项目取得了以下的研究成果:(1)进行了涂覆工艺经济和工业可行性分析,挑选出合适的工艺和材料;(2)对需要预先涂层沉积给料和联合工艺的可行性进行了评估;(3)利用所选涂覆工艺初步生产涂料,每种工艺使用了超过4种材料体系;(4)测定了显微组织模型所需的材料和涂覆特性;(5)建立了涂料显微组织演化模型;(6)根据机械/韧度对可能的涂层系统进行了筛选;(7)完成实验室和工业环境下的磨损和腐蚀测试,并对涂料的特性进行了评价。

(九)高温材料处理与腐蚀的热化学建模与数据库

1、研究背景

热力学数据(凝聚态和玻璃态化合物的生成热、热容量和熵等)是帮助了解所有高温过程,建立起精确模型的基础。这些数据用途广泛,包括:用于相平衡计算以测算耐火材料及其它材料的腐蚀情况;材料合成过程中产生的高温化学反应的建模;对过程能效以及燃烧和其它高温生产过程的污染物形成进行预估;预估液化温度以及玻璃中晶体状内含体的形成。缺少这些热力学数据,许多高温过程建模根本无法进行。

2、目标与意义

该项目旨在为一系列关键材料如耐火材料和玻璃等提供热化学数据与模型。这些数据是决定材料间能否发生潜在化学作用的基础,对预测稳定性和腐蚀状况亦相当重要。所有数据将被纳入一个综合性网络工具,为商业应用提供必要的数据输入。

实施该项目的意义在于:各玻璃系统的热力学数据将帮助生产出改良的、更轻的高强度玻璃;对化学行为更深的了解将使耐火材料得到改进,并由此改良炉的设计,预计经改进后炉的性能将比传统炉高出12.5%;据估计,在市场引入率为50%的情况下,每年节省能量约12万亿Btu。

3、主要问题与研究方法

目前在项目中仍存在以下问题:(1)耐火材料、玻璃和高温气相类的相关数据十分有限;(2)缺乏用于模型认证的实验数据;(3)缺乏连贯的、备有证明文件的、持续更新并完全公开的数据库。

为达到该项目的预定目标,将采取以下方法:(1)从第一性原理出发,建立热化学预测所需的模型并发展相关理论;(2)与NASA格林研究中心合作提供关键实验数据;(3)为项目结果的推送创建用户友好网站。

4、研究成果

该项目取得了以下的研究成果:(1)为玻璃系统(Na-Ca-Al-B-Si-O)开发出了高精确度的基础模型,与公开出版的相图一致;(2)创建了面向公众的免费网站,提供超过850种化合物的相关数据;(3)开发出了预测Zr、Y、Nb、Mo有关数据的方法;(4)拓展了燃烧过程的相关数据,尤其是NOx类与卤代烃化合物;(5)完成CHEMKIN与FactSage的格式互转软件;(6)为用户提供在线平衡计算指南与实例;(7)向网站上传新的凝聚态模型;(8)探索与高校间进行教育合作的可能性。(end)

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