多孔陶瓷及其复合材料

Group Leader:付超

Position

◆ 松山湖材料实验室多孔陶瓷及其复合材料团队负责人
◆ 东莞先进陶瓷与复合材料研究院院长
◆ 研究员,博士生导师
◆ 国家十三五科技规划指南编制专家
◆ 哈尔滨工业大学兼职教授

Research Direction

多孔陶瓷及复合材料制备和应用研究

Main Achievemnets

◆ 带领团队在国内首次实现了多孔介质燃烧技术的商业应用

Honor

◆ 全国先进工作者
◆ 全国五一劳动奖章获得者
◆ 中国科学院青年科学家一等奖获得者

 

 

团队由来自北京大学、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、辽宁卓异新材料有限公司等单位的科学家团队组成。包括院士1人、各类国家级人才2人,研究员4人、博士7人。已在多孔陶瓷及复合材料领域耕耘近30年,尤其是材料在各行业节能环保领域的应用研究,长期处于科学与技术研究的最前沿,创造了众多全球领先的科技成果。

项目介绍

方向一:多孔介质燃烧技术及 热工装备

1、项目简介

基于团队拥有的碳化硅多孔陶瓷制备技术,开展多孔介质燃烧技术研究,重点研究多孔介质材料内的温度场及热应力场的演变规律,明确多孔材料的破坏机制;开发一系列可在热力、钢铁、有色、陶瓷、化工、纺织、汽车等众多行业广泛应用的燃烧器和热工装备。

本项目可为气态燃料提供一种高效、节能、清洁使用方法,解决燃气使用过程中NOx高排放和高能耗的问题,以及由此带来的雾霾、酸雨等环境污染和对人类健康的破坏。

2、潜在市场

据不完全统计,全国在用的锅炉超过100 万台,复合增长率超过5%;工业窑炉超过20万台,复合增长率超过10%,整体市场规模超过1000亿元。

3、研究方向

(1)新型高温功能材料研发

开展耐高温碳化硅、氧化铝、氧化锆多孔陶瓷制备工艺研究,通过组分、成型工艺、烧结工艺等调整,提高材料的力学、热学性能,尤其是材料热导率和抗热震能力。

 

高性能碳化硅多孔陶瓷
碳化硅多孔陶瓷SEM照片
双尺度孔径碳化硅多孔陶瓷筋结构
3D打印成型多孔陶瓷材料

(2)多孔介质燃烧技术研发

开展多孔介质燃烧过程材料内部传质传热、燃烧性能和污染物排放的优化组合模型研究;燃烧过程中多孔介质内温度场及热应力场变化、材料破坏机制研究;以及多孔介质燃烧器的开发。目前燃烧器面功率密度突破4MW,寿命>3000小时,NOx排放全功率负荷均小于30mg/Nm3,启停(抗热震)次数>10000次。

 

燃烧器/机NOx排放实验
燃烧器/机脱火回火边界条件测试
炉内升温测试

(3)高效、节能、低氮热工装备研究

开展基于多孔介质燃烧器的商业燃气锅炉、真空热水锅炉、蒸汽发生器等锅炉,绿色压铸生产线,以及辊道窑、热处理炉、加热炉等工业炉窑设计和开发。

 

商用燃气锅炉
真空热水锅炉
节能型熔炼炉
高效环保型保温炉

方向2:强韧化金属基陶瓷复合材料及耐磨部件

1、项目简介

通过结构设计、成分控制以及超高压复合成型工艺,解决铸渗工艺存在的润湿性差、界面结合强度低及韧性不足等难题,开发高耐磨性与高强韧性有机结合的复合材料及大型工程装备耐磨部件,在矿山、水泥、混凝土、发电等行业进行推广应用,大幅提高材料耐磨性和强韧性,有效减少金属材料因磨损所带来的巨大经济损失和能源消耗以及由此产生的铬离子污染,同时降低我国目前铬矿石进口压力。

2、潜在市场

目前我国100MW以上火电厂3000多家,磨煤机磨辊市场规模超100亿元;全国水泥产能15亿吨/年,需生料50亿吨/年以上,水泥立磨耐磨件市场规模超300亿元;全国机制砂需求量超过200亿吨/年,制砂机耐磨部件市场规模超过400亿元。

3、研究方向

(1)高铬铸铁/ZTA复合材料研究

以陶瓷颗粒为增强体,金属为基体,采用超高压复合成型工艺,解决传统铸渗工艺润湿性差,界面结合强度低和韧性不足等难题。材料的抗压强度≥650MPa,冲击韧性≥12J/cm2,磨损性能达到高铬铸铁的15倍以上,是国际标杆企业比利时Magotteaux公司同类产品Xwin®的1.5倍。

 

高铬铸铁/ZTA复合材料
高铬铸铁/ZTA复合材料SEM图
高铬铸铁/ZTA复合材料SEM图

(2)关键耐磨部件的研究

以高铬铸铁/ZTA复合材料为耐磨体,开展磨煤机磨辊、制砂机衬板和叶片、立磨磨辊和磨盘等关键耐磨部件的设计和开发。目前,开发的磨煤机磨辊使用寿命超过36个月,较传统高铬铸铁磨辊提高3.5倍以上;制砂机衬板使用寿命超过30天,较主流高铬铸铁衬板提高3倍以上。

 

复合材料耐磨体
锥形磨辊
锥形磨辊
制砂机衬板

 

成果转移转化情况

1、知识产权

已申请发明专利13项,实用新型专利8项。

2、已开发产品

多孔介质燃烧技术及热工装备项目已完成6大系列13款产品的设计开发,包括燃烧器/机、低氮燃气锅炉(商用燃气锅炉、真空热水锅炉)、绿色压铸生产线(熔炼炉、保温炉、烤包器、模具预热器、热处理炉等)、各类工业炉窑(辊道窑、金属热处理线等)、磨煤机磨辊、制砂机衬板。

3、项目支持

2020年3月25日,本项目通过东莞市重大科技成果转化团队项目立项,总经费1亿元,这是东莞市首个重大科技成果转化团队项目。

4、产业化

成立了东莞先进陶瓷与复合材料研究院有限公司,负责相关领域成果的转移转化。成立了中科卓异环境科技(东莞)有限公司、中科卓异复合材料(东莞)有限公司,开展低氮热工装备、关键耐磨部件的产业化。