华北电力大学能源动力与机械工程学院-37000dcm威尼斯

一、背景概况

能源问题已成为本世纪最具有挑战性的问题之一，并将严重影响和制约人类社会的可持续发展。化石能源的大量消耗产生了严重的温室效应、气候异常、耕地荒废等严重的环境问题。为了人类的生存与可持续发展，发展绿色环保的可再生新型能源、进一步提高传统化石能源的利用效率，是未来的发展方向。为确保新能源电力系统的安全、高效，对其使用材料的性能提出了更高的要求。清洁、可再生的水力发电已占我国发电量第二位。雅鲁藏布江水力发电梯级高水头、大容量水电站正在加速建设中，亟需解决高水头下水轮机过流部件冲蚀磨损与空蚀的“卡脖子”问题。

海上风电是我国风力发电的重要发展方向，但由于海洋环境中高盐雾、高辐射、高湿度、附着生物种类多的“三高一多”苛刻环境使得整个海上风电装置面临严重的腐蚀考验，亟需新型长效腐蚀防护技术。随着分布式新能源电站的大力建设，也出现了大量新的腐蚀相关问题，需要开发新的高性能表面防护技术。

随着风电、光伏发电等不稳定性极强的新能源越来越多的被开发利用和用电负荷峰谷差的逐渐加大，装机占主导地位的高参数、大容量火电机组不得不参与深度调峰，这就加剧了火电厂重要部件的寿命损耗，迫切需要深入研究高温部件在复杂工况下的腐蚀、磨损特性，并开发相应的高温耐蚀、耐磨表面新技术。

当今，约90%的全球贸易是通过海上进行的，产生了世界上近3%的二氧化碳排放量。腐蚀是船舶和其它海洋服役装备全寿命周期内存在的共性问题，腐蚀与污损引起船舶和海洋装备不可用天数增加，产生巨额维修费用，增加发生重大事故的概率。污损是船舶遇到的共性问题，水线以下船壳污损5%，燃料将增耗10%；污损大于50%，燃料将增耗40%以上；污损增加船底粗糙度、降低航速、增加燃料消耗，产生巨额的清污与防污费用。大型货船船体上的污垢会使其燃油经济性降低50%。瑞典生物技术公司i-tech委托进行的一项研究中发现，40%以上的商船都有一定程度的污损，加起来可能产生至少1.1亿吨的过量碳排放，并使全球商船队的燃料成本增加60亿美元。氧化亚铜的自抛光涂料是当今主导产品，我国远洋船舶防污涂料的市场一直被国外公司垄断。常用防污涂料的期效一般仅为2-5年，远未达到长效、环保的要求。国际公约要求，2008 年全面禁止生产和使用含三丁基锡 tbt 防污涂料，2009 年全部停止溶剂法氯化橡胶生产线，2010 年全面禁止使用含 ddt船底防污涂料，把含氧化亚铜防污涂料列入“高污染、高环境风险”名单，氧化亚铜防污技术是过渡性措施。综上，亟需开发环保、长寿命的耐蚀、防污新技术。

二、主要研究方向和应用领域

1. 火力发电高温耐磨耐蚀新材料与表面防护技术

针对火电厂、生物质电厂和垃圾发电厂锅炉四管等高温磨损与腐蚀问题，开发新型高温耐蚀、耐磨新材料，开发基于高速激光熔覆的微纳米耐蚀、耐磨防护层制备技术，并积极推动成果在能源电力行业的广泛应用。

2. 水力发电耐磨耐蚀新材料与表面防护技术

针对高水头、大容量水力发电机组过流部件的泥沙磨损与空泡腐蚀问题，开发用于激光熔覆的高耐磨、耐空泡腐蚀新材料和耐磨蚀层的制备技术，积极推动成果的应用。

3. 海上风力发电机组材料腐蚀机理与表面防护技术

针对海上风电装置在“三高一多”的海洋苛刻环境下腐蚀严重危害安全服役问题，开展耐海洋环境腐蚀新材料、风电机组材料腐蚀机理、基于高速激光熔覆的超长耐蚀寿命防护技术等方面的研究，并积极推动成果的应用。

4. 海洋环境下耐蚀、防污新材料与船舶的长效防腐防污新技术

针对海洋环境下船舶、海洋装备等腐蚀与生物污损共性问题，开展复杂海洋环境下材料腐蚀与污损机理研究，开发新型超长寿命、环保型的高耐蚀、长效防污新材料与防护新技术，预期耐蚀、防污寿命可达常用涂料的15倍以上，并积极推动成果在gf、民用船舶中的应用。

5. 功能表面技术

针对燃气轮机、超高压交流和换流变压器、以及近空间飞行器等重要发电和输变电等装备防护需要，开发新的防护/隔热材料与表面改性技术；针对电解水制氢催化剂昂贵等限制应用的主要问题，通过设计构造功能性活性表面，开发高效非贵金属催化剂和高熵氧化物催化剂。

三、师资力量

研究所目前拥有教授3人，副教授5名，讲师1名，在读博士/硕士研究生40余人。

四、依托的研发平台

依托“国家火力发电工程技术研究中心”和“电站能量传递转换与系统教育部重点实验室”平台开展研究，实验室拥有多套自行开发的高功率高速激光熔覆系统、等离子弧熔覆设备、高耐磨耐蚀锅炉管制备平台、磨粒磨损试验机、高温冲蚀试验机、高温及常温腐蚀试验台等仪器设备，能够满足各类金属材料性能、表面强化等方面检测和试验需求。

五、前期基础

原“微纳米表面技术与新材料研究所”成立于 2002 年，研究所所长为刘宗德教授。研究所以国家重大需求为导向，依托国家火力发电工程技术研究中心、生物质发电成套设备国家工程实验室、电站能量传递转化与系统教育部重点实验室的平台条件，在高温耐磨新材料、高温耐蚀新材料、先进表面技术、高温材料特性、先进金属材料和陶瓷材料等方向开展研究，并积极推进产学研用相结合。

历经近20年的发展，研究所在高温耐磨新材料、高温耐蚀新材料、电热爆炸超高速喷涂技术、激光熔覆技术、材料高温特性与电站设备失效预防等方向取得多项创新成果。

研究所成立以来，研究团队负责承担国家自然科学基金项目十余项，国家 863 计划课题 1 项、国家科技支撑计划课题 1 项、973 子课题 3 项、gf 项目多项、教育部**与创新团队计划项目 1 项、横向课题 30 余项，科研经费超过 7000 万元（其中gf项目经费1300万元）；发表 sci、ei收录论文 200 余篇，获授权发明专利 30 余项，gf发明专利2项，其中6项发明专利在多家企业转化，专利转让费近400万元。1人被评为北京市经济技术创新标兵，1人入选国家新世纪首批**第一、二层次，2人入选教育部新世纪优秀人才支持计划，一人被评为北京市先进工作者，1人被评为北京市优秀共产党员，一人享受国务院政府特殊津贴，1人入选教育部“**与创新团队计划”带头人。

曾获2021年中国电力科技一等奖1项、河北省科技进步二等奖1项、2016 年教育部科技进步一等奖 1 项、2013 年中国电力科技二等奖 1 项、2004 年国家科技进步二等奖 1项、2003 年中国电力科技一等奖 1 项、1996 年国防科技进步三等奖 1 项、2006 年中国国际工业博览会创新奖 1 项、2009 年中国高新技术成果交易会优秀产品奖 1 项，“高耐磨耐蚀激光熔覆锅炉管新技术”成果入选 2016 年度中国黑科技百强。

研究所代表性成果包括：

（1） 在国际上首次开发了电热爆炸-电磁加速超高速喷涂法制备具有冶金结合超细晶、纳米晶涂层的新技术；

（2） 针对火电厂辅机磨损问题，自主开发了反应合成高耐磨陶瓷-金属复合材料熔覆层新技术。

（3） 针对火电厂、生物质电厂和垃圾发电厂锅炉四管的高温磨损与腐蚀问题，开发了系列高温耐磨、耐蚀新材料，并在国际上首次开发了基于高功率激光熔覆技术的高耐磨耐蚀锅炉管生产线，其中激光熔覆锅炉管的耐磨耐蚀寿命可达热喷涂涂层锅炉管的50倍，大幅度提高了火电厂锅炉四管、辅机磨损部件及其它高温部件的寿命和可靠性。

（4） 成果已在100余个电厂及gf领域应用，并催生了多家高新技术企业，产生了显著的经济社会效益。成果于2021年通过了中国电机工程学会组织、刘振东院士为主任委员的鉴定，鉴定结论为“…成果总体上达到国际领先水平”。

（5） 针对海洋环境下船舶、海洋装备及风电设备的腐蚀与生物污损共性问题，开发了系列高耐蚀、长效防污新材料与防护新技术，其中耐蚀防护层寿命达常规技术的20倍以上。

团队成员曾在佐治亚理工大学、荷兰代尔夫特理工大学、加拿大阿尔伯塔大学等国际知名高校交流学习。在journal of refractory metals & hard materials、corrosion science、journal of the american ceramic society、journal of the european ceramic society、 applied surface science、materials science and engineering a、surface & coatings technology、中国有色金属学报、中国腐蚀与防护学报等国际国内高水平学术期刊发表论文200余篇，获得授权专利数十项。

研究所与大唐集团、华能集团、国家能源集团、国家电力投资集团、中国长江三峡集团有限公司、钢铁研究总院、北京巴布科克·威尔科克斯有限公司等多家大型国企建立了合作关系。

为了更好服务于双碳目标和新时期的国家建设，研究团队在原“微纳米表面技术与新材料研究所”的基础上，进一步凝练了研究方向，并适当扩展了研究领域。

研究所将实行“开放、流动、联合”的运行机制，广泛吸收国内外科研工作者来研究所从事高水平学术研究，逐步提高研究所在国内外的知名度，使之最终成为跻身学科研究前沿、出高水平成果、培养高端人才的研究基地，为实现双碳目标贡献力量。