表面工程与电站高温材料研究所


01

团队简介


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 / 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,6项发明专利转化,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、刘正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。


02

导师介绍


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刘宗德

教授(二级),博士生导师,国家**第一、二层次人选,教育部创新团队带头人,表面工程与电站高温材料研究所所长。

研究方向:微纳米表面技术、高温耐磨耐蚀新材料、海洋腐蚀与生物污损防护技术

邮箱:lzd@ncpeu.edu.cn


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郭永权

教授,博士生导师

研究方向:新相的发现、结构测定和物理性能;新型高温和高熵稀土永磁材料;新型磁电子材料;光伏太阳能转换材料;电池材料;价电子结构与物理性能之间的关联性

邮箱:yqguo@ncepu.edu.cn

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陈克丕

教授,博士生导师,教育部新世纪优秀人才

研究方向:能量转换与存储陶瓷、高熵功能材料

邮箱:ckp@ncepu.edu.cn

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吕玉珍

教授,硕士生导师

研究方向:纳米改性电介质材料、新型催化材料

邮箱:yzlv@ncepu.edu.cn

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张东博

副教授,硕士生导师

研究方向:热障涂层;材料及失效分析;电池

邮箱:zhangdb@ncepu.edu.cn

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李斌

副教授,硕士生导师

研究方向:金属基复合材料制备及其性能分析

邮箱:lb@ncepu.edu.cn

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王永田

副教授,硕士生导师

研究方向:非晶复合涂层的制备与应用,先进表面防磨防腐涂层技术

邮箱:wyt@ncepu.edu.cn

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宋东东

副教授,硕士生导师

研究方向:材料环境腐蚀与先进能源装备安全、微纳米表面技术、耐蚀涂层开发

邮箱:songdongdong@ncepu.edu.cn  

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张文强

讲师

研究方向:3D打印、力学超材料

邮箱:50202808@ncepu.edu.cn

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张建军

讲师

研究方向:计算材料学

邮箱:zhangjianjun@ncepu.edu.cn


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孔耀

讲师

研究方向:微纳米表面技术、电站高温腐蚀防护

邮箱:ky@ncpeu.edu.cn

03

招研究领域

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. 水力发电耐磨蚀新材料与表面防护技术

与大唐集团、国家能源集团、三峡总公司等央企合作,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,并积极推动成果在GF、民用船舶中的应用。

5. 纳米功能材料及功能表面技术的设计、制备与应用

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;同时,通过纳米材料微结构和表面特性的设计与调控,开发出了具有优良绝缘和耐老化特性的纳米材料改性液固绝缘介质。

6. 高熵氧化物的设计与制备

紧密围绕高熵氧化物的组成-结构-性能关联这个核心问题,开展低成本、低热导高熵萤石氧化物、高性能高熵压电陶瓷、高性能高熵电介质储能陶瓷的研究,并积极推动该类材料在隔热、降噪、储能方面的应用。

7. 高温防护涂层开发与应用

针对燃气轮机的防护需要进行研究,主要针对高温防护涂层的开发和腐蚀机理开展研究;针对氢腐蚀与防护的需求,以及氢安全的防护层体系开展研究;针对电力行业某些部件在高温和常温腐蚀条件下的防护体系开展研究。

代表性成果:

电站高温金属材料特性与寿命管理研究:通过新材料与先进表面技术的有机结合,大幅度提高电站设备、船舶的耐磨、耐蚀性能和服役寿命,从而达到提高设备性能与寿命、降低能耗、减少金属材料消耗等目的,是实现“双碳”目标的重要途径。

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高熵氧化物的设计与制备:围绕高熵氧化物材料的组成设计与功能调控,开展了高熵岩盐结构氧化物、高熵萤石结构氧化物、高熵钙钛矿氧化物、高熵烧绿石氧化物的研究,

发现可以利用熵稳定氧化物的失稳过程,制备微纳米表面结构;设计并验证出了(Ce0.2Zr0.2Hf0.2Sn0.2Ti0.2)O2熵稳定萤石氧化物;提出了高熵氧化物组成设计的“价态组合”策略,开展了功能导向高熵钙钛矿氧化物的研究,设计并制备出了多个系列的高熵压电陶瓷和电介质储能陶瓷。

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在非贵金属基纳米催化剂、高熵氧化物催化剂等的设计、合成与应用领域开展研究,以推进电解水制氢的实际应用;此外,在液固绝缘介质的纳米改性研究领域,摸索了一套简单高效的改性方法,通过改性材料微结构和表面特性的调控,显著提高了变压器油和油浸纸板的绝缘性能和耐老化性能。

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针对热障涂层开展了热障涂层材料的开发,及获得涂层等不同工艺和制备因素的影响规律、服役行为特征、物料特性及界面因素等影响规律。

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然环境下金属腐蚀与防护涂层失效机制与寿命评估研究: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环境可靠性要求。为此针对新能源发电装备材料开展严苛环境下的可靠性研究,提升其寿命。

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04

代表性科研项目(部分)

序号

项目名称

项目类别

授予单位

年度

1

电热爆炸

超高速喷涂法

制备超细晶、

纳米晶涂层

国家863

计划课题

科技部

2003

2

循环流化床锅炉水冷壁管防磨关键技术

研究

国家科技

支撑计划

重点项目

科技部

2011

3

亲/疏水梯度渐变浸润性陶瓷复合膜的制备与性能调控研究

国家重点

研发计划

科技部

2018

4

XXX研究

装备预研

基金

军委装备发展部

2019

5

xxx新技术研究

装备探索研究重点项目

军委装备发展部

2015

6

铁电与压电材料

教育部新世纪优秀人才支持计划

教育部

2012

7

超高温陶瓷颗粒增强难熔金属基复合材料的高温力学性能及其

强韧化机理研究

国家自然基金面上项目

国家自然科学基金委

2014

8

二氧化钛纳米粒子对变压器油耐水分劣化性的影响机制

国家自然基金面上项目

国家自然科学基金委

2015

9

铌酸钾钠基无铅压电材料的

缺陷化学

国家自然基金面上项目

国家自然科学基金委

2014

10

纳米陶瓷复合材料的自组装制备工艺与性能研究

国家自然基金面上项目

国家自然科学基金委

2014

11

溶氧超临界水环境镍基合金应力腐蚀开裂裂尖扩展微观机理研究

国家自然基金面上项目

国家自然科学基金委

2014

12

高温超临界CO2中铁素体-马氏体钢氧化与碳化耦合腐蚀机理

国家自然基金面上项目

国家自然科学基金委

2021

13

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的准同型相界组成和相结构

国家自然基金青年项目

国家自然科学基金委

2009

14

超憎水涂层微结构对其低温动态憎水性影响规律的研究

国家自然基金青年项目

国家自然科学基金委

2010

15

激光熔覆大厚度高纯铁基非晶涂层的形成机理及其在腐蚀介质中的磨损特性

国家自然基金青年项目

国家自然科学基金委

2012

16

严酷海洋环境稀土系高强镁合金防护涂层下界面腐蚀电化学行为与失效机制

国家自然基金青年项目

国家自然科学基金委

2017

17

高饱和磁感应强度非晶材料中试工艺开发

北京市科技计划课题

北京科委

2014

05

科研获奖(部分)

序号

成果名称

奖项名称

授予单位

年度

1

发电厂热力设备重要部件寿命

管理技术

国家科学进步奖二等奖

国务院

2004

2

超超临界电站锅炉服役安全关键技术与工程应用

河北省科学技术进步奖二等奖

河北省

2021

3

超(超)临界电站锅炉高温腐蚀防治技术及应用

中国电力科学技术进步奖一等奖

中国电机工程学会

2021

4

生物质电站

安全高效发电

关键技术

科学技术进步奖一等奖

教育部

2017

5

生物质电站

安全经济运行

关键技术

中国电力科学技术进步奖二等奖

中国电机工程学会

2013

6

火力发电机组高温部件寿命管理技术研究

中国电力科学技术进步奖一等奖

中国电机工程学会

2003

06

平台条件

本团队依托“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, 拥有800W脉冲熔覆YAG激光器1台、3kw高速激光熔覆用光纤激光器3台,自行开发的160-400A等离子弧熔覆设备2套、基于高速激光熔覆的高温耐磨耐蚀锅炉制备系统2套、磨粒磨损试验机、高温及常温腐蚀试验台、电化学工作站、盐雾腐蚀设备、高温介电温谱测量系统、高压极化仪、铁电分析系统、纳米材料制备平台、全电解水测试平台、全自动接触角测量仪等,能够满足各类金属材料性能、表面强化、能源功能材料研发与测试等方面检测和试验需求。

07

学术交流与合作

团队长期从事电力相关行业服役安全、微纳米表面技术等领域开展了系统而深入的研究,承担了数十项国家级、省部级纵向科研项目,包括国家863计划项目、、家科技支撑项目、国家重点研发计划项目、GF重点项目、国家自然科学基金项目、北京市自然科学基金项目等。

研究所与国家能源投资集团有限责任公司、中国华能集团有限公司、中国大唐集团有限公司、中国华电集团有限公司、国家电力投资集团有限公司等发电企业联系紧密,同时与国家电网、南方电网等输电企业保持良好的合作关系,承担了百余项面向电力行业的横向研究项目。

研究所历来重视理论研究,取得了高水平研究成果和创新性突破技术。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。

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,并与国内包括清华大学、北京大学、西安交通大学、北京科技大学、北京工业大学、钢铁研究总院、华能集团清洁能源技术研究院、国家能源集团新能源研究院在内的多家研究机构具有深入合作关系。

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。

08

人才培养与就业情况

研究所历来重视学生的培养,鼓励学生开展原创性研究和直接服务于国家重大需求的工程问题研究,收获颇丰,多人次获得北京市、校内优秀毕业生、优秀论文、国家奖学金等荣誉。

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研究生毕业后,主要在能源电力行业从事设备安全监督、新材料研发、先进制造、技术管理等工作,大部分毕业生在国家电网、五大发电集团就业。毕业学生在国内知名高校、企业承担重要职位颇受好评。

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09

招生要求

研究所长期招收优秀推免或统招硕士生(学术硕士、全日制专业硕士);直博生或招考博士生(学术博士、工程博士)。申报条件如下:

1.人品端正,具备基本的科研素养、严谨端正的科研态度、良好的沟通能力和团队协作能力;

2.具有材料科学与工程等专业背景优先;

3.拥有良好的英语阅读和写作能力,在高水平专业学术期刊发表过论文优先;

4.身心健康,积极乐观。

10

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联系人:

宋东东(songdongdong@ncepu.edu.cn/010-61772646)

王永田(wyt@ncepu.edu.cn/010-61772352)