陶瓷材料:引领阀门行业的"第三次"革命

发布时间:2014-11-19 0:0:0 作者:鑫锋阀门 点击:

众所周知,金属材料,高分子合成材料,陶瓷材料并列为当代三大固体材料,其中代表着21世纪新型材料的先进陶瓷即高技术陶瓷,以其优良的耐磨性,防腐性,抗高温热震性,将被更广泛的工业领域所应用,在陶瓷阀门就是这种应用的突出成果。下面就这三种不同材料的特性作介绍。将重点笔墨于陶瓷阀门。

目前我国各行业生产中普遍使用的阀门是金属阀门,金属阀门的使用也已有100多年的历史,其间虽然也经过结构及材料的改进,但由于受金属材料自身条件的限制,金属的腐蚀破坏对阀门耐磨性的作用期限,可靠性和使用寿命有相当大的影响。机械和腐蚀的作用因素对金属的作用大大地增加了接触表面总的磨损量。阀门在操作过程中,摩擦的表面由于同时的机械作用和金属与环境进行化学的或电化学的互相作用的结果产生磨损和破坏。对阀门而言,其管道工作气候条件的复杂;石油、天然气和油层水等介质中硫化氢、二氧化碳和某些有机酸的出现使其金属表面的破坏力增大,从而迅速失去工作能力。

对金属的化学腐蚀主要表现在:温度、磨擦零件的机械负荷、润滑材料中所含的硫化物及其抗酸的稳定性与介质接触持续的时间和金属对氮化过程的催化作用、腐蚀浸蚀性物质的分子对金属的转换速度等等。由于这些因素的不可改变性,使得金属阀门的使用一度处于 “尴尬”的境界,同时,金属阀门防腐的措施还受所需求的保护期限、运输和保存条件、阀门构造特点和材料。

金属阀门不能适应高磨损、不易受强腐蚀的电力、石油、化工、冶炼、采矿、污水处理等恶劣工况的需要,同时在使用寿命短、泄露严重,大大影响了系统运行的稳定性。必需亟待寻求一种新型的材料来替代金属的尴尬,特别是在传统的金属阀门急需从材料、设计及制造工艺等方面彻底革新。因此,金属阀门行业寻找防腐方法和措施,便成为目前阀门行业研究的主题之一。

随着化学工业的发展以及科研人员的不断研究探索,科研人员终于找到了能够克服“第一代”不易防腐的材料——合成材料,合成材料阀门经过在许多腐蚀性工况中实际使用,合成材料阀门优于金属阀门,首先是抗腐蚀性,其次是由于合成材料的密度比金属轻,使得净重相对比较轻,在其强度方面,要取决于增强纤维的形状、排列和数量。一般情况下,纤维的百分比越大,合成材料的强度越大。在阀门应用中,纤维的重量含量基本范围却只为30%-40%,这样又限制了阀门的耐磨损性。

在合成材料阀门中,其固态聚合物本体有两种:1,热塑性塑料,如PVC-聚偏氟乙烯、PPS-聚苯硫醚等,2,热固性树脂,如聚酯、乙烯其及环氧树脂等。热固性树脂在介温状态下保持其强度的性能优于热塑性塑料。目前,国际化工流程阀门最常用的合成材料为乙烯基环氧树脂(热塑料材料),其增强纤维为切碎的玻璃纤维(1/4英寸长)和切碎的石墨纤维(1/4英寸长)。

虽然金属材料阀门的耐磨性和合成材料的防腐性使得阀门行业的发展有了一些“喘气”的空间,但是这已经不能够满足于我国高速发展的电力、石油、化工、冶金、采矿、污水处理等工业领域,在浩如烟海的材料中能否得到“两全其美”,使得生产出来的阀门既具有金属阀门的耐磨性,又具备合成材料阀门的良好防腐性?

国际上从20世纪60年代开始重视研究先进陶瓷材料,结构陶瓷略早于功能陶瓷。60~70年代伴随着陶瓷学研究的新进展,-大批具有优良性能的结构和功能陶瓷材料被发现和合成。80年代以陶瓷发动机为背景,各国竞相加大了对陶瓷材料研究与开发的投人,对先进陶瓷材料的研究取得了长足的进步。从技术上讲,陶瓷材料已经能够基本满足各种苛刻条件下使用的要求,但材料的稳定性、可靠性和高成本等问题仍阻碍了先进陶瓷材料的应用。90年代中后期,对陶瓷材料的研究转向材料性能稳定性、结构与功能性能一体化、低成本制备工艺等方面,各国仍在继续增加对陶瓷材料的研究与投人。我国在陶瓷研究上比国际起步晚了10年,20世纪70年代才开始重视先进陶瓷材料研究,取得了一系列创新性成果。特别在近十年来,我国研制成功一系列新的陶瓷材料,并带出许多应用。许多产品已投人了批量生产,年产值达千万元。

从材料产业上看,目前全球各类先进陶瓷材料及其产品的市场销售总额每年达数百亿美元,年增长率达8%,结构陶瓷占销售额的30%左右。陶瓷材料的特性在于,变形量很小,比金属具有高得多的结合强度。一般情况下组成陶瓷材料的晶体离子半径小,而且离子电价高,配位数大,这些性质决定了陶瓷材料的抗拉强度、抗压强度、弹性模量、硬度等都非常高。然而陶瓷本身相对金属的“软性”及难加工限制了它的应用范围。近十几年来,由于马氏体相变增韧技术、复合材科技术及纳米陶瓷概念的发展及进步,已使陶瓷的“脆性”得到了大大改进,其韧性和强度得到了极大的提高,应用范围不断扩展.。

近年来,新型陶瓷阀门主要应用于电力、石油、化工、冶金、采矿、污水处理等工业领域,尤其是面对高磨损、强腐蚀、高温、高压等恶劣工况,更显示出它卓越的性能。新型陶瓷阀门能满足以下的特点,首先,是采用高技术新型陶瓷结构材料制作阀门的密封部件和易损部件,提高了阀门产品的耐磨性、防腐性及密封性,大大延长了阀门的使用寿命。其次,是陶瓷阀门的使用可以大大降低阀门的维修更换次数,提高配套设备运行系统的安全性、稳定性,减轻工人的劳动强度,节约设备修理费用。再次,是陶瓷阀门的使用能提高工业管路系统的密封性,同时能最大限度地杜绝泄漏,对环境保护将起到积极的推进作用。最后,是制造陶瓷的原料广泛,成本低廉,用铝、碳、硅等普通元素就能制造出性能优越的陶瓷材料,可以节约大量金属材料和稀有的矿产资源。高磨损、强腐蚀的使用环境,尤其突出的特点是超长的使用寿命,复合陶瓷材料不仅提高了相关传统行业的效率,节约了成本,减轻了劳动强度,还对环境保护大有裨益。随着科学技术的不断发展和进步,陶瓷材料配方、成型、加工及装配工艺等各方面的技术更加趋于成熟和完备,陶瓷阀门以其优异的性能越来越得到业内人士的认同。

虽然目前我国的陶瓷阀门行业有了些特色,但总体上产品技术和档次水平不高,市场占有率较低。这与先进陶瓷在国防建设和国民经济中的作用不相称,也不利于先进陶瓷和整个材料科学的协调发展,应引起足够重视。除了陶瓷材料的研究外,先进陶瓷材料产业的发展更是迫在眉睫。因此我们应该在以后做些这样的文章,在先进陶瓷的基础理论、中试技术平台构建、低成本规模化产业等方面投人更多的人力、物力和财力,下大力气,迎头赶上,努力使我国的先进材料科学得到更迅猛的发展,同时促进先进无机材料的产业发展。合成高分子材料的生产要尽可能实现绿色化学过程,高分子材料的应用耍体现绿色材料的概念。在提高高新技术含量上要以企业为主,,实现由材料大国到材料强国的跨越,提高传统材料产业的技术含金量。

  应该看到,我国先进陶瓷的发展具有一定优势和机遇,也同样具有发展前景和突破机会。首先,我国是世界上经济发展最快的发展中国家,发展潜力也最大,这必将为无机材料的发展和应用提供越来越多的机会。我国又是一个相对比较落后、资源比较匣乏的国家,末来国家的发展将更加依赖于高新技术的发展,而先进材料是整个高新技术产业中一个不可或缺的基础,同时也是高新技术产业不断发展的源泉。其次,无机材料产业在具有高技术含量的同时,也往往需要较多的劳动力,具有技术密集和劳动密集的特征,十分适合我国的国情。如果我们能够把握住机会,加强材料基础理论研究,加快先进无机材料高技术的开发与应用,必将使我国先进无机材料的高技术产业获得更大、更好的发展,为国民经济做出更大贡献。如果能抓住当前国家经济发展和国外产业转移的机会,积极开拓政府与民间的投人渠道,针对关键间题进行集中攻关和科技创新,整个先进陶瓷的高技术研究与产业化将迎来前所末有的兴旺。