等离子喷涂陶瓷
【论文】钛合金表面等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层性能的研究
摘要钛合金的高温力学性能及热物理性能均不理想。
钛合金耐磨性差，摩擦系数高，在高温下抗氧化性差，从而限制了其进一步广泛应用。
本文采用等离子体喷涂技术在钛合金表面制备Cr2O3陶瓷涂层，改善钛合金表面的硬度及摩擦性能，找出实验工艺与性能的关系。
本实验利用显微硬度仪测定了Cr2O3陶瓷涂层的显微硬度；采用X射线衍射法（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）研究了Cr2O3陶瓷涂层的相结构以及表面形貌特征；利用高速往复摩擦磨损实验机测试了等离子喷涂前后试样的耐磨性能。
实验结果表明：用钛合金等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的显微硬度显著提高，最高硬度达到HV1500，陶瓷涂层的耐磨性能明显改善。
关键词：钛合金，等离子喷涂，硬度，耐磨性能AbstractHigh-temperature mechanical properties of titanium alloy and thermal physical properties are not ideal. Its poor wear resistance, high friction coefficient and poor anti-oxidation in high temperature conditions, all of these limit its wide application. In the paper, the Cr2O3 ceramic coating was formed on the surface of titanium alloy by the plasma-sprayed technology. By the coating, hardness and wear-resistance property of the alloy’s surface were absolutely improved. And at the end of the experiment, the relation of experimental technique and samples’ performance was found.The microhardness of the ceramic coatings was measured by microharness tester. X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscope (SEM) were used to study the phase construction,the morphology and wear resistance of the ceramic coating was measured by high-speed reciprocating friction and wear testing machine.The result shows that XRD detects that Cr2O3 was the only component of coating on the surface of titanium alloy. The maximum harness is HV1500, the harness and friction property of the surface of titanium alloy was improved greatly.Key words: titanium alloy, plasma spraying, hardness, friction properties目 录第一章 前 言 (1)1.1 钛合金的概述 (1)1.1.1 钛合金的性能 (1)1.1.2钛合金的应用与发展趋势 (3)1.2 热喷涂技术 (6)1.2.1 超音速等离子喷涂技术 (6)1.2.2 反应热喷涂技术 (7)1.2.3 电弧喷涂技术 (8)1.3 等离子喷涂技术 (8)1.4 本实验的主要研究内容 (9)第二章 实验材料、实验设备 (10)2.1 实验材料 (10)2.1.1 基体材料 (10)2.1.2 试样的制备 (11)2.2 实验设备 (11)2.2.1 预磨机 (11)2.2.2 金相试样抛光机 (11)2.2.3 金相镶嵌机 (12)2.2.4 摩擦磨损检测仪 (12)2.3 实验工艺 (12)2.3.1等离子喷涂的实验工艺 (12)2.3.2 等离子喷涂的实验装置 (13)2.3.3实验前后试样比较 (15)第三章 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的形貌、显微组织以及分析、硬度分析 (16)3.1等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的形貌及显微组织分析 (16)3.1.1 实验设备 (16)3.1.2 实验试样的扫描电镜分析 (16)3.2 等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的XRD 分析 (20)3.2.1 X射线衍射的物相分析原理 (20)3.2.2 等离子喷涂涂层XRD结果及分析 (21)3.3 等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层的硬度分析 (22)3.3.1 检测所用的设备 (22)3.3.2 显微硬度仪的原理 (23)3.3.3硬度检测实验结果 (23)第四章 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层摩擦学性能分析 (31)4.1 摩擦学的论述 (31)4.1.1摩擦机理 (31)4.1.2 影响滑动摩擦的因素 (32)4.2 等离子喷涂Cr2O3陶瓷层的耐磨性检测 (32)4.2.1检测装置 (32)4.2.2摩擦系数测试原理 (34)4.3 往复摩擦试验结果及分析 (34)4.3.1 往复摩擦试验的图片分析 (34)4.3.2 往复摩擦实验的曲线分析 (36)第五章 技术经济分析报告 (45)第六章 结 论 (46)参 考 文 献 (47)致 谢 (49)声 明 (50)第一章 前 言1.1 钛合金的概述1.1.1 钛合金的性能钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。
等离子喷焊工艺过程
等离子喷焊工艺过程
等离子喷焊（Plasma Spray Welding）是一种热喷涂技术，用于在金属、陶瓷、复合材料等基材表面涂覆保护层或修复受损表面。
以下是等离子喷焊的基本过程：
1.准备工作：首先，需要准备好待喷涂的基材表面。
这包括清洁、打磨和喷砂等步骤，以确保表面光滑、清洁，并提供良好的附着性。
2.原材料准备：合适的涂层材料通常以粉末形式提供。
这些粉末材料可以是金属、陶瓷、复合材料等。
在喷涂前，通常需要对粉末进行预处理，如筛选、干燥等。
3.等离子喷枪设置：使用等离子喷涂设备，将喷嘴与喷枪连接，并设置合适的工艺参数，如喷嘴尺寸、气体流量、电流电压等。
4.点火启动：将惰性气体（通常是氩气或氮气）通过喷枪喷射到喷嘴中，形成等离子气体。
然后，通过电弧点火，将等离子气体加热至高温状态。
5.粉末喷涂：当等离子气体达到足够高的温度时，粉末材料通过粉末供料系统送入等离子气体中心。
在高温下，粉末材料熔化或部分熔化，并形成喷涂颗粒。
6.涂层喷涂：熔化的粉末颗粒随着等离子气体喷射到基材表面，形成涂层。
在涂层形成的同时，由于等离子气体的高温作用，涂层与基材表面同时发生熔合，从而确保良好的附着性。
7.冷却固化：喷涂完成后，涂层需要进行冷却固化。
这通常涉及将基材放置在适当的环境中，让涂层自然冷却至室温，并确保涂层与基材的结合稳固。
8.表面处理：完成涂层后，可能需要进行表面处理，如打磨、抛光等，以获得所需的表面质量和光洁度。
等离子喷焊工艺具有高温、高速喷涂、涂层致密性好等优点，可应用于航空航天、汽车、能源、化工等领域的表面保护和修复。
等离子喷涂复合陶瓷涂层的组织结构及其形成机理分析
等离子喷涂复合陶瓷涂层的组织结构及其形成机理分析先进陶瓷由于具有了耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、无污染等特性，成为了新材料的发展中心，受到广泛关注。
但由于陶瓷材料总含有或多或少的玻璃相和气孔，加之许多陶瓷材料具有多种晶体结构，因而其塑性变形能力差，抗热震和抗疲劳性能差。
对应力集中和裂纹敏感、质脆成为陶瓷材料的致命弱点。
另外陶瓷材料制备困难、价格昂贵，因而影响了其在工业生产中的应用，而等离子喷涂技术可以很好的解决这一难题。
根据等离子焰流为热源，将金属或非金属加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其吹成微小颗粒，喷射到经过处理的工件表面，形成牢固的覆盖层，来满足不同工况的需求的一种技术。
根据电离介质的不同，等离子喷涂可以分为气体稳定等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂两大类。
较常用的是气体稳定等离子喷涂。
气体稳定等离子喷涂产生等离子体和等离子弧的原理如下：正常状态下原子呈中性，气体在常温下是不导电的。
但当外界通过某种方式给予气体分子或原子以足够能量时，就可使电子脱离原子而成为自由电子，而使分子或原子成为带电的离子，产生了电离。
电场维持强烈的电离，并形成弧光放電，即产生了电弧。
这种整体上呈中性、充满着数量相等的正负离子的电离气体称为等离子体。
陶瓷材料多具有离子键和共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，原子间距小，堆积致密，无自由电子运动。
这些特性赋予了陶瓷材料高熔点，高硬度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明特征。
由于陶瓷粉末的熔点比较高，火焰喷涂因受到火焰最高温度的限制，因此，采用等离子喷涂排除了材料熔点的限制，只要在高温等离子射流中可熔融的材料，几乎都可用于喷涂。
Al₂O₃纯氧化铝涂层呈白色，硬度高，磨擦系数低，化学性能稳定。
白刚玉能抵抗NaOH、NaCO3、Al、Fe及玻璃的作用。
氧化铝涂层还具有耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化、绝缘等特性。
纯氧化铝涂层质脆，与基体的结合强度低。
等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层的研究
江
苏
陶
瓷
Ｖｏ １ ． ４ ６ ， Ｎｏ ． ３
Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｃ ｅ ｒ ａ ｍｉ ｃ ｓ
Ｊ ｕ ｎ ｅ ， ２ ０ １ ３
１ ３
等 离子喷涂 Ａ Ｉ ２ ０３ 陶瓷涂层 的研究
张艾 丽 米有 军 曹毅 轩 杨 尚权
关 键 词 等 离 子 喷 涂 ； Ａ １ ２ ０ ３ 陶瓷 涂 层 ； Ｔ ｉ Ｏ ： ； 工 艺 参 数
等 离 子 喷 涂 技 术 是 继 火焰 喷涂 之 后 大 力 发 展 起 来 的 ～ 种
新型多用途的精密喷涂方法 ， 是 一 项 重 要 的表 面 处 理 技 术 ． 涂
部剥离、 脱 落 是 失效 的 主要 原 因 。 （ ３ ） 采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ有 限 元 分 析 软 件 对 等 离 子 喷 涂 Ａ １ ２ ０ 陶
性最好 。
（ ２ ） 为研究等离子 喷涂 Ａ ｈ Ｏ 陶瓷 涂 层 的 抗 热 震 性 能 。 对 不 同结构的涂层进行 了 ６ ０ ０℃环 境 下 的 热 震 实 验 ， 并分析 、 探 讨 了 涂 层 的 热 震 失 效 机 制 。利 用 扫 描 电镜 ｆ Ｓ Ｅ Ｍ） 、拉 曼 光 谱 等 试 验 手 段 研 究 了 热 障 涂 层 热 震 失 效 的 过 程 及 残 余 应 力 大小 和分 布状 态 ，涂 层 热 震 失 效 的本 质 为 热 循 环 应 力作 用 下 的疲 劳失 效 ．其 失 效 过 程 主 要 是 裂 纹 形 成 、扩 展 及 涂 层 剥 落 。结 果 表 明 ， 在 陶 瓷工 作 层 与 基 体 间 增 加 Ｆ ｅ Ｃ ｒ Ａ １ 或 金 属 过 渡层 可 有 效地 减 缓 涂 层 内 的热 应 力 ． 阻碍 涂 层 内裂 纹 的 形 成及扩展 ， 从 而 提 高涂 层 的 抗 热 震 性 能 。Ａ ｌ ｚ Ｏ 陶瓷 涂 层 低 温
模具表面等离子喷涂陶瓷涂层的可行性研究
离子喷涂陶瓷层 Ａ ，其硬度可达 １０ ｌ ０ ０～ｌ０ Ｖ， ｒ １０Ｈ Ｅ ｇ 的硬度通常 Ｏ 有 １０ ４ ０～１０ Ｖ。在 高温条件下陶瓷涂层的各项性能基本不受影响 ， ０Ｈ ８ 这对 于提高热作模具的寿命有很大 的帮助 。 腐蚀磨损是一种常见而又复杂的磨损形式 ，是腐蚀和磨损同时对 材料产生作用的结果 ， 塑料模具 的主要失效形式之一 。 是 工作环境对腐 蚀磨损 的影响很大 ， 环境 、 温度 、 介质 、 载荷大小等稍有变化就可能使腐 蚀磨损发生很大的变化 。而等离子喷涂陶瓷涂层具有较 高的硬度 ， 优异 的耐腐蚀性能和高温稳 定性 ，完全可以用于模具表面以减缓材料表面 的破 坏 速 度 。 ４模具表面陶瓷涂层的应 用 ． 从喷涂工艺特点及 喷涂材料表 面硬度 高 ，耐磨耐蚀性强等特性来 看， 表面喷涂 陶瓷材料理论上完全可以应用 于模具材料。针对不 同的模 具（ 粉末冶金模 ， 冲压模具 ， 成型模 ， 拉伸模 ， 锻压模及注塑模等 ） 和零件 所采用 的涂层１ 艺 ， 二 可显着提高表面的硬度 ， 耐磨性 ， 耐蚀性 ， 耐热性及 其润滑性等 ； 并能方便脱模 ， 大力地 提升模具和零件 的品质（ 如表面粗 糙度 ， 精度等 ） 和使用寿命 ， 使其有效地发挥产品的潜能。 目前 ， 在模具行业广泛应用热 喷涂厚度一般为 ０１ ｍ～ ．ｍ 它不 ．ｍ ０３ ｍ， 仅可用 于表面强化 ， 还可用于模具磨损超差时的修复 。Ｃ ｏ ｒＭ Ｖ汽车风 扇 皮带轮模具经等离子 喷涂处理后 ， 寿命 可提高 ｌ 以上 ， 产品 其 Ｏ倍 且 质量优 良。广东科龙模 具有限公司采用超音 速喷涂硬质合金工艺 ， 使 ｃ 不锈钢拉延模修复模 频率从 ５ ０ ／ ０ 件 次提高到 ７０ 件 ／ ， ００ 次 寿命提 高３８ 。 ～倍 广东佛陶集团陶瓷研究所 也开展 了陶瓷涂层在模具表面的应用 研 究项 目， 其主要内容 是与香港城市 大学合 作 ， 共同开发硬质耐磨涂层材 料 在模 具上的应用 ， 利用 耐磨涂层 ， 减少粉 料 与模壁之间 的磨擦 ， 免 避 粘模现象 ， 有效延长模具 的寿命。 然而 ，目前 等离子 喷涂技 术在我 不但 推广速度较慢 而且应用 面 较窄。２ ０ ０ ３年我 国热喷涂产业创造的产值约为 ｌ ６亿元人民币 ， 等离子 喷涂技术创造的产值就更少 了， 等离子技术在模具行业的应用也主要局 限于模具表面的修 复。 等离子喷涂将 陶瓷材料喷涂到模具 （ 金属材料 ） 表面 ， 具有优异 将 耐磨性 、 腐蚀性 和耐高温性 的陶瓷与金属的高强韧性 、 耐 可加工性 、 导 电导热性有机地结合起来 ， 充分发挥 了两者 的综合优势 ， 同时满足 了模 具对结构性能（ 强度 、 韧性等） 和环境性能（ 耐磨 、 耐腐蚀 、 耐高 温等） 的要 求 ，是一种理想的复合材料。因此可 以相信只要建立起完善 的市场机 制， 增强环保 意识 ， 充分认识喷涂技 术的优越性 ， 就一定能使 我国的等 离子喷涂技术得到迅速推广和广泛应用 。
等离子喷涂的常见工艺问题及展望
等离子喷涂的常见工艺问题及展望摘要:本文介绍了等离子喷涂设备的含义及其适用范围,并对等离子喷涂的几个工艺问题进行了着重分析,综合分析了近年来等离子喷涂技术的研究现状和发展概况,指出了等离子喷涂技术的发展方向。
关键词:等离子喷涂测量技术应用发展等离子喷涂是一种多用途的精密喷涂方法。
由于以电弧等离子体为热电源,故能量集中,喷涂温度高达16600 °C(通常使用温度约6000～11000 °C),但传递给基体材料的热量却不多。
几乎任何一种材料都能采用等离子喷涂。
目前有多达150种以上的如金属、陶瓷、塑料、等等都可采用等离子喷涂技术。
等离子喷涂的热源能量水平较高,热能传递到粉末粒子时周围气氛的温度降低很少,因而能使粉末粒子获得有效的加热。
此外,由于粉末粒子在等离子“火焰”中的加热时间可以控制,不仅难熔材料能获得有效的加热,某些热稳定性差的材料也能免于氧化和烧损。
等离子喷涂还具有喷射速度高、涂层致密、孔隙率低、粘结强度高等优点。
因此,近几十年来,其技术进步和生产应用发展很快,已成为热喷涂技术的最重要组成部分。
本文着重就近年来等离子喷涂技术的几个工艺问题的研究现状与发展概况进行深入探讨。
1 等离子喷涂技术的特点等离子喷涂是利用等离子火焰来加热融化喷涂粉末使之形成涂层。
等离子喷涂工作气体常用Ar或,在加入5%～10%的,气体进入电极腔的弧状区后,被电弧加热离解形成等离子体,其中心温度高达15000 K以上,并高速喷打在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形,粘附在零件表面。
各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接,从而获得结合良好的层状致密涂层。
由于等离子喷涂火焰温度和速度极高,几乎可以熔化并喷涂任何材料,形成的涂层结合强度较高,孔隙率低且喷涂效率高、使用范围广等很多优点,故在航空、冶金、机械、机车车辆等部门得到广泛的应用,在热喷涂技术中等离子喷涂占据着重要的地位。
2 等离子喷涂的应用的几个工艺问题2.1 温度控制2.1.1 预热与氧—乙炔火焰喷涂一样,在等离子喷涂前对工件进行适当的预热,是提高涂层结合强度的一个有效措施。
等离子喷涂
②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越 喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。
等离子切割，等离子弧焊接，等离子弧冶炼使用的是这类等离子弧。
③联合弧:非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。这种情况喷嘴，工件均 接在正极。
喷涂原理
等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体 电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。
按接电方法不同，等离子弧有三种形式：
①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷 嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出 形成等离子火焰(或叫等离子射流)。
特点
等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性， 便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体， 所以喷涂材料不易氧化。
等离子的形成
（以N2为例）： 0°k时，N2分子的两个原子呈哑铃形，仅在x,y,z方向上平动； 大于10°k时，开始旋转运动； 大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子： N2+Ud——>N+N其中 Ud为离解能 温度再升高，原子会发生电离: N+Ui——>N++e其中 Ui为电离能 气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。 等离子体可分为三大类： ①高温高压等离子体，电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变的研究； ②低温低压等离子体，电离度不足1%，温度仅为50～250度； ③高温低压等离子体，约有1%以上的气体被电离，具有几万度的温度。
(完整版)等离子喷涂解析
2、等离子喷涂的应用
❖ 等离子喷涂具有喷涂材料范围广、调节方便、 适应性强、喷涂气氛易控、涂层结合力强、气 孔率可调等优点。
❖ 可喷涂的材料范围不断扩大，从传统的金属粉 末到各种功能陶瓷粉末，从微米粉末到纳米粉 末都可以进行喷涂。等离子喷涂技术在国防、 航空、工业、医学等领域发挥着重要的作用。
❖ 热障是等离子喷涂材料应用最早、最广泛的功能。 使用等离子喷涂制备的热障涂层已经广泛的应用 于航天飞机发动机引擎部件、燃烧室器壁、高效 燃气轮机涡轮叶片、大型钢铁厂轧辊、核反应容 器等方面。据估算，厚度为0.4 mm的氧化锆陶瓷 涂层可使基体温度降低100-300K，从而极大地延 长了材料的使用寿命。
❖ 在提高耐磨性方面，等离子喷涂技术发挥了巨大的作用， 制备的钼基合金、Al2O3-TiO2、CrC-NiCr 等耐磨涂层已 经在汽车、造纸、纺织等领域得到广泛的应用。汽车速 度的不断提高对汽车发动机运动部件的耐磨性提出了更 高的要求，使用等离子喷涂制备的复合涂层可以大大降 低材料的摩擦系数，Fukumasa等人使用特殊的喷枪制备 出银-石墨复合涂层，涂层的摩擦系数仅为青铜的 1/5， 银的 1/2。另外，WC-Co 具有优异的耐磨性能，但在等 离子喷涂过程中容易脱碳，降低了涂层的性能。Li等人 对涂层进行放电等离子体烧结（SPS），成功的恢复了涂 层中的 WC 相，使涂层近表面的硬度提高约 40%。
• Plasma jet can reach very high temperature > 20,000 K • Plasma disassociation 离解effect (ionization) is important to enhance heat transfer • Almost applicable to any materials: ceramics, metal, plastics, etc.
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等离子喷涂陶瓷
等离子喷涂陶瓷是一种高新技术的表面处理方法，通过等离子喷涂技术将陶瓷材料喷涂在基材表面，形成一层坚硬、耐磨的陶瓷涂层。
这种涂层具有较高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性能，可广泛应用于航空航天、汽车制造、化工等领域。
等离子喷涂陶瓷的制备过程主要包括材料准备、喷涂设备和工艺参数的选择以及后续处理等步骤。
首先，需要选择合适的陶瓷材料作为喷涂粉末。
目前常用的陶瓷材料有氧化铝、氮化硅、氧化锆等。
这些材料具有高熔点、高硬度和良好的耐腐蚀性能，适合用于制备耐磨涂层。
在喷涂设备方面，等离子喷涂机是关键设备。
等离子喷涂机采用等离子火花放电的原理，通过高温等离子体的作用将陶瓷粉末喷涂到基材表面。
这种技术具有喷涂速度快、陶瓷涂层密实均匀的优点，可以实现对复杂形状表面的喷涂。
在工艺参数选择方面，喷涂速度、喷涂距离、喷涂角度等参数的选择对于陶瓷涂层的质量具有重要影响。
合理选择这些参数可以保证陶瓷涂层的致密性和附着力，提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性。
除了制备过程，等离子喷涂陶瓷后续的处理也非常重要。
通常会采用烧结和热处理等手段，进一步提高陶瓷涂层的性能和稳定性。
烧结是指将喷涂的陶瓷粉末在高温下熔结成致密的陶瓷涂层，提高涂
层的硬度和耐磨性。
热处理则是指对陶瓷涂层进行退火、回火等热处理过程，消除残余应力，提高涂层的稳定性和耐腐蚀性。
等离子喷涂陶瓷涂层具有广泛的应用前景。
在航空航天领域，等离子喷涂陶瓷涂层可以用于制备航空发动机涡轮叶片、涡轮喷气嘴等高温部件，提高其耐磨性和耐高温性能。
在汽车制造领域，等离子喷涂陶瓷涂层可以用于制备发动机缸体、气门、活塞等零部件，提高其耐磨性和耐腐蚀性。
在化工领域，等离子喷涂陶瓷涂层可以用于制备化工设备的内衬，提高设备的耐腐蚀性和使用寿命。
等离子喷涂陶瓷涂层是一种具有广阔应用前景的表面处理技术。
通过合理选择材料、优化喷涂设备和工艺参数，以及后续的烧结和热处理等处理措施，可以制备出性能卓越的陶瓷涂层。
这种涂层在航空航天、汽车制造、化工等领域具有重要的应用价值，将为相关行业的发展提供有力支持。