今年3月份，在第51屆日內(nèi)瓦**發(fā)明展上，上海大學(xué)甄強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)完成的“動(dòng)態(tài)高溫條件下自生長(zhǎng)納米低維相增強(qiáng)長(zhǎng)壽命免燒成耐火材料的技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目獲得該展會(huì)金獎(jiǎng)。據(jù)悉，日內(nèi)瓦**發(fā)明展由?瑞士聯(lián)邦政府?、?日內(nèi)瓦州政府?、?日內(nèi)瓦市政府?、?世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）聯(lián)合主辦，且被公認(rèn)為全球**影響力的發(fā)明展會(huì)，常被譽(yù)為“發(fā)明界的奧林匹克”。該評(píng)審團(tuán)由?80 多位?來自全球的獨(dú)立專家組成。這些專家包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和國外知名院士，確保了評(píng)選的專業(yè)性和權(quán)威性，也從自主創(chuàng)新、實(shí)用價(jià)值、商業(yè)價(jià)值等多角度評(píng)價(jià)技術(shù)發(fā)明成果。

　　這項(xiàng)技術(shù)到底有哪些獨(dú)特之處，何以獲得金獎(jiǎng)？帶著這份好奇，日前，《中國冶金報(bào)》記者采訪了該技術(shù)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜人——上海大學(xué)教授甄強(qiáng)，他也是上海市先進(jìn)陶瓷智能設(shè)計(jì)與制造專業(yè)技術(shù)服平臺(tái)的主任。

　　“該技術(shù)能夠得到這么多**評(píng)審專家的一致青睞，實(shí)在不易?！闭鐝?qiáng)說，日內(nèi)瓦**發(fā)明展是世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織主辦的全球影響力**的展會(huì)，自該展舉辦以來，**外耐火材料領(lǐng)域還沒單位申報(bào)過這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，更別提獲得金獎(jiǎng)了。

《中國冶金報(bào)》記者：晶須增強(qiáng)技術(shù)有哪些核心特點(diǎn)？

　　甄強(qiáng)：隨著鋼鐵工業(yè)向綠色低碳轉(zhuǎn)型，近些年免燒成耐火材料成為重要的發(fā)展方向。免燒成耐火材料由預(yù)先高溫煅燒過的多種級(jí)配的顆粒料和細(xì)粉基質(zhì)料組成。基質(zhì)部分，尤其是基質(zhì)中的氣孔，是免燒成耐火材料最薄弱的部位，在高溫使用時(shí)容易被氧化和侵蝕，最終縮短了整個(gè)耐火材料的壽命。此外，面對(duì)著鋼鐵冶煉時(shí)瞬間1500℃到1700℃的動(dòng)態(tài)高溫變化，耐火材料內(nèi)部存在巨大的溫度梯度，如果材料的抗熱震性能不足，可能引起災(zāi)難性的事故。破解行業(yè)難題，不能僅僅依靠原料配方的調(diào)整和優(yōu)化，需要對(duì)免燒成耐火材料有新的認(rèn)識(shí)，和變革性的技術(shù)創(chuàng)新。過去，大家對(duì)免燒成耐火材料的認(rèn)識(shí)是：生產(chǎn)時(shí)不需要高溫?zé)Y(jié)，在高溫使用時(shí)免燒成耐火材料的工作面接觸高溫開始燒結(jié)，工作面被侵蝕時(shí)，內(nèi)部繼續(xù)燒結(jié)，形成新的工作面，直至耐火材料不能繼續(xù)使用。在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，我們項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依靠三大核心技術(shù)，通過高溫使用條件下改變免燒成耐火材料微觀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化材料的高溫性能。一是高溫下催化晶須生長(zhǎng)形成低維納米相網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既可強(qiáng)化基質(zhì)部分，又能減少氣孔，降低氣孔率。二是在動(dòng)態(tài)高溫環(huán)境下，耐火材料內(nèi)部自發(fā)形成多種晶須強(qiáng)化的梯度結(jié)構(gòu)，適配巨大的梯度溫度環(huán)境，大幅提升抗熱震性能。三是優(yōu)化基質(zhì)組成，讓低熔點(diǎn)物質(zhì)重構(gòu)成為耐高溫化合物，提升耐火材料高溫性能。原位生長(zhǎng)晶須、晶片強(qiáng)化耐火材料性能技術(shù)是一項(xiàng)低碳環(huán)保的技術(shù)，不僅能解決當(dāng)下免燒成耐火材料的難題，還能服務(wù)高溫裝備，守護(hù)高溫安全，助力綠色發(fā)展。

　　《中國冶金報(bào)》記者：為什么會(huì)考慮晶須增強(qiáng)技術(shù)？

　　甄強(qiáng)：我們搞科研，必須尊重實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)異常結(jié)果，經(jīng)過重復(fù)驗(yàn)證還是這樣，可能會(huì)有重大發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果反常識(shí)，這說明我們過去的認(rèn)識(shí)有問題。如果性能特別好，也需要再一次驗(yàn)證。如果可重復(fù)驗(yàn)證，我們討論原因，把原理搞清楚。我們研究的多種晶須梯次生長(zhǎng)強(qiáng)化梯度結(jié)構(gòu)免燒成耐火材料，就做了大量的實(shí)驗(yàn)，我們需要驗(yàn)證可靠性，我們還需要進(jìn)行理論計(jì)算，確認(rèn)晶須生長(zhǎng)的機(jī)制、晶須數(shù)量、尺寸是否可控、是否起到了增強(qiáng)作用，計(jì)算結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果要能相互支撐。

　　做科研，不僅要尊重實(shí)驗(yàn)，還必須有創(chuàng)新思維。在我們團(tuán)隊(duì)，必須做實(shí)驗(yàn)，而且要有可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)沒有成功也沒關(guān)系，這說明**還有很多規(guī)律沒有認(rèn)識(shí)到。早期，晶須增強(qiáng)的耐火材料的耐壓強(qiáng)度從30兆帕提升到60兆帕，觀察微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)有許多晶須。這個(gè)現(xiàn)象是否適合其他耐火材料？我們采用多種技術(shù)驗(yàn)證，開發(fā)出多種晶須，結(jié)果一致，都是原位生長(zhǎng)出來的，都有強(qiáng)化耐火材料高溫性能的作用。

　　《中國冶金報(bào)》記者：據(jù)了解，您從事相關(guān)技術(shù)研究多年，也曾在上海市獲獎(jiǎng)。請(qǐng)您介紹這項(xiàng)技術(shù)研究的背景，取得過哪些成就？

　　甄強(qiáng)：最初，我們只發(fā)現(xiàn)了納米碳管，長(zhǎng)出來碳納米線，還有碳化硅晶須。我們發(fā)現(xiàn)一些材料的性能提高了將近一倍，查看它的微觀結(jié)構(gòu)，晶須形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓材料性能越來越好。既然晶須對(duì)提升耐火材料高溫性能有好的效果，我們就開始研究，如果這套理論可行的話，能不能再開發(fā)出更好的晶須？

　　圍繞著這個(gè)方向，我們團(tuán)隊(duì)開發(fā)了10多種耐高溫、高強(qiáng)度晶須，如碳化硅、碳化鋁、碳化鋯、碳化鉭、碳化鉿等，還有碳化鋁-碳化硅的復(fù)合物晶須，我們稱之為鋁硅碳晶須。碳化鉭未來準(zhǔn)備用在第三代半導(dǎo)體碳化硅單晶外延生長(zhǎng)用在耐火材料中，工作溫度可達(dá)2000攝氏度以上。

　　碳化鉿、碳化鋯，碳化鈦、碳化鉭、碳化鉿-碳化鉭、硼化鋯等晶須和硼化鈦晶片，都是超高溫陶瓷，已經(jīng)不是普通意義的耐火材料。這些材料的熔點(diǎn)都在2500攝氏度~3000攝氏度。未來，這些超高溫陶瓷晶須和晶片可用于超高溫的航天領(lǐng)域，比如晶須增強(qiáng)的抗燒蝕陶瓷涂層。陶瓷**的優(yōu)點(diǎn)是耐高溫和耐壓強(qiáng)度高，但易脆性斷裂。如果晶須在其內(nèi)部穿插，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，陶瓷的斷裂韌性就提高了。我們研究晶須的生長(zhǎng)條件、生長(zhǎng)規(guī)律、催化機(jī)理，最終實(shí)現(xiàn)晶須的數(shù)量、直徑和長(zhǎng)短的可控制備，讓晶須在特殊的使用場(chǎng)景發(fā)揮**的作用。

　　晶須能夠增強(qiáng)陶瓷材料性能的觀點(diǎn)已被全球陶瓷領(lǐng)域?qū)＜移毡檎J(rèn)可。對(duì)比宏觀的例子，就是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮?nèi)部有鋼筋，混凝土就牢固；鋼纖維用在混凝土和耐火材料中也能大幅提升耐火材料的中低溫強(qiáng)度，但是在高溫下鋼纖維的熔點(diǎn)不高，鋼纖維耐火澆注料通常被建議在1350℃以下使用，超過這個(gè)溫度，鋼纖維不僅無效，而且有害，會(huì)顯著降低耐火材料的高溫性能，這些鋼筋和鋼纖維是肉眼可見的。而晶須是納米到微米級(jí)的，晶須穿插形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在電子顯微鏡下才能看見。基于高溫使用條件下晶須原位生長(zhǎng)強(qiáng)化耐火材料性能這個(gè)思想，在2022年上海大學(xué)牽頭與中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的黃朝暉教授、武漢科技大學(xué)的張少偉教授聯(lián)合申請(qǐng)并獲批了國家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)項(xiàng)目。

　　《中國冶金報(bào)》記者：請(qǐng)您介紹一下國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的研究思路，在科研上取得了什么樣的成績(jī)？

　　甄強(qiáng)：這個(gè)國家自然科學(xué)基金的重點(diǎn)項(xiàng)目就是采用晶須原位生長(zhǎng)增強(qiáng)材料性能的思想。要做低碳排放的耐火材料，如果在高溫狀態(tài)下預(yù)先燒成，這樣會(huì)多浪費(fèi)一次能源。耐火材料在高溫下使用，就可以利用高溫工作環(huán)境原位生長(zhǎng)出適配的晶須。

　　免燒成耐火材料性能比不過燒成磚，但是也有很多優(yōu)點(diǎn)。免燒成耐火材料可以用澆筑的方式施工，整體性好，生產(chǎn)效率高。作為耐火材料行業(yè)的低碳生產(chǎn)發(fā)展方向，我們就要想辦法用晶須強(qiáng)化結(jié)構(gòu)、提升高溫服役性能的新技術(shù)提升免燒耐火材料的使用壽命。

　　怎么提升呢？我們的想法是使基質(zhì)料在接觸高溫時(shí)，不僅燒結(jié)，微觀結(jié)構(gòu)還能強(qiáng)化，形成晶須增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。晶須在氣孔里生長(zhǎng)，使氣孔率降低，孔徑減小，這樣就可以減少氧氣通道，納米尺度晶須的凸起結(jié)構(gòu)甚至還有“荷葉效應(yīng)”，高溫下有明顯的疏渣作用。

　　納米晶須的凸起結(jié)構(gòu)和荷葉一樣有自清潔的作用。一滴水落在荷葉上變成球形，容易滾落掉，說明水滴與荷葉不潤(rùn)濕。開始，我們的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是原位生長(zhǎng)晶須提高強(qiáng)度，填充氣孔；后來發(fā)現(xiàn)我們可以控制晶須生長(zhǎng)形成一個(gè)個(gè)凸起結(jié)構(gòu)，熔渣在上面變成球形，不能潤(rùn)濕耐火材料。這樣就賦予了耐火材料更好的抗熔渣侵蝕性能。

　　《中國冶金報(bào)》記者：晶須增強(qiáng)技術(shù)用在鐵溝料上應(yīng)用效果如何？

　　甄強(qiáng)：其實(shí)，晶須增強(qiáng)技術(shù)可用在很多地方，用于鐵溝料上是比較典型的，原因是鐵溝料平均幾個(gè)月就得更換一次。現(xiàn)在大型高爐比較多，甚至超大型高爐體積超過5000立方米。5000立方米的高爐容積大、裝料多、冶煉強(qiáng)度大、鐵水溫度高，冶煉后出鐵時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致鐵溝料抗侵蝕、**能力不足。因此，現(xiàn)在高爐出鐵溝耐火材料的平均使用壽命折合可通過鐵水量在24萬噸～26萬噸，最多通過鐵水量不到30萬噸。采用晶須增強(qiáng)技術(shù)，同時(shí)大幅提升了鐵溝料的抗侵蝕、抗沖刷、**性能。我們的合作方上海齊鑫、江蘇齊鑫把出鐵溝免燒成耐火材料用在沙鋼集團(tuán)的大型高爐上，**通鐵量突破60萬噸，鐵溝料使用壽命達(dá)到**領(lǐng)先水平。高爐主溝通鐵量高低直接決定材料成本，使用晶須增強(qiáng)技術(shù)后主溝噸鐵材料成本由2.32元降至2.16元，降本增效效果顯著。

　　目前，該技術(shù)正在逐步推廣應(yīng)用。江蘇齊鑫正計(jì)劃將晶須增強(qiáng)技術(shù)在周邊幾家耐材制造企業(yè)產(chǎn)品上應(yīng)用，以提升它們的浸入式水口、滑板等產(chǎn)品的性能，并延長(zhǎng)使用壽命。我們也計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在煉鋼用耐火材料上，如原位晶須生長(zhǎng)強(qiáng)化鎂碳磚。此前我們也做過這方面的研究，原位生長(zhǎng)的晶須顯著提升了鎂碳磚的抗熱震、**和抗侵蝕性能，并發(fā)表過相關(guān)成果。相信隨著不斷推廣應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)不僅能為更多的高爐降低生產(chǎn)成本，還能在航天工程等更多更新的應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮作用。

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