「奮鬥者」號載人潛水器在馬里亞納海溝下潛至一萬米處，此處水壓極大，相當於1個成年人同時背著萬輛1.5噸重的小汽車所承受的壓力?！笂^鬥者」號雖承受如此巨大的壓力，但執(zhí)行完任務後，能憑藉自身攜帶的固體材料無動力上浮至海面。
「這種固體材料既輕便又抗壓，其主要成分是高性能空心玻璃微珠（以下簡稱『微珠』）?！?1月2日，山西海諾科技股份有限公司（以下簡稱「山西海諾」）董事長申鵬展解釋道，微珠被譽為「魔粉」，3800萬顆微珠的重量加起來才1克，最小粒徑僅有頭髮絲的1/30，但抗壓強度極高，最大抗壓超過180兆帕，是當之無愧的戰(zhàn)略新材料。
山西海諾的科研團隊歷經(jīng)10多年試驗，成功研發(fā)出微珠工業(yè)化製備工藝和設備，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了微珠的國產(chǎn)化替代。運用該技術(shù)生產(chǎn)的微珠，各項技術(shù)參數(shù)均達到國際先進水平。近日，山西海諾的「一種空心玻璃微珠的製備方法」發(fā)明專利榮獲第二十五屆中國專利獎優(yōu)秀獎，這是近年來國內(nèi)微珠新材料知識產(chǎn)權(quán)領域獲得的最高獎項。
眼睛看到的高性能空心玻璃微珠
誓要突破微珠生產(chǎn)工藝壟斷
初秋時節(jié)，記者走進山西晉城市高平馬村工業(yè)園區(qū)的山西海諾，探尋微珠的工業(yè)化生產(chǎn)情況。
在展廳里，記者通過電子顯微鏡，目睹了「魔粉」的真容：數(shù)百倍放大後，微珠像小玻璃珠，外壁薄，內(nèi)部中空。「微珠中空部分填充的是惰性氣體?！股轿骱ＶZ董事會秘書趙慧龍介紹，因其獨特的中空球形結(jié)構(gòu)，它不僅具有密度低、導熱系數(shù)低、抗壓強度高、耐高溫、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，還具備絕緣、自潤滑、隔音、耐火、耐腐蝕、防輻射、無毒以及表面易改性等特殊性能。
微珠是微米級的非金屬輕質(zhì)無機材料，既可單獨使用，也可作為輕質(zhì)填料製備複合材料，被廣泛應用於航天、海洋、油田、電子、建築等領域。「我首次接觸微珠，就被它的奇異性能和廣泛用途震驚了?！股犍i展回憶道。更讓他震驚的是，微珠生產(chǎn)技術(shù)一直被美國公司壟斷?！肝⒅閷υ蹅儊碚f是『卡脖子』產(chǎn)品，國內(nèi)應用幾乎全靠高價進口。」申鵬展說，中國科學院等科研人員對微珠的研究取得了一定成果，但生產(chǎn)僅停留在實驗室或小規(guī)模階段，未實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，產(chǎn)量無法滿足需求。
電子顯微鏡下的高性能空心玻璃微珠
神奇的微珠，讓當時20多歲的申鵬展看到了商機。此時，他已在煤炭領域深耕多年，成功賺取了人生第一桶金，正思謀二次創(chuàng)業(yè)，投身更有前景的科技產(chǎn)業(yè)?！肝艺J定微珠產(chǎn)業(yè)前景廣闊?！股犍i展說，特別是微珠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，既能擺脫受制於人的局面，解決戰(zhàn)略新材料需求，還能實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展，「這不是利國利民的好事嗎？」
2008年起，申鵬展出資邀請中國科學院研究所、中北大學等專家參與，組織科研團隊開展微珠產(chǎn)業(yè)化試驗，研發(fā)微珠工業(yè)化生產(chǎn)工藝和設備?！肝医o公司取名『海諾』，源自『海納百川、一諾千金』，寓意『匯聚天下英才，一定要把我們認定的事業(yè)做成』，也蘊含著我在心底許下的大海般的承諾：『讓中國的企業(yè)用上世界上最好的高性能空心玻璃微珠』！」他堅定地說。
萬次試驗找到產(chǎn)業(yè)化工藝路線
當時，微珠生產(chǎn)工藝包括：美國3M公司的固相玻璃粉末法、美國PQ公司的液相霧化法，以及中國科學院理化技術(shù)研究所的軟化學製備法。趙慧龍?zhí)寡裕骸敢蛑R產(chǎn)權(quán)等種種原因，這些工藝我們無法使用。我們要研發(fā)一種適合國內(nèi)工業(yè)化大批量生產(chǎn)的工藝，真正實現(xiàn)微珠戰(zhàn)略新材料的國產(chǎn)替代?！?/p>
工業(yè)化生產(chǎn)，需從小試做起?？蒲袌F隊決定從5公斤小試入手，驗證工藝可行性，鎖定關鍵參數(shù)。在太行山上的山西海諾廠房裏，高溫成球爐首次點燃時，團隊成員滿懷期待。他們依據(jù)理論認知，將二氧化矽、金屬原料按一定比例配製成漿料，經(jīng)過磨漿、均質(zhì)化、燒制等工序，期待首批微珠誕生。然而，成球爐冷卻後，一堆次品澆滅了所有熱情：空心微珠要麼變成了實心玻璃球，要麼黏成了一團。
團隊調(diào)整原料比例、增加磨漿細膩度、加大均質(zhì)化壓力、優(yōu)化燒結(jié)溫度……經(jīng)過百十次試驗，數(shù)據(jù)記錄本摞得老高，但成功仍遙不可及。申鵬展感慨道：「微珠生產(chǎn)理論看似簡單，背後卻藏著無數(shù)待解的技術(shù)密碼。原料比例稍有偏差，成品就可能面目全非；燒結(jié)溫度多升幾度，空心結(jié)構(gòu)就可能坍塌；就連均質(zhì)化時的壓力波動，都可能導致微珠粘黏。從論文到工廠生產(chǎn)線，確實難如西天取經(jīng)。一次試驗成本近千元，投入似無底洞。我也有點底虛了，望著一堆堆次品，經(jīng)常整夜失眠?！?/p>
從實驗室到生產(chǎn)線，科研成果轉(zhuǎn)化並不輕鬆。2010年起，申鵬展和科研團隊乾脆吃住在實驗室，一起尋找問題癥結(jié)，緊盯每一道工序。反覆配比、調(diào)整數(shù)值、不斷實驗……他們探明了微珠工業(yè)化生產(chǎn)的原料配方、研磨細度、均質(zhì)化程度、噴霧造粒粒徑控制、燒結(jié)火焰溫度等關鍵數(shù)據(jù)，邁出了微珠工業(yè)化製備的重要一步。
微珠高溫強化成球工序
從小試到中試，經(jīng)過5公斤、50公斤、100公斤、500公斤的遞進式試驗和上萬次實驗，2012年，山西海諾科研團隊終於研發(fā)出能耗小、成球率高的微珠生產(chǎn)工藝：將二氧化矽等多組分原料配製，磨成原料漿，再均質(zhì)化，噴霧造粒得到空心玻璃微珠坯體，坯體經(jīng)高溫強化成球，獲得最終產(chǎn)品。在公司庫房裏，實驗數(shù)據(jù)本一摞摞堆放，泛黃的紙上記錄著一個個數(shù)據(jù)，無聲訴說著成果轉(zhuǎn)化的艱辛。次年，該工藝申請並獲得了發(fā)明專利。趙慧龍說，這個工藝配方可調(diào)配、生產(chǎn)成本低、簡單易控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，更適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
在山西省工信、科技、發(fā)改、知識產(chǎn)權(quán)等有關部門支持下，2015年，山西海諾建成國內(nèi)首條擁有高性能空心玻璃微珠製備技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了微珠從實驗室到規(guī)?；a(chǎn)的跨越，能夠量產(chǎn)微珠低、中、高全密度系列產(chǎn)品。2021年，又建成國內(nèi)唯一萬噸級微珠智能生產(chǎn)線。申鵬展自豪地說：「經(jīng)權(quán)威部門檢驗，我們生產(chǎn)的多數(shù)型號產(chǎn)品抗壓強度、粒徑分布等核心指標處於國際領先水平，但成本僅為進口的1/3?！股轿骱ＶZ的「微球代木復材製備」項目列入山西省級專利轉(zhuǎn)化推廣項目，並通過了「專利密集型產(chǎn)品」認證。
工欲善其事，必先利其器。山西海諾科研團隊不僅試驗微珠生產(chǎn)工藝，還同步研製生產(chǎn)設備。申鵬展說：「微珠一條生產(chǎn)線有幾十臺大大小小的設備，這些設備都是我們自主研製的?！乖谘醒u過程中，沒有成熟設備可供參考，從第一道工序到最後一道工序的每臺設備，都靠團隊自己摸索和完善。
微珠小試時，其中一道工藝是烘乾噴霧造粒後的微珠坯體，這需要特製烘乾設備。趙慧龍回憶說：「微珠粒徑不到100微米，壁厚只有1-2微米，質(zhì)量特別輕，對生產(chǎn)設備要求非常高?！故袌錾腺I不到現(xiàn)成設備，他們輾轉(zhuǎn)到了江蘇，聯(lián)繫上一家願意嘗試的企業(yè)。但對方聽了生產(chǎn)描述和數(shù)據(jù)介紹後，連連搖頭表示沒生產(chǎn)過。他們詢問：「你們生產(chǎn)過洗煤廠烘乾設備吧？」得到肯定答覆後，說那就照著樣子生產(chǎn)。中間他們和企業(yè)人員修改了六七次樣品，終於製造出生產(chǎn)微珠的烘乾設備。
噴霧乾燥設備
申鵬展補充說：「我們本地工業(yè)製造基礎薄弱，沒有配套科研服務機構(gòu)提供技術(shù)支撐，還缺少懂行的專業(yè)人才把控細節(jié)。從小試到中試，再到規(guī)模化生產(chǎn)，製備微珠的一臺臺設備，都是在全國各地找廠家訂製的，有時一臺設備得由兩三個省的八九家企業(yè)協(xié)同完成。這個過程，每一步都很艱辛，每一個環(huán)節(jié)都困難重重！」
無論是微珠量產(chǎn)的一次次跨越，還是生產(chǎn)工藝的一次次修改完善，都對設備提出了更高要求。實驗團隊必須對一臺臺設備進行更新優(yōu)化，有時還得「推倒重來」。趙慧龍說：「每提升一個產(chǎn)能量級，原有的設備就難以適配，必須重新設計、重新研製，沒有任何捷徑可走。」他舉例說，微珠要在600-1000度不同溫度曲線的高溫火焰中過火強化，這對燃燒爐的性能要求很高。「我們設計圖紙，指導南方幾家企業(yè)加工，折騰了好幾年，才製造出既能調(diào)節(jié)火焰溫度、又保證過火均勻、還能自動控制風力、便於頂部收集微珠的爐子。」趙慧龍說，這個爐子全世界獨一無二，目前已獲我國實用新型專利。
從微珠生產(chǎn)中必需的除塵設備、攪拌式反應釜，到核心的空心玻璃微珠成球爐、分級設備，再到收集裝置、烘乾裝置、表面處理裝置，乃至最後的包裝機，微珠工業(yè)化生產(chǎn)的全流程設備都烙著山西海諾自主研發(fā)的印記。申鵬展說，研製的這些設備讓他們獲得了11項實用新型專利，正在申請和準備申請的還有好幾十項，這也讓他們有底氣製備中國自己的高性能微珠。
秋日採訪時，記者看到廠區(qū)沿牆堆放著一臺臺廢棄設備，有的已鏽跡斑斑，有的仍鋥亮如新。申鵬展感慨道：「這些設備是我們研發(fā)路上『失敗的傑作』，每臺都對應著一次試驗碰壁，記錄著一次方案調(diào)整，當然也對應著一次次研製成功?！?/p>
不懈探索，終有迴響。山西海諾以1.5萬噸產(chǎn)能，成為國內(nèi)微珠生產(chǎn)規(guī)模最大的企業(yè)、國家級專精特新「小巨人」企業(yè)。其產(chǎn)品已應用於油田固井、改性塑料、膠粘劑、塗料、橡膠、代木、PCB等領域。僅中國海洋石油集團就累計使用1.5萬多噸，替代了進口產(chǎn)品，節(jié)省石油開採成本約6億元。申鵬展表示：「我們牢記『做世界領先的高性能空心玻璃微珠新材料企業(yè)』的初衷，讓中國企業(yè)用上世界最好的空心微珠材料！」（王利萍 來源 科技日報）
頂圖：山西海諾微珠展廳
電話：（香港）852-2564 0768
（深圳）86-755-83518792 83518734 83518291
地址：香港九龍觀塘道332號香港商報大廈
