3800萬(wàn)粒重量?jī)H1克——“高性能空心玻璃微珠”國(guó)產(chǎn)化紀(jì)實(shí)

“奮斗者”號(hào)載人潛水器在馬里亞納海溝下潛至一萬(wàn)米處，此處水壓極大，相當(dāng)于1個(gè)成年人同時(shí)背著萬(wàn)輛1.5噸重的小汽車所承受的壓力。“奮斗者”號(hào)雖承受如此巨大的壓力，但執(zhí)行完任務(wù)后，能憑借自身攜帶的固體材料無(wú)動(dòng)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(jiǎn)稱‘微珠’）。”11月2日，山西海諾科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“山西海諾”）董事長(zhǎng)申鵬展解釋道，微珠被譽(yù)為“魔粉”，3800萬(wàn)顆微珠的重量加起來(lái)才1克，最小粒徑僅有頭發(fā)絲的1/30，但抗壓強(qiáng)度極高，最大抗壓超過(guò)180兆帕，是當(dāng)之無(wú)愧的戰(zhàn)略新材料。

山西海諾的科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)10多年試驗(yàn)，成功研發(fā)出微珠工業(yè)化制備工藝和設(shè)備，打破了國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)了微珠的國(guó)產(chǎn)化替代。運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)的微珠，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。近日，山西海諾的“一種空心玻璃微珠的制備方法”發(fā)明專利榮獲第二十五屆中國(guó)專利獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)，這是近年來(lái)國(guó)內(nèi)微珠新材料知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域獲得的最高獎(jiǎng)項(xiàng)。

圖為山西海諾微珠展廳。

誓要突破微珠生產(chǎn)工藝壟斷

初秋時(shí)節(jié)，記者走進(jìn)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(guò)電子顯微鏡，目睹了“魔粉”的真容：數(shù)百倍放大后，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。”山西海諾董事會(huì)秘書(shū)趙慧龍介紹，因其獨(dú)特的中空球形結(jié)構(gòu)，它不僅具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、抗壓強(qiáng)度高、耐高溫、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，還具備絕緣、自潤(rùn)滑、隔音、耐火、耐腐蝕、防輻射、無(wú)毒以及表面易改性等特殊性能。

微珠是微米級(jí)的非金屬輕質(zhì)無(wú)機(jī)材料，既可單獨(dú)使用，也可作為輕質(zhì)填料制備復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于航天、海洋、油田、電子、建筑等領(lǐng)域。“我首次接觸微珠，就被它的奇異性能和廣泛用途震驚了。”申鵬展回憶道。更讓他震驚的是，微珠生產(chǎn)技術(shù)一直被美國(guó)公司壟斷。“微珠對(duì)咱們來(lái)說(shuō)是‘卡脖子’產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)應(yīng)用幾乎全靠高價(jià)進(jìn)口。”申鵬展說(shuō)，中國(guó)科學(xué)院等科研人員對(duì)微珠的研究取得了一定成果，但生產(chǎn)僅停留在實(shí)驗(yàn)室或小規(guī)模階段，未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)，產(chǎn)量無(wú)法滿足需求。

圖為眼睛看到的高性能空心玻璃微珠。

圖為電子顯微鏡下的高性能空心玻璃微珠。

神奇的微珠，讓當(dāng)時(shí)20多歲的申鵬展看到了商機(jī)。此時(shí)，他已在煤炭領(lǐng)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)。“我認(rèn)定微珠產(chǎn)業(yè)前景廣闊。”申鵬展說(shuō)，特別是微珠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，既能擺脫受制于人的局面，解決戰(zhàn)略新材料需求，還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展，“這不是利國(guó)利民的好事嗎？”

2008年起，申鵬展出資邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院研究所、中北大學(xué)等專家參與，組織科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)展微珠產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)，研發(fā)微珠工業(yè)化生產(chǎn)工藝和設(shè)備。“我給公司取名‘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(rèn)定的事業(yè)做成’，也蘊(yùn)含著我在心底許下的大海般的承諾：‘讓中國(guó)的企業(yè)用上世界上最好的高性能空心玻璃微珠’！”他堅(jiān)定地說(shuō)。

萬(wàn)次試驗(yàn)找到產(chǎn)業(yè)化工藝路線

當(dāng)時(shí)，微珠生產(chǎn)工藝包括：美國(guó)3M公司的固相玻璃粉末法、美國(guó)PQ公司的液相霧化法，以及中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的軟化學(xué)制備法。趙慧龍?zhí)寡裕骸耙蛑R(shí)產(chǎn)權(quán)等種種原因，這些工藝我們無(wú)法使用。我們要研發(fā)一種適合國(guó)內(nèi)工業(yè)化大批量生產(chǎn)的工藝，真正實(shí)現(xiàn)微珠戰(zhàn)略新材料的國(guó)產(chǎn)替代。”

工業(yè)化生產(chǎn)，需從小試做起。科研團(tuán)隊(duì)決定從5公斤小試入手，驗(yàn)證工藝可行性，鎖定關(guān)鍵參數(shù)。在太行山上的山西海諾廠房里，高溫成球爐首次點(diǎn)燃時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員滿懷期待。他們依據(jù)理論認(rèn)知，將二氧化硅、金屬原料按一定比例配制成漿料，經(jīng)過(guò)磨漿、均質(zhì)化、燒制等工序，期待首批微珠誕生。然而，成球爐冷卻后，一堆次品澆滅了所有熱情：空心微珠要么變成了實(shí)心玻璃球，要么黏成了一團(tuán)。

團(tuán)隊(duì)調(diào)整原料比例、增加磨漿細(xì)膩度、加大均質(zhì)化壓力、優(yōu)化燒結(jié)溫度……經(jīng)過(guò)百十次試驗(yàn)，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(jiǎn)單，背后卻藏著無(wú)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(shí)的壓力波動(dòng)，都可能導(dǎo)致微珠粘黏。從論文到工廠生產(chǎn)線，確實(shí)難如西天取經(jīng)。一次試驗(yàn)成本近千元，投入似無(wú)底洞。我也有點(diǎn)底虛了，望著一堆堆次品，經(jīng)常整夜失眠。”

從實(shí)驗(yàn)室到生產(chǎn)線，科研成果轉(zhuǎn)化并不輕松。2010年起，申鵬展和科研團(tuán)隊(duì)干脆吃住在實(shí)驗(yàn)室，一起尋找問(wèn)題癥結(jié)，緊盯每一道工序。反復(fù)配比、調(diào)整數(shù)值、不斷實(shí)驗(yàn)……他們探明了微珠工業(yè)化生產(chǎn)的原料配方、研磨細(xì)度、均質(zhì)化程度、噴霧造粒粒徑控制、燒結(jié)火焰溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，邁出了微珠工業(yè)化制備的重要一步。

從小試到中試，經(jīng)過(guò)5公斤、50公斤、100公斤、500公斤的遞進(jìn)式試驗(yàn)和上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)，2012年，山西海諾科研團(tuán)隊(duì)終于研發(fā)出能耗小、成球率高的微珠生產(chǎn)工藝：將二氧化硅等多組分原料配制，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(qiáng)化成球，獲得最終產(chǎn)品。在公司庫(kù)房里，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本一摞摞堆放，泛黃的紙上記錄著一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)，無(wú)聲訴說(shuō)著成果轉(zhuǎn)化的艱辛。次年，該工藝申請(qǐng)并獲得了發(fā)明專利。趙慧龍說(shuō)，這個(gè)工藝配方可調(diào)配、生產(chǎn)成本低、簡(jiǎn)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(shí)產(chǎn)權(quán)等有關(guān)部門支持下，2015年，山西海諾建成國(guó)內(nèi)首條擁有高性能空心玻璃微珠制備技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了微珠從實(shí)驗(yàn)室到規(guī)模化生產(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(guó)內(nèi)唯一萬(wàn)噸級(jí)微珠智能生產(chǎn)線。申鵬展自豪地說(shuō)：“經(jīng)權(quán)威部門檢驗(yàn)，我們生產(chǎn)的多數(shù)型號(hào)產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度、粒徑分布等核心指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，但成本僅為進(jìn)口的1/3。”山西海諾的“微球代木復(fù)材制備”項(xiàng)目列入山西省級(jí)專利轉(zhuǎn)化推廣項(xiàng)目，并通過(guò)了“專利密集型產(chǎn)品”認(rèn)證。

同步攻關(guān)研制配套裝備

工欲善其事，必先利其器。山西海諾科研團(tuán)隊(duì)不僅試驗(yàn)微珠生產(chǎn)工藝，還同步研制生產(chǎn)設(shè)備。申鵬展說(shuō)：“微珠一條生產(chǎn)線有幾十臺(tái)大大小小的設(shè)備，這些設(shè)備都是我們自主研制的。”在研制過(guò)程中，沒(méi)有成熟設(shè)備可供參考，從第一道工序到最后一道工序的每臺(tái)設(shè)備，都靠團(tuán)隊(duì)自己摸索和完善。

微珠小試時(shí)，其中一道工藝是烘干噴霧造粒后的微珠坯體，這需要特制烘干設(shè)備。趙慧龍回憶說(shuō)：“微珠粒徑不到100微米，壁厚只有1-2微米，質(zhì)量特別輕，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求非常高。”市場(chǎng)上買不到現(xiàn)成設(shè)備，他們輾轉(zhuǎn)到了江蘇，聯(lián)系上一家愿意嘗試的企業(yè)。但對(duì)方聽(tīng)了生產(chǎn)描述和數(shù)據(jù)介紹后，連連搖頭表示沒(méi)生產(chǎn)過(guò)。他們?cè)儐?wèn)：“你們生產(chǎn)過(guò)洗煤廠烘干設(shè)備吧？”得到肯定答復(fù)后，說(shuō)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，終于制造出生產(chǎn)微珠的烘干設(shè)備。

申鵬展補(bǔ)充說(shuō)：“我們本地工業(yè)制造基礎(chǔ)薄弱，沒(méi)有配套科研服務(wù)機(jī)構(gòu)提供技術(shù)支撐，還缺少懂行的專業(yè)人才把控細(xì)節(jié)。從小試到中試，再到規(guī)模化生產(chǎn)，制備微珠的一臺(tái)臺(tái)設(shè)備，都是在全國(guó)各地找廠家訂制的，有時(shí)一臺(tái)設(shè)備得由兩三個(gè)省的八九家企業(yè)協(xié)同完成。這個(gè)過(guò)程，每一步都很艱辛，每一個(gè)環(huán)節(jié)都困難重重！”

無(wú)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(duì)設(shè)備提出了更高要求。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)必須對(duì)一臺(tái)臺(tái)設(shè)備進(jìn)行更新優(yōu)化，有時(shí)還得“推倒重來(lái)”。趙慧龍說(shuō)：“每提升一個(gè)產(chǎn)能量級(jí)，原有的設(shè)備就難以適配，必須重新設(shè)計(jì)、重新研制，沒(méi)有任何捷徑可走。”他舉例說(shuō)，微珠要在600-1000度不同溫度曲線的高溫火焰中過(guò)火強(qiáng)化，這對(duì)燃燒爐的性能要求很高。“我們?cè)O(shè)計(jì)圖紙，指導(dǎo)南方幾家企業(yè)加工，折騰了好幾年，才制造出既能調(diào)節(jié)火焰溫度、又保證過(guò)火均勻、還能自動(dòng)控制風(fēng)力、便于頂部收集微珠的爐子。”趙慧龍說(shuō)，這個(gè)爐子全世界獨(dú)一無(wú)二，目前已獲我國(guó)實(shí)用新型專利。

從微珠生產(chǎn)中必需的除塵設(shè)備、攪拌式反應(yīng)釜，到核心的空心玻璃微珠成球爐、分級(jí)設(shè)備，再到收集裝置、烘干裝置、表面處理裝置，乃至最后的包裝機(jī)，微珠工業(yè)化生產(chǎn)的全流程設(shè)備都烙著山西海諾自主研發(fā)的印記。申鵬展說(shuō)，研制的這些設(shè)備讓他們獲得了11項(xiàng)實(shí)用新型專利，正在申請(qǐng)和準(zhǔn)備申請(qǐng)的還有好幾十項(xiàng)，這也讓他們有底氣制備中國(guó)自己的高性能微珠。

秋日采訪時(shí)，記者看到廠區(qū)沿墻堆放著一臺(tái)臺(tái)廢棄設(shè)備，有的已銹跡斑斑，有的仍锃亮如新。申鵬展感慨道：“這些設(shè)備是我們研發(fā)路上‘失敗的杰作’，每臺(tái)都對(duì)應(yīng)著一次試驗(yàn)碰壁，記錄著一次方案調(diào)整，當(dāng)然也對(duì)應(yīng)著一次次研制成功。”

不懈探索，終有回響。山西海諾以1.5萬(wàn)噸產(chǎn)能，成為國(guó)內(nèi)微珠生產(chǎn)規(guī)模最大的企業(yè)、國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)。其產(chǎn)品已應(yīng)用于油田固井、改性塑料、膠粘劑、涂料、橡膠、代木、PCB等領(lǐng)域。僅中國(guó)海洋石油集團(tuán)就累計(jì)使用1.5萬(wàn)多噸，替代了進(jìn)口產(chǎn)品，節(jié)省石油開(kāi)采成本約6億元。申鵬展表示：“我們牢記‘做世界領(lǐng)先的高性能空心玻璃微珠新材料企業(yè)’的初衷，讓中國(guó)企業(yè)用上世界最好的空心微珠材料！”

【編輯：彭欣】