今年3月份，在第51届日内瓦国际发明展上，上海大学甄强教授团队完成的“动态高温条件下自生长纳米低维相增强长寿命免烧成耐火材料的技术与应用”项目获得该展会金奖。据悉，日内瓦国际发明展由‌瑞士联邦政府‌、‌日内瓦州政府‌、‌日内瓦市政府‌、‌世界知识产权组织（WIPO）联合主办，且被公认为全球最具影响力的发明展会，常被誉为“发明界的奥林匹克”。该评审团由‌80 多位‌来自全球的独立专家组成。这些专家包括诺贝尔奖获得者和国外知名院士，确保了评选的专业性和权威性，也从自主创新、实用价值、商业价值等多角度评价技术发明成果。

　　这项技术到底有哪些独特之处，何以获得金奖？带着这份好奇，日前，《中国冶金报》记者采访了该技术的研发团队领衔人——上海大学教授甄强，他也是上海市先进陶瓷智能设计与制造专业技术服平台的主任。

　　“该技术能够得到这么多国际评审专家的一致青睐，实在不易。”甄强说，日内瓦国际发明展是世界知识产权组织主办的全球影响力最大的展会，自该展举办以来，国内外耐火材料领域还没单位申报过这个奖项，更别提获得金奖了。

（甄强教授在法国留学时，到卢浮宫参观留影）

　　《中国冶金报》记者：晶须增强技术有哪些核心特点？

　　甄强：随着钢铁工业向绿色低碳转型，近些年免烧成耐火材料成为重要的发展方向。免烧成耐火材料由预先高温煅烧过的多种级配的颗粒料和细粉基质料组成。基质部分，尤其是基质中的气孔，是免烧成耐火材料最薄弱的部位，在高温使用时容易被氧化和侵蚀，最终缩短了整个耐火材料的寿命。此外，面对着钢铁冶炼时瞬间1500℃到1700℃的动态高温变化，耐火材料内部存在巨大的温度梯度，如果材料的抗热震性能不足，可能引起灾难性的事故。破解行业难题，不能仅仅依靠原料配方的调整和优化，需要对免烧成耐火材料有新的认识，和变革性的技术创新。过去，大家对免烧成耐火材料的认识是：生产时不需要高温烧结，在高温使用时免烧成耐火材料的工作面接触高温开始烧结，工作面被侵蚀时，内部继续烧结，形成新的工作面，直至耐火材料不能继续使用。在国家自然科学基金重点项目的支持下，我们项目团队依靠三大核心技术，通过高温使用条件下改变免烧成耐火材料微观结构，强化材料的高温性能。一是高温下催化晶须生长形成低维纳米相网络结构，既可强化基质部分，又能减少气孔，降低气孔率。二是在动态高温环境下，耐火材料内部自发形成多种晶须强化的梯度结构，适配巨大的梯度温度环境，大幅提升抗热震性能。三是优化基质组成，让低熔点物质重构成为耐高温化合物，提升耐火材料高温性能。原位生长晶须、晶片强化耐火材料性能技术是一项低碳环保的技术，不仅能解决当下免烧成耐火材料的难题，还能服务高温装备，守护高温安全，助力绿色发展。

　　《中国冶金报》记者：为什么会考虑晶须增强技术？

　　甄强：我们搞科研，必须尊重实验结果。如果学生在实验过程中出现异常结果，经过重复验证还是这样，可能会有重大发现。因为试验结果反常识，这说明我们过去的认识有问题。如果性能特别好，也需要再一次验证。如果可重复验证，我们讨论原因，把原理搞清楚。我们研究的多种晶须梯次生长强化梯度结构免烧成耐火材料，就做了大量的实验，我们需要验证可靠性，我们还需要进行理论计算，确认晶须生长的机制、晶须数量、尺寸是否可控、是否起到了增强作用，计算结果、实验结果要能相互支撑。

　　做科研，不仅要尊重实验，还必须有创新思维。在我们团队，必须做实验，而且要有可重复的实验结果。实验没有成功也没关系，这说明一定还有很多规律没有认识到。早期，晶须增强的耐火材料的耐压强度从30兆帕提升到60兆帕，观察微观结构发现有许多晶须。这个现象是否适合其他耐火材料？我们采用多种技术验证，开发出多种晶须，结果一致，都是原位生长出来的，都有强化耐火材料高温性能的作用。

　　《中国冶金报》记者：据了解，您从事相关技术研究多年，也曾在上海市获奖。请您介绍这项技术研究的背景，取得过哪些成就？

　　甄强：最初，我们只发现了纳米碳管，长出来碳纳米线，还有碳化硅晶须。我们发现一些材料的性能提高了将近一倍，查看它的微观结构，晶须形成了网络结构，让材料性能越来越好。既然晶须对提升耐火材料高温性能有好的效果，我们就开始研究，如果这套理论可行的话，能不能再开发出更好的晶须？

　　围绕着这个方向，我们团队开发了10多种耐高温、高强度晶须，如碳化硅、碳化铝、碳化锆、碳化钽、碳化铪等，还有碳化铝-碳化硅的复合物晶须，我们称之为铝硅碳晶须。碳化钽未来准备用在第三代半导体碳化硅单晶外延生长用在耐火材料中，工作温度可达2000摄氏度以上。

　　碳化铪、碳化锆，碳化钛、碳化钽、碳化铪-碳化钽、硼化锆等晶须和硼化钛晶片，都是超高温陶瓷，已经不是普通意义的耐火材料。这些材料的熔点都在2500摄氏度~3000摄氏度。未来，这些超高温陶瓷晶须和晶片可用于超高温的航天领域，比如晶须增强的抗烧蚀陶瓷涂层。陶瓷最大的优点是耐高温和耐压强度高，但易脆性断裂。如果晶须在其内部穿插，形成网络结构，陶瓷的断裂韧性就提高了。我们研究晶须的生长条件、生长规律、催化机理，最终实现晶须的数量、直径和长短的可控制备，让晶须在特殊的使用场景发挥最大的作用。

　　晶须能够增强陶瓷材料性能的观点已被全球陶瓷领域专家普遍认可。对比宏观的例子，就是钢筋混凝土结构，因为内部有钢筋，混凝土就牢固；钢纤维用在混凝土和耐火材料中也能大幅提升耐火材料的中低温强度，但是在高温下钢纤维的熔点不高，钢纤维耐火浇注料通常被建议在1350℃以下使用，超过这个温度，钢纤维不仅无效，而且有害，会显著降低耐火材料的高温性能，这些钢筋和钢纤维是肉眼可见的。而晶须是纳米到微米级的，晶须穿插形成的网络结构，在电子显微镜下才能看见。基于高温使用条件下晶须原位生长强化耐火材料性能这个思想，在2022年上海大学牵头与中国地质大学（北京）的黄朝晖教授、武汉科技大学的张少伟教授联合申请并获批了国家自然科学基金的重点项目。

　　《中国冶金报》记者：请您介绍一下国家自然科学基金重点项目的研究思路，在科研上取得了什么样的成绩？

　　甄强：这个国家自然科学基金的重点项目就是采用晶须原位生长增强材料性能的思想。要做低碳排放的耐火材料，如果在高温状态下预先烧成，这样会多浪费一次能源。耐火材料在高温下使用，就可以利用高温工作环境原位生长出适配的晶须。

　　免烧成耐火材料性能比不过烧成砖，但是也有很多优点。免烧成耐火材料可以用浇筑的方式施工，整体性好，生产效率高。作为耐火材料行业的低碳生产发展方向，我们就要想办法用晶须强化结构、提升高温服役性能的新技术提升免烧耐火材料的使用寿命。

　　怎么提升呢？我们的想法是使基质料在接触高温时，不仅烧结，微观结构还能强化，形成晶须增强的网络结构。晶须在气孔里生长，使气孔率降低，孔径减小，这样就可以减少氧气通道，纳米尺度晶须的凸起结构甚至还有“荷叶效应”，高温下有明显的疏渣作用。

　　纳米晶须的凸起结构和荷叶一样有自清洁的作用。一滴水落在荷叶上变成球形，容易滚落掉，说明水滴与荷叶不润湿。开始，我们的实验目标是原位生长晶须提高强度，填充气孔；后来发现我们可以控制晶须生长形成一个个凸起结构，熔渣在上面变成球形，不能润湿耐火材料。这样就赋予了耐火材料更好的抗熔渣侵蚀性能。

　　《中国冶金报》记者：晶须增强技术用在铁沟料上应用效果如何？

　　甄强：其实，晶须增强技术可用在很多地方，用于铁沟料上是比较典型的，原因是铁沟料平均几个月就得更换一次。现在大型高炉比较多，甚至超大型高炉体积超过5000立方米。5000立方米的高炉容积大、装料多、冶炼强度大、铁水温度高，冶炼后出铁时间长，导致铁沟料抗侵蚀、抗氧化能力不足。因此，现在高炉出铁沟耐火材料的平均使用寿命折合可通过铁水量在24万吨～26万吨，最多通过铁水量不到30万吨。采用晶须增强技术，同时大幅提升了铁沟料的抗侵蚀、抗冲刷、抗氧化性能。我们的合作方上海齐鑫、江苏齐鑫把出铁沟免烧成耐火材料用在沙钢集团的大型高炉上，最高通铁量突破60万吨，铁沟料使用寿命达到国际领先水平。高炉主沟通铁量高低直接决定材料成本，使用晶须增强技术后主沟吨铁材料成本由2.32元降至2.16元，降本增效效果显著。

　　目前，该技术正在逐步推广应用。江苏齐鑫正计划将晶须增强技术在周边几家耐材制造企业产品上应用，以提升它们的浸入式水口、滑板等产品的性能，并延长使用寿命。我们也计划将这项技术应用在炼钢用耐火材料上，如原位晶须生长强化镁碳砖。此前我们也做过这方面的研究，原位生长的晶须显著提升了镁碳砖的抗热震、抗氧化和抗侵蚀性能，并发表过相关成果。相信随着不断推广应用，这项技术不仅能为更多的高炉降低生产成本，还能在航天工程等更多更新的应用场景发挥作用。