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，该展会评委团由院士领衔的80位到100位国际专家组成,从自主创新、实用价值、商业价值等多角度评价技术。这项技术到底有哪些独特之处,何以获得金奖?

晶须增强技术有哪些核心特点？随着钢铁工业向绿色低碳转型，免烧成耐火材料成为新的发展方向。破解行业难题源自创新，依靠三大核心技术，重塑材料的极限性能。一是高温下催化晶须生长形成一维纳米相网络结构，既可强化机制又能减少气孔。二是在动态高温环境下，耐火材料内部自发形成晶须增强梯度结构，适配梯度温度环境,抗热震性能提升8倍以上。三是优化机制组成，让低温物质重构为耐高温化合物，升级耐高温性能。晶须增强技术是一项低碳环保的技术，不仅能解决当下难题,还能服务高温装备，守护高温安全，助力绿色发展。

为什么晶须增强技术能在甄强教授团队产生？早期，晶须增强的耐火材料强度从30兆帕提升到60兆帕，查看微观发现有许多晶须。这个现象是否适合所有的材料？我们采用多种技术验证结果一致，都是原位长出来的，不是外加进去的。起初，我们只发现了纳米碳管，长出来碳纳米线，还有碳化硅纳米管。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，能不能再找出更好的晶须?

围绕着这个课题,我们团队开发了10多种材质的晶须，如碳化硅、碳化铝、碳化锆、碳化钽等，还有碳化铝和碳化硅的复合晶须，我们称之为铝硅碳晶须。碳化钽未来准备用在冶炼半导体材料的窑炉，工作温度可达2000摄氏度。含碳化铪、碳化锆、碳化钛、碳化铪等材质的晶须，都被列为超高温陶瓷，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,超高温陶瓷用处特别大。陶瓷最大的优点是耐高温、耐压,但易脆性断裂。如果晶须在其内部穿插,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、生长温度、催化剂和晶须的可控制备，因此现在我们团队很容易产出高水平的论文。

晶须能够增强陶瓷材料性能的观点已被专家认可。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；玻璃石英纤维增强混凝土强度，这些是肉眼可见的。晶须是纳米级的，晶须穿插的网络结构，在电子显微镜下才能看见。基于这个创新思想，我们在2024年拿到了国家自然科学基金的重点项目。

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还是采用晶须增强材料性能的思想。要做低碳排放的材料，就不能在高温状态下预先烧成,这样会浪费一次能源。耐火材料在高温下使用，利用高温环境烧结，就是免烧成耐火材料。烧成砖由颗粒细粉锻压后高温烧成。免烧砖由颗粒和细粉混合成型，在高温环境下烧结表面被腐蚀掉后再烧结。

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灌浆的办法做出来，整体性好，施工方便。作为发展方向，我们就要想办法提升免烧耐火材料的性能。那么，免烧成耐火材料性能弱在哪？颗粒料是矿石原料经过高温煅烧，因此颗粒料本身耐高温。颗粒料由大颗粒、中颗粒、小颗粒形成最紧密堆积，中间缝隙由细粉料填充的，细粉料就成为免烧成耐火材料的弱点。颗粒料占比达到70%以上，机制料占不到30%，用晶须增强技术提升机制料性能，免烧成耐火材料整体性能就可提升。

怎么提升呢？我们的想法是使机制料在接触高温时，不仅烧结，微观结构还能变化，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，减少氧化通道，甚至还有荷叶效应。纳米晶须凸起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，不产生润湿效果。初始，我们的实验目标是长晶须提高强度，填充气孔；后来发现纳米碳管表面毛茸茸的，形成一个个小凸起，钢渣在上面变成球形，不能润湿耐火材料。这是我们的一项技术创新。

晶须增强技术用在铁沟料上应用效果如何？其实，晶须增强技术可用在很多地方，用于铁沟料是比较典型的，原因是铁钩料平均几个月就得更换一次。现在大高炉比较多，甚至超大型高炉体积超过了5000立方米。5000立方米的高炉容积大、冶炼强度大、装料多、铁水温度高，冶炼后出铁时间长，铁沟耐火材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，彻底破解了出铁沟抗侵蚀、抗冲刷、抗氧化能力不足等痛点问题。我们的合作方上海齐鑫、江苏齐鑫把出铁沟免烧外火材料用在沙钢大型高炉上，最高通铁量突破60万吨，使用寿命达国际领先水平。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，该技术正在大力推广应用。江苏齐鑫正将晶须增强技术在周边几家耐材制造企业应用，以提升它们的浸入式水口、滑板等产品的质量,并延长寿命。我们也计划将这项技术应用在炼钢用镁碳砖上。此前我们也做过这方面的研究，并发表过相关论文，取得了一些专利授权。相信随着不断应用，这项技术不仅能为更多的高炉降低出铁成本，还能在更多更新的应用场景贡献力量。

数据来源：中国冶金报