郑欣(左一)和系里的老师开展土木工程专业教研活动。(受访者供图)

如何让废弃余料变废为宝?围绕这一命题,两年间,西安培华学院郑欣博士团队,将工业生产剩余废料—镁渣变成了筑路的“黄金料”;通过研发纳米氮化硼复合粉,为高温炉窑废旧耐火砖装上“抗氧心脏”变身减碳“新利器”。这两项破解行业痛点的硬核技术,是科技成果转化的又一次突破,也是陕西高校以科技教育人才一体化发展驱动产业升级的鲜活注脚和产学研深度融合的生动实践。

 镁渣“逆袭”

 从“废渣堆”到“黄金料”

 “一边是堆积如山、亟待处理的工业废弃料,一边是产业发展中对低成本、环保材料的需求,有没有更好的处理方式?”在一次企业调研中,郑欣的目光被堆积在工厂后院的灰色镁渣所“吸引”。“拉去沟壑填埋花运费不说,还担心渗进土壤造成环境污染。”在得知企业对镁渣没有特别好的处理方式后,郑欣萌发了“把镁渣变成修路材料”的想法。

 为了验证这个想法,接下来的一个月里,郑欣带着团队跑遍了当地40多家镁企,收集了23份不同陈化期的镁渣样本。回到实验室,她和团队成员连夜检测的结果让所有人都感到兴奋:镁渣的矿物相主要是β-C2S,化学成分以SiO2和CaO为主,天生就具备胶凝材料的“基因”。“只要能解决镁渣遇水膨胀开裂的问题,这东西肯定能在修路领域派上大用场。”拿着检测报告,团队成员们信心满满,“镁渣-水泥稳定碎石路面材料项目”就这样应运而生。

 如何驯服镁渣“遇水就胖”的顽疾?郑欣回忆说,项目刚启动就遭遇“滑铁卢”。第一次按5%的比例将镁渣加入水泥稳定碎石中,经过3天养护,试块竟然裂成了小块。“这是怎么回事?难道我们的思路错了?”看着碎裂的试块,团队成员们脸上满是疑惑。带着样本重回实验室,郑欣对试块进行微观分析发现:“镁渣里的游离MgO遇水会缓慢水化膨胀,这就像在材料内部藏了‘定时炸弹’,时间一长就把试块撑裂了。”

 找到问题的症结后,接下来的大半年时间,实验室里堆满了各种配比的试块。有一次,连续12次试验都以失败告终,团队成员中有人已有点泄气了。为提升团队成员的状态,郑欣索性带着大家去公路建设工地“散心”。看着工人师傅们给刚铺好的路面切缝,以此释放应力,她突然眼前一亮:“既然膨胀没办法完全避免,那我们能不能用技术让它‘慢一点、匀一点’,不让应力集中爆发?”

 沿着这个思路,团队跳出“调整比例”的常规思维,从镁渣的微观结构入手攻关。经过上百次的反复试验,团队终于找到了最佳配方。检测结果显示,用这种配方制作的路面材料,强度不仅远超高速公路基层设计标准,还能替代1%的水泥和4%的粉煤灰。测算结果显示,采用镁渣筑路每立方米的成本可直降15.36元。

 今年3月,省内一条国道的改造工程成了这项技术的“试验场”。取样当天,郑欣冒雨爬上刚铺好的路段,蹲在地上用手仔细触摸路面的缝隙。“以前总担心用废料做的材料不靠谱,现在检测报告出来了,强度比要求的还要高17%,这下我们彻底踏实了!”拿着钻芯取样的试块,施工队队长对郑欣团队竖起了大拇指。

 随着这项技术在省内3条公路建设项目中推广应用,目前已累计消耗镁渣上千吨。“按双向四车道、每公里铺24.5米宽、0.2米厚的基层计算,每100公里就能节省成本752.64万元。”测算结果显示,每用5000吨镁渣,筑路的原料成本就省了上百万元。

 纳米破局

 给耐火材料装上“抗氧心脏”

 “你看这几块镁碳砖样本,表面全是孔隙,内部结构都断了。”手持从企业带回来的氧化镁碳砖,郑欣眉头紧锁。通过显微镜观察,团队成员发现砖体失效的核心原因是石墨氧化:“高温环境下,石墨被消耗后,材料内部就会形成大量空洞,强度跟着断崖式下降。”

 可一旦减少石墨含量又会带来新的问题:“石墨是镁碳耐火材料的关键成分,能提供良好的抗热震性和抗渣浸润性。如果为了减少氧化而直接降低石墨含量,材料的抗热震性能和抗渣性能就会劣化,无法适应钢铁生产的苛刻环境,服役周期会急剧缩短。”

 “高碳含量会造成氧化失效,低碳含量会导致性能下降。”面对这一“两难选择”,郑欣团队查阅大量文献资料发现,行业内曾尝试过添加传统抗氧化剂、调整原料配比等多种方案,但效果都不理想。通过在实验室反复观察不同材料的晶体结构与高温性能,团队成员惊喜地发现:“氮化硼和石墨具有非常相似的六方片状晶体结构,能为镁碳耐火材料提供类似的抗热震性和抗渣浸润性,而且它的抗氧化性能更优——即使在高温下,也不易生成CO/CO2这类影响钢液的氧化产物。”

 “用氮化硼替代部分石墨,既能解决碳含量过高的问题,又能保证材料性能。”从“替碳”思路着手,郑欣牵头启动了“纳米氮化硼复合粉研发”专项。

 “按照传统方法制备纳米氮化硼,需要在高温高压的苛刻条件下进行成本极高。”团队成员回忆说,把重点放在工艺创新上后,团队最终选定“能耗更低,原料反应更充分,有利于形成均匀的纳米结构”的微波高温反应法。

 工艺明确了,氮源怎么选?如何让氮化硼形成稳定的纳米片层?在新一轮的试验中,团队成员反复调整原料混合方式、微波反应的温度和时间,一点点优化工艺参数。为验证一个新的配比,有时他们要在实验室里连续工作十几个小时。

 经过反复试验,团队终于做出了理想的纳米氮化硼复合粉——氮化硼纳米片均匀地包裹在镁铝尖晶石表面。在将其加到低碳镁碳砖里后,抗氧效果得到了显著提升。

 产业回响

 专利背后的“绿色期待”

 今年年初,随着团队“纳米氮化硼/镁铝尖晶石复合粉添加剂及其制备方法”成功获得国家发明专利授权,郑欣团队重回实验室开展小规模复合粉制备与性能验证,为后续技术转化打下基础。

 在得知这项聚焦低碳镁碳耐火材料抗氧化难题的技术获得专利授权后,多家耐火材料企业主动联系团队咨询技术的适配性与工业化应用潜力。部分企业还携带自家生产的低碳镁碳砖样本,希望在实验室进一步测试复合粉的实际效果。面对企业需求,郑欣团队耐心地演示实验流程、细致解读技术细节,用扎实的实验室数据彻底打消了企业的顾虑。

 “我们不仅要提供技术,还要让企业看到实实在在的效果。”针对企业关注的生产稳定性问题,郑欣团队仍在实验室里进一步优化原料混合步骤与反应参数,同步整理详细的实验操作手册,为后续技术从实验室走向生产线做好充分准备。以科研项目为纽带,郑欣团队将前沿技术研发与人才培养紧密结合。在实验室里,本科生、研究生全程参与镁渣检测、复合粉制备等实践环节,既掌握了专业技能,又培养了产业思维。

 从废弃镁渣到筑路“黄金料”,从废旧耐火砖到纳米复合粉,郑欣团队的科研实践是陕西高校青年科研工作者聚焦产业需求、深耕技术转化的生动缩影。

 聚焦能源化工、新材料、绿色低碳等重点领域,近年来,陕西高校中像郑欣这样的青年科研力量正在持续壮大,他们带着实验室的技术突破走进工厂车间,将学术成果转化为推动产业升级的“金钥匙”。从实验室的试验数据到生产线的实际应用,从青年教师的科研突破到学生的成长成才,陕西高校正以科技教育人才一体化的发展路径,为区域创新发展源源不断输送智力支撑。 (记者任娜)