中國粉體網(wǎng)訊 隨著碳達峰碳中和戰(zhàn)略的貫徹實施，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展步入快車道。無論是光伏行業(yè)坩堝用高純石英砂，還是光伏超白玻璃用低鐵石英砂，其市場需求都迎來了爆發(fā)式的增長。整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈對高品質(zhì)石英礦源，石英原料深加工技術(shù)的需求也顯得更為迫切。2023年4月21日，第一屆光伏行業(yè)用石英砂技術(shù)與市場交流大會在安徽鳳陽隆重召開，會議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對話欄目，進行訪談交流。本期為您分享的是中國粉體網(wǎng)對西南科技大學(xué)孫紅娟教授的專訪。
中國粉體網(wǎng)：孫教授，您在石墨、蒙脫石、石英等非金屬礦研究領(lǐng)域的成果多次獲得獎項，您還先后主持了多個國家級的科研項目。請問您是如何走上非金屬礦研究這條路的？
孫教授：要說我是如何走向非金屬礦研究這條路的，要從讀本科談起。本科我就讀西南科技大學(xué)，當(dāng)時西南科技大學(xué)是唯一設(shè)置礦物材料這個專業(yè)的高校。西南科技大學(xué)是具有長期從事非金屬礦地質(zhì)、采礦和礦物加工及礦物材料教學(xué)和科研的高校，是全國設(shè)置非金屬礦系的兩所高校之一。礦物材料是以非金屬礦為原料，通過合適的加工技術(shù)制成為國民廣泛使用的非金屬礦物功能材料，包括高技術(shù)礦物材料。因此，要做好非金屬礦物材料加工與制備工作，必須對非金屬礦產(chǎn)和礦物屬性及其開發(fā)利用進行深入研究。
西南科技大學(xué)具有非常突出的“非金屬礦”研究特色，包括成果的積淀和傳承，有一幫從事非金屬礦及礦物材料開發(fā)研究的團隊和學(xué)術(shù)帶頭人。我的研究生導(dǎo)師是彭同江教授，在非金屬礦領(lǐng)域具有較大的影響，是我進入非金屬礦研究領(lǐng)域的帶路人，當(dāng)時碩士論文的題目選擇的就是蒙脫石的屬性與深度加工技術(shù)研究，在讀博士（就讀四川大學(xué)）的時候在前期蒙脫石的研究的基礎(chǔ)上，選擇了蒙脫石的納米屬性與納米復(fù)合材料的研究，有了這些研究基礎(chǔ)，成功申請了兩項與蒙脫石研究相關(guān)的國家自然科學(xué)基金。
隨著對層狀礦物（包括蒙脫石、蛭石、蛇紋石）研究的認(rèn)識，加上具有層狀結(jié)構(gòu)礦物石墨及其礦物材料具有非常優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐高溫及可納米化剝離制備石墨烯等優(yōu)異性能，從我招收第一個研究生就開始了石墨礦物的屬性、深加工及其制備石墨烯的研究，在不斷的研究過程中，不斷拓寬石墨新興功能礦物材料的制備和研究深度，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了許多具有較高學(xué)術(shù)水平的研究成果。由于在蒙脫石和石墨方面取得的學(xué)術(shù)成果，產(chǎn)生了良好的學(xué)術(shù)影響，受到了國內(nèi)外同行的認(rèn)可，2014年2月在美國SME協(xié)會第143屆年會上受邀做學(xué)術(shù)報告，并榮獲“青年科學(xué)家”榮譽稱號。
由于石英在半導(dǎo)體信息材料和光伏發(fā)電材料方面的應(yīng)用及良好的發(fā)展前景，在十年前，在我?guī)У难芯可虚_始石英屬性及高純石英制備及應(yīng)用的研究。通過多年的努力，在石英高純加工與制備方面取得了系列成果，并在行業(yè)內(nèi)也取得了一定的學(xué)術(shù)影響，2020年獲得了江蘇省“雙創(chuàng)人才”。
通過不斷努力和探索已在非金屬礦（物）屬性和功能礦物材料制備研究方向上形成了自己的特色；在蒙脫石、蛭石、石墨、石英礦物學(xué)，層狀礦物成分、結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系與礦物層間域化學(xué)反應(yīng)屬性研究，石棉尾礦與固體廢棄物資源化利用研究，以及石墨、石英戰(zhàn)略新興礦產(chǎn)研究等方面做出了一些成果。多項研究成果達到了國際先進水平，蒙脫石、石英、石墨、蛭石等非金屬礦相關(guān)科技成果的推廣應(yīng)用取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。
2017年主持的“蒙脫石深度加工與納米復(fù)合材料制備技術(shù)”成果獲四川省科技進步三等獎；2019年參與研發(fā)的“水性石墨烯重防腐涂料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)”成果獲綿陽市科技進步獎一等獎；2021年主研和負(fù)責(zé)的“超基性巖型溫石棉礦山尾礦資源化利用的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”成果獲中國非金屬礦工業(yè)協(xié)會一等獎；2022年主持的“石墨的礦物學(xué)和深度加工與應(yīng)用屬性研究”成果獲中國非金屬礦工業(yè)協(xié)會二等獎。
我所帶領(lǐng)的研究團隊，2018年獲四川省教育廳省級科研團隊，2021年獲四川省高價值專利育成中心，2022年獲西南科技大學(xué)教職工創(chuàng)新工作室，我本人也獲得第十四批四川省學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人。近5年來，作為項目負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金項目3項、主研國家自然科學(xué)基金2項，主持國家重點研發(fā)項目子課題1項，四川省科技基金項目2項等；企業(yè)合作項目10余項。通過自己和團隊的努力為企業(yè)解決一些技術(shù)上的難題。
中國粉體網(wǎng)：非金屬礦涵蓋很多種礦，用途也很廣泛。對于非金屬礦研究與應(yīng)用的趨勢，您是怎么看的？
孫教授：目前，列入國家礦產(chǎn)名錄的非金屬礦產(chǎn)有95種，開發(fā)利用的有100多種。許多非金屬礦產(chǎn)具有多種功能屬性，可以應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。例如，膨潤土（蒙脫石）具有優(yōu)良的陽離子交換性、吸附性、分散懸浮性、粘結(jié)性和可塑性、成漿性和膠體性能等優(yōu)良的理化性能以及納米結(jié)構(gòu)屬性、催化性、觸變性和潤滑性等。因而可作為粘結(jié)劑、懸浮劑、增強劑、增塑劑、增稠劑、觸變劑、絮凝劑、穩(wěn)定劑、凈化脫色劑、充填劑、催化劑等，廣泛用于冶金、機械鑄造、鉆探、石油化工、輕工、農(nóng)林牧、建筑業(yè)、環(huán)境保護與土壤改良和重金屬固化等方面，計24個領(lǐng)域100多個部門，具有“萬用土”的美譽。
又如石墨具有優(yōu)異的耐高溫性能和熱穩(wěn)定性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐輻射性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、良好的可見光吸收性、吸熱性和散熱性、可氧化性與插層性、優(yōu)異的潤滑性能、良好的剝離分散性和涂敷性及可塑性等等，石墨及其深度加工產(chǎn)品，包括膨脹石墨、石墨納米片、石墨烯及其復(fù)合材料等可廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、電子、交通、生物等領(lǐng)域，以石墨烯為代表的石墨功能材料在電子信息、生物醫(yī)藥等方面有望產(chǎn)生顛覆性的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和變革，極大推動關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的更新?lián)Q代。石墨新型功能材料的研究和廣泛應(yīng)用有可能改變現(xiàn)有工業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力的布局，在機械制造、光纖通訊、電纜傳輸、橋梁房屋建筑、高科技領(lǐng)域、人工智能和3D打印等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并對國家關(guān)鍵工業(yè)部門的格局產(chǎn)生重大影響。
對于非金屬礦研究與應(yīng)用的發(fā)展趨勢，與國家的發(fā)展需求相適應(yīng)，特別是在生態(tài)環(huán)保和新材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的發(fā)展最為突出。在利用非金屬礦物或礦物材料的節(jié)能降碳作用的功能屬性方面，包括助熔、保溫絕熱、膠凝、催化和載體等方面的節(jié)能降碳原理及在雙碳戰(zhàn)略中的作用與應(yīng)用研究；在利用非金屬礦物或礦物材料的環(huán)境保護的功能屬性方面，包括有害氣體和廢水吸附材料、重金屬和放射性離子固化材料、土壤修復(fù)和改良及重金屬鈍化材料、礦山修復(fù)材料及二氧化碳吸附與固定材料等等。
非金屬礦產(chǎn)在新材料領(lǐng)域正朝著性能的尖端化和功能的多元化方向發(fā)展，如石墨層間化合物材料、石墨烯、納米礦物材料、各種微納超細(xì)礦物粉體材料等；非金屬礦物材料具有多種多樣的優(yōu)異特性，是構(gòu)成一類新材料的基礎(chǔ)，它們?nèi)Q于非金屬礦物優(yōu)異的物理化學(xué)特性；非金屬礦物材料已成為高溫、高壓、高強、高性能等高科技材料關(guān)鍵研究對象。
礦物材料的功能化、智能化、環(huán)境協(xié)調(diào)化已成為非金屬礦加工及制品發(fā)展的一個重要方向。當(dāng)前礦物材料的發(fā)展趨勢與整個無機非金屬材料的發(fā)展趨勢逐漸趨同于一致，更加注重環(huán)境生態(tài)礦物材料、納米礦物材料及高技術(shù)礦物材料（生物技術(shù)、軍事技術(shù)和信息技術(shù)等領(lǐng)域）對高新礦物材料的需求，不斷開發(fā)新型礦物材料與制品。
中國粉體網(wǎng)：目前國家以及相關(guān)行業(yè)對于產(chǎn)學(xué)研協(xié)作非常重視，請問您的科研成果轉(zhuǎn)化情況如何？您與企業(yè)的合作形式有哪些？
孫教授：為社會提供科技服務(wù)是高校的三大任務(wù)之一。我的團隊也非常注重產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，主要的合作形式包括如下三個方面，一是接受地方政府和企業(yè)的委托，結(jié)合企業(yè)和行業(yè)的發(fā)展進行課題攻關(guān)或提供技術(shù)服務(wù)；二是在擴大學(xué)術(shù)和技術(shù)影響的過程中接受企業(yè)的咨詢與技術(shù)服務(wù)；第三是將研發(fā)過程中獲得的發(fā)明專利技術(shù)授權(quán)于相關(guān)企業(yè)（我?guī)ьI(lǐng)的團隊目前授權(quán)的發(fā)明專利已有60余項，尚有數(shù)十項在審查和授權(quán)過程中）。團隊形成科技成果包括蛇紋石尾礦綜合利用、膨潤土（蒙脫石）新材料開發(fā)利用、石墨與石墨烯新材料制備技術(shù)及應(yīng)用、石英高純材料的制備技術(shù)等方面已向企業(yè)轉(zhuǎn)化技術(shù)和專利、提供技術(shù)服務(wù)等的合同協(xié)議單位有30余家。相關(guān)研究成果獲得了良好社會效益和經(jīng)濟效益，也支撐了我們團隊碩、博士生30余人研究課題的開展，并形成了良好的發(fā)展態(tài)勢。
中國粉體網(wǎng)：本次大會您分享的報告主題是《光伏產(chǎn)業(yè)鏈三種不同石英原料的判別與加工》。對于一個石英礦企來說，他應(yīng)該怎樣準(zhǔn)確地判斷他的礦適用于光伏產(chǎn)業(yè)鏈哪個環(huán)節(jié)？三種不同石英原料的加工生產(chǎn)線的設(shè)計，您認(rèn)為需要注意哪些方面？
孫教授：首先，對于一個石英礦區(qū)所產(chǎn)的石英礦石來說，其最佳的適用范圍和生產(chǎn)工藝需要經(jīng)過嚴(yán)格的原礦分析測試鑒定才能確定，這里所分享的僅是在我們之前的工作當(dāng)中所總結(jié)的一些經(jīng)驗。以本次所講到的三種不同的石英原料來說，從其產(chǎn)品價格和應(yīng)用方向來看就具有較大的差異，這也就決定了原料和生產(chǎn)工藝上也會具有較大的差別。
最顯著的差異就體現(xiàn)在硅石屬于粗加工后獲得的工業(yè)冶煉原料，而光伏玻璃用超白石英砂和坩堝用高純石英砂都屬于精加工后獲得的高純礦物材料。這也就意味著硅石的生產(chǎn)工藝較為簡單，一般是直接將滿足化學(xué)成分要求的原料進行粗加工就售出，因此相對利潤也較低，需要通過走量獲得較高的利潤。同時，硅石僅對其SiO2含量有所要求，而對于其雜質(zhì)成分和賦存狀態(tài)無特殊要求，所以適用于礦體儲量較大，開采難度較低，但雜質(zhì)賦存狀態(tài)復(fù)雜多變，難以針對性的進行選別精加工的石英礦。
而光伏玻璃用石英砂和坩堝用高純石英砂，基本都需要在原礦的基礎(chǔ)上進行精加工獲得，這就要求所加工的原料需要具有較為穩(wěn)定的品質(zhì)，特別是化學(xué)成分和雜質(zhì)賦存狀態(tài)方面需要保持一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定，否則一旦根據(jù)初始樣品設(shè)計好加工工藝并投產(chǎn)之后，后續(xù)開采的原礦出現(xiàn)較大的變化，就很有可能導(dǎo)致原有的工藝效率降低甚至是完全不適用。
同時，二者的加工工藝也有一定的差別，這一差別是由石英原礦的提純潛力所決定的，一般是根據(jù)其提純所能達到的極限純度作為其區(qū)分的主要因素，而提純潛力的判別可以具體依據(jù)化學(xué)成分、嵌布粒度、脈石礦物、包裹體和晶格雜質(zhì)5個關(guān)鍵評價指標(biāo)，這些因素之間的關(guān)系常常交叉耦合，構(gòu)成了高純石英原料的評價因子。依據(jù)我們實驗室的研究成果，我們認(rèn)為，當(dāng)石英原料在以上5個關(guān)鍵評價指標(biāo)中有3個及以上指標(biāo)達到a級時（表1），可以推薦為高純石英原料。而無法滿足高純石英原料要求，但也具有良好的可選性和穩(wěn)定性的樣品，則可以作為光伏玻璃用石英砂原料進行加工。
表1 高純石英原料的評價指標(biāo)
中國粉體網(wǎng)：四年前，中國粉體網(wǎng)發(fā)布了一篇對您的專訪，題目是“優(yōu)質(zhì)高純石英砂的生產(chǎn)必須要實現(xiàn)獨立自主”。幾乎從那個時期開始，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、媒體界、資本界對于高純石英的關(guān)注逐漸達到了一個前所未有的高度。四年過去了，您認(rèn)為中國的高純石英產(chǎn)業(yè)發(fā)展得如何？
孫教授：在四年前的專訪當(dāng)中，我有提及“整個產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的原料受到‘卡脖子’威脅，下游高端產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)自主化率不足”，而這具體的可以分為兩個關(guān)鍵問題，一個是高端產(chǎn)品的石英原料供應(yīng)受限，國內(nèi)缺乏高品質(zhì)的石英原礦進行高純石英生產(chǎn)制備高端產(chǎn)品。另一個則是缺乏相對應(yīng)的原料提純工藝，特別是針對包裹體和晶格雜質(zhì)的除雜工藝。
四年間，這兩個問題都在一定程度上取得了可觀的進展。在高純石英礦產(chǎn)資源的探索方面，國內(nèi)先后有多個地區(qū)探尋到了高品質(zhì)的高純石英礦產(chǎn)資源，如青海、湖北等地的脈石英，新疆、河南、江西等地的花崗偉晶巖等，都被證實具有極高的提純潛力，可以制備4N~4N5級以上的高純石英產(chǎn)品，也已經(jīng)有大量的相關(guān)科研工作者對其雜質(zhì)賦存狀態(tài)、提純潛力和小中試級提純實驗結(jié)果進行了分析，同時，也有部分企業(yè)積極探索國外尚未被查明的高純石英礦產(chǎn)資源，并聯(lián)合科研院所進行提純潛力和提純工藝的研究，以求解決高純石英原料被“卡脖子”的問題。
而在原料提純工藝方面，近年間大量的國內(nèi)科研工作者都有在更加深入的研究石英的提純原理與工藝，不再拘泥于傳統(tǒng)的提純工藝和研究方法，而是結(jié)合多個學(xué)科的知識，將包括礦物加工工程、礦物材料、礦物晶體化學(xué)、冶金學(xué)、晶體學(xué)、物理化學(xué)等多門學(xué)科的知識有機融合，并加以利用，包括我們的團隊在內(nèi)，都有開發(fā)出能替代甚至是優(yōu)于傳統(tǒng)工藝的新流程，比如利用石英的晶體排異促使其晶格雜質(zhì)定向遷移，利用石英晶體缺陷促進石英偏析并進行剝蝕等新型高純石英生產(chǎn)加工工藝。
可以預(yù)見，在不久的將來，困擾國內(nèi)高純石英行業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題都將在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、媒體界、資本界的共同努力下被我們徹底克服甚至是超越國外。
（中國粉體網(wǎng)采訪、編輯/平安）
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