中國粉體網訊 隨著碳達峰碳中和戰略的貫徹實施，光伏產業發展步入快車道。無論是光伏行業坩堝用高純石英砂，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式的增長。整個光伏產業鏈對高品質石英礦源，石英原料深加工技術的需求也顯得更為迫切。2023年4月21日，第一屆光伏行業用石英砂技術與市場交流大會在安徽鳳陽隆重召開，會議期間，我們邀請到了業內專家、學者，優秀企業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對西南科技大學孫紅娟教授的專訪。
中國粉體網：孫教授，您在石墨、蒙脫石、石英等非金屬礦研究領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，當時西南科技大學是唯一設置礦物材料這個專業的高校。西南科技大學是具有長期從事非金屬礦地質、采礦和礦物加工及礦物材料教學和科研的高校，是全國設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制成為國民廣泛使用的非金屬礦物功能材料，包括高技術礦物材料。因此，要做好非金屬礦物材料加工與制備工作，必須對非金屬礦產和礦物屬性及其開發利用進行深入研究。
西南科技大學具有非常突出的“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研究的團隊和學術帶頭人。我的研究生導師是彭同江教授，在非金屬礦領域具有較大的影響，是我進入非金屬礦研究領域的帶路人，當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研究，在讀博士（就讀四川大學）的時候在前期蒙脫石的研究的基礎上，選擇了蒙脫石的納米屬性與納米復合材料的研究，有了這些研究基礎，成功申請了兩項與蒙脫石研究相關的國家自然科學基金。
隨著對層狀礦物（包括蒙脫石、蛭石、蛇紋石）研究的認識，加上具有層狀結構礦物石墨及其礦物材料具有非常優異的導電、導熱、耐高溫及可納米化剝離制備石墨烯等優異性能，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，在國內外學術刊物上發表了許多具有較高學術水平的研究成果。由于在蒙脫石和石墨方面取得的學術成果，產生了良好的學術影響，受到了國內外同行的認可，2014年2月在美國SME協會第143屆年會上受邀做學術報告，并榮獲“青年科學家”榮譽稱號。
由于石英在半導體信息材料和光伏發電材料方面的應用及良好的發展前景，在十年前，在我帶的研究生中開始石英屬性及高純石英制備及應用的研究。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，并在行業內也取得了一定的學術影響，2020年獲得了江蘇省“雙創人才”。
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，層狀礦物成分、結構和性能關系與礦物層間域化學反應屬性研究，石棉尾礦與固體廢棄物資源化利用研究，以及石墨、石英戰略新興礦產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科技成果的推廣應用取得了顯著的經濟和社會效益。
2017年主持的“蒙脫石深度加工與納米復合材料制備技術”成果獲四川省科技進步三等獎；2019年參與研發的“水性石墨烯重防腐涂料的研發及產業化建設”成果獲綿陽市科技進步獎一等獎；2021年主研和負責的“超基性巖型溫石棉礦山尾礦資源化利用的應用基礎研究”成果獲中國非金屬礦工業協會一等獎；2022年主持的“石墨的礦物學和深度加工與應用屬性研究”成果獲中國非金屬礦工業協會二等獎。
我所帶領的研究團隊，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年獲西南科技大學教職工創新工作室，我本人也獲得第十四批四川省學術技術帶頭人。近5年來，作為項目負責人主持國家自然科學基金項目3項、主研國家自然科學基金2項，主持國家重點研發項目子課題1項，四川省科技基金項目2項等；企業合作項目10余項。通過自己和團隊的努力為企業解決一些技術上的難題。
中國粉體網：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用的趨勢，您是怎么看的？
孫教授：目前，列入國家礦產名錄的非金屬礦產有95種，開發利用的有100多種。許多非金屬礦產具有多種功能屬性，可以應用于許多工業領域。例如，膨潤土（蒙脫石）具有優良的陽離子交換性、吸附性、分散懸浮性、粘結性和可塑性、成漿性和膠體性能等優良的理化性能以及納米結構屬性、催化性、觸變性和潤滑性等。因而可作為粘結劑、懸浮劑、增強劑、增塑劑、增稠劑、觸變劑、絮凝劑、穩定劑、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、農林牧、建筑業、環境保護與土壤改良和重金屬固化等方面，計24個領域100多個部門，具有“萬用土”的美譽。
又如石墨具有優異的耐高溫性能和熱穩定性、良好的化學穩定性、耐輻射性能、優異的導電性和導熱性、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品，包括膨脹石墨、石墨納米片、石墨烯及其復合材料等可廣泛應用于航空航天、軍工、電子、交通、生物等領域，以石墨烯為代表的石墨功能材料在電子信息、生物醫藥等方面有望產生顛覆性的產業創新和變革，極大推動關鍵技術的發展和產品的更新換代。石墨新型功能材料的研究和廣泛應用有可能改變現有工業結構和生產力的布局，在機械制造、光纖通訊、電纜傳輸、橋梁房屋建筑、高科技領域、人工智能和3D打印等領域廣泛應用，并對國家關鍵工業部門的格局產生重大影響。
對于非金屬礦研究與應用的發展趨勢，與國家的發展需求相適應，特別是在生態環保和新材料領域的研究和應用的發展最為突出。在利用非金屬礦物或礦物材料的節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能降碳原理及在雙碳戰略中的作用與應用研究；在利用非金屬礦物或礦物材料的環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、土壤修復和改良及重金屬鈍化材料、礦山修復材料及二氧化碳吸附與固定材料等等。
非金屬礦產在新材料領域正朝著性能的尖端化和功能的多元化方向發展，如石墨層間化合物材料、石墨烯、納米礦物材料、各種微納超細礦物粉體材料等；非金屬礦物材料具有多種多樣的優異特性，是構成一類新材料的基礎，它們取決于非金屬礦物優異的物理化學特性；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鍵研究對象。
礦物材料的功能化、智能化、環境協調化已成為非金屬礦加工及制品發展的一個重要方向。當前礦物材料的發展趨勢與整個無機非金屬材料的發展趨勢逐漸趨同于一致，更加注重環境生態礦物材料、納米礦物材料及高技術礦物材料（生物技術、軍事技術和信息技術等領域）對高新礦物材料的需求，不斷開發新型礦物材料與制品。
中國粉體網：目前國家以及相關行業對于產學研協作非常重視，請問您的科研成果轉化情況如何？您與企業的合作形式有哪些？
孫教授：為社會提供科技服務是高校的三大任務之一。我的團隊也非常注重產學研協作，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的委托，結合企業和行業的發展進行課題攻關或提供技術服務；二是在擴大學術和技術影響的過程中接受企業的咨詢與技術服務；第三是將研發過程中獲得的發明專利技術授權于相關企業（我帶領的團隊目前授權的發明專利已有60余項，尚有數十項在審查和授權過程中）。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）新材料開發利用、石墨與石墨烯新材料制備技術及應用、石英高純材料的制備技術等方面已向企業轉化技術和專利、提供技術服務等的合同協議單位有30余家。相關研究成果獲得了良好社會效益和經濟效益，也支撐了我們團隊碩、博士生30余人研究課題的開展，并形成了良好的發展態勢。
中國粉體網：本次大會您分享的報告主題是《光伏產業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，他應該怎樣準確地判斷他的礦適用于光伏產業鏈哪個環節？三種不同石英原料的加工生產線的設計，您認為需要注意哪些方面？
孫教授：首先，對于一個石英礦區所產的石英礦石來說，其最佳的適用范圍和生產工藝需要經過嚴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中所總結的一些經驗。以本次所講到的三種不同的石英原料來說，從其產品價格和應用方向來看就具有較大的差異，這也就決定了原料和生產工藝上也會具有較大的差別。
最顯著的差異就體現在硅石屬于粗加工后獲得的工業冶煉原料，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工藝較為簡單，一般是直接將滿足化學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，而對于其雜質成分和賦存狀態無特殊要求，所以適用于礦體儲量較大，開采難度較低，但雜質賦存狀態復雜多變，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定的品質，特別是化學成分和雜質賦存狀態方面需要保持一定范圍內的穩定，否則一旦根據初始樣品設計好加工工藝并投產之后，后續開采的原礦出現較大的變化，就很有可能導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，一般是根據其提純所能達到的極限純度作為其區分的主要因素，而提純潛力的判別可以具體依據化學成分、嵌布粒度、脈石礦物、包裹體和晶格雜質5個關鍵評價指標，這些因素之間的關系常常交叉耦合，構成了高純石英原料的評價因子。依據我們實驗室的研究成果，我們認為，當石英原料在以上5個關鍵評價指標中有3個及以上指標達到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
中國粉體網：四年前，中國粉體網發布了一篇對您的專訪，題目是“優質高純石英砂的生產必須要實現獨立自主”。幾乎從那個時期開始，學術界、產業界、媒體界、資本界對于高純石英的關注逐漸達到了一個前所未有的高度。四年過去了，您認為中國的高純石英產業發展得如何？
孫教授：在四年前的專訪當中，我有提及“整個產業鏈最關鍵的原料受到‘卡脖子’威脅，下游高端產品生產技術自主化率不足”，而這具體的可以分為兩個關鍵問題，一個是高端產品的石英原料供應受限，國內缺乏高品質的石英原礦進行高純石英生產制備高端產品。另一個則是缺乏相對應的原料提純工藝，特別是針對包裹體和晶格雜質的除雜工藝。
四年間，這兩個問題都在一定程度上取得了可觀的進展。在高純石英礦產資源的探索方面，國內先后有多個地區探尋到了高品質的高純石英礦產資源，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品，也已經有大量的相關科研工作者對其雜質賦存狀態、提純潛力和小中試級提純實驗結果進行了分析，同時，也有部分企業積極探索國外尚未被查明的高純石英礦產資源，并聯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，不再拘泥于傳統的提純工藝和研究方法，而是結合多個學科的知識，將包括礦物加工工程、礦物材料、礦物晶體化學、冶金學、晶體學、物理化學等多門學科的知識有機融合，并加以利用，包括我們的團隊在內，都有開發出能替代甚至是優于傳統工藝的新流程，比如利用石英的晶體排異促使其晶格雜質定向遷移，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加工工藝。
可以預見，在不久的將來，困擾國內高純石英行業發展的“卡脖子”問題都將在學術界、產業界、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。
（中國粉體網采訪、編輯/平安）
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