中国粉体网讯 随着碳达峰碳中和战略的贯彻实施，光伏产业发展步入快车道。无论是光伏行业坩埚用高纯石英砂，还是光伏超白玻璃用低铁石英砂，其市场需求都迎来了爆发式的增长。整个光伏产业链对高品质石英矿源，石英原料深加工技术的需求也显得更为迫切。2023年4月21日，第一届光伏行业用石英砂技术与市场交流大会在安徽凤阳隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家、学者，优秀企业家代表做客对话栏目，进行访谈交流。本期为您分享的是中国粉体网对西南科技大学孙红娟教授的专访。
中国粉体网：孙教授，您在石墨、蒙脱石、石英等非金属矿研究领域的成果多次获得奖项，您还先后主持了多个国家级的科研项目。请问您是如何走上非金属矿研究这条路的？
孙教授：要说我是如何走向非金属矿研究这条路的，要从读本科谈起。本科我就读西南科技大学，当时西南科技大学是唯一设置矿物材料这个专业的高校。西南科技大学是具有长期从事非金属矿地质、采矿和矿物加工及矿物材料教学和科研的高校，是全国设置非金属矿系的两所高校之一。矿物材料是以非金属矿为原料，通过合适的加工技术制成为国民广泛使用的非金属矿物功能材料，包括高技术矿物材料。因此，要做好非金属矿物材料加工与制备工作，必须对非金属矿产和矿物属性及其开发利用进行深入研究。
西南科技大学具有非常突出的“非金属矿”研究特色，包括成果的积淀和传承，有一帮从事非金属矿及矿物材料开发研究的团队和学术带头人。我的研究生导师是彭同江教授，在非金属矿领域具有较大的影响，是我进入非金属矿研究领域的带路人，当时硕士论文的题目选择的就是蒙脱石的属性与深度加工技术研究，在读博士（就读四川大学）的时候在前期蒙脱石的研究的基础上，选择了蒙脱石的纳米属性与纳米复合材料的研究，有了这些研究基础，成功申请了两项与蒙脱石研究相关的国家自然科学基金。
随着对层状矿物（包括蒙脱石、蛭石、蛇纹石）研究的认识，加上具有层状结构矿物石墨及其矿物材料具有非常优异的导电、导热、耐高温及可纳米化剥离制备石墨烯等优异性能，从我招收第一个研究生就开始了石墨矿物的属性、深加工及其制备石墨烯的研究，在不断的研究过程中，不断拓宽石墨新兴功能矿物材料的制备和研究深度，在国内外学术刊物上发表了许多具有较高学术水平的研究成果。由于在蒙脱石和石墨方面取得的学术成果，产生了良好的学术影响，受到了国内外同行的认可，2014年2月在美国SME协会第143届年会上受邀做学术报告，并荣获“青年科学家”荣誉称号。
由于石英在半导体信息材料和光伏发电材料方面的应用及良好的发展前景，在十年前，在我带的研究生中开始石英属性及高纯石英制备及应用的研究。通过多年的努力，在石英高纯加工与制备方面取得了系列成果，并在行业内也取得了一定的学术影响，2020年获得了江苏省“双创人才”。
通过不断努力和探索已在非金属矿（物）属性和功能矿物材料制备研究方向上形成了自己的特色；在蒙脱石、蛭石、石墨、石英矿物学，层状矿物成分、结构和性能关系与矿物层间域化学反应属性研究，石棉尾矿与固体废弃物资源化利用研究，以及石墨、石英战略新兴矿产研究等方面做出了一些成果。多项研究成果达到了国际先进水平，蒙脱石、石英、石墨、蛭石等非金属矿相关科技成果的推广应用取得了显著的经济和社会效益。
2017年主持的“蒙脱石深度加工与纳米复合材料制备技术”成果获四川省科技进步三等奖；2019年参与研发的“水性石墨烯重防腐涂料的研发及产业化建设”成果获绵阳市科技进步奖一等奖；2021年主研和负责的“超基性岩型温石棉矿山尾矿资源化利用的应用基础研究”成果获中国非金属矿工业协会一等奖；2022年主持的“石墨的矿物学和深度加工与应用属性研究”成果获中国非金属矿工业协会二等奖。
我所带领的研究团队，2018年获四川省教育厅省级科研团队，2021年获四川省高价值专利育成中心，2022年获西南科技大学教职工创新工作室，我本人也获得第十四批四川省学术技术带头人。近5年来，作为项目负责人主持国家自然科学基金项目3项、主研国家自然科学基金2项，主持国家重点研发项目子课题1项，四川省科技基金项目2项等；企业合作项目10余项。通过自己和团队的努力为企业解决一些技术上的难题。
中国粉体网：非金属矿涵盖很多种矿，用途也很广泛。对于非金属矿研究与应用的趋势，您是怎么看的？
孙教授：目前，列入国家矿产名录的非金属矿产有95种，开发利用的有100多种。许多非金属矿产具有多种功能属性，可以应用于许多工业领域。例如，膨润土（蒙脱石）具有优良的阳离子交换性、吸附性、分散悬浮性、粘结性和可塑性、成浆性和胶体性能等优良的理化性能以及纳米结构属性、催化性、触变性和润滑性等。因而可作为粘结剂、悬浮剂、增强剂、增塑剂、增稠剂、触变剂、絮凝剂、稳定剂、净化脱色剂、充填剂、催化剂等，广泛用于冶金、机械铸造、钻探、石油化工、轻工、农林牧、建筑业、环境保护与土壤改良和重金属固化等方面，计24个领域100多个部门，具有“万用土”的美誉。
又如石墨具有优异的耐高温性能和热稳定性、良好的化学稳定性、耐辐射性能、优异的导电性和导热性、良好的可见光吸收性、吸热性和散热性、可氧化性与插层性、优异的润滑性能、良好的剥离分散性和涂敷性及可塑性等等，石墨及其深度加工产品，包括膨胀石墨、石墨纳米片、石墨烯及其复合材料等可广泛应用于航空航天、军工、电子、交通、生物等领域，以石墨烯为代表的石墨功能材料在电子信息、生物医药等方面有望产生颠覆性的产业创新和变革，极大推动关键技术的发展和产品的更新换代。石墨新型功能材料的研究和广泛应用有可能改变现有工业结构和生产力的布局，在机械制造、光纤通讯、电缆传输、桥梁房屋建筑、高科技领域、人工智能和3D打印等领域广泛应用，并对国家关键工业部门的格局产生重大影响。
对于非金属矿研究与应用的发展趋势，与国家的发展需求相适应，特别是在生态环保和新材料领域的研究和应用的发展最为突出。在利用非金属矿物或矿物材料的节能降碳作用的功能属性方面，包括助熔、保温绝热、胶凝、催化和载体等方面的节能降碳原理及在双碳战略中的作用与应用研究；在利用非金属矿物或矿物材料的环境保护的功能属性方面，包括有害气体和废水吸附材料、重金属和放射性离子固化材料、土壤修复和改良及重金属钝化材料、矿山修复材料及二氧化碳吸附与固定材料等等。
非金属矿产在新材料领域正朝着性能的尖端化和功能的多元化方向发展，如石墨层间化合物材料、石墨烯、纳米矿物材料、各种微纳超细矿物粉体材料等；非金属矿物材料具有多种多样的优异特性，是构成一类新材料的基础，它们取决于非金属矿物优异的物理化学特性；非金属矿物材料已成为高温、高压、高强、高性能等高科技材料关键研究对象。
矿物材料的功能化、智能化、环境协调化已成为非金属矿加工及制品发展的一个重要方向。当前矿物材料的发展趋势与整个无机非金属材料的发展趋势逐渐趋同于一致，更加注重环境生态矿物材料、纳米矿物材料及高技术矿物材料（生物技术、军事技术和信息技术等领域）对高新矿物材料的需求，不断开发新型矿物材料与制品。
中国粉体网：目前国家以及相关行业对于产学研协作非常重视，请问您的科研成果转化情况如何？您与企业的合作形式有哪些？
孙教授：为社会提供科技服务是高校的三大任务之一。我的团队也非常注重产学研协作，主要的合作形式包括如下三个方面，一是接受地方政府和企业的委托，结合企业和行业的发展进行课题攻关或提供技术服务；二是在扩大学术和技术影响的过程中接受企业的咨询与技术服务；第三是将研发过程中获得的发明专利技术授权于相关企业（我带领的团队目前授权的发明专利已有60余项，尚有数十项在审查和授权过程中）。团队形成科技成果包括蛇纹石尾矿综合利用、膨润土（蒙脱石）新材料开发利用、石墨与石墨烯新材料制备技术及应用、石英高纯材料的制备技术等方面已向企业转化技术和专利、提供技术服务等的合同协议单位有30余家。相关研究成果获得了良好社会效益和经济效益，也支撑了我们团队硕、博士生30余人研究课题的开展，并形成了良好的发展态势。
中国粉体网：本次大会您分享的报告主题是《光伏产业链三种不同石英原料的判别与加工》。对于一个石英矿企来说，他应该怎样准确地判断他的矿适用于光伏产业链哪个环节？三种不同石英原料的加工生产线的设计，您认为需要注意哪些方面？
孙教授：首先，对于一个石英矿区所产的石英矿石来说，其最佳的适用范围和生产工艺需要经过严格的原矿分析测试鉴定才能确定，这里所分享的仅是在我们之前的工作当中所总结的一些经验。以本次所讲到的三种不同的石英原料来说，从其产品价格和应用方向来看就具有较大的差异，这也就决定了原料和生产工艺上也会具有较大的差别。
最显著的差异就体现在硅石属于粗加工后获得的工业冶炼原料，而光伏玻璃用超白石英砂和坩埚用高纯石英砂都属于精加工后获得的高纯矿物材料。这也就意味着硅石的生产工艺较为简单，一般是直接将满足化学成分要求的原料进行粗加工就售出，因此相对利润也较低，需要通过走量获得较高的利润。同时，硅石仅对其SiO2含量有所要求，而对于其杂质成分和赋存状态无特殊要求，所以适用于矿体储量较大，开采难度较低，但杂质赋存状态复杂多变，难以针对性的进行选别精加工的石英矿。
而光伏玻璃用石英砂和坩埚用高纯石英砂，基本都需要在原矿的基础上进行精加工获得，这就要求所加工的原料需要具有较为稳定的品质，特别是化学成分和杂质赋存状态方面需要保持一定范围内的稳定，否则一旦根据初始样品设计好加工工艺并投产之后，后续开采的原矿出现较大的变化，就很有可能导致原有的工艺效率降低甚至是完全不适用。
同时，二者的加工工艺也有一定的差别，这一差别是由石英原矿的提纯潜力所决定的，一般是根据其提纯所能达到的极限纯度作为其区分的主要因素，而提纯潜力的判别可以具体依据化学成分、嵌布粒度、脉石矿物、包裹体和晶格杂质5个关键评价指标，这些因素之间的关系常常交叉耦合，构成了高纯石英原料的评价因子。依据我们实验室的研究成果，我们认为，当石英原料在以上5个关键评价指标中有3个及以上指标达到a级时（表1），可以推荐为高纯石英原料。而无法满足高纯石英原料要求，但也具有良好的可选性和稳定性的样品，则可以作为光伏玻璃用石英砂原料进行加工。
表1 高纯石英原料的评价指标
中国粉体网：四年前，中国粉体网发布了一篇对您的专访，题目是“优质高纯石英砂的生产必须要实现独立自主”。几乎从那个时期开始，学术界、产业界、媒体界、资本界对于高纯石英的关注逐渐达到了一个前所未有的高度。四年过去了，您认为中国的高纯石英产业发展得如何？
孙教授：在四年前的专访当中，我有提及“整个产业链最关键的原料受到‘卡脖子’威胁，下游高端产品生产技术自主化率不足”，而这具体的可以分为两个关键问题，一个是高端产品的石英原料供应受限，国内缺乏高品质的石英原矿进行高纯石英生产制备高端产品。另一个则是缺乏相对应的原料提纯工艺，特别是针对包裹体和晶格杂质的除杂工艺。
四年间，这两个问题都在一定程度上取得了可观的进展。在高纯石英矿产资源的探索方面，国内先后有多个地区探寻到了高品质的高纯石英矿产资源，如青海、湖北等地的脉石英，新疆、河南、江西等地的花岗伟晶岩等，都被证实具有极高的提纯潜力，可以制备4N~4N5级以上的高纯石英产品，也已经有大量的相关科研工作者对其杂质赋存状态、提纯潜力和小中试级提纯实验结果进行了分析，同时，也有部分企业积极探索国外尚未被查明的高纯石英矿产资源，并联合科研院所进行提纯潜力和提纯工艺的研究，以求解决高纯石英原料被“卡脖子”的问题。
而在原料提纯工艺方面，近年间大量的国内科研工作者都有在更加深入的研究石英的提纯原理与工艺，不再拘泥于传统的提纯工艺和研究方法，而是结合多个学科的知识，将包括矿物加工工程、矿物材料、矿物晶体化学、冶金学、晶体学、物理化学等多门学科的知识有机融合，并加以利用，包括我们的团队在内，都有开发出能替代甚至是优于传统工艺的新流程，比如利用石英的晶体排异促使其晶格杂质定向迁移，利用石英晶体缺陷促进石英偏析并进行剥蚀等新型高纯石英生产加工工艺。
可以预见，在不久的将来，困扰国内高纯石英行业发展的“卡脖子”问题都将在学术界、产业界、媒体界、资本界的共同努力下被我们彻底克服甚至是超越国外。
（中国粉体网采访、编辑/平安）
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