鄭欣（左一）和系里的老師開展土木工程專業教研活動。（受訪者供圖）

如何讓廢棄余料變廢為寶？圍繞這一命題，兩年間，西安培華學院鄭欣博士團隊，將工業生產剩余廢料—鎂渣變成了筑路的“黃金料”；通過研發納米氮化硼復合粉，為高溫爐窯廢舊耐火磚裝上“抗氧心臟”變身減碳“新利器”。這兩項破解行業痛點的硬核技術，是科技成果轉化的又一次突破，也是陜西高校以科技教育人才一體化發展驅動產業升級的鮮活注腳和產學研深度融合的生動實踐。

鎂渣“逆襲”

從“廢渣堆”到“黃金料”

“一邊是堆積如山、亟待處理的工業廢棄料，一邊是產業發展中對低成本、環保材料的需求，有沒有更好的處理方式？”在一次企業調研中，鄭欣的目光被堆積在工廠后院的灰色鎂渣所“吸引”。“拉去溝壑填埋花運費不說，還擔心滲進土壤造成環境污染。”在得知企業對鎂渣沒有特別好的處理方式后，鄭欣萌發了“把鎂渣變成修路材料”的想法。

為了驗證這個想法，接下來的一個月里，鄭欣帶著團隊跑遍了當地40多家鎂企，收集了23份不同陳化期的鎂渣樣本。回到實驗室，她和團隊成員連夜檢測的結果讓所有人都感到興奮：鎂渣的礦物相主要是β-C2S，化學成分以SiO2和CaO為主，天生就具備膠凝材料的“基因”。“只要能解決鎂渣遇水膨脹開裂的問題，這東西肯定能在修路領域派上大用場。”拿著檢測報告，團隊成員們信心滿滿，“鎂渣-水泥穩定碎石路面材料項目”就這樣應運而生。

如何馴服鎂渣“遇水就胖”的頑疾？鄭欣回憶說，項目剛啟動就遭遇“滑鐵盧”。第一次按5%的比例將鎂渣加入水泥穩定碎石中，經過3天養護，試塊竟然裂成了小塊。“這是怎么回事？難道我們的思路錯了？”看著碎裂的試塊，團隊成員們臉上滿是疑惑。帶著樣本重回實驗室，鄭欣對試塊進行微觀分析發現：“鎂渣里的游離MgO遇水會緩慢水化膨脹，這就像在材料內部藏了‘定時炸彈’，時間一長就把試塊撐裂了。”

找到問題的癥結后，接下來的大半年時間，實驗室里堆滿了各種配比的試塊。有一次，連續12次試驗都以失敗告終，團隊成員中有人已有點泄氣了。為提升團隊成員的狀態，鄭欣索性帶著大家去公路建設工地“散心”。看著工人師傅們給剛鋪好的路面切縫，以此釋放應力，她突然眼前一亮：“既然膨脹沒辦法完全避免，那我們能不能用技術讓它‘慢一點、勻一點’，不讓應力集中爆發？”

沿著這個思路，團隊跳出“調整比例”的常規思維，從鎂渣的微觀結構入手攻關。經過上百次的反復試驗，團隊終于找到了最佳配方。檢測結果顯示，用這種配方制作的路面材料，強度不僅遠超高速公路基層設計標準，還能替代1%的水泥和4%的粉煤灰。測算結果顯示，采用鎂渣筑路每立方米的成本可直降15.36元。

今年3月，省內一條國道的改造工程成了這項技術的“試驗場”。取樣當天，鄭欣冒雨爬上剛鋪好的路段，蹲在地上用手仔細觸摸路面的縫隙。“以前總擔心用廢料做的材料不靠譜，現在檢測報告出來了，強度比要求的還要高17%，這下我們徹底踏實了！”拿著鉆芯取樣的試塊，施工隊隊長對鄭欣團隊豎起了大拇指。

隨著這項技術在省內3條公路建設項目中推廣應用，目前已累計消耗鎂渣上千噸。“按雙向四車道、每公里鋪24.5米寬、0.2米厚的基層計算，每100公里就能節省成本752.64萬元。”測算結果顯示，每用5000噸鎂渣，筑路的原料成本就省了上百萬元。

納米破局

給耐火材料裝上“抗氧心臟”

“你看這幾塊鎂碳磚樣本，表面全是孔隙，內部結構都斷了。”手持從企業帶回來的氧化鎂碳磚，鄭欣眉頭緊鎖。通過顯微鏡觀察，團隊成員發現磚體失效的核心原因是石墨氧化：“高溫環境下，石墨被消耗后，材料內部就會形成大量空洞，強度跟著斷崖式下降。”

可一旦減少石墨含量又會帶來新的問題：“石墨是鎂碳耐火材料的關鍵成分，能提供良好的抗熱震性和抗渣浸潤性。如果為了減少氧化而直接降低石墨含量，材料的抗熱震性能和抗渣性能就會劣化，無法適應鋼鐵生產的苛刻環境，服役周期會急劇縮短。”

“高碳含量會造成氧化失效，低碳含量會導致性能下降。”面對這一“兩難選擇”，鄭欣團隊查閱大量文獻資料發現，行業內曾嘗試過添加傳統抗氧化劑、調整原料配比等多種方案，但效果都不理想。通過在實驗室反復觀察不同材料的晶體結構與高溫性能，團隊成員驚喜地發現：“氮化硼和石墨具有非常相似的六方片狀晶體結構，能為鎂碳耐火材料提供類似的抗熱震性和抗渣浸潤性，而且它的抗氧化性能更優——即使在高溫下，也不易生成CO/CO2這類影響鋼液的氧化產物。”

“用氮化硼替代部分石墨，既能解決碳含量過高的問題，又能保證材料性能。”從“替碳”思路著手，鄭欣牽頭啟動了“納米氮化硼復合粉研發”專項。

“按照傳統方法制備納米氮化硼，需要在高溫高壓的苛刻條件下進行成本極高。”團隊成員回憶說，把重點放在工藝創新上后，團隊最終選定“能耗更低，原料反應更充分，有利于形成均勻的納米結構”的微波高溫反應法。

工藝明確了，氮源怎么選？如何讓氮化硼形成穩定的納米片層？在新一輪的試驗中，團隊成員反復調整原料混合方式、微波反應的溫度和時間，一點點優化工藝參數。為驗證一個新的配比，有時他們要在實驗室里連續工作十幾個小時。

經過反復試驗，團隊終于做出了理想的納米氮化硼復合粉——氮化硼納米片均勻地包裹在鎂鋁尖晶石表面。在將其加到低碳鎂碳磚里后，抗氧效果得到了顯著提升。

產業回響

專利背后的“綠色期待”

今年年初，隨著團隊“納米氮化硼/鎂鋁尖晶石復合粉添加劑及其制備方法”成功獲得國家發明專利授權，鄭欣團隊重回實驗室開展小規模復合粉制備與性能驗證，為后續技術轉化打下基礎。

在得知這項聚焦低碳鎂碳耐火材料抗氧化難題的技術獲得專利授權后，多家耐火材料企業主動聯系團隊咨詢技術的適配性與工業化應用潛力。部分企業還攜帶自家生產的低碳鎂碳磚樣本，希望在實驗室進一步測試復合粉的實際效果。面對企業需求，鄭欣團隊耐心地演示實驗流程、細致解讀技術細節，用扎實的實驗室數據徹底打消了企業的顧慮。

“我們不僅要提供技術，還要讓企業看到實實在在的效果。”針對企業關注的生產穩定性問題，鄭欣團隊仍在實驗室里進一步優化原料混合步驟與反應參數，同步整理詳細的實驗操作手冊，為后續技術從實驗室走向生產線做好充分準備。以科研項目為紐帶，鄭欣團隊將前沿技術研發與人才培養緊密結合。在實驗室里，本科生、研究生全程參與鎂渣檢測、復合粉制備等實踐環節，既掌握了專業技能，又培養了產業思維。

從廢棄鎂渣到筑路“黃金料”，從廢舊耐火磚到納米復合粉，鄭欣團隊的科研實踐是陜西高校青年科研工作者聚焦產業需求、深耕技術轉化的生動縮影。

聚焦能源化工、新材料、綠色低碳等重點領域，近年來，陜西高校中像鄭欣這樣的青年科研力量正在持續壯大，他們帶著實驗室的技術突破走進工廠車間，將學術成果轉化為推動產業升級的“金鑰匙”。從實驗室的試驗數據到生產線的實際應用，從青年教師的科研突破到學生的成長成才，陜西高校正以科技教育人才一體化的發展路徑，為區域創新發展源源不斷輸送智力支撐。　

責任編輯：黃蕊