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融入院士团队—— 打造新材料的“摇篮”

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2021-11-26 08:33     来源: 蚌埠新闻网
        

蚌埠新闻网记者 郝玉琳

■话题背景

科技创新,人才先行。在加快打造“创新之城、材料之都、制造高地、幸福蚌埠”的征程中,我市广大科技工作者不忘初心,为蚌埠发展、为祖国富强兢兢业业,在自身岗位上贡献着智慧与心血。特别是近年来愈发魅力四射的“双基”产业,一系列创新成果和产业项目展现着城市发展的硬实力。蚌埠“双基”正以昂扬之姿,生机蓬勃,阔步向前,为产业发展注入强大动能。而蓬勃跃动的硅基、生物基产业背后,更是凝聚着广大科技工作者、创业者的努力与付出。

本期“人物”,让我们认识蚌埠“双基”产业一线的两位科技工作者,听他们讲述亲历“双基”产业发展的进程中,他们的所思所想、所悟所感。

融入院士团队——打造新材料的“摇篮”

正在进行实验的陈淑勇。照片由受访者提供

【人物简介】陈淑勇,浮法玻璃新技术国家重点实验室节能技术研究所副所长、博士,依托蚌埠院的产业化平台与国家重点实验室的科研平台,在中国工程院院士、中国建材集团总工程师、浮法玻璃新技术国家重点实验室主任彭寿的带领下,陈淑勇长期从事玻璃工业节能减排相关研究工作,作为技术骨干先后参与了多项国家、省部级科研项目。

近年来新申报专利10余项,授权发明专利2项,发表学术论文12篇,2019年获安徽省科技进步二等奖(排名第5),2020年获安徽省“向上向善好青年”创新创业提名奖。

用数值模拟助力熔窑打造

深读周刊:咱们实验室研究的都是关于玻璃的最新技术和应用,具体到您研究的方向,主要包括哪些内容呢?

陈淑勇:我们实验室的研究内容涉及到玻璃新材料开发、玻璃生产技术研究,以及玻璃产品的功能化与应用等各个方面。我在学校时,学习和研究的课题是化工过程中传质现象的数值模拟,毕业后进入浮法玻璃新技术实验室,就继续从事数值模拟研究工作,包括玻璃材料的分子动力学和玻璃工业节能减排技术模拟研究。数值模拟可以看作是在计算机上进行的虚拟实验,基于物理规律对物理现象建立数学模型,采用计算机程序进行衍化求解,从而对实际物理过程进行分析研究的方法。我主要针对新型玻璃熔窑开展数值模拟分析,为熔窑工程设计和技术改造提供技术服务。而玻璃熔窑,可以通俗地看成一个孕育玻璃的“摇篮”。

深读周刊:您参与了多个重大项目的研发过程,这其中我们的研究突破了怎样的难点?请您举个例子说说。

陈淑勇:以我参与的“高世代电子玻璃基板和盖板核心技术开发及产业化示范”项目的部分熔窑数值模拟研究为例吧。

电子产品屏幕所用的玻璃,除了厚度与尺寸外,看上去与我们日常见到的门窗玻璃比较相似,但其成分有很大不同。作为液晶组件的关键材料,TFT液晶玻璃基板的电学性能需要达到严格要求,其组成、性质、生产工艺与普通门窗玻璃有很大不同。比如TFT液晶玻璃基板熔化澄清和成形温度都明显高于普通门窗玻璃,因此,需要开发适合TFT液晶玻璃基板熔制的新型熔窑方案,这也是项目研发中的一项难点技术,玻璃液在熔窑内熔制质量的好坏,直接影响后续的成形、退火等工段,最终影响产品质量。

我作为项目参与人员,结合自身在数值模拟方面的知识基础,在熔窑方案研究中,参与了玻璃熔窑方案三维模拟分析工作。就是首先准确理解和把握设计方案,然后进行熔窑的三维几何建模,选择合适的模型进行模拟计算,并根据模拟结果对熔窑设计方案进行定量分析,明确设计方案存在的问题与薄弱环节。这个项目的熔窑模拟研究主要分析了加热方式和燃料分配对玻璃液熔制质量的影响,通过对设计方案的多次迭代改进,我们为TFT液晶玻璃熔窑的方案确定提供了技术支撑。项目示范线于2019年6月点火、9月产品下线,对我们这些项目参与人员是莫大的鼓舞和激励。

深读周刊:去年严峻的疫情背景下,您参与了中性硼硅药用玻璃管玻璃熔窑的优化与设计工作,可以介绍一下吗?

陈淑勇:彭寿院士曾经在接受采访时分析过当时的形势:疫情背景下,全球疫苗玻璃瓶短缺。中性硼硅药用玻璃是疫苗瓶的核心材料,我国每年需求量约5万吨,但当时自产率不足10%。在全球供需关系紧张的情况下,国内高端疫苗瓶的稳定生产、持续供给,已成为影响国家安全的战略性物资。围绕国家重大战略需求,彭寿院士带领我们,通过科研与产业化攻关,攻克了高品质熔化、高精度成形等核心难题,建成了国内首条具有自主知识产权的年产5000吨中性硼硅药用玻璃生产线,整体技术达到国际先进水平,产品质量获得国际标准认可。

具体到我个人,作为数值模拟方面的研究人员,我只是参与了前期的部分模拟计算等研究过程,非常荣幸能为这项重大工程尽一分力。

研究向突破性节能减排手段拓展

深读周刊:作为“节能技术研究所”的副所长,您能否介绍一下玻璃是怎样发挥节能减排作用的?

陈淑勇:好的。根据我的工作经验,玻璃工业的节能减排可以体现在玻璃的生产、应用和回收各个环节。生产环节比较容易理解,就是降低玻璃从原料到产品的生产过程的能耗与排放;在应用环节方面,就是玻璃产品经过后续加工后具备新的特性,实现应用场景的节能减排,例如低辐射玻璃、太阳能电池等都离不开玻璃;在回收环节方面,玻璃作为可回收利用的资源,其回收利用可显著降低玻璃生产过程的能源和资源消耗,但玻璃回收存在分类和成本问题,现阶段仍需大量研究。

我所从事的研究主要是针对玻璃的生产环节,利用数值模拟方法,对玻璃熔制、成形技术与工艺进行研究。玻璃的生产过程是将原料加热至1500℃以上的高温形成玻璃液,再通过不同的方法在高温下成形、得到玻璃产品,整个生产过程均在高温下进行,存在高能耗、高排放问题。传统的研究手段是基于经验和生产线试验,相当于基于经验的试错研究方法,成本高、周期长。利用数值模拟技术,可以方便地对不同产品、不同工艺进行快速、低成本的分析研究,从而推动新型节能玻璃材料和生产工艺技术的开发。

深读周刊:碳达峰、碳中和是当前全社会热议的目标,在您的研究规划中,为了实现上述目标,咱们玻璃行业正在进行哪些转变和突破?

陈淑勇:我们过去的研究主要集中于传统玻璃熔窑的模拟研究,通过玻璃熔窑的结构优化设计、工艺调整、余热利用等,提高燃料的能量利用率,达到一定的节能减排目的。而在碳达峰、碳中和目标提出后,我们的研究方向更多地向新型的、具有突破性的节能减排手段拓展,例如碳捕集与利用、熔窑氢能替代、大型电熔窑技术等。

能源是工业发展的基础。从工业革命开始,能源就是以化石燃料为主,即使到了现在,新能源行业快速发展,但工业领域仍大量依赖化石燃料。在现有的能源结构下无法做到“脱碳”,这就推动了碳捕集、固定与利用技术的发展。具体到玻璃行业,就是利用碳捕集技术将玻璃熔窑排出烟气中的CO2捕集下来,可进一步在食品、农业等领域进行应用,或直接将CO2封存,从而实现降低碳排放的目标。但总体而言,碳捕集技术仍然无法从源头降低碳排放量,因此,绿色能源替代成为玻璃行业“双碳”目标的关键技术。可用于玻璃生产的绿色能源主要有零碳排放的绿电和绿氢,主要来源于太阳能、风能。而风能和太阳能发电又都离不开玻璃,像是风力发电叶片需要用到大量玻璃纤维,而光伏模组产品更是离不开光伏盖板玻璃。因此在碳达峰、碳中和政策引领下,玻璃行业与新能源行业可以说是互相依赖、互相成就。

深读周刊:一路走来,您认为想成为数值模拟这样有多学科知识积淀的专业研究者,需要怎样的素质?

陈淑勇:从我的个人经历来说,毕业后我很荣幸地加入了蚌埠玻璃工业设计研究院,在浮法玻璃新技术国家重点实验室这个平台从事科研工作。一开始进入实验室的时候,还是有一些迷茫的。因为我的专业是化工,与玻璃材料有很大不同。虽然毕业前针对性地补充了一些玻璃专业知识,但只是肤浅地看了些教科书,没有对玻璃材料学科的明确认识。好在进入实验室后,我就被安排到一个具体的研发项目中,通过生产线参观实习和实验操作,发现将几种原料混合后烧到1500℃,就可以得到透明的玻璃,这十分有趣。我对玻璃的生产过程有了清晰认识,而恰好在项目研究中,可以用到我所熟悉的数值模拟方法,对实验过程进行模拟分析,使我得以快速融入项目研究。后续的工作中,我继续从事模拟研究,可以学以致用,感觉很棒。

数值模拟是一门典型的交叉学科,涉及到数学、计算机、物理、化学等学科,以及工程与生产知识,需要长期的学习和积累。比如说,像我们从事玻璃熔窑模拟的研究人员,既要了解玻璃的生产流程,也要看得懂设计方案,还要懂得三维几何建模,以及最重要的模拟计算知识与经验。把工作当成兴趣,就会有动力去学习新知识、解决遇到的问题,并且能从解决问题中得到满足感和成就感。(完)

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