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非凡十年·特別報道⑨ | 山東工陶院:攻克工業陶瓷戰略高地

來源:企業觀察報、集團黨委宣傳部  發布時間:2022-10-24

近日,企業觀察報

對我們的新材料產業作了深度系列報道

全面展現了中國建材集團

心懷“國之大者”

打造“國之大材”的擔當與成就

下面小料將系列報道分享給大家

山東工陶院:

攻克工業陶瓷戰略高地

作為國家級工業陶瓷專業研究院所,山東工陶院自建院以來,始終以攻克行業關鍵共性技術和“卡脖子”技術為己任,先后研發的20余種產品被納入國家級新產品名錄,填補了技術空白。

現今的山東工陶院 

1970年秋天,建筑材料科學研究院(現今的中國建材總院)陶瓷一室、陶瓷原材料室和熱工室的部分人員組建“陶瓷一隊”,搬遷至山東淄博。1971年10月開始籌建山東工陶所,并于次年開始選址進行基建。缺人員,缺設備,缺資金……無一不是橫在全體干部職工面前的嚴峻考驗。

但在不久之后,這片土地上便誕生了中國第一根連續氮化硼纖維、中國第一只玻璃水平鋼化輥道窯用石英陶瓷輥、中國第一條特高壓交流試驗示范工程用百萬伏支柱絕緣子。

沒電通電,沒水引水,沒路修路,地不平就除草搬石頭整治。面對一窮二白的困難局面,山東工陶所的拓荒者們沒有選擇退縮,而是決心重整旗鼓,毅然咬緊牙關,自力更生。從一開始,“艱苦奮斗”這四個字就融入了山東工業陶瓷研究設計院(下稱“山東工陶院”)的基因。

作為國家級工業陶瓷專業研究院所,山東工陶院自建院以來,始終以攻克行業關鍵共性技術和“卡脖子”技術為己任,先后研發的20余種產品被納入國家級新產品名錄,填補了技術空白。其中氮化物陶瓷纖維、高性能陶瓷透波材料等產品為中國重大工程、裝備提供了重要的材料保障,并孵化了氧化鋁陶瓷、石英陶瓷、高壓電瓷、陶瓷膜等產業,為行業發展和經濟建設做出了重要貢獻。

山東工陶院引領著中國先進陶瓷材料技術與產業的發展方向,為航空航天、國防建設提供關鍵材料支撐,讓陶瓷這一古老的材料煥發出新的光彩。

對于集團公司旗下企業山東工陶院的戰略定位,中國建材集團有限公司(下稱“中國建材”)黨委書記、董事長周育先曾說過:“山東工陶院迎來了快速發展的重要機遇期,衷心祝愿工陶院繼續實干篤行,不斷開拓進取,以高質量發展為踐行‘材料創造美好世界’的企業使命添磚加瓦,為新時代新材料的趕考之路交出更加優異的‘工陶答卷’?!?/p>

01填補五大技術空白

2005年12月,科技部批準以山東工陶院為依托單位,建立國家工業陶瓷工程技術研究中心。該中心為山東省工業領域第一個國家級工程技術研究中心,并于2009年12月通過驗收。

自此以后,山東工陶院充分發揮該中心“科技成果轉化孵化器”的作用,面向國家在新能源、節能環保、戰略性新興產業及國防建設的重大需求,先后選定了陶瓷透波材料、陶瓷防隔熱材料、氮化物陶瓷纖維、陶瓷膜材料及裝備、陶瓷3D打印技術五大戰場,調兵遣將逐一叩關,突破了一系列先進陶瓷制備及產業化技術難題,形成了自己的技術和產品優勢。

在陶瓷透波材料領域,山東工陶院首先針對薄壁異型/功能一體材料的制備技術及應用進行開發工作,以材料力學、熱力學、電性能為三大切入點對材料結構、防熱、透波綜合性能的影響加以系統研究,進而成功開發出薄壁異型天線罩制備技術、天線罩透波隔熱協同設計及制備技術、一體化天線罩環境適應性設計及制備技術,徹底突破了飛行器裝備中薄壁異型結構/功能一體材料制備的技術難題。

其次,針對制約大尺寸異型陶瓷基天線罩研制和應用的技術瓶頸,在國內率先進行了陶瓷材料組分微結構設計與性能調控,突破了異形陶瓷部件低應力仿形成型-均勻收縮燒成和高氣孔隙率表面無機涂層制備技術難題,滿足了中國高超聲速飛行器對大尺寸異性陶瓷基天線罩的需求。

在一次次技術攻關之后,山東工陶院現已形成石英陶瓷天線罩、長效隔熱天線窗、超薄天線罩/天線窗、氮化物天線罩/天線窗、拋罩、雨蝕頭以及隔熱瓦等10余種關鍵配套產品。這些產品廣泛應用于航空航天、船舶、高端裝備等領域。其中石英陶瓷產品的市場占有率已達50%,形成了一整套先進工藝技術和裝備生產線。

陶瓷防隔熱材料在民用領域開發重點是超高溫陶瓷基復合材料、隔熱瓦、氣凝膠、加工裝配等,它們廣泛應用于建筑節能、管道保溫、石油化工、冶金、高端工業裝備等行業。

為突破關鍵技術瓶頸,保障飛行器研制進度及對民用領域的供應,山東工陶院于2011年組建了防隔熱團隊,開展高性能氣凝膠材料的研制工作。團隊先從純氣凝膠入手,解決了“從無到有”的問題。再對低密度纖維氈復合氣凝膠產品進行深入研究,解決了“怎么用、用在哪里”的問題。在后一過程中,山東工陶院不斷探索新工藝,從常壓干燥發展到超臨界干燥,從利用30升小高壓反應釜提升到利用1000升的高壓反應釜,大大提高了產能。

氮化物陶瓷纖維具備極優異的綜合性能,如耐超高溫、耐化學腐蝕、介電性能強等,在航空航天、核工業等高技術領域幾乎不可能被替代。因此,發達國家將相關的制備技術進行嚴格封鎖,使其成為典型的“卡脖子”材料。

從1976年起,山東工陶院便開始研制氮化物陶瓷纖維,直到2011年制備出國內第一根性能優異的連續氮化物陶瓷纖維,打破了國外技術壟斷,實現了國內在連續氮化物陶瓷纖維領域的重大突破。

隨后,山東工陶院又抓住了高性能纖維發展的契機,于2020年開工建設氮化物陶瓷纖維中試線,由此走上了從實驗室到中試的跨越發展之路。

面對質疑、困難和重重壓力,項目團隊通過對設備結構和功能的持續改善和驗證,不斷迭代優化工藝,最終實現了高性能陶瓷纖維制備技術的突破。2021年,經過不斷技術攻關、工藝優化、裝備升級,氮化物陶瓷纖維關鍵制備技術及產品質量穩定性等方面取得重大突破,具備了工程化生產的條件。

陶瓷管膜制品 

在陶瓷膜材料領域,山東工陶院于2013年啟動了高性能水處理用陶瓷平板膜材料的研究開發工作,成功開發出性能達標的陶瓷平板膜,掌握了大尺寸薄壁中控陶瓷平板膜材料制備技術。與此同時,山東工陶院也開發出了國內唯一氣孔率高達70%以上的陶瓷纖維復合膜制品,一舉打破了國外產品技術的壟斷局面,實現了進口替代。

值得一提的還有新型功能性高溫膜過濾材料。當時,脫硝催化劑已在蜂窩陶瓷領域實現推廣,但在高溫陶瓷膜領域卻是前所未有。研發團隊勇闖藍海,最終以浸漬法制備出功能性陶瓷膜,解決了除塵脫硝這一關鍵性難題。

目前,陶瓷膜材料的系列成品已成功在耐火材料、玻璃行業應用,解決了高溫煙氣的超低排放技術難題。

面對“雙碳”目標,山東工陶院立足多年研究的產業化基礎,構筑了“工陶院雙碳開發體系”,開展了固體氧化物燃料電池與二氧化碳分離用納米孔陶瓷材料的開發工作,助力綠色低碳轉型。

“3D+陶瓷”不僅可以應用于航空航天、國防建設等高科技領域新型產品的開發,還可實現個性化、復雜化、定制化生物醫療產品的快速制造。但陶瓷3D打印技術也是一種多學科交叉的新型制造技術,因而開展這一首創性研究的難度極大。有時,為了攻克某一個難點,通常需要查閱海量的文獻資料、經過數十次甚至上百次的實驗才能真正解決問題。

2016年,山東工陶院成立先進陶瓷3D打印技術研究中心。這支成員平均年齡僅30歲的年輕團隊,經過無數次的配方改進和上萬次試驗,終于開發出具有自主知識產權的高精密陶瓷3D打印機及專用陶瓷料漿。在攻克了以氧化鋁、氧化鋯為代表的氧化物陶瓷體系料漿制備技術難題后,團隊迎難而上,馬不停蹄地攻克了以氮化硅為代表的深色陶瓷體系料漿制備技術難題,再次填補了國內空白,為中國高端領域應用的陶瓷增材制造產品的研制開發提供了關鍵共性技術。

02改出來的競爭力

20世紀末,山東工陶院逐步開始進行企業化改制,由原來的差額撥款事業單位改為市場化運營、自負盈虧的企業。

企業化改革是機遇,也是挑戰。

體制改革必遇阻礙,只有克服困難,方能涅槃重生。山東工陶院為了發展求生,唯有堅定不移地走下去。

為適應建設科技型企業的需求,山東工陶院將院內項目陸續搬遷至淄博市高新區,在這座國家級經濟開發區內開始了二次創業。

2000年,山東工陶院作為主發起人,成立了山東中博先進材料股份有限公司(即“中材高新材料股份有限公司”的前身),拉開了先進陶瓷發展的新篇章。公司建成后,年產3.5萬噸氧化鋁球、襯磚等生產線,產量在當時屬亞洲第一;年產9萬支石英陶瓷輥棒生產線,標志著中國成為世界上第三個可生產這一產品的國家;年產10萬只特高壓支柱絕緣子生產線;年產10萬平方米過濾陶瓷及無機膜生產線。在新材料、新技術領域,公司相繼建成了石英天線罩透波材料及制品生產基地,特殊耐高溫隔熱材料及氣凝膠復合高級保溫材料、氮化物陶瓷纖維連續生產試驗線等,進而使山東工陶院成為中國先進陶瓷行業內集研發設計、產品制造、成套技術與裝備和相關工程集成及進出口業務于一體的國家級高新技術企業。

山東工陶院展廳 

在“十二五”“十三五”時期,山東工陶院取得了長足發展。

首先是科技創新取得長足發展。圍繞建設成為“先進陶瓷領域國際一流科技型企業”的愿景目標,山東工陶院積極謀劃建設山東省創新創業共同體等6個重大創新平臺,集聚高端創新資源,承擔服務國家戰略的“卡脖子”技術攻關任務3項,突破20余項關鍵核心技術。

其次是產業發展規模不斷壯大。國防產品年收入破億元,7個型號15個產品獲得定型;陶瓷膜產業實現從膜元件到膜組件、膜裝備的產業鏈縱深拓展,產業初具規模;特高壓電瓷產品、氮化硅陶瓷、陶瓷3D打印等一系列技術實現了突破,孵化出一批成果。

最后是成果轉化初見成效。山東工陶院積極探索科技成果轉化新模式,面向行業需求,累計簽訂成果轉化、技術服務項目20余項;同時也積極探索分院建設新模式,不斷提升山東工陶院的品牌價值,先后成立萍鄉分院和內蒙古分院,強化了山東工陶院產業引領和行業服務的功能。

經過企業化改革及一系列有效探索后,山東工陶院依托國家工業陶瓷工程技術研究中心和重點實驗室,打造了產研結合、集成創新、技術服務的開放性研發平臺和服務平臺,同時與國內外高校、科研院所、行業協會共同構筑了從科研、工程化轉化到產業發展的特色發展路徑,成績斐然。

具體成績包括四點:

一是科技創新平臺不斷完善。山東工陶院現已形成以國家工業陶瓷工程技術研究中心為核心,山東省先進陶瓷技術創新中心、山東省先進陶瓷創新創業共同體、山東省透波材料重點實驗室等省級平臺協同的綜合性創新主體。

作為全國工業陶瓷標準化技術委員會(SAC/TC 194)依托單位、國際ISO/TC 206精細陶瓷技術委員會國內技術歸口聯絡單位,山東工陶院組織制定、修訂國際、國家、行業等標準190余項。

二是科技創新成效顯著。山東工陶院現已形成獨具特色的高性能陶瓷透波材料、陶瓷防隔熱材料、特種陶瓷纖維、特種功能涂層、先進陶瓷精密加工技術、先進陶瓷增材制造、陶瓷膜及裝備、新能源材料等八大特色研發方向。先后承擔國家“863”計劃、國家科技攻關和國防科技攻關項目百余項,獲得國家級科技獎勵6項,省部級獎勵百余項?,F擁有專利187件;與德國弗勞恩霍夫協會、奧地利俐陶智、德國達姆施塔特工業大學、中科院、清華大學、哈工大等國內外知名機構、院校深入合作,形成了高效、協同、開放的技術創新體系。

“十三五”期間,山東工陶院積極探索成果轉化模式,完成了DLP陶瓷3D打印機、納米輕質陶瓷等C類創新成果的轉移轉化,初步探索出了一條成果轉化發展之路。

三是產業發展規模持續壯大。近年來,山東工陶院穩抓環保行業的有利形勢,保持生產經營發展勢頭,陶瓷膜產業實現從膜元件到膜組件、膜裝備的產業鏈縱深拓展,其中陶瓷平板膜業已實現從研發到產業化的重大突破。

2021年,山東工陶院正式啟動氮化物陶瓷纖維生產線和年產5000件耐高溫天線罩生產線項目建設,為產業規模壯大進一步奠定堅實基礎。

四是人才隊伍建設碩果累累。建院50多年來,山東工陶院始終堅持以人為本,不斷激發人才的創新活力,培養了一大批具有影響力的專家學者,搭建了一支專業配套齊全、年齡結構合理、勇于創新的技術管理團隊。擁有國家級、省級兩級博士后科研工作站,現有國家級人才4人,省級人才9人,中級及以上職稱人員占比40%,技術研發人員約占職工總數的40%,為科技創新提供取之不盡、用之不竭的澎湃動能。

03持續推進科技創新

“十三五”期間,山東工陶院以科技創新為第一驅動力,將現有業務收入的年復合增長率提升到21%,利潤年復合增長率已達43%。

“十四五”期間,山東工陶院將持續堅持科技創新,重點做好以下幾個方面:

一是面向世界科技前沿,以實現先進陶瓷領域科技自立自強為出發點,培養和引進頂尖創新人才,培育學科和專業優勢,搶占科技創新制高點,打造原創技術策源地。

二是面向國民經濟主戰場,堅持做市場需求下的有效科研,注重產出效率和經濟效益的二者兼顧,形成一批能引領行業發展并為山東工陶院高質量發展提供支撐的關鍵技術和產品。

三是面向國家重大需求,提高政治站位,發展現有技術優勢,以國家重大工程應用為牽引,實現自主保供;在“卡脖子”技術攻關方面,加大研發投入,優化配置資源,以應用目標為導向,強化先進陶瓷領域戰略科技力量。

四是面向人民生命健康,推動3D+生物陶瓷等成果在醫療健康領域的應用,以科技創新為人民健康提供支撐。

“十四五”是中國新材料產業發展的關鍵時期,作為新材料的重要組成部分,先進陶瓷已成為許多高端技術發展不可或缺的關鍵材料,為中國發展壯大新一代信息技術、高端裝備、新材料、生物、新能源汽車、新能源、節能環保、數字創意等戰略性新興產業提供了基礎支撐能力。歷經五十多年的發展,山東工陶院的先進陶瓷產業連續取得了跨越式發展,對關鍵應用領域的支撐和產業的綠色發展作用日益凸顯,產業規模逐年擴大。

“十四五”期間,山東工陶院將繼續堅持創新驅動發展戰略,堅定不移地踐行好“服務國家戰略、服務地方經濟發展、服務行業技術進步”的使命擔當,始終貫徹中國建材集團“4335”指導原則,聚焦中國建材總院“1+3”主業,架構以中材高新“232”戰略目標為導向,進一步落地落實“133”戰略定位,堅定打造1個高水平國家級創新平臺,壯大3個成長產業(陶瓷透波材料、陶瓷防隔熱材料、陶瓷膜材料),發展3個培育產業(先進陶瓷關鍵原材料、3D成型+生物陶瓷、新能源材料)的“133”戰略定位,聚焦主業主責,專注先進陶瓷新材料領域,承擔起為國家攻克“卡脖子”材料、帶動中國新材料產業創新發展、推動地方經濟發展的重要作用;持續加大科研投入,堅持創新驅動,增強攻關力度,強化成果轉化,把牢科技制高點;持續深化改革,創新發展模式,激發內生活力,在質量效益、結構調整、創新能力、深化改革、管控水平等方面不斷提升,努力建設先進陶瓷領域國際一流科技型企業。

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