科技日报记者 赵向南
“我们是国内首家拥有自主知识产权、实现高性能空心玻璃微珠（以下简称‘空心微珠’）工业化生产的企业。独创的制备工艺突破国际垄断，空心微珠实现了国产化替代。”近日，国家知识产权局公示“2025—2027年国家知识产权示范企业创建对象名单”，山西海诺科技股份有限公司（以下简称“山西海诺”）位列其中，该公司董事长申鹏展兴奋地说。
空心微珠是以碱石灰硼硅酸盐玻璃为原料制成的微米级中空球体，内部填充惰性气体，外壁极薄，重量极轻却抗压。3800万颗空心微珠仅重1克，最大抗压超过180兆帕。凭借轻质高强、隔热耐腐、低介电的核心特性，空心微珠是先进复合材料产业链中不可或缺的关键材料，应用场景十分广泛。
“经过10多年攻关，我们研制出空心微珠生产工艺，应用该工艺生产的空心微珠综合性能达国际先进水平，部分型号的抗压强度、粒径分布等核心指标全球领先。”申鹏展向科技日报记者介绍。
海洋开采石油离不了的特殊材料
日前，在中国海洋石油集团南海东部海域某作业基地，钻杆正向千米深海探进。现场操作人员介绍，钻井完成后，将添加了空心微珠的水泥浆注入井筒与地层之间的环形空间，可形成低密度高抗压的水泥环，提升固井质量，保障油气开发安全。
“这是深海油气勘探开发的关键环节。深水固井中，使用密度高的常规水泥浆，易压裂脆弱海底地层，导致钻井液漏失。”申鹏展说，“在水泥浆中添加一定比例的空心微珠，可使其具备低密度和高抗压强度，满足海洋深水井固井的技术需求。”
长期以来，我国石油开采所用的空心微珠需从国外进口。“国内75%以上的市场份额被外国产品垄断，外国公司还进行严苛技术封锁，监控产品使用过程，强制回收未用完材料及边角料。”山西海诺董事会秘书赵慧龙坦言。
2015年，山西海诺空心微珠量产实现突破，随即供应至中国海洋石油集团浅水海域的海洋石油作业基地。供应量从试用时的80吨逐年增长至数百吨、上千吨，并扩展到所有水深作业区间。至今，山西海诺累计供应空心微珠超万吨，实现了对中国海洋石油集团固井专用空心玻璃微珠的100%供应。
“我们生产的空心微珠性能媲美国外产品，但价格仅为进口的1/3。”申鹏展说，“更重要的是，我们在海洋石油固井材料领域实现了关键技术自主。”
2023年10月，中国石油和化学工业联合会鉴定，山西海诺的“海洋石油固井专用空心玻璃微球工程化技术及应用”技术水平国际领先。
上万次试验破解了工业化难题
空心微珠作为海洋石油固井高性能材料，工业化生产并非易事。“我们进入这个领域时，面临国外技术封锁、国内无产业化先例的困境，处于无技术图纸、无现成设备、无专业人才的‘三无’状态。”申鹏展回忆说。他出资组建研发团队，从5公斤试验入手，摸索工业化生产工艺。
2009年，在太行山深处的山西海诺厂房里，研发团队将二氧化硅等原料配制成浆料，经磨浆、均质、烧制等工序，期待空心微珠诞生。当高温成球炉首次点燃又冷却后，产出的却是一堆实心或粘连的玻璃微球。“从实验到工业化生产，成果转化一点不比理论研发容易。”申鹏展说，空心微珠的原料比例稍有偏差，成品就大不相同；烧结温度多几度，空心结构就可能坍塌。
泛黄的实验数据记录本摞得很高，一堆堆残次品让人心情沉重。反复试验、修正参数，经过小量到大量的递进式试验和上万次摸索，研发团队通过“笨功夫”，在2012年探明了空心微珠工业化的所有关键数据和工艺：配制多组分原料浆、精密喷雾造粒形成坯体，再经高温火焰瞬间强化成珠。
然而，生产工艺突破只是第一步。空心微珠生产所需的几十台专用设备，当时在国内是空白，从烘干设备到核心的成球炉，都需自行研制。为了一台特制烘干机，研发团队远赴江苏，与厂家技术员修改六七次样品才成功。“成球炉作为核心设备，要求能在600℃—1000℃区间精准调控火焰，确保空心微珠均匀过火。”赵慧龙说，“我们设计图纸，指导南方企业加工，来回修改几十遍，才造出匹配的炉子。”
从无到有、从小到大，山西海诺从5公斤试验，到百公斤级小试，再到吨级的中试，创新性采用“逐级放大法”，逐一破解空心微珠适配设备、稳定工艺等难题。2015年建成国内第一条工业化生产线，2023年建成国内唯一的万吨级生产线。
向空心微珠应用蓝海挺进
“我们在山西高平经济开发区建设的海诺高性能空心微珠新材料产业园，已列入山西今年省级重点工程项目。在有关部门帮助下，建设用地已落实。当下正办理环评、节能评价等前期手续，很快就能开工。”3月16日，赵慧龙说，“空心微珠不仅要用在石油开采，还要进军航天、电子等领域。”
今年，山西海诺投资7.5亿元建设产业园，设计产能3万吨，预计明年完工投产。“现在年产能为1.5万吨，再加上这3万吨，届时会成为全球最大的空心微珠智能生产基地。这不仅能提升国产空心微珠在国内细分市场的占有率，更能强化其国产替代地位。”赵慧龙说。
为此，山西海诺搭建了“联盟—研究院—工程中心—工作站”研发架构，形成涵盖基础研发、工程转化、产业配套的完整产学研用矩阵，持续推进空心微珠研发创新。
山西海诺的空心微珠正向人工智能、半导体、低空经济、现代建筑等领域拓展。“我们还开发了空心微珠固体浮力材料、可机加工聚氨酯仿木复合材料、5G专用低粒径低介电高性能空心玻璃微珠等9款首发新产品。”申鹏展说，多个产品已通过多领域龙头企业规模化应用验证，直接配套比亚迪、航天科工集团等客户，还间接服务华为、宁德时代等客户。
山西海诺是生产空心微珠的国家级专精特新“小巨人”企业，以“成为世界领先的微球新材料企业”为目标。申鹏展表示：“我们要在空心微珠新材料领域持续深耕，为国家战略产业安全筑牢新材料根基！”
（山西海诺供图）
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