7月21日，在南京功成节能新材料研究院的实验室里，在一个矿泉水瓶大小的透明实验装置中，水流缓缓通过一组由新型金属材料制成的涡轮。令人惊讶的是，该装置连续运行半年多，却不产生肉眼可见的水垢。
在日常家庭用水中，人们经常会遇到水壶结垢、莲蓬头被水垢堵塞、地暖等问题。传统净水器通过添加盐等化学试剂净化一吨纯水，产生约半吨废水，造成水资源的极大浪费。去年南京疫情期间，南京功成节能新材料研究所创新研发出国内首款纯物理阻垢除垢材料，实现了物理除垢和废水“零排放”。这种“黑科技”应用在家用净水产品上。自今年一季度上市以来，半年时间已销售超3万套。
在实验室，记者看到，随着水流过，没有插电的实验装置，但显示电流为60微安。不接通电源怎么能产生电流呢？在高温下，水中的碳酸盐会与钙镁离子结合，形成不溶于水的碳酸钙和碳酸镁，即水垢。秤去哪了？
“这个实验装置看起来像一个普通的涡轮扰流板。它的制备材料由铜、锌、镍等9种电负性不同的金属经特殊工艺高温熔化而成。”面对记者的提问，南京功成节能新材料研究院创新中心主任叶天宝表示，这种合金材料可以向水中释放电子，阻止钙镁离子与碳酸根结合，不仅可以有效保留水中对健康有益的钙镁矿物质，还可以防止涉水家电产生固体沉积物和被腐蚀。
“我们的技术创新其实是‘逼出来的’”。南京功成节能新材料研究院总经理孙俊杰介绍，该院是2018年由西北工业大学材料学院人才团队联合组建的新型研发机构。此前长期从事工业领域大型循环水管道的除垢节能工作，客户多为高能耗的电厂、油田、化工厂。去年南京疫情期间，员工无法出行，看不到工厂的实际工作情况，只能在网上交流，传统业务陷入停顿。面对疫情，在危机中寻找机会，该所技术团队积极转换轨道——工业领域的阻垢除垢技术能否应用到家庭？
和工业家庭是两个完全不同的领域，技术创新面临多重问题。一方面要考虑民用净水材料的安全性，必须严格控制合金材料中的杂质元素；其次，电厂和油田的水管一般每季度检修一次，而普通家庭每天都要用水。相比工业客户，家庭用户希望在更短的时间内看到效果，对净水材料的性能要求更高；此外，工业用水24小时不停，而普通家庭的水龙头开关频繁。家居产品还要考虑安装方便、稳定性等多重因素。从选材到配比再到加工制造，团队前后经历了上百次测试。
"第一个问题是产品的选择."南京工程节能新材料研究所所长蔡介绍，同一种金属，纯度不同，甚至产地不同，成品性能也不同。在多年的工业水除垢过程中，该所确定了20多种金属具有储电功能。在此基础上继续试验，最后选了九种作为基础材料，九种中的每一种都以差不多90%到99%的纯度再试验一次。光是挑选产品，团队就花了将近半年的时间。
第二个难点是九种金属的比例。哪种材料用的多，哪种用的少，多多少少都会对产品产生不同的影响，这就要靠研究团队一遍又一遍的摸索了。用于冶炼金属的中频炉温度可达近1000摄氏度。去年夏天，最热的七八月份，科研团队住在工厂里，盯着熔炉配料冶炼，工作服上的盐霜形成了一层又一层。
熔化过程也是一个挑战。“中频炉熔化的熔融金属需要人工浇注成直径10厘米、高约1米的棒料。如果把中频炉比作煎锅，杠就是盘子。在‘装盘’的过程中，如果混入的空气体过多，就会出现气孔和裂纹，如果杂质过多，就会产生沙眼。甚至下不下雨都有影响，因为下雨天空气中有很多灰尘空。”叶天宝说，一个中频炉可以冶炼300多公斤的金属原料，需要10多万元。起初，成品率不到1%。团队顶住压力，“烧钱”的同时不断优化改进冶炼工艺。
更大的问题是金属在熔化过程中的状态是看不到也检测不到的，性能测试只能在加工成型后进行。一位技术人员说，每次实验都像是“开盲盒”，前期无法判断效果好坏。记不清多少次，经过努力，终于做出了一个满意的吧。信心满满地测试后，发现有些缺乏延展性，无法加工，有些良率太低，无法量产，只能推倒重来。
“这个过程是很大的心理考验。”孙俊杰回忆说，新材料的研发重在科技，研发周期长，投入大，回报慢。研究所投入了几千万。此外，公司与合作伙伴签订了对赌协议，如果市场出现任何问题，公司将承担所有损失。“工业品出问题，可以给客户换一套。家居产品涉及千家万户，召回难度大。最困难的时候，有几个团队成员主动提出离职，我甚至怀疑他们的领导方向是不是错了？”
“搞定了！”叶天宝还记得去年9月该材料首次测试成功时的兴奋。经过上百次实验，研究团队终于“提炼”出了物理方法阻垢除垢的“黑科技”。“在稳定准备材料后，我们的产品仍在不断优化和调整。比如一开始把扰流器做成孔板，实验发现涡轮形状可以最大程度的保持自来水流量。我们重新打开模具制造了一个涡轮机。”
“创新之路充满艰难险阻，无限风光恰在险峰。”孙俊杰说，传统制造业是在不断摸索中前进的。只要符合市场需求的产品就不需要客户，现在知名品牌如邰方、小天鹅、美的都是企业的合作伙伴。面对疫情危机，企业将围绕抑菌防腐需求，进一步深化医疗、军事等不同应用场景的除垢材料研发。
汇点记者林露
编辑:周敏
【来源:新华每日交汇】
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