【中国科学报】政策护航“碳基”新赛道
2021-10-11 来源： 中国科学报 田瑞颖
http://www.cas.cn/cm/202110/t20211011_4808451.shtml
播报
科研人员正在进行电容炭电化学性能测试。中国科学院山西煤炭化学研究所供图
不久前，工信部明确表示将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划，并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。
新材料被誉为制造业的“底盘”，是支撑国家重大工程和战略性新兴产业的重要基础。而处于“金字塔”基上的碳基新材料，是品种多、应用广、附加值高的典型一族。
中国科学院炭材料重点实验室副主任陈成猛在接受《中国科学报》采访时表示，我国碳基材料行业与发达国家相比仍然存在一定差距。“在基础炭材料领域，高精尖品种大量依赖进口，仍面临‘卡脖子’风险，亟须提高自主创新能力，加强科技攻关。”
但他也指出，在前沿炭材料领域，我国处于与国际并行乃至领跑状态，相关产业正加速崛起，“如何在低成本大规模制备的基础上，开拓应用场景，推进产业化，对于抢占新兴产业制高点具有重要战略意义”。
为制造强国奠定基础
碳元素产生于137亿年前的宇宙大爆炸，是人类接触最早且利用最早的元素之一。陈成猛表示，碳元素作为生命的基石，广泛存在于各类动植物及外界环境中，并作为最基本的骨架支撑整个有机生态体系。
“广义上碳基材料可以看做是以碳原子为骨架的材料体系，包括金刚石、石墨等纯碳体系和碳化硅、高分子有机物等多原子体系。”陈成猛介绍道。
按照维度划分，碳基材料可分为零维、一维、二维和三维材料。其中，零维材料有碳量子点、富勒烯等；一维材料有碳纤维、碳纳米管、碳纳米线等；二维材料有石墨烯等；三维材料也称体材料，包含各类立体的本征或复合体系。
“目前涌现的碳基新材料，主要包括碳纤维、特种石墨、纳米碳、多孔炭和储能炭材料等。”陈成猛告诉记者。
他表示，碳基材料由于其丰富的结构形貌，优良的力学、电学、热力学等性能备受关注，广泛应用于航空、航天、核能、风电、光伏、电子、冶金、化工、机械和交通等领域，“也是新一代战机、运载火箭、超高声速飞行器、核反应堆等重点领域不可缺少的关键材料”。
北京航空航天大学教授单光存告诉《中国科学报》，碳基半导体材料主要分为碳化硅和石墨烯，“碳化硅作为第三代半导体材料，国内外企业差距较小，国产替代空间巨大，国内企业有望在政策的推动下实现变道超车”。
单光存团队长期关注光电子半导体技术、石墨烯复合材料及柔性传感器件、视觉感知与认知智能技术、纳米生物交叉技术等高科技产业的应用基础研究，并首次提出了基于石墨烯纳米结构的纳米激光器，同时通过理论研究模拟了其激光机制。
对于被誉为“新材料之王”的石墨烯，他认为，目前全球石墨烯市场正处于起步阶段，但市场增速很快，整个行业正处于技术突破需求爆发的前夜。
“我国高度重视碳基新材料的发展，因其具有非常重要的战略意义。”陈成猛表示，“花大力气突破一批高精尖缺品种，能够大幅提高关键材料自主保障能力，提升新材料产业化和规模化应用水平，确保产业链和供应链安全，为建设制造强国奠定坚实基础。”
自主可控任重道远
在碳基新材料方面，陈成猛认为，目前我国亟待攻克的“卡脖子”品种有三大类，一是碳纤维及其制品，如高性能聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、碳纤维预浸料、复合材料和碳纸等；二是特种石墨，如机械密封用石墨、抗烧蚀石墨、核石墨和高导热泡沫石墨等；三是功能炭材料，如中间相碳微球、电容炭、硬炭、硅炭、石墨烯导热膜和导电炭黑等。
“我国炭材料领域还有诸多‘卡脖子’难题，自主可控任重道远。”作为中国科学院山西煤炭化学研究所（以下简称中科院山西煤化所）709课题组组长，陈成猛深感肩上的担子沉重。
2007年，在导师、中科院山西煤化所研究员王茂章和杨永岗的指导下，陈成猛开始带领团队从事先进炭材料的研发工作。从“自负盈亏”，想办法让课题组“活下来”，到实现关键核心技术的突破和推动相关产品的产业化，他深知其中的不易。
在陈成猛的带领下，团队攻克了可控氧化、交联固化、活化造孔和产品提纯等瓶颈性技术难题，设计开发了全套生产工艺与过程装备，先后建成吨级石墨烯和十吨级电容炭中试示范线，实现批次百公斤级材料的稳定供货。此外，团队还牵头制定了石墨烯、多孔炭和超级电容器领域多项国际、国家和行业标准，为相关产业的健康有序发展构筑了质量技术基础。
他表示，总体而言，我国一些碳基新材料技术仍以跟踪替代为主，自主设计应用能力较弱。此外，关键制造装备也处于以引进为主、研制和仿制为辅的状态，高端分析测试设备更是基本依赖进口，具有工匠精神的专业工程技术人才出现断层。“这些都已经成为制约我国碳基材料发展的突出问题。”
“碳基新材料作为国民经济的关键基础材料，拥有极为广阔的下游应用领域和巨大的市场空间。在诸多高新技术领域，如果不能实现关键材料的国产化，我们就很难从制造大国变为制造强国。” 陈成猛说。
仍需破解产研“两张皮”
《2020全球碳纤维复合材料市场报告》（以下简称《报告》）指出，碳纤维的应用曾经是以航空航天为主驱动的，这些年已经变成了航空航天驱动与工业驱动的双引擎驱动模式。这给全世界碳纤维的产业格局带来了深刻影响。
单光存指出，目前，我国碳纤维树脂基复合材料制造工艺装备仍比较落后，大规模工业化生产成套工艺与装备研发能力不足，缺乏碳纤维高端产品，“这些都是阻碍我国高性能复合材料发展的重要原因”。
但他也指出，我国碳纤维树脂基复合材料正处于迈向产业中高端的关键时期。“在市场需求的推动下，将迎来更广阔的发展空间，同时也面临很多压力和挑战。”
不久前，中科院山西煤化所与美锦能源等签署协议，共同设立了山西中科美锦炭材料有限公司，电容炭产业化项目已经启动，该项目完成后，将具备年产500吨电容炭的生产能力。“这对于实现电容炭的国产化、解决我国超级电容器行业多年的‘卡脖子’难题具有重要意义。”陈成猛表示。
但在他看来，科研与产业“两张皮”，依然是阻碍碳基新材料发展的“老大难”问题。高校和科研院所产生大量的科研论文和专利难以转化；而企业自身研发实力不足，迫切需要科技创新突破技术瓶颈。“必须加强产学研用结合，使科技成为支撑产业高质量发展的基石，使市场需求成为材料研发的实践方向，这样才能解决真问题，真解决问题。”
陈成猛还发现，与日本、美国和欧洲等发达国家和地区不同，我国的炭素产业多以中小型企业为主，缺乏龙头企业的引领。大部分企业的研发水平和资金实力较为薄弱，存在低水平的重复建设，乃至恶性市场竞争。
他认为，国家应进一步加强顶层设计，引导大型企业和资本入场，牵引碳基新材料的研究与产业发展。
“此外，对碳基新材料发展的战略部署和支持力度仍有欠缺，需要面向国家重大需求和国民经济主战场，在基础研究与应用技术开发方面，进一步做好统一规划和战略部署，防止碎片化和重复立项。”陈成猛表示。
（原载于《中国科学报》 2021-10-11 第3版 能源化工）
