3大類"卡脖子"，産研"兩皮"：碳基新材料亟需打破制造強權的稱号 奠定基礎 獨立可控重任道路仍需破解"雙皮"

作者：|田瑞英

不久前，工業和資訊化部明确表示，碳基材料将被列入"十四五"原材料産業相關發展規劃，并将碳化矽複合材料、碳基複合材料納入"十四五"産業科技創新相關發展規劃。

新材料被稱為制造業的"底盤"，是支撐國家重大項目和戰略性新興産業的重要基礎。

"金字塔"基地上的新型碳基材料具有典型的品種多，應用廣泛，附加值高。

中國科學院碳材料重點實驗室副主任陳成茂告訴《中國科學日報》，中國碳基材料産業與發達國家之間還存在差距。

"在基礎碳材料領域，高精度品種嚴重依賴進口，仍面臨'卡脖子'的風險，亟待提高自主創新能力，加強科技攻關。

但他也指出，在碳材料前沿領域，我國正與國際乃至領先國家并行，相關産業正在加速崛起，"如何在低成本的基礎上制定應用場景，大規模籌備，推進産業化，對于搶占新興産業制高點具有重要的戰略意義。

研究人員正在進行電容式碳電化學性能測試。地圖由中國科學院山西煤炭化學研究所提供

<h1級"pgc-h-arrow-right-"data-track""84">為制造強國奠定基礎</h1>

碳起源于137億年前的大爆炸，是人類接觸中最早和最早使用的元素之一。

作為生命的基石，碳廣泛存在于各種動植物和外部環境中，并作為最基本的骨架支撐着整個有機生态系統。

"從廣義上講，碳基材料可以看作是以碳原子為骨架的材料系統，包括純碳系統，如金剛石和石墨，以及多原子系統，如碳化矽和聚合物有機物。陳成茂介紹。

按尺寸劃分，碳基材料可分為零維、一維、二維和三維材料。其中，零維材料有碳量子點、富勒烯等，一維材料有碳纖維、碳納米管、碳納米線等，二維材料有石墨烯等，三維材料也叫本體材料，包括各種三維特性或複合體系。

"正在出現的新型碳基材料包括碳纖維，特種石墨，納米碳，多孔碳和儲能材料。"陳承茂告訴記者。

他說，碳基材料因其豐富的結構外觀、優良的機械、電氣、熱力學等性能備受關注，廣泛應用于航空、航天、核能、風電、光伏、電子、冶金、化工、機械和交通等領域，"也是新一代戰鬥機、運載火箭、超高速飛機、核反應堆等重點領域的關鍵材料。"

北京航空航天大學教授單光軒告訴中國科學日報，碳基半導體材料主要分為碳化矽和石墨烯，"碳化矽作為第三代半導體材料，國内外企業差距不大，國内替代空間巨大，國内企業有望在政策的推動下實作車道的改變超車。

單光存儲團隊長期關注光學和電子半導體技術、石墨烯複合材料和柔性傳感器部件、視覺感覺和認知智能技術、納米生物橫切技術等高新技術行業的應用，并首次提出基于石墨烯納米結構的納米雷射器，并通過理論研究模拟其雷射機理。

對于素有"新材料之王"之王的石墨烯，他認為全球石墨烯市場還處于起步階段，但市場增長非常快，整個行業正處于技術突破需求爆炸的前夜。

"我國高度重視新型碳基材料的開發，因為它們具有戰略重要性。陳成茂表示，"突破多項高精度品種，可以大大提高關鍵材料的自主保護能力，提升新材料的産業化和大規模應用水準，確定産業鍊和供應鍊的安全，為建設制造強國奠定堅實的基礎。"

< h1級""pgc-h-right-arrow"資料軌道""83"></h1>在自主要制方面還有很長的路要走

在碳基新材料方面，陳承茂認為，我國有三種類型的"卡脖子"需要克服，一是碳纖維及其制品，如高性能聚丙烯基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、碳纖維預浸漬材料、複合材料和碳紙等特種石墨，如用石墨進行機械密封， 抗燒蝕石墨、核石墨和高熱發泡石墨等，三是功能碳材料，如中間碳微球、電容碳、硬碳、矽碳、石墨烯導熱膜和導電炭黑等。

"我國碳材料領域還存在許多'牌頸'問題，在自主和控制方面還有很長的路要走。作為中國科學院山西煤化工研究所（以下簡稱中國科學院山西煤化研究所）709專責小組組長，陳承茂感到肩負着沉重的負擔。

2007年，在導師、中國科學院山西煤化研究所研究員王茂章、楊永剛的指導下，陳成茂開始帶領團隊從事先進碳材料的研發。從"自籌資金"，到找到讓專案組"生存"的辦法，實作關鍵核心技術突破，推動相關産品産業化，他深知這并不容易。

在陳成茂的上司下，團隊克服了可控氧化、交聯固化、活化孔、産品淨化等技術瓶頸，設計開發了全套生産工藝和工藝裝置，先後建成了數噸石墨烯和十噸電容碳中試示範線，實作了批量100公斤級材料的穩定供應。

此外，團隊牽頭開發了石墨烯、多孔碳和超級電容器領域的多項國際、國家和行業标準，為相關行業的健康有序發展搭建了優質的技術基礎。

他表示，從整體上看，我國一些新型碳基材料技術仍以跟蹤替代為主，自主設計和應用能力較弱。

此外，重點制造裝置也處于引進為主，以研究和仿制為補充，高端分析檢測裝置基本依賴進口，具有工匠精神的專業工程技術人員出現故障。"這些已成為我國碳基材料發展的突出制約因素。

"碳基新材料作為國民經濟的關鍵基材，具有非常廣闊的下遊應用領域和巨大的市場空間。在很多高科技領域，如果不能實作關鍵材料的國産化，就很難從制造強國轉變為制造強國。"陳成茂說。

<H1級""pgc-h-right-arrow"資料軌道""57">仍需破解行業和研究的"兩皮"</h1>

根據《2020年全球碳纖維複合材料市場報告》，碳纖維的使用曾經是航空航天驅動的，多年來已成為航空航天驅動和工業驅動的雙引擎驅動模型。

這對全球碳纖維的工業格局産生了深遠的影響。

單光沉積指出，目前我國碳纖維樹脂基複合材料制造技術裝備還比較落後，大規模工業化生産的成套工藝和裝置研發能力不足，高端碳纖維産品缺乏，"這些都是阻礙我國高性能複合材料發展的重要原因"。

但他也指出，我國碳纖維樹脂基複合材料正處于向高端行業邁進的關鍵時期。"在市場需求的推動下，會有更廣闊的發展空間，也會有很多壓力和挑戰。

不久前，中國科學院山西省煤化研究所與美金能源簽署協定，共同成立山西中科美金碳材料有限公司，電容式碳産業化項目已經啟動，項目建成後，将具備年産500噸電容碳的生産能力。

"這對電容碳的國産化和解決中國超級電容器行業多年來的'卡脖子'問題具有重要意義。"陳成茂說。

但在他看來，科研與工業"雙皮"，依然是阻礙新型碳基材料發展的"大問題"。高校、科研院所産生的大量科研論文和專利難以轉化，而企業自身研發實力不足，科技創新亟待突破技術瓶頸。

"要加強産、科、研的結合，讓科技成為支撐産業高品質發展的基石，讓市場需求成為材料研發的實用方向，進而解決真正的問題，真正的問題。

陳成茂還發現，與日本、美國和歐洲等發達國家和地區不同，我國碳素産業以中小企業為主，缺乏龍頭企業的引領。

大多數企業研發水準和資金實力薄弱，重複建設水準低，甚至惡性市場競争。

他認為，國家應進一步加強頂層設計，引導大企業和資本進入，牽引碳基新材料研究和産業發展。

"此外，對新型碳基材料開發的戰略部署和支援仍然不足，需要在基礎研究和應用技術開發方面進一步統一規劃和戰略部署，以防止項目碎片化和重複，以應對國家重大需求和國民經濟的主要戰場。"陳成茂說。