3大类"卡脖子"，产研"两皮"：碳基新材料亟需打破制造强权的称号 奠定基础 独立可控重任道路仍需破解"双皮"

作者：|田瑞英

不久前，工业和信息化部明确表示，碳基材料将被列入"十四五"原材料产业相关发展规划，并将碳化硅复合材料、碳基复合材料纳入"十四五"产业科技创新相关发展规划。

新材料被称为制造业的"底盘"，是支撑国家重大项目和战略性新兴产业的重要基础。

"金字塔"基地上的新型碳基材料具有典型的品种多，应用广泛，附加值高。

中国科学院碳材料重点实验室副主任陈成茂告诉《中国科学日报》，中国碳基材料产业与发达国家之间还存在差距。

"在基础碳材料领域，高精度品种严重依赖进口，仍面临'卡脖子'的风险，亟待提高自主创新能力，加强科技攻关。

但他也指出，在碳材料前沿领域，我国正与国际乃至领先国家并行，相关产业正在加速崛起，"如何在低成本的基础上制定应用场景，大规模筹备，推进产业化，对于抢占新兴产业制高点具有重要的战略意义。

研究人员正在进行电容式碳电化学性能测试。地图由中国科学院山西煤炭化学研究所提供

<h1级"pgc-h-arrow-right-"data-track""84">为制造强国奠定基础</h1>

碳起源于137亿年前的大爆炸，是人类接触中最早和最早使用的元素之一。

作为生命的基石，碳广泛存在于各种动植物和外部环境中，并作为最基本的骨架支撑着整个有机生态系统。

"从广义上讲，碳基材料可以看作是以碳原子为骨架的材料系统，包括纯碳系统，如金刚石和石墨，以及多原子系统，如碳化硅和聚合物有机物。陈成茂介绍。

按尺寸划分，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，三维材料也叫本体材料，包括各种三维特性或复合体系。

"正在出现的新型碳基材料包括碳纤维，特种石墨，纳米碳，多孔碳和储能材料。"陈承茂告诉记者。

他说，碳基材料因其丰富的结构外观、优良的机械、电气、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，"也是新一代战斗机、运载火箭、超高速飞机、核反应堆等重点领域的关键材料。"

北京航空航天大学教授单光轩告诉中国科学日报，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，国内外企业差距不大，国内替代空间巨大，国内企业有望在政策的推动下实现车道的改变超车。

单光存储团队长期关注光学和电子半导体技术、石墨烯复合材料和柔性传感器部件、视觉感知和认知智能技术、纳米生物横切技术等高新技术行业的应用，并首次提出基于石墨烯纳米结构的纳米激光器，并通过理论研究模拟其激光机理。

对于素有"新材料之王"之王的石墨烯，他认为全球石墨烯市场还处于起步阶段，但市场增长非常快，整个行业正处于技术突破需求爆炸的前夜。

"我国高度重视新型碳基材料的开发，因为它们具有战略重要性。陈成茂表示，"突破多项高精度品种，可以大大提高关键材料的自主保护能力，提升新材料的产业化和大规模应用水平，确保产业链和供应链的安全，为建设制造强国奠定坚实的基础。"

< h1级""pgc-h-right-arrow"数据轨道""83"></h1>在自主控制方面还有很长的路要走

在碳基新材料方面，陈承茂认为，我国有三种类型的"卡脖子"需要克服，一是碳纤维及其制品，如高性能聚丙烯基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、碳纤维预浸渍材料、复合材料和碳纸等特种石墨，如用石墨进行机械密封， 抗烧蚀石墨、核石墨和高热发泡石墨等，三是功能碳材料，如中间碳微球、电容碳、硬碳、硅碳、石墨烯导热膜和导电炭黑等。

"我国碳材料领域还存在许多'牌颈'问题，在自主和控制方面还有很长的路要走。作为中国科学院山西煤化工研究所（以下简称中国科学院山西煤化研究所）709专责小组组长，陈承茂感到肩负着沉重的负担。

2007年，在导师、中国科学院山西煤化研究所研究员王茂章、杨永刚的指导下，陈成茂开始带领团队从事先进碳材料的研发。从"自筹资金"，到找到让专案组"生存"的办法，实现关键核心技术突破，推动相关产品产业化，他深知这并不容易。

在陈成茂的领导下，团队克服了可控氧化、交联固化、活化孔、产品净化等技术瓶颈，设计开发了全套生产工艺和工艺设备，先后建成了数吨石墨烯和十吨电容碳中试示范线，实现了批量100公斤级材料的稳定供应。

此外，团队牵头开发了石墨烯、多孔碳和超级电容器领域的多项国际、国家和行业标准，为相关行业的健康有序发展搭建了优质的技术基础。

他表示，从整体上看，我国一些新型碳基材料技术仍以跟踪替代为主，自主设计和应用能力较弱。

此外，重点制造设备也处于引进为主，以研究和仿制为补充，高端分析检测设备基本依赖进口，具有工匠精神的专业工程技术人员出现故障。"这些已成为我国碳基材料发展的突出制约因素。

"碳基新材料作为国民经济的关键基材，具有非常广阔的下游应用领域和巨大的市场空间。在很多高科技领域，如果不能实现关键材料的国产化，就很难从制造强国转变为制造强国。"陈成茂说。

<H1级""pgc-h-right-arrow"数据轨道""57">仍需破解行业和研究的"两皮"</h1>

根据《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》，碳纤维的使用曾经是航空航天驱动的，多年来已成为航空航天驱动和工业驱动的双引擎驱动模型。

这对全球碳纤维的工业格局产生了深远的影响。

单光沉积指出，目前我国碳纤维树脂基复合材料制造工艺装备还比较落后，大规模工业化生产的成套工艺和设备研发能力不足，高端碳纤维产品缺乏，"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向高端行业迈进的关键时期。"在市场需求的推动下，会有更广阔的发展空间，也会有很多压力和挑战。

不久前，中国科学院山西省煤化研究所与美金能源签署协议，共同成立山西中科美金碳材料有限公司，电容式碳产业化项目已经启动，项目建成后，将具备年产500吨电容碳的生产能力。

"这对电容碳的国产化和解决中国超级电容器行业多年来的'卡脖子'问题具有重要意义。"陈成茂说。

但在他看来，科研与工业"双皮"，依然是阻碍新型碳基材料发展的"大问题"。高校、科研院所产生的大量科研论文和专利难以转化，而企业自身研发实力不足，科技创新亟待突破技术瓶颈。

"要加强产、科、研的结合，让科技成为支撑产业高质量发展的基石，让市场需求成为材料研发的实用方向，从而解决真正的问题，真正的问题。

陈成茂还发现，与日本、美国和欧洲等发达国家和地区不同，我国碳素产业以中小企业为主，缺乏龙头企业的引领。

大多数企业研发水平和资金实力薄弱，重复建设水平低，甚至恶性市场竞争。

他认为，国家应进一步加强顶层设计，引导大企业和资本进入，牵引碳基新材料研究和产业发展。

"此外，对新型碳基材料开发的战略部署和支持仍然不足，需要在基础研究和应用技术开发方面进一步统一规划和战略部署，以防止项目碎片化和重复，以应对国家重大需求和国民经济的主要战场。"陈成茂说。