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柔性石墨

  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。

  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。

  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,亟需提高自主创新能力,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。”

  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、热力学等性能受到人们的广泛关注,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弯道超车。”

  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,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,“石墨烯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,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。”

  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,他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,分分快三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,团队还牵头制订了石墨烯、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况,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。

  《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用驱动的双引擎驱动模式。这对全世界碳纤维的产业格局已经形成了深刻的变化。

  单光存表示,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,但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”。高校和科研院所产生了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,市场需求成为材料研发的实践方向,去解决真问题,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,甚至恶性的市场竞争。

  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,围绕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,分分快三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。