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　　科研人員正在進行電容炭電化學性能測試。中國科學院山西煤炭化學研究所供圖
　　不久前，工信部明確表示將碳基材料納入“十四五”原材料工業相關發展規劃，并將碳化硅復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業科技創新相關發展規劃。
　　新材料被譽為制造業的“底盤”，是支撐國家重大工程和戰略性新興產業的重要基礎。而處于“金字塔”基上的碳基新材料，是品種多、應用廣、附加值高的典型一族。
　　中國科學院炭材料重點實驗室副主任陳成猛在接受《中國科學報》采訪時表示，我國碳基材料行業與發達國家相比仍然存在一定差距。“在基礎炭材料領域，高精尖品種大量依賴進口，仍面臨‘卡脖子’風險，亟須提高自主創新能力，加強科技攻關。”
　　但他也指出，在前沿炭材料領域，我國處于與國際并行乃至領跑狀態，相關產業正加速崛起，“如何在低成本大規模制備的基礎上，開拓應用場景，推進產業化，對于搶占新興產業制高點具有重要戰略意義”。
　　為制造強國奠定基礎
　　碳元素產生于137億年前的宇宙大爆炸，是人類接觸最早且利用最早的元素之一。陳成猛表示，碳元素作為生命的基石，廣泛存在于各類動植物及外界環境中，并作為最基本的骨架支撐整個有機生態體系。
　　“廣義上碳基材料可以看做是以碳原子為骨架的材料體系，包括金剛石、石墨等純碳體系和碳化硅、高分子有機物等多原子體系。”陳成猛介紹道。
　　按照維度劃分，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；三維材料也稱體材料，包含各類立體的本征或復合體系。
　　“目前涌現的碳基新材料，主要包括碳纖維、特種石墨、納米碳、多孔炭和儲能炭材料等。”陳成猛告訴記者。
　　他表示，碳基材料由于其豐富的結構形貌，優良的力學、電學、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，“也是新一代戰機、運載火箭、超高聲速飛行器、核反應堆等重點領域不可缺少的關鍵材料”。
　　北京航空航天大學教授單光存告訴《中國科學報》，碳基半導體材料主要分為碳化硅和石墨烯，“碳化硅作為第三代半導體材料，國內外企業差距較小，國產替代空間巨大，國內企業有望在政策的推動下實現變道超車”。
　　單光存團隊長期關注光電子半導體技術、石墨烯復合材料及柔性傳感器件、視覺感知與認知智能技術、納米生物交叉技術等高科技產業的應用基礎研究，并首次提出了基于石墨烯納米結構的納米激光器，同時通過理論研究模擬了其激光機制。
　　對于被譽為“新材料之王”的石墨烯，他認為，目前全球石墨烯市場正處于起步階段，但市場增速很快，整個行業正處于技術突破需求爆發的前夜。
　　“我國高度重視碳基新材料的發展，因其具有非常重要的戰略意義。”陳成猛表示，“花大力氣突破一批高精尖缺品種，能夠大幅提高關鍵材料自主保障能力，提升新材料產業化和規模化應用水平，確保產業鏈和供應鏈安全，為建設制造強國奠定堅實基礎。”
　　自主可控任重道遠
　　在碳基新材料方面，陳成猛認為，目前我國亟待攻克的“卡脖子”品種有三大類，一是碳纖維及其制品，如高性能聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、碳纖維預浸料、復合材料和碳紙等；二是特種石墨，如機械密封用石墨、抗燒蝕石墨、核石墨和高導熱泡沫石墨等；三是功能炭材料，如中間相碳微球、電容炭、硬炭、硅炭、石墨烯導熱膜和導電炭黑等。
　　“我國炭材料領域還有諸多‘卡脖子’難題，自主可控任重道遠。”作為中國科學院山西煤炭化學研究所（以下簡稱中科院山西煤化所）709課題組組長，陳成猛深感肩上的擔子沉重。
　　2007年，在導師、中科院山西煤化所研究員王茂章和楊永崗的指導下，陳成猛開始帶領團隊從事先進炭材料的研發工作。從“自負盈虧”，想辦法讓課題組“活下來”，到實現關鍵核心技術的突破和推動相關產品的產業化，他深知其中的不易。
　　在陳成猛的帶領下，團隊攻克了可控氧化、交聯固化、活化造孔和產品提純等瓶頸性技術難題，設計開發了全套生產工藝與過程裝備，先后建成噸級石墨烯和十噸級電容炭中試示范線，實現批次百公斤級材料的穩定供貨。此外，團隊還牽頭制定了石墨烯、多孔炭和超級電容器領域多項國際、國家和行業標準，為相關產業的健康有序發展構筑了質量技術基礎。
　　他表示，總體而言，我國一些碳基新材料技術仍以跟蹤替代為主，自主設計應用能力較弱。此外，關鍵制造裝備也處于以引進為主、研制和仿制為輔的狀態，高端分析測試設備更是基本依賴進口，具有工匠精神的專業工程技術人才出現斷層。“這些都已經成為制約我國碳基材料發展的突出問題。”
　　“碳基新材料作為國民經濟的關鍵基礎材料，擁有極為廣闊的下游應用領域和巨大的市場空間。在諸多高新技術領域，如果不能實現關鍵材料的國產化，我們就很難從制造大國變為制造強國。” 陳成猛說。
　　仍需破解產研“兩張皮”
　　《2020全球碳纖維復合材料市場報告》（以下簡稱《報告》）指出，碳纖維的應用曾經是以航空航天為主驅動的，這些年已經變成了航空航天驅動與工業驅動的雙引擎驅動模式。這給全世界碳纖維的產業格局帶來了深刻影響。
　　單光存指出，目前，我國碳纖維樹脂基復合材料制造工藝裝備仍比較落后，大規模工業化生產成套工藝與裝備研發能力不足，缺乏碳纖維高端產品，“這些都是阻礙我國高性能復合材料發展的重要原因”。
　　但他也指出，我國碳纖維樹脂基復合材料正處于邁向產業中高端的關鍵時期。“在市場需求的推動下，將迎來更廣闊的發展空間，同時也面臨很多壓力和挑戰。”
　　不久前，中科院山西煤化所與美錦能源等簽署協議，共同設立了山西中科美錦炭材料有限公司，電容炭產業化項目已經啟動，該項目完成后，將具備年產500噸電容炭的生產能力。“這對于實現電容炭的國產化、解決我國超級電容器行業多年的‘卡脖子’難題具有重要意義。”陳成猛表示。
　　但在他看來，科研與產業“兩張皮”，依然是阻礙碳基新材料發展的“老大難”問題。高校和科研院所產生大量的科研論文和專利難以轉化；而企業自身研發實力不足，迫切需要科技創新突破技術瓶頸。“必須加強產學研用結合，使科技成為支撐產業高質量發展的基石，使市場需求成為材料研發的實踐方向，這樣才能解決真問題，真解決問題。”
　　陳成猛還發現，與日本、美國和歐洲等發達國家和地區不同，我國的炭素產業多以中小型企業為主，缺乏龍頭企業的引領。大部分企業的研發水平和資金實力較為薄弱，存在低水平的重復建設，乃至惡性市場競爭。
　　他認為，國家應進一步加強頂層設計，引導大型企業和資本入場，牽引碳基新材料的研究與產業發展。
　　“此外，對碳基新材料發展的戰略部署和支持力度仍有欠缺，需要面向國家重大需求和國民經濟主戰場，在基礎研究與應用技術開發方面，進一步做好統一規劃和戰略部署，防止碎片化和重復立項。”陳成猛表示。
　　（原載于《中國科學報》 2021-10-11 第3版 能源化工）