科研人員正在進(jìn)行電容炭電化學(xué)性能測試。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)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(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，并將碳化硅復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。
　　新材料被譽(yù)為制造業(yè)的“底盤”，是支撐國家重大工程和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)。而處于“金字塔”基上的碳基新材料，是品種多、應(yīng)用廣、附加值高的典型一族。
　　中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實驗室副主任陳成猛在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示，我國碳基材料行業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比仍然存在一定差距?！霸诨A(chǔ)炭材料領(lǐng)域，高精尖品種大量依賴進(jìn)口，仍面臨‘卡脖子’風(fēng)險，亟須提高自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)科技攻關(guān)。”
　　但他也指出，在前沿炭材料領(lǐng)域，我國處于與國際并行乃至領(lǐng)跑狀態(tài)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)正加速崛起，“如何在低成本大規(guī)模制備的基礎(chǔ)上，開拓應(yīng)用場景，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，對于搶占新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)具有重要戰(zhàn)略意義”。
　　為制造強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)
　　碳元素產(chǎn)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(huán)境中，并作為最基本的骨架支撐整個有機(jī)生態(tài)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(jī)物等多原子體系?！标惓擅徒榻B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(diǎn)、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(fù)合體系。
　　“目前涌現(xiàn)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?！标惓擅透嬖V記者。
　　他表示，碳基材料由于其豐富的結(jié)構(gòu)形貌，優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)等性能備受關(guān)注，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、風(fēng)電、光伏、電子、冶金、化工、機(jī)械和交通等領(lǐng)域，“也是新一代戰(zhàn)機(jī)、運(yùn)載火箭、超高聲速飛行器、核反應(yīng)堆等重點(diǎn)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵材料”。
　　北京航空航天大學(xué)教授單光存告訴《中國科學(xué)報》，碳基半導(dǎo)體材料主要分為碳化硅和石墨烯，“碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，國內(nèi)外企業(yè)差距較小，國產(chǎn)替代空間巨大，國內(nèi)企業(yè)有望在政策的推動下實現(xiàn)變道超車”。
　　單光存團(tuán)隊長期關(guān)注光電子半導(dǎo)體技術(shù)、石墨烯復(fù)合材料及柔性傳感器件、視覺感知與認(rèn)知智能技術(shù)、納米生物交叉技術(shù)等高科技產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，并首次提出了基于石墨烯納米結(jié)構(gòu)的納米激光器，同時通過理論研究模擬了其激光機(jī)制。
　　對于被譽(yù)為“新材料之王”的石墨烯，他認(rèn)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(yè)正處于技術(shù)突破需求爆發(fā)的前夜。
　　“我國高度重視碳基新材料的發(fā)展，因其具有非常重要的戰(zhàn)略意義?！标惓擅捅硎?，“花大力氣突破一批高精尖缺品種，能夠大幅提高關(guān)鍵材料自主保障能力，提升新材料產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化應(yīng)用水平，確保產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈安全，為建設(shè)制造強(qiáng)國奠定堅實基礎(chǔ)。”
　　自主可控任重道遠(yuǎn)
　　在碳基新材料方面，陳成猛認(rèn)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(yù)浸料、復(fù)合材料和碳紙等；二是特種石墨，如機(jī)械密封用石墨、抗燒蝕石墨、核石墨和高導(dǎo)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(dǎo)熱膜和導(dǎo)電炭黑等。
　　“我國炭材料領(lǐng)域還有諸多‘卡脖子’難題，自主可控任重道遠(yuǎn)?！弊鳛橹袊茖W(xué)院山西煤炭化學(xué)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(dān)子沉重。
　　2007年，在導(dǎo)師、中科院山西煤化所研究員王茂章和楊永崗的指導(dǎo)下，陳成猛開始帶領(lǐng)團(tuán)隊從事先進(jìn)炭材料的研發(fā)工作。從“自負(fù)盈虧”，想辦法讓課題組“活下來”，到實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的突破和推動相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，他深知其中的不易。
　　在陳成猛的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊攻克了可控氧化、交聯(lián)固化、活化造孔和產(chǎn)品提純等瓶頸性技術(shù)難題，設(shè)計開發(fā)了全套生產(chǎn)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(xiàn)批次百公斤級材料的穩(wěn)定供貨。此外，團(tuán)隊還牽頭制定了石墨烯、多孔炭和超級電容器領(lǐng)域多項國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展構(gòu)筑了質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)。
　　他表示，總體而言，我國一些碳基新材料技術(shù)仍以跟蹤替代為主，自主設(shè)計應(yīng)用能力較弱。此外，關(guān)鍵制造裝備也處于以引進(jìn)為主、研制和仿制為輔的狀態(tài)，高端分析測試設(shè)備更是基本依賴進(jìn)口，具有工匠精神的專業(yè)工程技術(shù)人才出現(xiàn)斷層。“這些都已經(jīng)成為制約我國碳基材料發(fā)展的突出問題?！?br/>　　“碳基新材料作為國民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，擁有極為廣闊的下游應(yīng)用領(lǐng)域和巨大的市場空間。在諸多高新技術(shù)領(lǐng)域，如果不能實現(xiàn)關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化，我們就很難從制造大國變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國?！?陳成猛說。
　　仍需破解產(chǎn)研“兩張皮”
　　《2020全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》（以下簡稱《報告》）指出，碳纖維的應(yīng)用曾經(jīng)是以航空航天為主驅(qū)動的，這些年已經(jīng)變成了航空航天驅(qū)動與工業(yè)驅(qū)動的雙引擎驅(qū)動模式。這給全世界碳纖維的產(chǎn)業(yè)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(fù)合材料制造工藝裝備仍比較落后，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套工藝與裝備研發(fā)能力不足，缺乏碳纖維高端產(chǎn)品，“這些都是阻礙我國高性能復(fù)合材料發(fā)展的重要原因”。
　　但他也指出，我國碳纖維樹脂基復(fù)合材料正處于邁向產(chǎn)業(yè)中高端的關(guān)鍵時期?！霸谑袌鲂枨蟮耐苿酉?，將迎來更廣闊的發(fā)展空間，同時也面臨很多壓力和挑戰(zhàn)?！?br/>　　不久前，中科院山西煤化所與美錦能源等簽署協(xié)議，共同設(shè)立了山西中科美錦炭材料有限公司，電容炭產(chǎn)業(yè)化項目已經(jīng)啟動，該項目完成后，將具備年產(chǎn)500噸電容炭的生產(chǎn)能力。“這對于實現(xiàn)電容炭的國產(chǎn)化、解決我國超級電容器行業(yè)多年的‘卡脖子’難題具有重要意義?！标惓擅捅硎?。
　　但在他看來，科研與產(chǎn)業(yè)“兩張皮”，依然是阻礙碳基新材料發(fā)展的“老大難”問題。高校和科研院所產(chǎn)生大量的科研論文和專利難以轉(zhuǎn)化；而企業(yè)自身研發(fā)實力不足，迫切需要科技創(chuàng)新突破技術(shù)瓶頸?！氨仨毤訌?qiáng)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，使科技成為支撐產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基石，使市場需求成為材料研發(fā)的實踐方向，這樣才能解決真問題，真解決問題。”
　　陳成猛還發(fā)現(xiàn)，與日本、美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)不同，我國的炭素產(chǎn)業(yè)多以中小型企業(yè)為主，缺乏龍頭企業(yè)的引領(lǐng)。大部分企業(yè)的研發(fā)水平和資金實力較為薄弱，存在低水平的重復(fù)建設(shè)，乃至惡性市場競爭。
　　他認(rèn)為，國家應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)頂層設(shè)計，引導(dǎo)大型企業(yè)和資本入場，牽引碳基新材料的研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
　　“此外，對碳基新材料發(fā)展的戰(zhàn)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(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)開發(fā)方面，進(jìn)一步做好統(tǒng)一規(guī)劃和戰(zhàn)略部署，防止碎片化和重復(fù)立項?！标惓擅捅硎尽?br/>　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2021-10-11 第3版 能源化工）