碳基復(fù)合材料面臨“卡脖子”

導(dǎo)語：隨著全球新材料產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，全球新材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值規(guī)模將保持正增長態(tài)勢，2026年有望突破6萬億美元，且高端材料技術(shù)壁壘日趨呈現(xiàn)，以美、日、歐為代表的發(fā)達(dá)國家和地區(qū)憑借技術(shù)研發(fā)、資金、人才等優(yōu)勢，以技術(shù)、專利等作為壁壘，已逐步在大多數(shù)高技術(shù)含量、高附加值的新材料產(chǎn)品中占據(jù)了主導(dǎo)地位、形成壟斷態(tài)勢，我國在關(guān)鍵核心技術(shù)等諸多方面仍受制于人。

2021年，工信部將碳基材料納入“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，以全面突破關(guān)鍵核心技術(shù)，攻克“卡脖子”品種，提高碳基新材料產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化。

碳基復(fù)合材料設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)專門的技術(shù)。國際上認(rèn)為培養(yǎng)一個成熟的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師至少需要10年，國內(nèi)嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)計(jì)人員，大部分人不了解材料強(qiáng)度、剛度計(jì)算的工程方法，國際上通行的分析和驗(yàn)證用的“積木式”（BBA-Building Block Approach）方法，很少有人具體掌握復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、修理設(shè)計(jì)等許多具體設(shè)計(jì)技術(shù)和要領(lǐng)。

碳基復(fù)合材料面臨“卡脖子”

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。

中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任陳成猛表示，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。在基礎(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(xiǎn)，亟須提高自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)科技攻關(guān)。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”。

碳纖維復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的國際化差距

碳基新材料高端產(chǎn)品仍處于產(chǎn)業(yè)化初始階段，高強(qiáng)高模碳纖維、聚酰胺66等產(chǎn)品仍面臨國際貿(mào)易和技術(shù)壁壘。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。

碳纖維樹脂基復(fù)合材料制造工藝裝備落后，自動化程度低，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。國內(nèi)碳纖維樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用以跟蹤替代為主，自主設(shè)計(jì)應(yīng)用能力較弱，自動化成型工藝的應(yīng)用比例不足20%。復(fù)合材料設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)落后使復(fù)合材料性能離散大、減重效率和成品率低、成本高，已經(jīng)成為制約復(fù)合材料應(yīng)用的突出問題。

近幾年，我國在碳纖維原絲的生產(chǎn)方面取得了較大的進(jìn)步，但是與國際先進(jìn)技術(shù)水平之間的差距還是很明顯的。例如，美日的碳纖維龍頭企業(yè)所采用的干噴濕紡工藝，在國內(nèi)尚未真正普及，僅中復(fù)神鷹在干噴濕紡工藝上取得了千噸級的突破。美日的原絲生產(chǎn)已經(jīng)能達(dá)到T1100高強(qiáng)度碳纖維和M60J高模量這種水平，而國產(chǎn)碳纖維企業(yè)的產(chǎn)品還集中在T300、T400這類中低端產(chǎn)品上，能夠批量化生產(chǎn)達(dá)到T700水平的比例并不多。

國內(nèi)碳纖維樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家也存在明顯的差距。國外研制的B787、A350等大型客機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到了50%以上。國內(nèi)研制的ARJ21支線客機(jī)復(fù)合材料用量不足2%，正在研制的C919復(fù)合材料用量僅達(dá)10%左右，且大部分構(gòu)件主要直接從國外進(jìn)口預(yù)浸料制造生產(chǎn)，樹脂基復(fù)合材料在大型客機(jī)等民用航空領(lǐng)域難以形成規(guī)模。

碳基復(fù)合材料研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最為薄弱，已嚴(yán)重制約我國先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展。國際上認(rèn)為培養(yǎng)一個成熟的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師至少需要10年，國內(nèi)嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，這直接普遍影響到復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展。例如國內(nèi)很少有人真正掌握鋪層設(shè)計(jì)的原則和方法，不了解材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的來源及用法，不知道復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度計(jì)算的工程方法，不了解國際上通行的分析和驗(yàn)證用的“積木式”（BBA-Building Block Approach）方法，沒有具體掌握復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、修理設(shè)計(jì)等許多具體設(shè)計(jì)技術(shù)和要領(lǐng)。

設(shè)計(jì)方面還存在規(guī)范手冊和軟件開發(fā)等問題。國外十分重視有組織的制訂相應(yīng)規(guī)范，例如各大飛機(jī)公司均有自己的《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊》，至于專門用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件的Sizer等軟件的開發(fā)和應(yīng)用等。在應(yīng)用領(lǐng)域，如風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)，國外已大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料，成為碳纖維應(yīng)用大戶，但國內(nèi)進(jìn)展緩慢，一個重要原因是我國葉片多是進(jìn)口，沒有原始設(shè)計(jì)產(chǎn)權(quán)，自主設(shè)計(jì)時也沒有引進(jìn)商提供的載荷數(shù)據(jù)作為參考。

碳基復(fù)合材料成本較高，是制約其擴(kuò)大應(yīng)用發(fā)展的主要障礙之一。西方發(fā)達(dá)國家紛紛制訂低成本的復(fù)合材料發(fā)展計(jì)劃，發(fā)展低成本的復(fù)合材料綜合技術(shù)，如美國由國防部出面聯(lián)合工業(yè)界于1996年發(fā)起并執(zhí)行一個10年的低成本復(fù)合材料計(jì)劃，即CAI（Composite Afforability Initiative）計(jì)劃，并已用在F-35和B787等機(jī)型的工程應(yīng)用中，宣稱要降低總成本的50%。歐洲則繼TANGO計(jì)劃后又有ASK計(jì)劃等，目的要減輕結(jié)構(gòu)重量的30%，節(jié)省成本的30%，由多國多部門聯(lián)合執(zhí)行。

碳纖維中低端產(chǎn)品成本居高不下，缺乏國際競爭力。國產(chǎn)碳纖維高端產(chǎn)品缺乏，T300/T700級碳纖維滿足國防應(yīng)用需求，T800、M40、M40J和M55J已突破工程化制備技術(shù)，更高性能的T1100G碳纖維、TORAYCAM40X碳纖維還處于跟蹤研發(fā)階段；宇航級T300、T700級國產(chǎn)碳纖維價(jià)格國外在1000元人民幣/kg以內(nèi)，國內(nèi)在3000-4000元人民幣/kg，缺乏國際競爭力，因此真正具有競爭力和可持續(xù)健康發(fā)展的碳纖維龍頭產(chǎn)業(yè)尚未形成。

最后，創(chuàng)新是技術(shù)發(fā)展的靈魂，事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，但在碳基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域原創(chuàng)創(chuàng)新能力不足。要能不斷開發(fā)出新的有競爭力的適銷對路的產(chǎn)品投放市場獲取效益，以碳纖維復(fù)合材料自行車為例，2020年，全球碳纖維自行車市場規(guī)模達(dá)到183百萬美元，預(yù)計(jì)2026年可以達(dá)到229百萬美元，從車架、車把、車叉、座管到曲柄最后到車圈中國臺灣用27年完成復(fù)合材料化的進(jìn)程，技術(shù)含量很高，市場占有率全球領(lǐng)先。

高性能石墨材料技術(shù)被國外嚴(yán)格封鎖

在全球市場中，碳基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日本、西歐、美國等地區(qū)，代表性企業(yè)主要有日本東洋碳素、日本東海、日本東麗、日本碳素、日本吳羽化學(xué)、德國西格里、德國崇德、法國美爾森、美國尤卡、美國赫氏復(fù)材、美國GrafTech等。這些企業(yè)技術(shù)水平先進(jìn)，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類較多、質(zhì)量較高，在全球市場中處于領(lǐng)先地位。

一直以來，歐美日等國家在高性能石墨材料技術(shù)方面對我國實(shí)行嚴(yán)格封鎖，出口到國內(nèi)市場的產(chǎn)品種類與數(shù)量也進(jìn)行嚴(yán)格控制，導(dǎo)致我國高性能石墨材料價(jià)格高昂且供應(yīng)量少，無法滿足高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。發(fā)展碳基復(fù)合材料行業(yè)是緩解我國高性能石墨材料供應(yīng)不足的重要手段之一，在國家政策與資本的推動下，我國碳基復(fù)合材料行業(yè)不斷發(fā)展壯大。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2020-2024年碳/碳復(fù)合材料行業(yè)深度市場調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，現(xiàn)階段，我國代表性企業(yè)主要有南方搏云新材、煙臺魯航、甘肅郝氏、西安超碼、湖南博云新材、吉林聯(lián)科、北京金鑫等。相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量不斷增長，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類不斷增多，在一定程度上緩解了我國高性能石墨材料供應(yīng)不足的問題，也使得相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格有所下降。

碳基芯片如何實(shí)現(xiàn)彎道超車

缺芯成為科技界的一大難題，之前的芯片絕大部分采用硅基材料的集成電路技術(shù)，最新的碳基半導(dǎo)體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢，碳基技術(shù)是各國一直研發(fā)替代硅基的新技術(shù)。與國外硅基技術(shù)制造出來的芯片相比，我國碳基技術(shù)制造出來的芯片在處理大數(shù)據(jù)時，不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。碳基技術(shù)在不久的將來可以應(yīng)用于國防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。已在高端汽車剎車系統(tǒng)取得了一定的應(yīng)用，未來有望成為新一代飛機(jī)、高鐵和汽車剎車材料。

目前我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)技術(shù)突破：第一，提純原料。第二，將碳納米管有規(guī)則地平鋪在基板上。第三，使用碳納米管搭建pn結(jié)構(gòu)。第四，將dna完成的組裝體規(guī)則地搭建在基板上。雖然已經(jīng)能夠以很高的密度按規(guī)則鋪設(shè)碳納米管，但想要做成電路，還需光刻/電子束刻蝕來鋪設(shè)各種電極（源電極、漏電極、門電極）。硅基芯片發(fā)展幾十年，很多核心技術(shù)掌握在歐美等國家的手里，因此會受制于人。當(dāng)下的技術(shù)能力距離實(shí)現(xiàn)真正可以使用的碳基芯片還有一段距離要走，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)更是前路漫漫。

政策助推碳基復(fù)合材料發(fā)展

——2015年5月，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2025》的通知，提出大力推動重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展。以特種金屬功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材料、特種無機(jī)非金屬材料和先進(jìn)復(fù)合材料為發(fā)展重點(diǎn)，加快研發(fā)先進(jìn)熔煉、凝固成型、氣相沉積、型材加工、高效合成等新材料制備關(guān)鍵技術(shù)和裝備，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和體系建設(shè)，突破產(chǎn)業(yè)化制備瓶頸。高度關(guān)注顛覆性新材料對傳統(tǒng)材料的影響，做好超導(dǎo)材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰(zhàn)略前沿材料提前布局和研制。加快基礎(chǔ)材料升級換代。

——2021年12月，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、自然資源部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確提出要突破關(guān)鍵材料，堅(jiān)持材料先行和需求牽引并重，實(shí)施關(guān)鍵短板材料攻關(guān)行動，支持材料生產(chǎn)、應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合科研單位，開展寬禁帶半導(dǎo)體及顯示材料、集成電路關(guān)鍵材料、生物基材料、碳基材料、生物醫(yī)用材料等協(xié)同攻關(guān)。

——2021年1月，《湖南省碳基材料產(chǎn)業(yè)鏈三年行動計(jì)劃（2021-2023年）》發(fā)布，發(fā)展目標(biāo)到2023年，全省碳基材料產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值超過500億元，力爭過10億元企業(yè)10家，5億企業(yè)20家，過億元企業(yè)50家；形成3個過百億的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)；建成8個國家級以上的碳基材料技術(shù)或應(yīng)用創(chuàng)新平臺，技術(shù)創(chuàng)新能力、技術(shù)應(yīng)用能力和成果轉(zhuǎn)化能力顯著增強(qiáng)，攻克一批“卡脖子”技術(shù)，形成碳基材料技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化新高地。

——2021年4月，山西省人民政府印發(fā)《山西省“十四五”新材料規(guī)劃的通知》，提出到2025年，全省新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模和質(zhì)量進(jìn)一步提高，建成國家重要的新材料產(chǎn)業(yè)基地。通過延鏈補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈，培育3—5個在全國具有比較優(yōu)勢的特色產(chǎn)業(yè)鏈條，初步形成高品質(zhì)特殊鋼、鎂鋁合金、釹鐵硼永磁材料、半導(dǎo)體晶體、高性能碳纖維等布局合理、特色鮮明、具有較強(qiáng)國內(nèi)國際競爭力的產(chǎn)業(yè)集群，建設(shè)成為世界領(lǐng)先的先進(jìn)金屬材料基地、國內(nèi)領(lǐng)先的碳基新材料基地、全國一流的生物基新材料產(chǎn)業(yè)基地、國家重要的半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)基地、全國最大的差別化功能性纖維新材料生產(chǎn)基地。

附：碳基材料分類

碳基材料是指以碳為基體的材料，主要包括高性能碳基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、石墨及石墨烯材料。碳基材料具有比重小、強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、核能、光伏、風(fēng)電、電子信息、冶金機(jī)械、軌道交通裝備、工程機(jī)械等領(lǐng)域，是超高聲速飛行器、運(yùn)載火箭、新一代戰(zhàn)機(jī)、核反應(yīng)堆等重點(diǎn)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵材料。

碳基復(fù)合材料的上游分為基體、增強(qiáng)體和其他材料，其中基體包括石墨碳和碳纖維，增強(qiáng)體則有碳化硅；中游包括碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品、碳/陶復(fù)合材料產(chǎn)品；下游應(yīng)用在半導(dǎo)體、航天航空、汽車行業(yè)、光伏發(fā)電以及化工行業(yè)等。

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。

——金剛石具備諸多優(yōu)越的性能，是極具技術(shù)性和商業(yè)性的重要材料之一。自19世紀(jì)開始，科學(xué)家們就開始嘗試金剛石的合成，并研發(fā)出工程能效性方法和前體來合成高質(zhì)量的金剛石，目前，我國壟斷全球工業(yè)金剛石單晶+微粉制造，市場存量壓機(jī) 7000-9000 臺，自 2001 年突破工業(yè)金剛石關(guān)鍵粉末觸媒技術(shù)后，工業(yè)金剛石行業(yè)得到快速發(fā)展，多家工業(yè)金剛石企業(yè)，技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)能充足、產(chǎn)業(yè)鏈配套齊全，已形成研發(fā)、生產(chǎn)一體化的超硬材料產(chǎn)業(yè)集群，目前行業(yè)存量壓機(jī) 1-1.2 萬臺，其中用于工業(yè)金剛石 7000-9000 臺。2020年我國工業(yè)金剛石總產(chǎn)量 200 億克拉（工業(yè)金剛石單晶+金剛石微粉+金剛石復(fù)合片），其中工業(yè)金剛石單晶+微粉 145 億克拉，壟斷全球 95%工業(yè)金剛石原料市場份額。

現(xiàn)階段工業(yè)金剛石行業(yè)規(guī)模約 45 億，其中產(chǎn)品 50%（約 22 億）下游應(yīng)用于建筑石材切割，28%（約 13 億）用于高端制造、光伏、消費(fèi)電子襯底切割，17%（約 8 億）用于資源開采、地質(zhì)勘探等；傳統(tǒng)建筑石材用金剛石切割工具需求穩(wěn)定：通過切割、磨削等方式來加工石材等產(chǎn)品，屬于工業(yè)金剛石傳統(tǒng)應(yīng)用加工領(lǐng)域，成本低廉，切割效果良好，是目前主流的建材切割工具；在國家政策支持以及城市化進(jìn)程加速和住宅更新?lián)Q代的巨大需求下，預(yù)計(jì)到 2035 年，我國的城鎮(zhèn)化率達(dá) 75%，工業(yè)金剛石工具隨建筑工業(yè)發(fā)展將平穩(wěn)增長。

——石墨炔（Graphdiyne），是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料，具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)為是最穩(wěn)定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。2010年，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員在首次通過六乙炔基苯前體的交叉偶聯(lián)反應(yīng)，成功地在Cu箔表面合成了高質(zhì)量的石墨炔薄膜。所制備的石墨炔具有與硅類似的優(yōu)異半導(dǎo)體特性，石墨炔被認(rèn)為是堪比石墨烯的“超級材料”，它的加入能改善很多材料的性能。

——碳化硅是第三代半導(dǎo)體材料之一，其介電擊穿強(qiáng)度大約是硅的10倍，主要用于生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件，適用于高溫、高壓、高功率的場景。而碳基復(fù)合材料包括碳納米管、碳纖維、石墨烯等，具有較多優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，未來主要應(yīng)用于國防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

——石墨烯被譽(yù)為“新材料之王”，具有優(yōu)秀的力學(xué)特性和超強(qiáng)導(dǎo)電性導(dǎo)熱性等特性，下游覆蓋散熱材料、新能源電池、柔性顯示和復(fù)合材料等熱門領(lǐng)域，并在未來有望完成對傳統(tǒng)電容、鋰電池材料的全面替代，行業(yè)技術(shù)需求極大。

全球石墨烯市場規(guī)模穩(wěn)步增長，2020年末全球石墨烯市場規(guī)模為95億美元，未來5年有望保持40%的復(fù)合增速。目前，國內(nèi)外石墨烯市場正處于起步階段，產(chǎn)品尚未成熟，但市場增速快。石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上游的原料為石墨，中國是全球最大的石墨生產(chǎn)國；產(chǎn)業(yè)鏈中游主要為石墨烯的制備，其中氧化還原法常用來制備石墨烯粉體，化學(xué)氣相沉積法常用來制備大尺寸的石墨烯薄膜。下游需求方面，國內(nèi)新能源領(lǐng)域占據(jù)四分之三的需求，包括新能源超級電容與鋰電池導(dǎo)電劑，隨著新能源汽車加速滲透，行業(yè)將迎來高增速。

審核編輯 ：李倩