碳基復(fù)合材料面臨“卡脖子”

導語：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，是一項專門的技術(shù)。國際上認為培養(yǎng)一個成熟的復(fù)合材料設(shè)計師至少需要10年，國內(nèi)嚴重缺乏有經(jīng)驗的相關(guān)設(shè)計人員，大部分人不了解材料強度、剛度計算的工程方法，國際上通行的分析和驗證用的“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、疲勞耐久性設(shè)計、損傷容限設(shè)計、穩(wěn)定性設(shè)計、環(huán)境影響及其防護設(shè)計、修理設(shè)計等許多具體設(shè)計技術(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。

中國科學院炭材料重點實驗室副主任陳成猛表示，我國碳基材料行業(yè)與發(fā)達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口，仍面臨“卡脖子”風險，亟須提高自主創(chuàng)新能力，加強科技攻關(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，推進產(chǎn)業(yè)化，對于搶占新興產(chǎn)業(yè)制高點具有重要戰(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步，但是與國際先進技術(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)能達到T1100高強度碳纖維和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)達國家也存在明顯的差距。國外研制的B787、A350等大型客機復(fù)合材料用量達到了50%以上。國內(nèi)研制的ARJ21支線客機復(fù)合材料用量不足2%，正在研制的C919復(fù)合材料用量僅達10%左右，且大部分構(gòu)件主要直接從國外進口預(yù)浸料制造生產(chǎn)，樹脂基復(fù)合材料在大型客機等民用航空領(lǐng)域難以形成規(guī)模。

碳基復(fù)合材料研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)最為薄弱，已嚴重制約我國先進復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展。國際上認為培養(yǎng)一個成熟的復(fù)合材料設(shè)計師至少需要10年，國內(nèi)嚴重缺乏有經(jīng)驗的設(shè)計人員，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)計的原則和方法，不了解材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計值的來源及用法，不知道復(fù)合材料強度、剛度計算的工程方法，不了解國際上通行的分析和驗證用的“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、疲勞耐久性設(shè)計、損傷容限設(shè)計、穩(wěn)定性設(shè)計、環(huán)境影響及其防護設(shè)計、修理設(shè)計等許多具體設(shè)計技術(shù)和要領(lǐng)。

設(shè)計方面還存在規(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，例如各大飛機公司均有自己的《復(fù)合材料設(shè)計手冊》，至于專門用于復(fù)合材料設(shè)計分析軟件的Sizer等軟件的開發(fā)和應(yīng)用等。在應(yīng)用領(lǐng)域，如風機葉片的設(shè)計，國外已大量應(yīng)用先進復(fù)合材料，成為碳纖維應(yīng)用大戶，但國內(nèi)進展緩慢，一個重要原因是我國葉片多是進口，沒有原始設(shè)計產(chǎn)權(quán)，自主設(shè)計時也沒有引進商提供的載荷數(shù)據(jù)作為參考。

碳基復(fù)合材料成本較高，是制約其擴大應(yīng)用發(fā)展的主要障礙之一。西方發(fā)達國家紛紛制訂低成本的復(fù)合材料發(fā)展計劃，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)合材料計劃，即CAI（Composite Afforability Initiative）計劃，并已用在F-35和B787等機型的工程應(yīng)用中，宣稱要降低總成本的50%。歐洲則繼TANGO計劃后又有ASK計劃等，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)模達到183百萬美元，預(yù)計2026年可以達到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、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，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)方面對我國實行嚴格封鎖，出口到國內(nèi)市場的產(chǎn)品種類與數(shù)量也進行嚴格控制，導致我國高性能石墨材料價格高昂且供應(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)品進口價格有所下降。

碳基芯片如何實現(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、高鐵和汽車剎車材料。

目前我國已經(jīng)實現(xiàn)四項技術(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。當下的技術(shù)能力距離實現(xiàn)真正可以使用的碳基芯片還有一段距離要走，要實現(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、特種無機非金屬材料和先進復(fù)合材料為發(fā)展重點，加快研發(fā)先進熔煉、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，堅持材料先行和需求牽引并重，實施關(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)鏈三年行動計劃（2021-2023年）》發(fā)布，發(fā)展目標到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，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。通過延鏈補鏈強鏈，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、半導體晶體、高性能碳纖維等布局合理、特色鮮明、具有較強國內(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、纖維增強復(fù)合材料、石墨及石墨烯材料。碳基材料具有比重小、強度高等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、核能、光伏、風電、電子信息、冶金機械、軌道交通裝備、工程機械等領(lǐng)域，是超高聲速飛行器、運載火箭、新一代戰(zhàn)機、核反應(yīng)堆等重點領(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、增強體和其他材料，其中基體包括石墨碳和碳纖維，增強體則有碳化硅；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、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世紀開始，科學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 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、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 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程加速和住宅更新?lián)Q代的巨大需求下，預(yù)計到 2035 年，我國的城鎮(zhèn)化率達 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，具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，被譽為是最穩(wěn)定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。2010年，中科院化學所有機固體院重點實驗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)異半導體特性，石墨炔被認為是堪比石墨烯的“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體材料之一，其介電擊穿強度大約是硅的10倍，主要用于生產(chǎn)功率半導體器件，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、電學和化學性能，未來主要應(yīng)用于國防科技、衛(wèi)星導航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

——石墨烯被譽為“新材料之王”，具有優(yōu)秀的力學特性和超強導電性導熱性等特性，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