新材料改變未來

牛祿青

新材料是戰略性新興產業的基石，也是各個領域孕育新技術、新產品、新裝備的“搖籃”

新材料是材料工業發展的先導，被世界公認為21世紀高新技術產業和戰略性新興產業的基石，也是各個領域孕育新技術、新產品、新裝備的“搖籃”。

石墨烯作為先進碳材料，被美國麥肯錫公司認為是改變世界未來的12項變革性技術之一，也是聯合國2013年初認定的人類未來兩大領軍產業之一。自2004年被發現以來，石墨烯引起了世界各國的研發和投資熱潮。石墨烯是目前世界上發現的最薄、最硬的新材料，比金剛石還堅硬，是鋼鐵機械強度的100倍。此外，石墨烯還具有超強的導電性、導熱性、透光性、柔韌性和極高的比表面積等優異特性，有望成為21世紀新材料紀元的引領者和帶動者。

《新材料產業“十二五”發展規劃》提出，積極開發石墨烯等前沿新材料。業內人士預測，石墨烯在觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導體、航天軍工、新能源、復合材料、生物醫藥等領域擁有巨大的市場前景。

此外，被譽為工業界“黑色黃金”的碳纖維，是國民經濟和國防建設不可或缺的戰略性新材料，也是先進復合材料最重要的增強體之一，技術含量高，輻射面廣，帶動力強。由于碳纖維又輕又堅硬，其重量不到鋼的四分之一，但抗拉強度是鋼的10倍，而且具有耐高溫、防輻射、耐水、耐腐蝕等優點，所以它廣泛應用于航空航天、國防軍工、能源裝備、海洋工程、交通運輸、建筑工程、體育休閑等領域。

對鋼鐵、鋁合金等傳統材料的替代，是碳纖維應用推廣的主要動力。專家稱，“以塑代鋼”是21世紀的必然趨勢，推進汽車、飛行器、機械設備等產品的輕量化以降低油耗，應對資源和環境的嚴峻挑戰，已成為經濟發展的必然趨勢。

【石墨烯】產業化應用箭在弦上

自石墨烯問世以來，關于石墨烯的科學研究進展迅速，其產業化應用也在持續升溫。美國、歐盟、韓國、日本等都發布或資助了一系列相關研究計劃和項目，大力促進石墨烯技術及其應用研究。

中國在石墨烯研究領域與發達國家同處于起跑階段，文獻發表量和專利數量已位居全球首位。而且中國具有石墨資源豐富的天然優勢，因此擁有在全球石墨烯及其應用領域占領產業發展制高點的難得機遇。

2013年12月18日，無錫市加快推進石墨烯產業發展新聞發布會在無錫惠山經濟開發區召開。會上，無錫市政府發布了《無錫石墨烯產業發展規劃綱要（2013～2020年）》（以下簡稱《規劃》）。這是中國地方層面第一部促進石墨烯產業發展的總體規劃。

《規劃》提出，力爭通過5—7年的發展，在無錫建成具有“科研集中、產業集聚、技術創新、帶動輻射”等功能的省內領先、國內一流，國際具有一定影響力的石墨烯產業技術研發和應用示范基地。

無錫市委常委、常務副市長黃欽表示，無錫將充分發揮政府有形的手和市場無形的手來推動石墨烯產業示范區的集聚效應，建立起政、產、學、研一體的強強合作體系，力爭成為無錫轉型發展的典范。

未來，無錫將規劃形成惠山經濟開發區為無錫石墨烯產業發展示范區核心。惠山經濟開發區規劃占地面積1100-1300畝，重點建設“一區二中心”。“一區”即無錫石墨烯產業發展示范區，分為研發孵化區、加速發展區、產業應用區和綜合配套區四個功能區。“二中心”即“無錫市石墨烯技術及應用研發中心”和已獲批籌建為江蘇省石墨烯檢測重點實驗室的“江蘇省石墨烯質量監督檢驗中心”。

無錫市發改委副主任許可介紹說，無錫將利用當地雄厚的產業基礎和石墨烯產業先發優勢，把石墨烯打造成支柱產業之一。重點發展微電子、超級電容器、透明導電薄膜、導熱材料、復合材料、超級催化劑、電線電纜、環保產業等8大領域的研發和應用推廣。

到2015年，無錫的石墨烯產業規模將達到50億元，到2020年，爭取突破300億元。無錫市財政今后兩年統一安排2億元資金，用于支持石墨烯產業發展。

無錫市惠山經濟開發區管委會副主任沈偉良透露，對在示范區注冊的石墨烯研發團隊將提供最高額度80萬左右的資金扶持，而且入住企業可以租賃或無償使用由政府提供的生產檢測設備和公共服務平臺，研發場地一律免租金，此外，還可享受江蘇省和無錫市已公布的其他優惠政策。

根據《規劃》，無錫將以重點應用示范項目為突破口，包括石墨烯宏量制備及應用、石墨烯新型顯示應用、石墨烯導熱膜應用、石墨烯復合材料應用及石墨烯環保吸附材料應用。

中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春表示，無錫擁有產能和制造技術全國第一的微電子產業、約占全國產值一半的太陽能光伏產業、占據全國產量四分之一的電動車產業以及國內領先的風電產業等，這些產業集群都能與石墨烯有效對接，勢必引爆革命性的技術進步和巨大的市場潛能。

目前，無錫集聚了格菲薄膜、第六元素、力合光電、愛維特等一批核心企業。格菲電子研發的國內首條石墨烯傳感器生產線正式投產，年產石墨烯透明導電薄膜8萬平方米，各類觸屏達1000萬片。格菲電子已自行研發成功適用于石墨烯薄膜量產的生產設備及工藝，成為國內乃至全球首家擁有獨立知識產權、實現石墨烯規模化應用于觸摸屏的企業。第六元素已經具有年產50噸石墨烯粉體的生產能力，價格和質量可以滿足下游產品的研發應用。力合光電已形成年產1000萬部的4英寸手機觸摸屏、手機蓋板生產線、SENSOR傳感器生產線等3大部件生產線。

愛維特成功研制并發售了全國首款雙層多點石墨烯觸控手機，此款手機具有低碳環保、材質纖硬、清晰通透及觸控靈敏的特點，2013年首批試產了兩千余臺，并在淘寶上銷售一空。公司明年將擴大生產至數萬臺，而且與力合光電共同研發的柔性屏手機有望2014年面世。

近年來，無錫大力支持以石墨烯為代表的新材料產業，在石墨烯技術研發與應用方面走在了全國前列。中國石墨烯產業聯盟在國內設立的首個石墨烯產業發展示范區就落戶無錫。李義春透露，除無錫外，目前青島也與聯盟簽署了戰略合作協議，寧波、濟寧等地都在落實中。

2013年12月20日，墨西科技千噸級石墨烯生產線項目首期工程——年產300噸石墨烯規模生產線在寧波慈溪正式落成投產。據墨西科技方面介紹，這是全球最大規模的石墨烯材料生產線，率先突破了石墨烯的低成本量產技術，破解了石墨烯產業化應用過程中品質與成本之間難以兼顧的難題。墨西科技方面稱，掌握了將石墨烯制造成本從每克5000元降到每克3元的“獨門秘笈”。

寧波市政府對上述項目充滿期待，并擬定了“石墨烯產業化應用開發”專項實施方案。按照相關規劃，到2016年，寧波市石墨烯相關產業市場規模將達到20億元。

據了解，上海也將發展石墨烯產業，浦東新區正籌備建立臨港石墨烯產業園區，并力爭“國家石墨烯檢驗監測中心”落戶浦東。

日前，泰州巨納新能源有限公司研制的商用石墨烯飛秒光纖激光器（Fiphene）問世，這也是全球首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時，該激光器還創造了脈沖寬度最短（105fs）和峰值功率最高（70kW）兩項石墨烯飛秒光纖激光器世界紀錄。

飛秒光纖激光器的應用領域非常廣闊，包括激光成像、全息光譜及超快光子學等科研應用，以及激光材料精細加工、激光醫療（如眼科手術）、激光雷達等領域。傳統的飛秒光纖激光器核心器件——半導體飽和吸收鏡（SESAM）采用半導體生長工藝制備，成本很高，且技術由國外壟斷。在飛秒光纖激光器領域，石墨烯被認為是取代SESAM的最佳材料。

“很多人認為，石墨烯產業化的時間還早，我之前講過兩到三年初見成效，現在更明確地告訴大家，產業化大發展的天賜良機到了。”清華大學深圳研究院創始院長馮冠平教授說，而且石墨烯的價格會很快降下來，性能會大幅提升，石墨烯對產業轉型升級意義重大。

對此，李義春深有同感，他表示，目前石墨烯研發進展極快，產業化應用大大超出預期。此前預計2020年才能完成的應用，極有可能在2015年就能實現。而石墨烯標準的制定，將引導行業走上健康發展軌道。

在2013年12月8日于江蘇泰州召開的中國石墨烯標準化論壇上，中國石墨烯標準化委員會正式成立，共有委員52人，基本涵蓋了國內從事石墨烯相關工作的主要專家、學者及企業家。與會代表討論了石墨烯材料的名詞術語、定義及石墨烯標準體系模型和工作路線圖。

12月31日，中國石墨烯標準化委員會正式發布中國石墨烯第1號標準“石墨烯材料的名詞術語與定義”，并于2014年1月1日起實施。該標準是國內乃至國際上首個明確給出石墨烯關鍵名詞術語和定義的標準。這對行業有序發展以及中國搶占國際石墨烯標準制定的話語權具有非常重要的戰略意義。

此外，中國石墨烯研究及檢測公共服務平臺也在泰州啟動，主要為國內相關單位提供專業的石墨烯性能檢測與結構表征服務。迄今，石墨烯檢驗檢測平臺已分別在泰州、無錫、內蒙古等地建立，形成了互補性、開放性和兼容性的檢測網絡。

目前，除中國以外，還沒有任何國家建立石墨烯行業組織，國際石墨烯標準至今也處于缺位狀態，中國石墨烯第1號標準的發布，預示著中國石墨烯標準化工作已經走在世界最前沿。為保持領先優勢，聯盟還將于2014年8月召開首屆國際石墨烯創新大會，并成立國際石墨烯產業創新戰略聯盟。

隨著石墨烯標準的發布、檢測平臺的建立以及產業鏈的完善，石墨烯大規模應用指日可待。

【碳纖維】打破壟斷贏拐點

碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，其含碳量高于90%，是新一代高性能增強纖維，可用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經碳化制得。

2005年，全球碳纖維市場僅為9億美元，2013年或超過100億美元，預計到2022年有望達到400億美元，碳纖維復合材料的應用進入全新的時代。

我國是碳纖維需求大國，2011年我國碳纖維市場規模達到6811.22噸，然而，受供應不足的影響，國內碳纖維市場發展較為緩慢。

據專家介紹，我國碳纖維的生產和使用尚處于起步階段，主要是小絲束，品質接近或達到T300水平，且不穩定，與國外先進水平尚有差距，導致應用受限，市場規模狹小。當前世界發達國家的碳纖維在航空航天、工業應用、體育休閑應用占比分別為22%、61%、17%，而我國應用比例為4%、31%、65%。

國家新材料產業發展戰略咨詢委員會副主任李克健表示，隨著我國由工業大國向工業強國轉變，航空航天、汽車和風力發電等領域的技術水平和規模會大幅度提升，碳纖維等新型復合材料的應用領域和消費量也將隨之增長。

“對傳統材料的替代，關鍵是要考慮成本因素，如果成本相同，用戶愿選擇性能更優的碳纖維。” 中國化學纖維工業協會會長端小平說。在降低成本方面，我國碳纖維的研發生產起了主要作用。2008年，當我國企業宣布T300碳纖維實現規模化生產時，這一規格產品的國際價格就由每公斤500元降至120元以下；2012年，當高性能的T700級碳纖維在我國實驗成功時，這一規格產品的國際價格又從每公斤400元降至160元。

伴隨低成本化趨勢，碳纖維在工業領域的應用前景廣闊，預計到2020年，我國碳纖維需求量將達到2.2萬噸。其中，工業領域的需求將提高至75%。

作為爭奪未來國際競爭優勢的基礎性材料，長期以來，高性能碳纖維的核心技術被西方國家壟斷和封鎖，我國不僅難以買到高端產品、設備，甚至學術交流也對我國嚴格保密。一方面，以美日為首的發達國家始終保持對中國碳纖維行業嚴格的技術封鎖，尤其是在聚丙烯腈（PAN）原絲生產技術進口方面，即使我國加入了世界貿易組織，也沒有多少改變。長期以來，國外的技術封鎖和產品禁運，使我國國防工業和航空產業對相關材料的需求常常陷于“無米之炊”的境地，一些國防工程甚至要通過特殊渠道獲取急需的碳纖維材料。

另一方面，世界各大碳纖維生產商加快了產業布局，并開始進入中國市場，導致中國碳纖維企業的壓力大增。國外碳纖維主要生產商包括：日本東麗公司、美國卓爾泰克公司、德國西格里集團、日本三菱人造絲公司和美國赫克塞爾公司等。

目前，世界碳纖維年產量約5萬噸，PAN基碳纖維約占各種碳纖維材料的80%以上，其中日本東麗、東邦和三菱人造絲3家公司占據了70%以上。其余生產商還有中國臺灣的臺塑公司，美國的赫克塞爾、卓爾泰克，德國的西格里以及韓國的泰光等。

“雖然國際上一些公司開始向我國出售T300級原絲，但數量有限而且價格昂貴，極大地制約我國碳纖維及其復合材料的應用。”中國復合材料集團董事長兼總經理張定金說，“自主研制生產高性能、高質量的PAN基碳纖維是我國碳纖維工業產業化發展亟待解決的問題。”

日前，傳來好消息，江蘇省成功打破了國外企業對我國碳纖維產業的壟斷。為攻克碳纖維產業化生產的關鍵技術，江蘇恒神纖維材料有限公司組建江蘇省PAN基碳纖維工程技術研究中心，致力于開展國產高性能PAN基碳纖維、碳纖維復合材料設計、制造、推廣應用。首批產品經權威機構檢測認定，碳纖維綜合性能指標與國外知名品牌的同類產品沒有差別。

據了解，我國碳纖維企業在持續多年投入之后，目前終于實現贏利，這也預示著行業發展出現了拐點。

《新材料產業“十二五”發展規劃》提出，加快發展碳纖維等高性能增強纖維，到2015年，碳纖維產能達到1.2萬噸，基本滿足航空航天、風力發電、運輸裝備等需求。

為加快碳纖維及其復合材料產業發展，2013年11月，工信部發布了《加快推進碳纖維行業發展行動計劃》。該《計劃》提出，經過三年努力，初步建立碳纖維及其復合材料產業體系，碳纖維的工業應用市場初具規模。到2020年，我國碳纖維技術創新、產業化能力和綜合競爭能力達到國際水平。初步形成2-3家具有國際競爭力的碳纖維大型企業集團以及若干創新能力強、特色鮮明、產業鏈完善的碳纖維及其復合材料產業集聚區。

政策能量持續釋放，創新能力不斷提高，一個蓬勃發展的新興產業正在崛起。