山西省碳基新材料創新發展研究

許 陽

（太原理工大學材料科學與工程學院， 山西 太原 030024）

0 引言

隨著科技的進步，碳基材料作為工業基礎材料，因其具有密度小、剛度好、強度大、高導熱、高導電、耐高溫、耐燒蝕、抗輻射、抗疲勞、抗化學腐蝕等優異性能，目前已被廣泛應用于航空航天、國防軍工、工業、農業等生產生活各個領域[1]，成為各國新材料產業發展中不可或缺的部分。山西省具有豐富的煤炭、石墨資源優勢以及相關的研發和產業基礎，為發展壯大碳基材料產業創造了良好的條件。

1 國際碳基新材料發展現狀

全球碳基新材料生產制造和技術研發主要集中在美國、德國、日本、韓國等國家，呈現出專業化、復合化、精細化、智能化、綠色化特征，這些地區的大型跨國公司，在經濟實力、核心技術、研發能力、市場占有率等方面占據絕對優勢和壟斷地位。

高端炭材料以日本東麗、德國西格里、韓國可樂麗等為代表，碳纖維、石墨烯、超級電容碳等產品均處于國際領先水平，具有產品牌號齊全、性能良好、批次質量穩定的特點。隨著全球經濟發展，航空航天、建筑工程、交通運輸、能源等領域對高端炭材料的需求將越來越旺盛，碳纖維、石墨烯、超級電容碳等產品高性能化、質量穩定性和低生產成本相關技術的研發與產業化將成為主要發展方向。

碳基合成新材料以美國陶氏、杜邦、日本三井化學、荷蘭殼牌、德國巴斯夫等為代表，主要產品高端聚烯烴材料、全合成化學材料、高性能工程塑料與纖維材料等生產工藝控制精準，其產品長期占領國際市場。碳基合成新材料是現代工業、農業、信息、能源、交通、航空航天、海洋等多個領域不可或缺的新型材料，市場需求將穩步增長，茂金屬聚乙烯、聚酰胺66、光學聚酯薄膜等高端材料在一段時期內仍將處于國外壟斷狀態[1]。

2 國內碳基新材料發展現狀

2.1 發展現狀

“十三五”以來，隨著自主創新能力不斷提升，我國碳基新材料部分關鍵材料與技術取得重大突破，部分產品產能規模實現了快速增長，總量和年均增速居世界領先。包括國產T800 級碳纖維關鍵制備a 技術、超高分子量聚乙烯制備技術、全合成潤滑油及高端油蠟制備等技術，形成光威復材、山西鋼科等千噸級碳纖維生產企業，涌現出的碳基合成新材料代表企業有中石化、萬華化學、恒逸石化、恒力石化、潞安集團等，建設了清華大學、大連化物所、中科院山西煤化所等眾多創新平臺。在高密度高純半導體陣列碳納米管材料的基礎上，實現了性能趕超同等柵長硅基CMOS 技術的電路和晶體管，碳基材料領域正蘊藏著全新機遇。目前，國內研究機構在碳基材料（碳基半導體）領域取得了較為顯著的研究進展，基本解決了碳基半導體材料制備的材料密度、純度和面積問題。

2.2 比較優勢及存在差距

石墨烯依托大連化物所、中科院山西煤化所等創新平臺，在制備及應用技術方面達到國際先進水平，煤基油蠟加氫精制技術進步使得全合成潤滑油打破國際壟斷，實現與石化路線的差異化發展。未來我國在航空航天、工業、農業、建筑等眾多領域市場需求持續增加，為碳基新材料提供了廣闊的發展空間。未來碳基技術有望全方位影響現有半導體產業格局。目前，我國碳基芯片的基礎研究方面已邁入全球發展前列，有望通過發展碳基芯片，實現中國芯的彎道超車。

但與國際先進水平相比，在技術及裝備方面，我國仍存在較為明顯的差距。存在原始創新能力弱、高端產品少、產品質量不夠穩定問題，“卡脖子”技術尚未突破。目前，我國碳纖維樹脂基復合材料方面缺乏碳纖維高端產品，大規模工業化生產成套工藝與裝備研發能力不足，制造工藝裝備仍比較落后。國產碳纖維在自主創新、產品產量、生產成本、質量一致性等方面與日本東麗公司相比，還存在較大差距。聚烯烴方面，C6（己烯）以上α- 烯烴高端產品，北美、西歐及日本占據市場主導，國內多為普通聚烯烴牌號產品。據中國產業信息網分析，我國高端聚烯烴自給率僅為40%。聚酰胺方面，聚酰胺6 實現了產業化，聚酰胺66受制于原料己二腈及己二胺的技術壁壘，仍然依賴進口。我國的碳素產業缺乏龍頭企業的引領，研發水平較為薄弱，還存在低水平的重復建設和市場不良競爭。

3 山西省碳基新材料產業發展情況

新材料產業是基礎性、戰略性產業，被譽為制造業“底盤”，對推動技術創新，帶動傳統產業升級，建設制造強國具有重要戰略意義[2]。山西依托資源稟賦及煤化工、焦化相關的研發和產業基礎，高端炭材料及部分碳基合成新材料研究開發及產業化實踐取得積極進展。截至2022 年底，山西省碳基新材料規模以上工業企業72 戶，營業收入328 億元，占比全省新材料產業營業收入15.6%，重點企業有山西鋼科、潞寶興海、潞安太化、三元碳素、大同新成等。

3.1 產業發展現狀

3.1.1 基礎能力不斷提升

多年來，山西大力推進碳纖維、電容碳、石墨烯等碳基新材料及其功能材料等相關產業發展，優化產業經濟結構，轉變經濟發展方式，加快破解制約資源型經濟轉型的結構性矛盾，蹚出了一條轉型發展的新路。山西已探明陽泉、晉城無煙煤儲量470 億t，約占全國無煙煤儲量的39.6%，是制備新型碳材料的首選原料。山西焦化產業產能產量位居全國首位，焦化副產品煤焦油、焦化苯、焦爐煤氣產能分別為300 萬t、100 萬t、200 億m3，是碳基新材料產業的重要原料基礎。山西煤制油、煤（焦爐煤氣）制甲醇、煤制乙二醇等現代煤化工產業為發展碳基新材料產業奠定了較好基礎。山西煤炭分質分級利用技術探索及產業示范，有望成為油氣資源的重要補充，為碳基新材料產業提供更豐富的原料來源。

3.1.2 技術難題有所突破

煤氣化是碳基新材料產業的主要出發點，陽煤化機與清華大學合作研發制造晉華爐，基本解決了高灰熔點煤和低濃度水煤漿氣化能耗高的難題。

高端炭材料方面，中科院煤化所突破了國產T800 級碳纖維的關鍵制備技術，基本實現了百噸級穩定生產，主體力學性能達到日本東麗同類產品水平，已被應用于航空航天領域，同時，還突破T1000 碳纖維實驗室制備技術及石墨烯等儲能材料規模化生產核心技術，組裝了超級電容器、鋰離子電池和鋰硫電池等儲能器件，形成電動汽車、道釘燈和無人機等應用示范，構建了“料—材—器—用”創新鏈、供應鏈[3]。

碳基合成新材料方面，潞安集團與中科院煤化所掌握了費托合成蠟等核心關鍵技術，全合成潤滑油、高端合成蠟打破國外壟斷；潞安集團與中科院上海有機所合作，依托煤制油α- 烯烴原料優勢，開展聚烯烴彈性體技術研發并取得了突破；潞安集團、潞寶集團聚酰胺6 具備產業化生產能力。

3.1.3 創新平臺架構已搭

作為中國煤化工的發源地，山西匯聚培養了一大批技術、管理人才及產業工人，具有一定的創新要素支撐，形成了以中科院山西煤化所、太原理工大學等為引領的碳基新材料創新團隊，建設了煤轉化國家重點實驗室、煤基聚合物改性技術國家地方聯合工程實驗室、碳纖維制備技術國家工程實驗室、中科院（山西省）碳材料重點實驗室等創新平臺，潞安、晉能、焦煤、潞寶等龍頭企業廣泛參與，擁有新型煤氣化、煤基漿態床合成液體燃料、煤基油蠟加氫精制等領先技術。除了科研基礎，山西省支持新材料產業高質量發展的若干政策和政府資金等鼓勵支持類政策加快落實，碳基新材料產業創新生態體系初具形態。

3.2 碳基新材料產業發展中存在的問題

山西省碳基新材料產業雖然取得了一定技術成果，積累了一定的產業化經驗，但在高端碳材料、高端聚烯烴、高性能工程塑料與纖維等材料方面仍處于產業化前期，核心技術有待進一步突破。存在創新資源配置效率不高，創新要素流動不暢，創新主體之間合力不夠，創新生態亟待進一步完善和優化。

3.2.1 科技成果產業化存在瓶頸

一方面，創新成果產業化缺乏政策扶持，比如工業性試驗項目前期手續辦理依據不明確，國內首次使用的生產工藝安全可靠性審查仍屬“點辦理”，難以做到“批處理”，一定程度影響新技術應用和項目推進。另一方面，科研成果與下游產業應用脫節嚴重，大部分成果以學術論文和發明專利的形式“躺”在書架上，沒有形成真正的產業化。很多基礎研究成果還缺少進一步的實用化研發和“中試階段”，尚未達到產業化成熟階段，因此存在巨大的風險，導致下游企業的興趣不足。

3.2.2 企業創新意識不強

目前全省絕大多數企業自主創新能力還比較低，部分企業缺乏長遠戰略目標，重生產輕研發，在技術創新方面投入的人力、物力、財力較少；企業缺乏首創型發明，核心競爭力弱；特別是部分規模小的企業，面對原材料、勞動力等成本不斷提高，資金鏈條吃緊，創新投入明顯不足。全省新材料企業關鍵技術聯合創新不足，新產品開發能力弱，高技術、高附加值等關鍵材料受制于人。同時，很多成果擁有者成立公司直接從事轉化工作，形成大量的初創型小微企業，由于學非所用和經驗不足，成功率并不高，而且還嚴重影響進一步的研發創新。缺乏有效的機制使產學研有機結合，從而既能保持原創性成果不斷產出，又能使已有成果源源不斷轉化成生產力。

3.2.3 關鍵技術存在制約

碳基新材料相關產品仍處于產業鏈、價值鏈的中下游、中低端及產業化的培育階段。高端炭材料、聚烯烴彈性體、茂金屬聚乙烯、聚酰胺66 等產品仍面臨國際貿易和技術壁壘，自主創新能力仍有差距。

4 山西省推進碳基新材料產業發展建議

4.1 聚焦兩條路線

1）高端炭材料。以產業化培育和拓展市場應用為主要任務，加快提高以煤、煤焦油、石墨、生物質等為原料的碳纖維、石墨烯、超級電容碳等技術成熟度，聚焦高端炭材料制備過程中的“卡脖子”技術，加大經費支持力度，整合資源，潛心攻堅克難，突破高端炭材料規模化制備的核心技術。在占領特定領域、高端市場的基礎上，降低生產成本，積極擴展中低端應用領域及民用市場，擴大產業體量，發揮規模效應。

2）碳基合成新材料。確立產業鏈上中下游同步推進發展思路，推進碳基合成新材料產業化應用，實現煤碳由燃料向原料、向特種材料轉變，打造碳基新材料產業集聚區。通過政、產、學、研、用協同創新，打造從基礎材料、制品器件到終端應用的技術創新鏈，形成產業鏈產品開發和系統應用的一體化解決方案。上游夯實基礎、做綠平臺。突破大型高效煤氣化和煤炭分質分級利用技術瓶頸；適度控制焦炭規模，做優做綠焦化產業平臺。中游差異發展、形成優勢。鞏固提升焦化副產品深加工平臺基礎和優勢，延伸焦化精深加工鏈條，提升市場競爭力。下游技術攻關、產業培育。自主創新、協同創新、開放創新多措并舉，努力提高產品技術含量和產業附加值，加快成熟技術產品的應用推廣，積極探索戰略新興材料，集中攻克關鍵技術及“卡脖子”技術，持續發力，推進終端材料產業化應用。

4.2 落實四項要求

1）高端化。高起點開發，高標準建設，高科技支撐。合力攻克一批“卡脖子”技術，甚至是顛覆性技術。包括：新的碳同素異形體設計理論與合成方法；碳材料在液相、高分子、金屬中的分散和復合技術；碳基結構材料與功能材料的跨尺度設計理論和制備方法；碳基顯示、電磁屏蔽和超導材料；碳基傳感器件、可穿戴與物聯網技術；碳基光纖與光電子技術；硅基- 碳基復合器件及全碳電子器件；碳基儲能與分離技術；碳基催化劑與單原子催化等。通過產業集群，關聯耦合，循環利用，推動產業走向高端，產品趨向終端。

2）市場化。以市場為導向，以效益為中心，以可持續發展為目標，摒棄扎堆建設形成過剩的惡性循環，山西省目前碳材料產業化主要布局在短期內投資可以快速見效的領域，但總體上技術含量和產品附加值不高，對未來高精尖產業的拉動能力有限，因此應該深入挖掘市場潛力和競爭優勢，理性規劃，科學布局。

3）差異化。依托產業基礎和比較優勢，走出一條與大型石化路線差異化資源利用，差異化產品設計，差異化市場供應，可以有效避免低水平重復建設和惡性競爭。因此針對全省在碳材料產業發展區域差異明顯，應統籌合理規劃產業發展布局，因地制宜，推進差異化、特色化發展，走互為補充，協調發展的道路。

4）環境友好型。采用無污染或低污染的技術和工藝，加強全過程控制管理，提升“三廢”資源化利用水平，降低“三廢”排放強度。建設綠色制造評價體系，實現源頭政策控制、過程技術控制和末端處置控制并重，不斷提升全行業環境友好度。

4.3 明確三大任務

4.3.1 創新驅動技術進步

堅持“創新為上”工作理念，緊盯行業關鍵共性技術，力求通過技術創新引領產業發展。以技改資金支持、創新活動全覆蓋、技術交流研討等方式推動國內外、省內外科研院所、高校、創新平臺、重點企業開展創新合作，聚焦重點，突破關鍵，特別是圍繞高端炭材料及碳基合成新材料制備技術、煤炭分質分級綜合利用技術、適合山西煤種的煤氣化技術等開展攻關，實現產業發展的核心技術支撐引領。研究組建山西省碳基新材料成果轉化推進公司，承接并轉化創新成果，加快科技成果產業化進程。規劃集應用基礎研究和高技術開發于一體，著力打通碳基新材料從實驗室、中試向產業化的發展通路，提升技術成熟度，促進成果轉移轉化，努力將山西在碳基新材料領域的“技術優勢轉化為產業優勢”。

4.3.2 項目助推產業培育

圍繞碳纖維、石墨烯、超級電容碳等高端炭材料，以及煤- 焦- 焦爐煤氣、煤焦油、粗苯- 甲醇、乙二醇、己內酰胺- 全合成潤滑油、高端合成蠟、聚酯纖維、聚酰胺6 等碳基合成新材料產業鏈條。重點推進T1000 高性能碳纖維、千噸級超級電容碳、單烷烴分離、焦爐煤氣鈷基費托合成精細化學品及低熱值煤熱解燃燒分級轉化分質利用技術研發及工程示范等產業項目，以項目實施培育碳基新材料特色產業。

4.3.3 改革構建支撐體系

在政策保障、要素配置、人才培養等頂層設計環節持續發力，構建碳基新材料產業創新生態和支撐體系。政策方面先行先試，研究制定支持碳基新材料產業發展的配套措施，做好戰略性、全局性的規劃設計，做到高標準規劃引領高質量發展，進一步明確產業推進思路，根據當地資源稟賦、研發基礎和產業特點進行針對性的布局和建設。

5 結語

山西省是煤炭資源大省，長期以來煤炭產業發展方式簡單粗放，產業鏈短、利用效率效益不高，產業結構相對單一。在資源和環境約束趨緊的形勢下，大力推進碳基新材料相關產業的發展是山西省推進轉型升級、實現煤炭由燃料向新型材料轉化的立足點和首要任務。

在推進碳基新材料發展的過程中，我們應堅持高科技支撐，高起點開發，高標準建設。依托產業基礎和比較優勢，走出一條與大型石化路線資源利用、產品設計及市場供應差異化的路；采用無污染或低污染的技術和工藝，加強全過程控制管理，提升“三廢”資源化利用水平，降低“三廢”排放強度；堅持“創新為上”的工作理念，緊盯行業關鍵共性技術，力求通過技術創新引領產業發展；對政策保障、要素配置、人才培養等方面持續發力，構建碳基新材料產業創新生態和支撐體系。