产业观察｜风口渐远时，“碳”索新动能

阎青 周攀 华夏幸福产业研究院

木炭是文明的火种，石墨是教育的启蒙，钻石代表着永恒的爱情，石墨烯获得诺奖的垂青。它既是传统工业的基石，也是电子工业的未来。这就是碳材料。

这是一个什么会

1. 面向碳材料产业

包括石墨烯、碳纤维、富勒烯、金刚石、传统碳材料等诸多领域。由于分论坛众多，产新君重点关注了石墨烯及碳纤维两个主要方向。

2. 科研与产业相结合

大会的组织者中，既有众多碳材料领域的生产企业，也有科研院所，还有第三方服务平台。会议旨在将产业展览与学术研讨两者融合，促进学术界与产业界的深度对话，架起科研成果与产业应用的沟通桥梁。

石墨烯的新动能在哪里

关于石墨烯产业政策

1，赛迪研究院肖劲松：认清产业发展规律与痛点，以产业政策促进产业发展

赛迪研究院原材料工业研究所所长肖劲松做了《我国石墨烯产业现状及政策解析》的报告。他认为石墨烯产业符合“三新”的发展规律：新材料、新技术、新兴产业。石墨烯目前还处于Gartner技术成熟度曲线上“产业早期的创新触发阶段”。

2016-2017年石墨烯材料产能及产量

2010-2017年我国石墨烯企业数量增长趋势

图片来源：赛迪智库

石墨烯市场规模不断扩大。2015年6亿元，2016年40亿元，2017年达到70亿元，初步形成了以新能源、涂料、复合材料、大健康、节能环保和电子信息为主的六大应用领域。截止2017年底，我国工商、民政等部门注册的与石墨烯相关的企业和机构数量达4800多家，实际发生石墨烯业务的机构达2600多家，其中生产企业900多家，主营业务为石墨烯的上市公司5家，涉及石墨烯相关业务的上市公司58家，多数仍为中小型初创企业。

从生产情况来看市场真实状况：2017年粉体产能3000吨，实际产量300到400吨，薄膜产能450万平米，实际产量30到60万平米。

从2017年开始，石墨烯产业开始大规模洗牌。随着企业数量急剧增加，并购整合速度也在加快。2013-2017年，上市企业发生石墨烯相关投资并购事件共55项，涉及金额近187亿元。2017年投资并购金额达65亿元。2013-2016年以投资为主，2017年则以并购为主，这说明从2017年开始，石墨烯产业开始大规模洗牌，产业链开始进一步整合。

我国石墨烯产业发展还面临着诸多问题与挑战。赛迪研究院认为，在地理分布上我国石墨烯产业初步形成“一核两带多点”的总体空间格局，但这并不是成熟的象征。我国石墨烯产业发展还面临着诸多问题与挑战：产业化的关键技术有待突破，缺乏龙头企业带动，大规模应用市场尚未打开，产业发展环境还有待改善。未来的石墨烯产业是一块大蛋糕，能切多少取决于现在关注什么？我们需要关注引领未来的核心技术，而不仅仅是今天的产品，同时在产业政策上也要因时因地制宜。

对应不同的产业生命周期，产业政策有不同的主题。产业引入期主要是鼓励技术创新，成长期主要是推进产业发展，成熟期主要是规范市场环境，而进入产业调整期则通过组织协调等手段来促进产业融合。工信部、发改委、科技部《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》提出要将石墨烯打造成先导产业，推动其做大做强，重点厘清政府、市场、技术、需求的关系。《指导意见》还提出加大政策扶持、加强投融资引导、完善标准规范体系、加强行业管理和服务四大措施。

肖劲松最后研判石墨烯产业政策的走向如下：加强与传统产业的融合、加快突破关键技术、培育优势骨干企业、规范产业园区建设、完善标准体系、推动交流合作等等。

关于石墨烯粉体及其应用

2.第六元素瞿研：石墨烯产业化应用并不容易，需要长期的技术攻关

常州第六元素材料科技股份有限公司董事长瞿研博士结合公司的业务与过往研究经验做了《氧化石墨烯的产业化进展》的报告。

众所周知，石墨烯有两种主要的制备方式，氧化还原法主要是用来生产石墨烯粉体（在还原之前的产物是氧化石墨烯），CVD法用来生产大面积薄膜。目前第六元素已建成总计400吨氧化石墨烯、石墨烯生产线。第六元素及其客户共同探索，实现了氧化石墨烯、石墨烯粉体在防腐涂料、工程塑料、橡胶轮胎、改性纤维、导热膜等领域的应用。

石墨烯粉体在防腐涂料中的应用。瞿博士表示，经过对比研究发现将石墨烯添加到环氧富锌底漆中，能够显著减少锌粉用量并提升涂料防腐性能。瞿研给出了可能的解释：除了阻隔性外，石墨烯的面内导电性强，与锌粉的充分接触使得锌粉能够更加充分地参与电化学反应。目前第六元素的改性防腐涂料已成功试验并应用于风电塔筒、管廊架、南极科考工作站等，公司还参与了化工行业石墨烯锌粉涂料标准的制定。

石墨烯在改性纤维方面的应用。这些改性纤维获得了优异的本征性能：导热性好、抗静电、抗菌（大肠杆菌抑菌率99%）。

石墨烯在导热膜方面的应用。主流导热膜采用的是高分子量聚酰亚胺，成本高、不环保。第六元素的石墨烯导热膜采用水系工艺，将氧化石墨烯分散在水中，涂膜，形成导热膜。华为发布的首款采用石墨烯导热膜的手机，其散热效果要比高分子量聚酰亚胺好。

第六元素石墨烯导热膜生产工艺

瞿博士还着重分享了对产业化应用技术的理解，以及长期技术攻坚的心得。他谈到为什么石墨烯的涂料应用与改性纤维应用在技术上可行、并且能够走向产业化的原因。石墨烯作为一个单原子层材料虽然很容易起皱或团聚，但如果做成涂料涂覆成膜，在干燥过程中实际上液体表面的张力在帮助石墨烯进行自组装。为什么做改性纤维可以成功？因为从母粒拉丝的过程实际上也在帮助石墨烯自组装排列。

第六元素对石墨烯的每一种应用技术摸索的周期都很长。石墨烯改性锦纶研究了近五年，其中涉及很多技术问题，比如石墨烯加进去后会不会使催化剂中毒，会不会影响聚合，纺丝过程中会不会堵孔等等。纺丝工艺中不是要求几个小时不断丝那么简单，而是几个星期不断丝。但凡有较大的颗粒都会造成堵孔、断丝。改性锦纶的技术问题已经基本解决了，改性涤纶目前国内几个大的厂都在研究和技术攻关过程中。

最后，瞿研博士还对石墨烯在锂电池里面的应用发表了观点。他认为，在锂电池中石墨烯并没有外界宣传的那么神奇，现在所有的锂电池，不论是磷酸铁锂还是三元材料，实际在能量密度上已经非常接近其理论值了。锂电池的能量密度只与正负极材料本身的能量密度有关，和添加剂关系不大。石墨烯做负极也基本不可能，比表面积太大，生成的SEI膜也太大，所以比容量受限。但石墨烯在锂电池里面还是有应用价值：作导电添加剂，提升电池循环寿命，或者开发新的电极体系，比如和硅碳负极一起应用，可以抑制硅的形变。

关于石墨烯薄膜制备技术

3.北京大学彭海琳：高质量石墨烯薄膜生长要解决头上的“三朵乌云”

彭海琳教授报告题为《高品质石墨烯薄膜的控制生长与器件应用》。彭教授与刘忠范院士属于同一课题组，其产业化工作与北京石墨烯研究院相关。彭教授表示化学气相沉积（CVD）是制备高品质石墨烯薄膜的有效方法，可以进行工业化批量制备，当前国内石墨烯薄膜产能有数百万平方米，走在世界前列，但大多是多晶薄膜，且质量低，存在缺陷，工艺和装备不够融合。

石墨烯薄膜产能分布

彭教授将CVD石墨烯制备的三个技术难题形象地总结为“三朵乌云”：1）晶界（晶核取向随机）；2）褶皱（热膨胀系数差异导致）；3）杂质（主要是无定形碳，转移残留物）。因此要尽可能考虑品质与产量，工艺跟装备的结合。刘忠范课题组开发的5-S（Super-large domain，Super-fast growth，Super-doping，Super-clean，Super-flat）石墨烯单晶制备技术体系，目标是攻克这3朵乌云。

第一，消除晶界。技术方法：1）单一晶种法；2）阵列晶种&同向拼接。技术关键：1）基底的设计 后处理=控制成核密度；2）提高反应物种的供给量=提高生长速度；3）同向化晶种 同向化拼接技术=大面积单晶石墨烯。刘忠范团队目前成果，实现了单晶石墨烯生产速度的世界纪录，每分钟2~3毫米。

第二，消除褶皱。只有在Cu（111）单晶界面上生长的石墨烯是没有褶皱的，因此核心技术是获得铜（111）单晶界面。改进衬底工艺也可以提升生产效能，比如蓝宝石/Cu单晶衬底可以反复使用，刘忠范团队目前实现了4英寸超平整石墨烯单晶的批量制备。

第三，消除污染物。常规技术生长的石墨烯薄膜的洁净度（面积占比）只有10~50%，采用超洁净技术生长的石墨烯薄膜洁净度可达到99%。清洁技术：比如在生长过程中把泡沫铜放在衬底中，还可以在生长过程中通入过氧化物以刻蚀掉污染物等等。

彭教授表示，超洁净单晶石墨烯薄膜在性能上更加接近石墨烯的理论值（因此具有更大的应用潜力），如超高的载流子迁移率、优良的力学性能等，而且发现当石墨烯足够洁净时反而具有了本征亲水特性。

关于石墨烯的储能应用

4.赛迪顾问涂有龙：锂离子电池应用在石墨烯下游市场中占比最大

赛迪顾问新材料产业研究中心高级分析师涂有龙表示目前石墨烯产业产能高，但实际产量小。2018年石墨烯粉体新增产能505吨，使得年产能达到了3090吨。在2017年石墨烯应用市场中，锂离子电池应用占比最大，达到43.7%，排第二位的触控传感应用占比15.6%。但增速较快的市场在石墨烯防腐涂料、石墨烯导电油墨、保暖理疗产品领域。

2017年导电剂出货量3217吨，同比增长13.2%，石墨烯导电浆料粉体出货量59吨，折合成石墨烯导电浆料为1475吨。相关企业主要聚集在山东、江苏和广东省，但出货量前三名则是山东、黑龙江和广东，随着生产要素的持续聚集，这些地区将出现“强者愈强”的态势。代表企业包括：青岛昊鑫、万鑫石墨谷、鸿纳新材、国创伽伟、凯纳股份等。

受益于锂离子电池市场的高增长，石墨烯在的应用市场也将越来越大。涂有龙预测2020年中国石墨烯导电浆料出货量将达到7700吨。就技术来说，走复合化路线，发展更高质量的石墨烯导电浆料，以及把石墨烯应用于高容量材料如硅碳负极等将成为趋势。但目前石墨烯产品的工艺问题、价格问题、标准问题是行业需要首先解决的共性问题。

5.中科院宁波材料所刘兆平：真正的石墨烯电池还没出现

刘兆平研究员是石墨烯研究的先行者之一，他对石墨烯制备产业化、应用产业化的探索也比较早。刘兆平对石墨烯导电浆料的复合化路线有着丰富的经验，针对锂电池中的应用需求，其团队开发了由石墨烯、碳纳米管、导电炭黑等组成的多元复合导电浆料。沿此技术路径，刘兆平创办的墨西科技也在今年11月建成了万吨级石墨烯复合导电浆料生产线。

石墨烯基多元复合导电浆料

刘兆平指出，石墨烯微片应用需要解决三个共性问题：性价比、分散技术、复合技术。其中复合技术的目标是实现三维网络，真正能够提升锂离子电池的性能。因为三维导电网络能够提高电极导电性，从而提高倍率充放电性能和循环寿命。

新一代动力锂电池石墨烯复合电极材料

即便如此，现有应用都称不上是石墨烯电池，刘兆平认为要称作石墨烯电池必须要满足两个条件：电池性能要比现在主流电池高很多，石墨烯在电池中发挥主要作用。“也许在未来采用富锂材料的固态电池时代可能诞生石墨烯电池”——刘兆平在演讲中如是畅想。

碳纤维的新动能在哪里

6. Hexcel吴一波：突破航空复合材料发展瓶颈的关注点主要有三个。

世界著名碳纤维及生产商Hexcel赫氏复材上海代表处主管吴一波做了《从赫氏复材的投资并购谈航空复合材料的发展方向》的报告。Hexcel是航空航天领域最重要的碳纤维复合材料供应商之一。吴一波认为，碳纤维在航空领域的应用，到了A380和B787，已经到了顶峰，也到达瓶颈，再往后发展，需要新的思路。

突破航空复合材料发展瓶颈的关注点主要有3个，第一是重新定义结构复合材料，第二是高性能复合材料和低成本部件制造工艺，第三是新材料和新工艺。曾经，轻质高强是复合材料的卖点，现在，将更轻、更强、更快作为复合材料追求目标的时代已经成为过去，复合材料最终将发展成为结构、功能、高效、低成本融为一体的新型材料。

关于碳纤维生产。Hexcel认为有三个研究方向，1）高模量依然高强度，目前东丽有研究突破；2）功能化研究，比如增强纤维表面电性能；3）增强碳纤维与热塑性材料的兼容，因为传统碳纤维上浆是热固性环氧树脂，与热塑性材料是否匹配，是否要特意开发热塑性碳纤维值得思考。

提高复合材料的韧性依然是基体树脂研究的一个方向。复合材料工艺研究进入数字时代，工艺建模有助于促进工艺成熟稳定。增材制造有助于制造形状复杂的碳纤维复合材料部件，同时，打印连续纤维增强材料产品可以更好发挥复合材料可设计性的特点。

关于碳纤维生产

7. 上海石化总工程师黄翔宇：大丝束碳纤维必须实现低成本，但绝不是低性能，更不是低质量。

黄翔宇做了《大丝束碳纤维技术与应用前景》的报告。先科普一下，碳纤维分为小丝束和大丝束两类。其中，每束丝里面包含大于48000根碳纤维的叫做大丝束。一般来说，大丝束碳纤维成本更低，性能略低于小丝束。黄翔宇认为，大丝束碳纤维必须实现低成本，但绝不是低性能，更不是低质量。

大丝束碳纤维发展将为碳纤维产业注入增长活力。根据Conference of “Go Carbon Fiber 2018 Berlin Germany”的数据，2018年，全球碳纤维需求总量近9万吨，增长率超过10%，重点应用领域为：航空航天21%、风力叶片19%、汽车18%、体育休闲12%、模成型8%。汽车、风力、体育用品等下游方向仅需要拉伸强度3.5Gpa-4.5Gpa的碳纤维，适合应用大丝束。目前小丝束市场规模占62%，大丝束占38%。

日本东丽判断碳纤维需求进入暴涨期，主要是由工业应用驱动。一方面未来应用市场增长最快的领域是汽车，比如，在燃料电池汽车中，每只氢燃料汽车的储氢气瓶，35Mpa和70Mpa分别需要50公斤和70公斤碳纤维，其中大丝束约占50%，50万台汽车约需35000吨大丝束碳纤维；另一方面，风力叶片领头羊Vestas2018年碳纤维用量22000吨，增长迅速，对大丝束碳纤维的需求旺盛。因此大丝束碳纤维是碳纤维发展的新动能。

上海石化千吨级碳纤维成套技术由中国石化自主开发，2018年已形成千吨级48k大丝束碳纤维成套技术工艺包。

产新君认为，上海石化成功的经验在于，以客户应用为关注目标。国产碳纤维生产商常常只注重宣传各种力学性能，而忽略用户使用中的体验。产品性能不稳定、毛丝多不易展丝、树脂体系不匹配等使用方面的问题，给下游客户造成很大困惑。上海石化主要做了三点工作，一是提高生产稳定性，使得产品离散性降低；二是纺丝工艺提升，毛丝减少；三是选择合适的上浆剂，满足不同加工用户的要求。

8. 宁波所研制的强度5.66Gpa，模量620Gpa的高强高模碳纤维引领新型纤维核心技术发展。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员王雪飞做了《国产高强高模碳纤维的结构研究》的报告。宁波所目前已经形成基于湿法纺丝技术高强中模（T800和T1000级）、高强高模（M50J级、M55J级等）两大系列高性能碳纤维。如上图所示，宁波所研制的强度5.66Gpa，模量620Gpa的高强高模碳纤维引领了新型纤维核心技术的发展。国产碳纤维取得这么长足的进步可喜可贺，同时产新君认为需要关注其产业化的可能性，毕竟之前依托宁波所技术的浙江泰先已于2017年破产清算。

关于预浸料

9. 中航复材张宝艳：预浸料/复合材料性能影响主要因素是：树脂、纤维、界面和工艺。

航空工业集团首席技术专家张宝艳做了《先进预浸料技术研究进展》的报告。预浸料是复合材料关键中间材料。预浸料/复合材料性能影响主要因素是：树脂、纤维、界面和工艺。

树脂的改进方向：1）高性能化，如提高韧性、提高耐热性、提高力学性能和疲劳特性匹配性；2）功能化，如提高导电、吸波、透波、阻尼减震、阻燃等性能；3）工艺性改进，包括改进浸润性、成膜性、固化反应性、流变性等。

关于轨道交通

10. 青岛四方丁叁叁：以轻量化为核心的综合解决方案重点需寻找各种技术平衡：结构优化、材料优化、一体化优化。

中车青岛四方副总工，国家高速动车组总成工程技术研究中心主任丁叁叁做了《轨道车辆碳纤维复合材料产品研发》的报告。他认为，以轻量化为核心的综合解决方案，重点需解决强度刚度、疲劳、腐蚀、噪音及防火等各种性能之间的矛盾，寻找各种技术平衡：结构优化、材料优化、一体化优化。

11. 中车长客周伟旭：现阶段碳纤维复合材料在轨道车辆的应用仍受成本、材料、设计、工艺等限制，尤其是成本问题，是制约其推广应用的巨大壁垒。

中车长春轨道客车股份有限公司主管设计师周伟旭做了《碳纤维复合材料在轨道车辆的应用》，他认为，碳纤维复合材料应用于轨道交通具有提高乘坐舒适度、提高使用寿命、提高安全性、产品可设计性高等优势。目前应用的趋势是，从非承载部件往主承载部件转变、从简单零部件往大型结构转变、从混杂材料结构往全复材结构转变。现阶段，碳纤维复合材料在轨道车辆的应用仍受成本、材料、设计、工艺等限制，尤其是成本问题，是制约其推广应用的巨大壁垒。

碳材料的新动能到底在哪里

参加完大会，产新君感慨万千。曾几何时，富勒烯、石墨烯先后获得诺贝尔奖，碳纤维被赋予替代金属材料的厚望，石墨烯获得空前关注并引发投资热潮。而如今，在风口渐远之际，业界也陷入了些许迷茫。本次大会的主题”碳材料和战略型新兴产业的融合与创新”也许是碳材料下一步发展的新动能。

正如会议组织方DT新材料CEO张立生博士在接受第一财经采访时所说：”碳材料在许多战略性新兴产业中都能找到应用，只要有了好的成果，很快就可以在相关领域尝试应用。”中国巨大的市场将为碳材料提供无与伦比的应用舞台和创新机遇。

注：本文部分资料来源于第三届国际碳材料大会官网及现场拍摄，嘉宾观点根据记录整理，未经本人审阅。