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      人民網對話黃啟忠教授:“金字塔”基上的碳基材料

      發布時間:2022-11-24發布人:瀏覽:
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      小到手機、家電零件,大到輪船、飛機配件,新材料的身影無處不在。而處于“金字塔”基上的碳基材料,則是品種多、應用廣、附加值高的“典型一族”。

      湖南作為全國碳材料資源的重要基地,在碳基材料研究及其應用上處于全國領先地位。目前長沙正在突破一批高精尖缺品種,以提升新材料產業化和規?;瘧盟?,確保產業鏈和供應鏈安全,為長沙打造國家先進制造業高地奠定堅實基礎。
      近日,人民網湖南頻道特邀國家航天技術專家組成員、教育部新型飛行器聯合研究中心副主任兼輕質耐高溫材料分中心主任,中南大學教授黃啟忠做客《人民訪談》,一起探尋碳基材料如何推動長沙先進制造業高質量發展。

      人民網:黃教授主要的研究領域是新材料產業,它被譽為制造業的“底盤”,您能跟我們介紹一下這個新興產業嗎?

      黃啟忠:新材料確實被譽為制造業的“底盤”,是支撐國家重大工程和戰略性新興產業的重要基礎。而處于“金字塔”基上的碳基材料,是品種多、應用廣、附加值高的典型一族。比如,航天器的耐燒蝕材料、飛機的剎車材料均為碳材料,芯片、氫能、鋰電、核反應堆、風能離不開碳材料,鋼鐵、機械、電力也必須用到碳材料,可以說碳材料改變了世界。

      人民網:您重點提到的這個碳材料是什么?它和我們的日常生活有什么關聯?

      黃啟忠:碳基材料大部分普通民眾都會覺得比較陌生,不太了解。但是其實跟我們的生產和生活息息相關。手機、電腦的散熱膜、干電池的電芯就是碳材料,人類第一個采用化學方法制造的材料就是碳材料木炭,青銅、鐵、硅的熔煉也離不開碳,所以說碳材料是人類發展的標志。碳基材料主要是指以碳為主題體的材料。它包括主要由碳元素構成的石墨、金剛石、石墨烯、碳納米管、富勒烯(C60)、碳同位素C14,碳纖維及其復合材料,廣義還包含碳化硅及其復合材料等。碳基材料廣泛應用于航空航天、冶金機械、電子信息、新能源等領域。碳基材料的發展給人類社會帶來了許多革命性的變化。比如,人造金剛石的產業化發展推動了磨具、刀具等的大變革,從而使機械制造業蓬勃發展;輕質高強碳纖維及其復合材料的大規模應用給航空航天制造業帶來了革命性的變化,成就了美國人的“夢想飛機”波音787的誕生,也使得高超聲速飛行得以現實。黨中央極為重視碳纖維的發展,幾屆國家領導人專門作出批示,解決涉及國防安全的這一“卡脖子”關鍵核心材料。再比如石墨烯被譽為 “新材料之王”,對5G通訊、新型能源、特種新材料的開發將帶來顛覆性變化。在研究領域,碳材料的科研也備受重視。比如多個科學家均在碳材料領域取得了突破性進展,為人類科學的發展做出了巨大的貢獻,并以此獲得諾貝爾獎的殊榮。包括1906、1960年、1996年、2010年以及2019年,就一個碳元素的研究誕生了5次諾貝爾獎,這充分證明,碳材料在人類社會的發展進程中扮演著極其重要的角色。人們也常說,19世紀是鋼鐵的世紀,20世紀是硅材料世紀,21世紀是碳材料的世紀。因此,大力推動碳材料及其產業鏈、產業集群發展,具有極為重要的戰略意義。

      人民網:碳元素對制造業的發展至關重要,既高大上又接地氣。那么在長沙打造先進制造業高地中,碳材料又起著什么樣的作用?

      黃啟忠:長沙市在碳基材料方面具有很大的優勢,長沙市非常重視碳基材料的發展,由分管工業的副市長擔任產業鏈鏈長,多次召開碳材料企業和碳材料專家的會議。長沙市在碳基材料產業鏈中,人造石墨制造、鋰電炭負極、石墨烯、炭/炭復合材料、碳材料熱工、第三代半導體碳化硅等方面具有明顯優勢,并且有黃伯云院士等學科帶頭人。比如江蘇某鉛蓄電池電動單車企業采用位于瀏陽的湖南金陽烯碳材料公司制備的石墨烯,制備的石墨烯3代電池在-20℃~55℃的環境下均能保持穩定持續放電。并使容量提升20%~25%、充電時間由8小時縮短為1小時,使用壽命為普通鉛蓄電池的3倍。石墨烯因為制造方法和工藝不同,其性能相差非常大,湖南金陽烯碳材料公司制備的石墨烯具有碳原子網絡完備,導電、導熱性能好,因此長沙石墨烯性能具有領先的地位,目前產能為年產千噸石墨烯,主流產品價格下降到每噸100萬元以下,在鋰電池、防腐材料等方面也有良好應用。再比如湖南頂立科技有限公司是國內熱工裝備的龍頭企業,產品出口歐、美、日等發達國家,公司的碳材料事業部年產值達2億元人民幣以上,開發出了碳材料用化學氣相沉積爐、石墨化爐、提純爐等設備,規模應用于航空航天、光伏、鋰電負極、半導體等行業的用碳領域,解決了我國國防和民用碳材料的裝備問題,為我國碳材料的發展做出了重要貢獻。還有湖南中科星城石墨是專業從事鋰電池負極材料研發與生產的高新技術企業,以新能源汽車動力類鋰電池負極材料為主攻方向,同時覆蓋手機、平板電腦、通信基站儲能等領域,制造包括天然石墨、人造石墨以及硅碳、硅氧、軟碳、硬碳等新型負極材料。在動力電池負極材料市場具有領先優勢,規模處于國內前三。產品供不應求,力爭到2025年產值超過100億元。還有湖南博云新材料股份有限公司和金博新材料有限公司,出自于中南大學粉末冶金研究院的產學研結合,分別在在航天航空用碳/碳復合材料、太陽能單晶硅用熱場材料方面進行了大量的研究,其產品性能優良,是國內同行業的知名企業。湖南東映碳材料科技有限公司技術來源于湖南大學,致力于高導熱碳纖維的研發和產業化,產品廣泛用于航天航空、5G通訊和尖端制造等高技術領域,榮獲2020年度國家科技進步二等獎,并被列為湖南省2021年度“十大技術攻關項目”。國防科技大學在碳化硅前驅體方面進行了近40年的研發,衍生出的博翔新材料、湖南前驅新材料在聚碳硅烷、聚甲基硅烷方面取得了實用性成果,為高性能低成本的碳化硅材料奠定了基礎,前驅體將進一步擴大碳基材料的應用范圍和提升使用壽命。從這些都可以看出來,長沙在碳基材料產業發展格局中占據重要的戰略地位。目前長沙正在花大力氣突破一批高精尖缺品種,能夠大幅提高關鍵材料自主保障能力,提升新材料產業化和規?;瘧盟?,確保產業鏈和供應鏈安全,為長沙打造國家先進制造業高地奠定了堅實基礎。

      人民網:碳基材料產業發展空間大,以碳基材料為代表的新材料產業在經濟發展中發揮著日益重要的引領作用。黃教授,請問長沙目前碳基材料產業發展情況怎么樣?

      黃啟忠:首先,長沙市是全國碳基材料人才培養的搖籃。1962年,湖南大學建立了中國首個碳素材料專業,被譽為中國碳素材料領域的“黃埔軍?!?。上世紀80年代,國防科技大學是我國首個碳化硅纖維的研發單位,為碳化硅纖維及其復合材料的發展做出了卓越的貢獻。中南大學在碳/碳復合材料領域打破了國外的技術封鎖,為國家航空航天戰略需求提供了保障。同時,中南大學還在鋰電池碳材料研究和應用上居于全國龍頭地位。以上述三所高校為基礎,湖南為全國的碳材料行業培養并輸送了大批優秀的高層次人才。其次,湖南是全國碳材料資源的重要基地,擁有世界一流質量的微晶石墨礦,其“魯塘”牌微晶石墨在全球享有盛譽,其儲量居全國首位,廣泛應用于核石墨、等靜壓石墨和石墨烯等領域,寧鄉長寧碳素公司用其制造的電池碳棒占全球80%以上。而且,更讓人自豪的是,長沙在碳基材料研究及其應用處于全國領先地位。

      人民網:長沙碳基材料發展取得的這些成績,黃教授您認為這得益于哪些因素?哪些舉措是關鍵?

      黃啟忠:我認為長沙在這邊還是布局早,成就大。長沙市擁有創新平臺優勢。長沙市具有多個優秀的碳材料相關平臺,主要包括有:國防科技大學擁有陶瓷纖維及其復合材料國防科技重點實驗室;中南大學擁有輕質高強結構材料國防科技重點實驗室和國家碳/碳復合材料工程技術研究中心。并且,湖南擁有國家石墨產品質量監督檢測中心,為長沙碳基產業產業鏈集群化夯實了研究和應用基礎。

      人民網:對于長沙“十四五”時期的碳基材料產業,您認為它的發展前景和重點方向是什么?您有哪些建議?

      黃啟忠:碳基材料是國防安全和國民經濟建設的關鍵材料,擁有極為廣闊的下游應用領域和巨大的市場空間。其中的炭纖維及其復合材料、碳化硅材料屬于“卡脖子”關鍵材料。實現長沙碳基材料產業集群的做大做強,需要針對已處于全國領先地位的產業,要建設其領軍能力,加強產學研結合,鞏固并強化發展優勢,使該產業由全國領先向世界領先邁進;其次,針對具有高發展潛力的產業,要提升其競爭能力,壯大產業規模,推進產業的延鏈、補鏈、強鏈,使該產業由小而精向大而強轉變;還有我覺得要充分發揮長沙碳基材料的教育優勢、資源優勢和平臺優勢,加強人才培養和基地建設;而加強科技創新尤為重要。上世紀80年度末至90年代初,以長沙礦冶研究院冶金學科,湖南大學的碳素學科,中南大學的粉末冶金學科相結合,致力于人造金剛石產業的發展,其產量和產品水平曾多年居全國第一。由于當時由于知識產權的保護問題、政府的重視問題,科研和生產工作者的結合問題等原因,導致很多企業沒有核心技術,也沒有規模優勢,形成無序競爭,優勢逐漸喪失,目前湖南省、長沙市的金剛石行業已經基本被淘汰。這一“長沙金剛石現象”給我們碳基材料上了很好的一課。所以,要不斷提升碳基材料產業集群的創新能力,突破關鍵技術,使湖南省碳基材料產業集群化、高端化、健康化發展,以更好全面落實“三高四新”戰略定位和使命任務。

      文章來源:人民網

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