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人民网对话黄启忠教授:“金字塔”基上的碳基材料

发布时间:2022-11-24发布人:浏览:
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小到手机、家电零件,大到轮船、飞机配件,新材料的身影无处不在。而处于“金字塔”基上的碳基材料,则是品种多、应用广、附加值高的“典型一族”。

湖南作为全国碳材料资源的重要基地,在碳基材料研究及其应用上处于全国领先地位。目前长沙正在突破一批高精尖缺品种,以提升新材料产业化和规模化应用水平,确保产业链和供应链安全,为长沙打造国家先进制造业高地奠定坚实基础。
近日,人民网湖南频道特邀国家航天技术专家组成员、教育部新型飞行器联合研究中心副主任兼轻质耐高温材料分中心主任,中南大学教授黄启忠做客《人民访谈》,一起探寻碳基材料如何推动长沙先进制造业高质量发展。

人民网:黄教授主要的研究领域是新材料产业,它被誉为制造业的“底盘”,您能跟我们介绍一下这个新兴产业吗?

黄启忠:新材料确实被誉为制造业的“底盘”,是支撑国家重大工程和战略性新兴产业的重要基础。而处于“金字塔”基上的碳基材料,是品种多、应用广、附加值高的典型一族。比如,航天器的耐烧蚀材料、飞机的刹车材料均为碳材料,芯片、氢能、锂电、核反应堆、风能离不开碳材料,钢铁、机械、电力也必须用到碳材料,可以说碳材料改变了世界。

人民网:您重点提到的这个碳材料是什么?它和我们的日常生活有什么关联?

黄启忠:碳基材料大部分普通民众都会觉得比较陌生,不太了解。但是其实跟我们的生产和生活息息相关。手机、电脑的散热膜、干电池的电芯就是碳材料,人类第一个采用化学方法制造的材料就是碳材料木炭,青铜、铁、硅的熔炼也离不开碳,所以说碳材料是人类发展的标志。碳基材料主要是指以碳为主题体的材料。它包括主要由碳元素构成的石墨、金刚石、石墨烯、碳纳米管、富勒烯(C60)、碳同位素C14,碳纤维及其复合材料,广义还包含碳化硅及其复合材料等。碳基材料广泛应用于航空航天、冶金机械、电子信息、新能源等领域。碳基材料的发展给人类社会带来了许多革命性的变化。比如,人造金刚石的产业化发展推动了磨具、刀具等的大变革,从而使机械制造业蓬勃发展;轻质高强碳纤维及其复合材料的大规模应用给航空航天制造业带来了革命性的变化,成就了美国人的“梦想飞机”波音787的诞生,也使得高超声速飞行得以现实。党中央极为重视碳纤维的发展,几届国家领导人专门作出批示,解决涉及国防安全的这一“卡脖子”关键核心材料。再比如石墨烯被誉为 “新材料之王”,对5G通讯、新型能源、特种新材料的开发将带来颠覆性变化。在研究领域,碳材料的科研也备受重视。比如多个科学家均在碳材料领域取得了突破性进展,为人类科学的发展做出了巨大的贡献,并以此获得诺贝尔奖的殊荣。包括1906、1960年、1996年、2010年以及2019年,就一个碳元素的研究诞生了5次诺贝尔奖,这充分证明,碳材料在人类社会的发展进程中扮演着极其重要的角色。人们也常说,19世纪是钢铁的世纪,20世纪是硅材料世纪,21世纪是碳材料的世纪。因此,大力推动碳材料及其产业链、产业集群发展,具有极为重要的战略意义。

人民网:碳元素对制造业的发展至关重要,既高大上又接地气。那么在长沙打造先进制造业高地中,碳材料又起着什么样的作用?

黄启忠:长沙市在碳基材料方面具有很大的优势,长沙市非常重视碳基材料的发展,由分管工业的副市长担任产业链链长,多次召开碳材料企业和碳材料专家的会议。长沙市在碳基材料产业链中,人造石墨制造、锂电炭负极、石墨烯、炭/炭复合材料、碳材料热工、第三代半导体碳化硅等方面具有明显优势,并且有黄伯云院士等学科带头人。比如江苏某铅蓄电池电动单车企业采用位于浏阳的湖南金阳烯碳材料公司制备的石墨烯,制备的石墨烯3代电池在-20℃~55℃的环境下均能保持稳定持续放电。并使容量提升20%~25%、充电时间由8小时缩短为1小时,使用寿命为普通铅蓄电池的3倍。石墨烯因为制造方法和工艺不同,其性能相差非常大,湖南金阳烯碳材料公司制备的石墨烯具有碳原子网络完备,导电、导热性能好,因此长沙石墨烯性能具有领先的地位,目前产能为年产千吨石墨烯,主流产品价格下降到每吨100万元以下,在锂电池、防腐材料等方面也有良好应用。再比如湖南best365体育官网入口有限公司是国内热工装备的龙头企业,产品出口欧、美、日等发达国家,公司的碳材料事业部年产值达2亿元人民币以上,开发出了碳材料用化学气相沉积炉、石墨化炉、提纯炉等设备,规模应用于航空航天、光伏、锂电负极、半导体等行业的用碳领域,解决了我国国防和民用碳材料的装备问题,为我国碳材料的发展做出了重要贡献。还有湖南中科星城石墨是专业从事锂电池负极材料研发与生产的高新技术企业,以新能源汽车动力类锂电池负极材料为主攻方向,同时覆盖手机、平板电脑、通信基站储能等领域,制造包括天然石墨、人造石墨以及硅碳、硅氧、软碳、硬碳等新型负极材料。在动力电池负极材料市场具有领先优势,规模处于国内前三。产品供不应求,力争到2025年产值超过100亿元。还有湖南博云新材料股份有限公司和金博新材料有限公司,出自于中南大学粉末冶金研究院的产学研结合,分别在在航天航空用碳/碳复合材料、太阳能单晶硅用热场材料方面进行了大量的研究,其产品性能优良,是国内同行业的知名企业。湖南东映碳材料科技有限公司技术来源于湖南大学,致力于高导热碳纤维的研发和产业化,产品广泛用于航天航空、5G通讯和尖端制造等高技术领域,荣获2020年度国家科技进步二等奖,并被列为湖南省2021年度“十大技术攻关项目”。国防科技大学在碳化硅前驱体方面进行了近40年的研发,衍生出的博翔新材料、湖南前驱新材料在聚碳硅烷、聚甲基硅烷方面取得了实用性成果,为高性能低成本的碳化硅材料奠定了基础,前驱体将进一步扩大碳基材料的应用范围和提升使用寿命。从这些都可以看出来,长沙在碳基材料产业发展格局中占据重要的战略地位。目前长沙正在花大力气突破一批高精尖缺品种,能够大幅提高关键材料自主保障能力,提升新材料产业化和规模化应用水平,确保产业链和供应链安全,为长沙打造国家先进制造业高地奠定了坚实基础。

人民网:碳基材料产业发展空间大,以碳基材料为代表的新材料产业在经济发展中发挥着日益重要的引领作用。黄教授,请问长沙目前碳基材料产业发展情况怎么样?

黄启忠:首先,长沙市是全国碳基材料人才培养的摇篮。1962年,湖南大学建立了中国首个碳素材料专业,被誉为中国碳素材料领域的“黄埔军校”。上世纪80年代,国防科技大学是我国首个碳化硅纤维的研发单位,为碳化硅纤维及其复合材料的发展做出了卓越的贡献。中南大学在碳/碳复合材料领域打破了国外的技术封锁,为国家航空航天战略需求提供了保障。同时,中南大学还在锂电池碳材料研究和应用上居于全国龙头地位。以上述三所高校为基础,湖南为全国的碳材料行业培养并输送了大批优秀的高层次人才。其次,湖南是全国碳材料资源的重要基地,拥有世界一流质量的微晶石墨矿,其“鲁塘”牌微晶石墨在全球享有盛誉,其储量居全国首位,广泛应用于核石墨、等静压石墨和石墨烯等领域,宁乡长宁碳素公司用其制造的电池碳棒占全球80%以上。而且,更让人自豪的是,长沙在碳基材料研究及其应用处于全国领先地位。

人民网:长沙碳基材料发展取得的这些成绩,黄教授您认为这得益于哪些因素?哪些举措是关键?

黄启忠:我认为长沙在这边还是布局早,成就大。长沙市拥有创新平台优势。长沙市具有多个优秀的碳材料相关平台,主要包括有:国防科技大学拥有陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室;中南大学拥有轻质高强结构材料国防科技重点实验室和国家碳/碳复合材料工程技术研究中心。并且,湖南拥有国家石墨产品质量监督检测中心,为长沙碳基产业产业链集群化夯实了研究和应用基础。

人民网:对于长沙“十四五”时期的碳基材料产业,您认为它的发展前景和重点方向是什么?您有哪些建议?

黄启忠:碳基材料是国防安全和国民经济建设的关键材料,拥有极为广阔的下游应用领域和巨大的市场空间。其中的炭纤维及其复合材料、碳化硅材料属于“卡脖子”关键材料。实现长沙碳基材料产业集群的做大做强,需要针对已处于全国领先地位的产业,要建设其领军能力,加强产学研结合,巩固并强化发展优势,使该产业由全国领先向世界领先迈进;其次,针对具有高发展潜力的产业,要提升其竞争能力,壮大产业规模,推进产业的延链、补链、强链,使该产业由小而精向大而强转变;还有我觉得要充分发挥长沙碳基材料的教育优势、资源优势和平台优势,加强人才培养和基地建设;而加强科技创新尤为重要。上世纪80年度末至90年代初,以长沙矿冶研究院冶金学科,湖南大学的碳素学科,中南大学的粉末冶金学科相结合,致力于人造金刚石产业的发展,其产量和产品水平曾多年居全国第一。由于当时由于知识产权的保护问题、政府的重视问题,科研和生产工作者的结合问题等原因,导致很多企业没有核心技术,也没有规模优势,形成无序竞争,优势逐渐丧失,目前湖南省、长沙市的金刚石行业已经基本被淘汰。这一“长沙金刚石现象”给我们碳基材料上了很好的一课。所以,要不断提升碳基材料产业集群的创新能力,突破关键技术,使湖南省碳基材料产业集群化、高端化、健康化发展,以更好全面落实“三高四新”战略定位和使命任务。

文章来源:人民网

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