李賀軍，張守陽（中國材料研究學(xué)會 ）

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新型碳材料

李賀軍，張守陽
（中國材料研究學(xué)會 ）

本文引用格式：李賀軍，張守陽.新型碳材料[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（1）：15-37.

1　發(fā)展新型碳材料產(chǎn)業(yè)的背景需求及戰(zhàn)略意義

碳是世界上含量及廣的一種元素。它具有多樣的電子軌道特性（SP、SP2、SP3雜化），再加之SP2的異向性而導(dǎo)致晶體的各向異性和其排列的各向異性，因此以碳元素為唯一構(gòu)成元素的的碳材料。具有各式各樣的性質(zhì)。在歷史的發(fā)展中傳統(tǒng)的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨電極、炭刷、炭棒、鉛筆等。而隨著社會的發(fā)展人們不斷地對碳元素的研究又發(fā)明了許多新型炭材料：新型納米材料、碳基復(fù)合材料、碳纖維、柔性石墨、儲能型碳材料、金剛石等。其中新型納米碳材料：富勒烯、碳納米管、石墨烯、納米金剛石等。沒有任何元素能像碳這樣作為單一元素可形成如此多類結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同的物質(zhì)，可以說碳材料幾乎包括了地球上所有物質(zhì)所具有的性質(zhì)，如最硬－最軟、絕緣體－半導(dǎo)體－超導(dǎo)體、絕熱－良導(dǎo)熱、吸光－全透光等。隨著時代的變遷和科學(xué)的進步，人們不斷地發(fā)現(xiàn)和利用碳，可以這么說人們對碳元素的開發(fā)具有無限的可能性。

進入21世紀(jì)以來，富勒烯、碳納米管、石墨烯等納米新型碳材料的迅速發(fā)展引起了全世界的廣泛關(guān)注，其與碳基復(fù)合材料、碳纖維等構(gòu)成了新型炭材料的主要品種。而隨著這幾種新型碳材料的研究逐漸深入及其制備工藝的不斷完善，目前逐步走向產(chǎn)業(yè)化階段，但相比于傳統(tǒng)的碳材料產(chǎn)業(yè)化程度還有一定差距，但由于它們獨有的優(yōu)異性能，其在各個領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

1.1納米碳材料產(chǎn)業(yè)的背景需求及戰(zhàn)略意義

（1）富勒烯領(lǐng)域的背景需求及戰(zhàn)略意義

富勒烯是由碳原子形成的一系列籠形單質(zhì)分子的總稱，它是碳單質(zhì)的第三種穩(wěn)定的存在形式，而C60是富勒烯系列全碳分子的代表，1985年C60的發(fā)現(xiàn)使人們了解到一個全新的碳世界。C60是最常見的富勒烯，60個全同碳原子構(gòu)成完全對稱的中空球形結(jié)構(gòu)，雜化電子在碳球外圍和內(nèi)腔形成非平面離域大π鍵，因此C60具有缺電子烯烴的性質(zhì)，碳球內(nèi)外表面都能反應(yīng)，如金屬、Ti、N、S等嵌入碳籠內(nèi)或?qū)μ蓟\外表面修飾得到富勒烯衍生物。隨著C70、C76、C84等富勒烯的發(fā)現(xiàn)，富勒烯及其衍生物顯示出巨大的應(yīng)用前景。目前，富勒烯已廣泛地影響到機械學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和生物工程學(xué)等各個領(lǐng)域，極大地豐富和提高了科學(xué)理論，同時也在催化工程、磁性材料、醫(yī)學(xué)和生物工程、精細(xì)化工、微型半導(dǎo)體器件及傳感器方面顯示出巨大的應(yīng)用前景。

（2）碳納米管產(chǎn)業(yè)的背景需求及戰(zhàn)略意義

碳納米管屬于一維納米材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。按石墨片層數(shù)可以分為單壁碳納米管和和多壁碳納米管，由于具有獨特的金屬和半導(dǎo)體導(dǎo)電性、極高的機械強度、貯氫能力、吸附能力、較強的微波吸收能力，其楊氏模量是鋼的5倍而重量僅為鋼的1/6。還具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，并且在真空或惰性條件下可以承受超過2000K以上的高溫?？捎糜趶?fù)合材料、電子、場發(fā)射組件、能源、資源、測量儀器、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，此外，CNTs 的特殊結(jié)構(gòu)和介電性，使其表現(xiàn)出較強的寬帶微波吸收性能，同時兼具質(zhì)量輕、導(dǎo)電性可調(diào)、高溫抗氧化性能強和穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，是一種有前途的微波吸收劑，可以作為潛在的隱身材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料使用，其微波吸收材料的研究已取得積極的成果，顯示出其重要的國防軍事應(yīng)用價值和巨大的潛在商用價值。近年來，國際上碳納米管的修飾改性技術(shù)越來越受到重視，各種新型改性碳納米管的開發(fā)進一步拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

當(dāng)前，國際市場高純度碳納米管價格已在50$/g以下，純度稍低的多壁碳納米管價格已接近1050 $/ g在碳納米管相對優(yōu)勢的價格下，各國投資者極為看好碳納米管未來的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景，并在材料制備和應(yīng)用方面紛紛投入大量研發(fā)資金及科技力量。其中，日本已有300多家相關(guān)企業(yè)致力于碳納米管產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)，期望搶占此技術(shù)領(lǐng)域制高點，進而加速碳納米管的商業(yè)應(yīng)用進程。

據(jù)美國商務(wù)部市場調(diào)查機構(gòu)BCC統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在復(fù)合材料、電子材料、能源材料等領(lǐng)域中，2007年全球碳納米管市場產(chǎn)值達到7910萬美元；2009年的產(chǎn)值已經(jīng)接近3億美元，年均復(fù)合增長率達38.7%。由此可以推測，全球碳納米管未來幾年的市場需求將出現(xiàn)迅速增長，全球碳納米管的產(chǎn)量將達到數(shù)千噸的規(guī)模，產(chǎn)值將達數(shù)十億美元，與其相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)值將達數(shù)百億美元。

（3）石墨烯產(chǎn)業(yè)的背景需求及戰(zhàn)略意義

石墨烯厚度只有0.3354 nm，是目前世界上發(fā)現(xiàn)最薄的材料。具有特殊的單原子層結(jié)構(gòu)和新奇的物理性質(zhì)：強度達130 GPa、熱導(dǎo)率約5000 J/（m·K·s）、禁帶寬度幾乎為零、載流子遷移率達到2×105cm2/（V·s）、高透明度（約97.7%）、比表面積理論計算值為2630 m2/g，石墨烯的楊氏模量（1100 GPa）和斷裂強度（125 GPa）與碳納米管相當(dāng)，它還具有分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、量子霍爾鐵磁性和零載流子濃度極限下的最小量子電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)。隨著低成本可化學(xué)修飾石墨烯的出現(xiàn)，可以更好地利用其特性制備出不同功能的石墨烯復(fù)合材料?；谑┑膹?fù)合材料是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向，其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)良性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯的加入可以顯著提高復(fù)合材料的多功能性和加工性能，因而它在導(dǎo)電高分子材料、多功能復(fù)合材料、高強度多孔陶瓷材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前，世界各國均已認(rèn)識到石墨烯的廣闊市場前景，力爭把握石墨烯技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的機遇，正在形成技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)投資的高潮。發(fā)達國家將石墨烯列為一項影響未來國家核心競爭力的技術(shù)，大力支持石墨烯的研發(fā)及商業(yè)化。在國家戰(zhàn)略層面，2010 年美國聯(lián)邦政府提出 45 億美元巨資資助石墨烯的計劃，力圖在石墨烯研發(fā)的最前沿領(lǐng)域取得領(lǐng)跑地位。2011 年英國將石墨烯列為四大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，并投入 5000萬英鎊打造全球領(lǐng)先的石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中心。從 2012 年開始，韓國將連續(xù)六年累計提供2. 5 億美元用于資助石墨烯的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。從 2013 年開始，歐盟也將連續(xù)十年投入10 億歐元的專項經(jīng)費用于石墨烯的研發(fā)，并將其上升到“旗艦項目”的戰(zhàn)略高度。在企業(yè)層面，全球各國已有 200 多家企業(yè)加入到石墨烯的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化隊伍中，包括一大批世界 500 強的國際知名公司，如美國寶潔、韓國三星、美國 IBM、荷蘭飛利浦等企業(yè)巨頭。在產(chǎn)業(yè)化層面，美國石墨烯生產(chǎn)商 XG Sciences 年產(chǎn)能達到 80 噸。韓國三星公司已研制出首款石墨烯電子晶體管器件和柔性顯示屏智能手機。在技術(shù)專利層面，全球石墨烯專利申請量呈激增態(tài)勢，從 2010 年到 2012 年的短短 3 年時間內(nèi)，專利申請量增長4倍多。美國和我國在專利擁有量上處于領(lǐng)先地位。韓國三星、浙江大學(xué)、美國 IBM、韓國高級科技學(xué)院以及南京大學(xué)分別排在專利申請的前五名。

近年來，我國高度重視石墨烯技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各高等院校和眾多企業(yè)一直密切跟蹤石墨烯的前沿技術(shù)和產(chǎn)業(yè)動向。2012年，工信部在新材料“十二五”規(guī)劃中將石墨烯列入前沿材料目錄。國家自然科學(xué)基金委在2007～2013年期間資助了1096項與石墨烯有關(guān)的基礎(chǔ)研究計劃?？萍疾繃@石墨烯的制備、工藝、材料等方向支持了一批重大專項和科技支撐計劃項目。從石墨烯產(chǎn)業(yè)目前的發(fā)展進程看，我國在石墨烯的散熱、導(dǎo)電等特性的應(yīng)用方面，已邁入產(chǎn)業(yè)化門檻。2012年1月，全球首款智能手機石墨烯電容觸摸屏在江蘇常州二維碳素科技有限公司研制成功。2013年5月，全球最大規(guī)模的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線又在該公司正式投產(chǎn)，年產(chǎn)能達到3萬平方米。2012年9月，浙江寧波墨西科技有限公司年產(chǎn)300噸的石墨烯項目正式投入建設(shè)。2013年4月，貴州新碳高科有限責(zé)任公司正式宣布推出我國首個純石墨烯粉末產(chǎn)品——柔性石墨烯散熱薄膜。2013年11月，國內(nèi)最大的年產(chǎn)100噸氧化石墨（烯）/石墨烯粉體生產(chǎn)線在常州第六元素材料科技股份有限公司正式投產(chǎn)。2013年8月，江蘇無錫惠山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)啟動建設(shè)國內(nèi)首個石墨烯創(chuàng)新發(fā)展示范基地。

綜上所述，本世紀(jì)碳納米管及石墨烯等碳納米材料領(lǐng)域的研究及開發(fā)，給我國的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來一次新的機遇，在這些領(lǐng)域，我國的研究水平與世界發(fā)達國家相當(dāng)，因此能否抓住這個機遇，保持優(yōu)勢，進一步發(fā)展，對我國未來的材料技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展是一個關(guān)鍵考驗。

1.2炭基復(fù)合材料的背景需求及戰(zhàn)略意義

碳基復(fù)合材料主要指C/C復(fù)合材料，是新材料領(lǐng)域中重點研究和開發(fā)的一種新型超高溫材料，它具有比重輕、模量高、比強度大、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好、摩擦性好等一系列優(yōu)異性能。由于其優(yōu)越的抗燒蝕性能，C/C復(fù)合材料在航天工業(yè)已成功地得到應(yīng)用；由于其優(yōu)異的摩擦性能和高溫性能，C/C復(fù)合材料飛機剎車盤取代粉末盤成為飛機摩擦材料的第四個里程碑，占據(jù)了飛機剎車市場的絕對主導(dǎo)地位；由于其無可比擬的超高溫性能，各國研究人員又把注意力集中于將該材料作為高溫長時間使用的熱結(jié)構(gòu)材料方面，尤其是如何使之用于新一代高性能航空發(fā)動機的熱端部件。目前C/C復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域主要在以下方面：

C/C復(fù)合材料具有卓越的高溫力學(xué)性能，抗熱震性能、良好的高溫?zé)g性能，廣泛用在導(dǎo)彈發(fā)動機噴管、喉襯和航天飛機的鼻錐、機翼前緣等方面。

C/C復(fù)合材料熱導(dǎo)率高、比熱大、熱膨脹系數(shù)低、耐摩擦磨損且摩擦系數(shù)穩(wěn)定，是理想的高級制動剎車材料。現(xiàn)已廣泛用于大中型民航客機，如波音747、777，麥道90等。

用于制造熱壓模具。由于具有質(zhì)輕和難熔的性質(zhì)，在金屬鑄造、陶瓷和粉末冶金生產(chǎn)中，采用C/C復(fù)合材料制作熱壓模具可減小模具厚度，縮短加熱周期，節(jié)約能源和提高產(chǎn)量。

由于C/C復(fù)合材料耐高溫、熱導(dǎo)率高、比熱大、熱膨脹系數(shù)低，被廣泛用于高溫?zé)岷朔磻?yīng)堆的熱交換材料。C/C復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性，在酸、堿鹽溶液及有機溶劑中呈現(xiàn)化學(xué)惰性，可以用于制造化學(xué)實驗中的儀器以及熱交換材料。在工業(yè)污水處理以及廢氣處理等需要耐腐蝕性的場合具有應(yīng)用優(yōu)勢。C/C復(fù)合材料的生物組織的相容性好，可以用作心臟瓣膜、人造骨關(guān)節(jié)和牙根的材料。

隨著航空發(fā)動機推重比增加，渦輪前進口溫度不斷提高，尤其當(dāng)航空發(fā)動機推重比達到15～20時，其熱端工作溫度高達2000℃，要求材料的比強度比目前高五倍，在如此苛刻的條件下，除C/C材料外其它材料都已無能為力。此外，一旦采用C/C復(fù)合材料，由于其比重輕，可以使發(fā)動機本身的重量大大降低，自然可以提高推重比，而且由于減少了冷卻空氣消耗，進而會使發(fā)動機效率得以提高。因此世界各發(fā)達國家研究新一代高推比航空發(fā)動機都是把C/C復(fù)合材料作為高溫關(guān)鍵材料來考慮。

在航天領(lǐng)域，隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，我國正在面臨新的挑戰(zhàn)和機遇，國際上以美國為代表的航天大國紛紛投巨資開展高超聲速飛行器的研發(fā)工作，美國的X-43A、X37B、X-51A等一系列高超聲速飛行器的試驗，令航天技術(shù)邁入新的歷史時期。世界各國正重新界定航空和航天技術(shù)的功能，紛紛投入大量人力物力開展相關(guān)研究。新的航天技術(shù)也給熱結(jié)構(gòu)材料帶來新的挑戰(zhàn)，可靠服役的熱結(jié)構(gòu)材料和熱防護材料成了眾多航天器研制的急迫需求，尤其是在高速再入過程中的熱防護材料，發(fā)動機燃燒室用熱結(jié)構(gòu)材料、噴管材料等，往往要求材料承受超過2000℃的高溫高速氣流沖刷和高頻振動，在如此苛刻的環(huán)境下，C/C復(fù)合材料以其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和抗燒蝕性能而成為最佳選擇，但是在一些要求低燒蝕乃至零燒蝕的服役環(huán)境下，C/C復(fù)合材料的抗燒蝕性能還需要進一步提高，因此C/C復(fù)合材料的抗氧化及抗燒蝕改性技術(shù)就顯得尤其重要。

在航空剎車領(lǐng)域，國產(chǎn)剎車盤雖然已經(jīng)在B757及A320等機型獲得了取證，但是相比于美國和歐洲產(chǎn)的同類產(chǎn)品，其制備成本高、使用壽命低、穩(wěn)定性差。航空公司退貨現(xiàn)象時有發(fā)生。不僅如此，美、法等國已經(jīng)儲備了相關(guān)技術(shù)，在價格和使用性能上，隨時準(zhǔn)備打壓國產(chǎn)剎車盤，因此提高國產(chǎn)剎車盤使用壽命和穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，是目前我國碳剎車領(lǐng)域面臨的重大考驗，否則，面對國外產(chǎn)品的競爭，相關(guān)生產(chǎn)商家前景并不樂觀。

在民用領(lǐng)域如：化工耐腐蝕構(gòu)件、高溫爐保溫材料、重載卡車剎車材料、高速列車受電弓摩擦材料等方面，C/C復(fù)合材料也面臨著進一步拓展應(yīng)用的迫切需求。

1.3膨脹石墨產(chǎn)業(yè)的背景需求及戰(zhàn)略意義

膨脹石墨是由天然石墨鱗片經(jīng)插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì)。除了具備天然石墨本身的耐冷熱、耐腐蝕、自潤滑等優(yōu)良性能以外，還具有天然石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)性、生物相容性、耐輻射性等特性。因為膨脹石墨具有很大的孔隙體積，并且具有多層次、豐富的微孔結(jié)構(gòu)，有很大的吸附性能，可廣泛用于從水中吸附和分離油類和有機大分子。另外，膨脹石墨基本由純碳組成，無毒并且具有化學(xué)惰性，所以對環(huán)境不會造成二次污染。膨脹石墨經(jīng)過模壓或軋制等深加工而制成的具有柔性的紙狀薄片，稱做柔性石墨，是重要的密封材料。目前國內(nèi)外對于膨脹石墨的研究主要著重于以下幾個方面：膨脹石墨制備方法的研究、膨脹石墨基復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)用研究。其中，制備方法研究主要包括不同石墨原料的選擇、插層方法的優(yōu)化、插層劑的選擇、插層條件的選擇等。膨脹石墨的應(yīng)用涉及儲熱能源、制作煙幕材料、作為吸附劑、高溫密封材料、核反應(yīng)堆密封材料等很多方面。主要表現(xiàn)在：

（1）密封行業(yè)：20世紀(jì)60年代后期，美國聯(lián)碳公司用膨脹石墨制成密封材料，從而誕生了第二代密封材料。1971年美國洛克惠爾閥門工程設(shè)計中心為解決原子能閥門泄漏問題，對美國九家公司生產(chǎn)的16 種不同類型的密封填料在64 個試驗點進行對比試驗，結(jié)果表明，膨脹石墨密封效果最佳，從此，美、日、法、德等發(fā)達國家進一步深入研究，促進了膨脹石墨密封材料的迅速發(fā)展，成為世界上一種新型高效節(jié)能密封材料。我國于1978年開始研制膨脹石墨及其制品，近幾年發(fā)展速度也很快。由于它獨具質(zhì)地柔軟，壓縮性和回彈性強等特點，因而作為密封材料在我國很快得到推廣和應(yīng)用。它可以代替石棉、橡膠、聚四氟乙烯、金屬等傳統(tǒng)密封材料，能較理想地解決設(shè)備的跑冒滴漏問題，對于提高三大效益，尤其是環(huán)境效益，作用也越來越大。

（2）鋼鐵工業(yè)：不同膨脹倍率的可膨脹石墨，是煉鋼廠配制各種不同型號防氧保溫發(fā)熱劑的主要原料之一，對降低鋼坯縮孔切頭率，提高鋼錠的成材率有較顯著的經(jīng)濟效果。

（3）電池材料：在可充鋅錳電池的鋅陽極中添加膨脹石墨可以減小鋅陽極充電時的極化，增強電極及電解液的導(dǎo)電性，抑制枝晶的形成，并且能提供良好的成型特性，抑制陽極的溶解和變形，延長電池壽命。另外鋰可以通過氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)及鋰鹽電解法與石墨形成 GIC，這種GIC 具有較低的電極電位和良好的嵌脫可逆性。日本三洋公司利用鋰型GIC作負(fù)極生產(chǎn)出鋰離子電池，循環(huán)壽命達到500次，比能量達到 261W·h/L。

（4）環(huán)保產(chǎn)業(yè)：可膨脹石墨經(jīng)高溫膨脹后得到的膨脹石墨具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，因此具有優(yōu)良的吸附性能，利用其對污染物的吸附，可以達到治理污染的目的。有報道稱，1g 膨脹石墨可吸附80g 以上的重油。1997 年，日本福岡近海油輪泄漏，試用膨脹石墨清除，取得了很好的效果。膨脹石墨又是一種良好的微生物載體，在工業(yè)廢水的治理中，也有廣泛的應(yīng)用前景。

（5）生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)：在生物醫(yī)學(xué)材料上，清華大學(xué)等應(yīng)用膨脹石墨制作醫(yī)用敷料替代醫(yī)用紗布，經(jīng)過大量動物實驗及一百多例臨床實驗，證明比傳統(tǒng)紗布引流好，有明顯的抗感染、抑菌、消炎作用。目前這一科研成果已取得發(fā)明專利權(quán)。

（6）隔熱隔音材料：可膨脹石墨膨脹容積大，可達350mL/g，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，氧化溫度高，安全性好，是理想的隔熱（保溫）、隔音材料。國外有的高檔建筑、客輪的墻壁材料中夾一層一定膨脹容積的可膨脹石墨，以起到保溫、隔音作用，且在火災(zāi)發(fā)生時，也有阻止火勢蔓延的作用。

1.4活性炭產(chǎn)業(yè)的背景需求及戰(zhàn)略意義

活性炭是一種品味很高的重要林化產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于廢水處理、食品脫色、空氣凈化等行業(yè)，研究表明，環(huán)保因素的日趨重要導(dǎo)致全球活性炭需求以 3.8%的年增長速度在增加。1998～2006 年美國活性炭出口額一直居世界第 1 位，2007 年被中國趕超。5 個主要活性炭出口大國中，中國是唯一活性炭出口市場份額不斷增長的國家，但是中國活性炭質(zhì)量競爭力遠(yuǎn)低于美國、德國和日本，主要原因是中國活性炭出口以低附加值的初級產(chǎn)品為主，可持續(xù)發(fā)展性不強；中國活性炭貿(mào)易條件日益惡化。與發(fā)達國家相比，我國活性炭工業(yè)仍然存在很大差距，主要表現(xiàn)在技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)裝備落后，企業(yè)數(shù)量多、規(guī)模小、品種少。同時，在對外貿(mào)易中由于缺乏宏觀調(diào)控，活性炭市場基本處于無序狀況。這些都導(dǎo)致國產(chǎn)活性炭在國際市場上缺乏價格競爭力，極大影響了我國活性炭產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，在活性炭領(lǐng)域必須從研究、生產(chǎn)及管理等方面不斷提高自身水平，才能滿足國際市場需求，在激烈的國際競爭中占有一席之地。

2　新型碳材料產(chǎn)業(yè)的國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

2.1國外納米碳材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

如前所述，由于碳元素和碳材料具有形式和性質(zhì)的多樣性，從而決定了碳元素和碳材料人有許多不為人們知曉的未開發(fā)部分。隨著時代的變遷和科學(xué)的進步，人們不斷地發(fā)現(xiàn)和利用碳，可以這么說人們對碳元素的開發(fā)具有無限的可能性。自1989年著名的科學(xué)雜志《Science》設(shè)置每年的“明星分子”以來，碳的兩種同素異構(gòu)體“金剛石”和“C60”相繼于1990年和1991年連續(xù)兩年獲此殊榮，1996年諾貝爾化學(xué)獎又授予發(fā)現(xiàn)C60的三位科學(xué)家；在富勒烯研究推動下，1991 年一種更加奇特的碳結(jié)構(gòu)——碳納米管被日本電子公司（NEC）的飯島澄男博士使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)。而2004年另外一種神奇的炭納米材料——石墨烯（僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片）被英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)，二人也獲得了2010年諾貝爾物理獎的殊榮。這些事充分反映了新型納米碳材料科學(xué)的飛速發(fā)展，這些新型納米碳材料的快速發(fā)展也帶動其相關(guān)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而在這些新型納米碳材料中，目前有一定產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的主要是碳納米管及石墨吸、 其中新型納米碳材料：富勒烯、碳納米管、納米金剛石、石墨烯等。

（1）碳納米管產(chǎn)業(yè)化國際發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

自從納米碳被發(fā)現(xiàn)以來，其一直是學(xué)術(shù)研究的熱點。盡管石墨烯的出現(xiàn)分流了不少碳納米管的研究關(guān)注度，但是碳納米管仍然是目前研究最充分、關(guān)注度最高的新型納米材料。碳納米管諸多優(yōu)異新奇的性質(zhì)為其帶來了許多實際應(yīng)用，已在復(fù)合材料、電子、場發(fā)射組件、能源/資源、量測/儀器、生物醫(yī)藥及平臺等7個重點領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并引起了各國的高度關(guān)注。

以往，由于受碳納米管制備工藝技術(shù)及成本等問題的制約，碳納米管產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受到了較大影響。但是，近年來隨著碳納米管工藝技術(shù)水平的逐年提高，碳納米管的生產(chǎn)成本也大幅降低。當(dāng)前，國際市場高純度碳納米管價格已處于50美元/g以下，純度稍低的多壁碳納米管價格已接近10美元/g。為此，各國投資者極為看好碳納米管的應(yīng)用前景，并在材料制備和應(yīng)用方面紛紛投入大量研發(fā)力量。其中，日本已有300多家相關(guān)企業(yè)致力于碳納米管產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)，期望搶占此技術(shù)領(lǐng)域制高點，進而加速碳納米管的商業(yè)應(yīng)用進程。

據(jù)美國商務(wù)部市場調(diào)查機構(gòu)BCC統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖2），在復(fù)合材料、電子材料、能源材料等領(lǐng)域中，2007年全球碳納米管市場產(chǎn)值達到7910萬美元；2009年的產(chǎn)值超過2.7億美元，預(yù)計2011年的產(chǎn)值將達到8.3億美元，年均復(fù)合增長率超過75%。目前國外生產(chǎn)碳納米管的四家主要公司：日本昭和電工（Showa Denko K.K）、比利時nanocyl公司及法國arkema公司，年產(chǎn)均超過400噸；而美國 hyperion公司，產(chǎn)量未知，卻是最早大量生產(chǎn)碳納米管的公司。由此可以推測，碳納米管未來幾年的市場需求將達到數(shù)千噸。

圖2　2007-2011年國際碳納米管市場份額

目前，伴隨世界各國對碳納米管應(yīng)用領(lǐng)域研究的日益深入，電子、場發(fā)射與復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用潛力已逐步顯現(xiàn)出來。在日本《 第八次科技預(yù)測》研究中發(fā)現(xiàn)，基于碳納米管的優(yōu)勢特性（表1），未來在半導(dǎo)體的應(yīng)用上碳納米管將扮演重要角色，但可否完全有效取代硅的應(yīng)用地位，引起了科學(xué)家的高度關(guān)注；同時，在生物醫(yī)學(xué)、能源及資源等領(lǐng)域的應(yīng)用，已成為世界各國追求納米材料工業(yè)化發(fā)展進程的重要熱點。

表1　日本碳納米管的優(yōu)勢特性

（2）石墨烯產(chǎn)業(yè)化國際發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

如前所述，石墨烯（Graphene），是碳（C）的一種同素異形體，具有由C原子經(jīng)sp2電子軌道雜化后形成的二維結(jié)構(gòu)，以及超強的機械強度、高導(dǎo)熱率、高透光率、高比表面積等特點。石墨烯是零維富勒烯、一維碳納米管、三維石墨的基本組成單元（如圖1所示）。單層石墨烯厚度只有一個碳原子厚，為0.335nm。是目前已知的最薄的一種材料，其擁有許多碳材料所不具備的特性。石墨烯以其精妙的結(jié)構(gòu)、無以倫比的性能，使其在石墨烯柔性透明電極、石墨烯儲能器件、石墨烯導(dǎo)電導(dǎo)熱復(fù)合材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著石墨烯及其應(yīng)用研究的不斷深入，石墨烯產(chǎn)業(yè)化序幕也逐漸拉開。目前，國內(nèi)外已有一批石墨烯企業(yè)開始量產(chǎn)。石墨烯產(chǎn)業(yè)化分為石墨烯微片和石墨烯薄膜2類產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。美國的Vorbeck Materials公司和XG Sciences公司是國際上最早從事石墨烯微片生產(chǎn)的公司。其中Vorbeck Materials公司的石墨烯采用氧化方法制備，含有較豐富的官能團，并且已在導(dǎo)電油墨和鋰電池等領(lǐng)域積極開展了應(yīng)用研發(fā)。X GSciences公司則采用無氧化的插層剝離路線制備石墨烯微片，并重點開發(fā)其在高分子復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。韓國三星公司是最早開展石墨烯薄膜量產(chǎn)技術(shù)研發(fā)的公司，并在2010年推出了30英寸的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜展現(xiàn)了迷人的應(yīng)用前景。另外，該公司也成功將石墨烯應(yīng)用于柔性觸摸平板顯示器，此前報道2012年將實現(xiàn)量產(chǎn)，但目前仍未見其石墨烯觸摸屏平板顯示設(shè)備推向市場。最近，索尼公司也積極投身石墨烯薄膜的生產(chǎn)裝備研發(fā)，在薄膜連續(xù)化生長與轉(zhuǎn)移技術(shù)方面取得了重要進展，成功合成大面積長120米、寬230米的石墨烯薄膜。

韓國KoreaBizwire網(wǎng)站公布，韓國科研人員成功研發(fā)出透明且富有彈性的石墨烯電極，即利用石墨烯-金屬混合結(jié)構(gòu)納米溝槽網(wǎng)絡(luò)的電極，這意味著彈性透明的“電子皮膚”將成為現(xiàn)實。相關(guān)研究成果已于10月20日刊發(fā)在國際著名期刊Nano Letters上，該期刊是全球范圍內(nèi)微納材料和技術(shù)領(lǐng)域的高水平期刊。該科研團隊表示，該彈性透明電極的發(fā)現(xiàn)，意味著可以開發(fā)易于附著皮膚和玻璃等物質(zhì)的電子線路，而且意味著可用做顯示器、電子線路或傳感器的電子皮膚將成為現(xiàn)實。

圖3　電子皮膚

石墨烯鋰離子電池石墨烯作為儲能復(fù)合材料使用，解決了鋰離子電池能量密度和功率密度兩者的要求，是其最有可能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的方向之一。石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用主要包括3個方面：一是石墨烯復(fù)合電極材料，包括正極和負(fù)極；二是石墨烯作為鋰離子電池的導(dǎo)電添加劑；三是石墨烯功能涂層。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以提高鋰離子電池的充放電速度，并增強與集流體間的導(dǎo)電接觸。石墨烯包覆磷酸鐵鋰作為鋰離子電池正極材料，無論在學(xué)術(shù)上，還是產(chǎn)業(yè)化研究方面，目前報道都是最多的。2012年4月，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）研究人員利用DVD刻錄機發(fā)明出微型超級電容器，這種超級電容器只需數(shù)秒時間即可使手機或汽車充滿電，其充電和放電速度是標(biāo)準(zhǔn)電池的100～1000倍。美國Nanotek Instruments公司研制的石墨烯基超級電容器，電極采用了石墨烯、混合5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的乙炔黑，電解液通過彎曲和卷曲的石墨烯片結(jié)構(gòu)時，可以更大比例地和石墨烯表面進行接觸，從而提高儲存電量。據(jù)報道，該超級電容器室溫下可以達到85.6Wh/kg的能量密度，相當(dāng)于鎳氫電池的能量密度，充放電僅需要幾分鐘，甚至幾秒鐘。這意味新一代的超級電容器作為儲能器件逐步取代具有環(huán)境污染的鉛酸電池和具有安全隱患的鋰離子電池成為了可能，并在儲能和動力電池領(lǐng)域帶來重大進步。美同萊斯大學(xué)研究人員在石墨烯薄片上快速生長出碳納米管，長度可以達到120微米，以形成大量的表面積，更重要的是看起來類似儲能超級電容器。研制的這種無縫石墨烯/碳納米管復(fù)合材料，或可作為最好的電極界面材料，在諸多儲能和電子器件得到應(yīng)用。據(jù)韓國教育科技部透露，韓國科學(xué)技術(shù)院研究團隊成功研制出大容量、可撓式（Flexible）下一代蓄電池超級電容器。該超級電容器的成功研制是基于石墨烯的應(yīng)用，它有望在電動汽車和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域予以采用。研究小組發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯后，電解液與離子能夠更好地相結(jié)合。此次研制的石墨烯蓄電池具有可撓性，可用于制作攜帶在衣服或身上的蓄電產(chǎn)品。相信隨著石墨烯成本的降低和石墨烯基復(fù)合電極技術(shù)的進步，石墨烯超級電容器會逐步走向產(chǎn)業(yè)化。

在石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)用方面：2006年，從事石墨烯研究的著名美國教授Ruoff的課題組首次報道了聚苯乙烯/石墨烯導(dǎo)電復(fù)合物的制備，開啟了石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料研發(fā)的序幕。美國Vorbeck Materials公司開發(fā)出了“Vor-X”石墨烯導(dǎo)電添加劑。據(jù)介紹天然橡膠添加4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的“Vor-x”后的導(dǎo)電性能達到0.3S/m。此外，美國XG Science公司也提供各種規(guī)格的石墨烯導(dǎo)電微片產(chǎn)品。據(jù)報道，美國的Ovation Polymers公司已經(jīng)推出了基于石墨烯的石墨烯熱塑性色母料和復(fù)合母料。石墨烯導(dǎo)電油墨可以應(yīng)用于印刷線路板、射頻識別、顯示設(shè)備、電極傳感器等方面，在有機太陽能電池、印刷電池和超級電容器等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。因此石墨烯油墨有望在射頻標(biāo)簽、智能包裝、薄膜開關(guān)、導(dǎo)電線路以及傳感器等下一代輕薄、柔性電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，市場前景巨大。與現(xiàn)有的納米金屬（如納米銀粉、納米銅粉等）導(dǎo)電油墨相比，石墨烯油墨還具有巨大的成本優(yōu)勢。2012年 6月，英國劍橋大學(xué)的F.Torrisi等利用石墨烯的N-甲基吡咯烷酮溶液，首次使用普通的噴墨打印機打印出由石墨烯制成的柔性電路。美國Vorbeck Materials公司開發(fā)的“Vor-ink”是首個得到美國環(huán)保署批準(zhǔn)的石墨烯產(chǎn)品。該油墨導(dǎo)電性好，且價格遠(yuǎn)低于銀基油墨，已經(jīng)用于Topflight、CT、MWV等美國包裝公司的隱形電子條碼安全系統(tǒng)，以及射頻識別商標(biāo)上的電磁波定向屏蔽層。美國富爾頓公司（Fulton）的e-Coupled TM無線電源使用石墨烯納米印刷感應(yīng)線圈來實現(xiàn)筆記本電腦和手機的無線充電。石墨烯導(dǎo)電添加劑可減少導(dǎo)電填料在聚合物中的用量，增強聚合物力學(xué)性能，這方面的應(yīng)用很多，如飛機的抗靜電輪胎，以及航海航天用增強導(dǎo)電塑料等，據(jù)報道，美國Cabot公司已經(jīng)將石墨烯應(yīng)用于航天航空復(fù)合材料中。另外，增加石墨烯用量可以制備高強度的石墨烯電磁屏蔽材料。

綜上所述，目前石墨烯產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外仍處于專利布局期和產(chǎn)業(yè)化研發(fā)階段。困擾石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的瓶頸，一是低成本高質(zhì)量石墨烯的產(chǎn)業(yè)化制備，另外是石墨烯下游產(chǎn)業(yè)對石墨烯的需求的產(chǎn)業(yè)鏈的打開，即產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要進一步開發(fā)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。石墨烯產(chǎn)業(yè)的大門已經(jīng)慢慢開啟，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的逐步成熟，石墨烯必將得到巨大的發(fā)展。

（3）富勒烯、納米金剛石產(chǎn)業(yè)化國際發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

富勒烯及納米金剛石作為碳納米材料領(lǐng)域重要成員，它們都展現(xiàn)出了獨特的性能，但是全面受制于產(chǎn)業(yè)化制備及應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)等問題，目前兩種納米碳材料還處于試驗室應(yīng)用研究階段。

富勒烯的潛在應(yīng)用領(lǐng)域主要包括非線性光學(xué)器件、抗癌藥物、高強度纖維、超導(dǎo)材料、催化劑及有機太陽能電池等。

納米金剛石米金剛石早在三十多年前就已被研制出來，但其應(yīng)用過去局限于做聚晶、拋光劑等磨料磨具領(lǐng)域。隨著人們對納米金剛石性質(zhì)認(rèn)識的深化，納米金剛石已在金屬鍍層、潤滑油、磁性記錄系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域開始獲得應(yīng)用，并且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴展。

2.2國外碳基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

碳纖維增強碳基復(fù)合材料即碳/碳復(fù)合材料（C/C）復(fù)合材料發(fā)明于1958年C/C復(fù)合材一出現(xiàn)，就以其卓越的性能引起世界各國的普遍重視，一些工業(yè)發(fā)達國家紛紛投入大量的人力物力、財力，致力于這種材料的研究和開發(fā)，從而促使其性能不斷提高，應(yīng)用范圍日益擴大。三十多年來，C/C復(fù)合材料在材質(zhì)、制備工藝、性能、以及工程應(yīng)用等方面都取得了長足的進展。

表2　美國戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭端頭帽及材料的發(fā)展歷史

表3　國外戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭的防熱熱材料

C/C復(fù)合材料目前在航天領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域包括導(dǎo)彈、固體火箭發(fā)動機的頭錐、喉襯、噴管等作為耐燒蝕材料使用和高超聲速飛行器頭錐、機翼前緣等作為熱防護材料使用。目前國外在這些領(lǐng)域已經(jīng)具有一定的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，歐美等發(fā)達國家都將多種型號的導(dǎo)彈、固體火箭發(fā)動機及高超聲速飛行器的超高溫部件都采用C/C復(fù)合材料來制備。美國研制的C/C 擴張段已應(yīng)用于Star 系列宇航發(fā)動機和MX 系列導(dǎo)彈發(fā)動機上；法國研制的C/C 擴張段已應(yīng)用于西歐遠(yuǎn)地點助推發(fā)動機MageII 號上；俄羅斯研制的C/ C 擴張段已應(yīng)用于“起點一號”運載火箭等的眾多型號發(fā)動機上。

圖4　阿里安-5助推器針刺無緯布C/C喉襯

圖5　MX導(dǎo)彈SRM 3D C/C喉襯　

圖6　C/C整體擴散段

圖7　C/C出口錐

美國對先進戰(zhàn)略導(dǎo)彈用材料要求極為嚴(yán)格，除要求高溫穩(wěn)定性外，對彈頭還要求具有隱身、抗核、抗激光和抗粒子云等功能。采用經(jīng)改性的C/C，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化功能。由于細(xì)編穿刺的三向C/C有很好的耐燒蝕性能，故美國在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上主要使用此種C/C，美國將它用于射程為1l100 km和命中精度為90 m的MX導(dǎo)彈上，大大提高了戰(zhàn)略導(dǎo)彈的命中精度。美國戰(zhàn)略導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動機噴管喉襯采用多向編織的C/C，實現(xiàn)了防熱和結(jié)構(gòu)一體化功能，使噴管重量減輕30 Kg以上，其戰(zhàn)略導(dǎo)彈上應(yīng)用C/C的情況見表。美國C/C在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上主要用干導(dǎo)彈助推器噴管。大多數(shù)導(dǎo)彈選用的材料結(jié)構(gòu)為四向結(jié)構(gòu)，即4D C/C，少數(shù)導(dǎo)彈選用三向結(jié)構(gòu)，即3D C/C，如近程攻擊導(dǎo)彈便是使用3D C/C。美國使用4D C/C作助推器噴管的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈有戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈、希神導(dǎo)彈、反潛艇導(dǎo)彈等數(shù)種。

圖8　X-33試驗機熱防護有材情況

碳/碳復(fù)合材料由于在高溫環(huán)境下具有很好的綜合性能，一直以來都是各類航天飛行器最高溫度區(qū)的首選材料，應(yīng)用特別廣泛，如美國現(xiàn)役的航天飛機軌道器，俄羅斯、法國和日本的航天飛機等。俄羅斯擁有在碳/碳復(fù)合材料表面制備多層復(fù)合涂層技術(shù)，使碳/碳復(fù)合材料能夠在2000℃有氧環(huán)境下工作1小時以上。據(jù)AIAA96年的一份資料介紹，美國采用C/C復(fù)合材料頭錐和機翼前緣等作為高溫?zé)岱雷o系統(tǒng)已完成70余次發(fā)射。另據(jù)AIAA 2000年的一份報告，美國華盛頓大學(xué)進行了第二代可重復(fù)使用飛行器（RLV，Reusable Launch Vehicle）的設(shè)計（K2X 計劃），其頭錐的上裙部采用抗氧化C/C復(fù)合材料。美國的X系列屬于高超聲速飛行器，X-30、33、34均為可重復(fù)使用航天運載器，是超高音速飛行的可完全重復(fù)使用、單級入軌、水平起降的航天器，其中X-30試驗機在高速飛行時，其表面任何區(qū)域的溫度均不低于650℃，當(dāng)X-30以馬赫數(shù)8的速度在26822米的高度飛行時頭錐處溫度為1793℃，沿機身向后逐漸降至871℃，機身后部溫度最低，約為760℃，由于激波交叉加熱，整流罩前緣的溫度將增至1788℃，機翼或者尾翼前緣的溫度將高達1455℃，并逐漸降至后緣的871℃。發(fā)動機整流罩的溫度可能將保持在982℃，其機翼前緣采用帶主動式冷卻的C/C復(fù)合材料。圖8為X-33試驗機熱防護有材情況，可以看出，其頭錐、機翼前緣均采用了C/C復(fù)合材料。

表4　國外碳/碳防熱、熱結(jié)構(gòu)材料發(fā)展歷程

HTV-2 屬于美國“Falcon”計劃的一部分，是一項發(fā)展和演示可以提升全球到達任務(wù)的高超聲速技術(shù)。這些技術(shù)包括高升阻比技術(shù)、高溫材料、精確導(dǎo)航/制導(dǎo)/控制、穿過等離子體鞘的通信和自主飛行安全系統(tǒng)。HTV-2 通過“米諾陶-4”運載火箭助推至預(yù)定高度，以大于Ma 20 的速度再入大氣層，在大氣層內(nèi)高速滑翔的時間計劃超過3000 秒。在熱防護技術(shù)方面，HTV-2 主要采取了由C/C 復(fù)合材料制備的承力Aeroshell 結(jié)構(gòu)，承擔(dān)氣動和飛行器軸向載荷，Aeroshell 內(nèi)部安放高性能多層隔熱材料，這對降低結(jié)構(gòu)重量具有很大優(yōu)勢。另外，C/C復(fù)合材料在其它高超聲速飛行器熱防護系統(tǒng)應(yīng)用方面，在軌時間達270天的X-37B軌道試驗飛行器最高速度可達到25Ma以上，其翼舵面及襟副翼采用和C/C復(fù)合材料來制備。X-51高超聲速巡航導(dǎo)彈同樣使用了C/C復(fù)合材料前緣。日本1994年發(fā)射的OREX和1996年發(fā)射的HYFLEX高超聲速試驗飛行器的頭錐也是使用抗氧化C/C復(fù)合材料制備的。

圖9　美國航天飛機及C/C復(fù)合材料應(yīng)用情況發(fā)展歷程及趨勢

C/C復(fù)合材料航空剎車盤的實驗性研究于1973年第一次用于飛機剎車。目前，一半以上的C/C復(fù)合材料用作飛機剎車裝置。高性能剎車材料，要求高比熱容、高熔點以及高溫下的強度，C/C復(fù)合材料正好適應(yīng)了這一要求，制作的飛機剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5倍；同金屬剎車材料相比，可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量。碳剎車盤的使用壽命是金屬基的5～7倍，剎車力矩平穩(wěn)，剎車時噪聲小，因此碳剎車盤的問世被認(rèn)為是剎車材料發(fā)展史上的一次重大的技術(shù)進步。

英、美、法等國在20世紀(jì)60年代末、70年代初幾乎同時將C/C復(fù)合材料用于飛機制動材料。目前已逐步取代金屬剎車副，成為最先進的剎車副材料，并由該三國的五大公司壟斷碳剎車盤的國際市場，它們是法國的Messier、美國的Goodrich、Bendix、Goodyear及英國的Dunlop。全世界已有40種以上的民機和22種以上的軍機采用了碳剎車盤，其年產(chǎn)量占世界C/C復(fù)合材料總產(chǎn)量的90%以上。目前法國歐洲動力、碳工業(yè)等公司已批量生產(chǎn)C/C復(fù)合材料剎車片，英國鄧祿普公司也已大量生產(chǎn)C/ C復(fù)合材料剎車片，用于賽車、火車和戰(zhàn)斗機的剎車材料。C/C復(fù)合材料耐摩擦磨損性能優(yōu)異，其摩擦因數(shù)適當(dāng)且穩(wěn)定，飛機剎車用C/C復(fù)合材料，壽命提高近5倍，剎車性能也明顯高于粉末冶金剎車材料。70年代中期，英國Dunlop航空公司的C/C復(fù)合材料剎車片首次在協(xié)和式飛機上試飛成功以來，得到很大發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于高速軍用飛機和大型高音速民用客機：F16、B737、B757、B767、B777及暴風(fēng)雪等型號。

圖10　空中客車A-320 C/C剎車盤

C/C復(fù)合材料剎車盤的生產(chǎn)能力主要集中在少數(shù)幾個國家，除了上述5家公司外，俄羅斯、中國、日本和德國的一些公司也具備研制能力，最新的資料介紹韓國、印度、中國臺灣也在試制C/C剎車盤。法國歐洲動力公司大量生產(chǎn)C/C剎車片，用作飛機（如幻影式戰(zhàn)斗機）、汽車（如賽車）和高速火車的剎車材料。法國生產(chǎn)出了世界上第一輛使用C/C剎車片的汽車（VEN-TURI-GT400型）。法國碳工業(yè)公司1994年開始批量生產(chǎn)汽車用C/C剎車片。日本協(xié)和式超音速客機共8個輪，剎車片約應(yīng)用300kgC/C。若用C/C作民用飛機剎車片，可使飛機減輕450kg；若用作F-1型賽車剎車片，可使其減輕約11kg。

在航空發(fā)動機用熱結(jié)構(gòu)C/C復(fù)合材料研究方面，美國、法國、日本等國進行了大量研究工作，SiC涂層的二維C/C燃燒室部件于1984年設(shè)計并制造，計劃用于IHPTET的F107實驗發(fā)動機。到了1986年帶涂層的C/C復(fù)合材料燃燒室部件在1343℃的最高燃?xì)鉁囟认掳踩ぷ骼塾嫵^163分鐘。后面三年則進行了總時間達13小時的評估試驗。1984年，一個全尺寸帶涂層的C/C復(fù)合材料軸轉(zhuǎn)子在1149℃下以45krpm的轉(zhuǎn)速成功測試了17分鐘。1986年轉(zhuǎn)子在1500℃下以53krpm轉(zhuǎn)速試驗成功。1987年設(shè)計并制造出帶有涂層的小尺寸2DC/C復(fù)合材料噴管部件，包括收斂魚鱗片、發(fā)散魚鱗片和側(cè)壁，在704-1704℃的氣體溫度下每臺發(fā)動機上進行了20-50小時的試驗，滿足性能要求且實現(xiàn)了實質(zhì)性的減重。1991年，一個涂層保護的C/C復(fù)合材料魚鱗片在F100發(fā)動機上考核超過1300小時、5100次加力燃燒室熱循環(huán)和2100小時等效飛行。這種C/C復(fù)合材料魚鱗片內(nèi)襯比傳統(tǒng)材料減重38%。1992年美國LTV制造C/C渦輪轉(zhuǎn)子在1649℃下試車成功。據(jù)稱，美國的F100已經(jīng)將C/C復(fù)合材料用于發(fā)動機燃燒室噴嘴。法國的幻影2000等型飛機的發(fā)動機加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、魚鱗片等零件已經(jīng)采用C/C復(fù)合材料制造。美國IHPTET計劃中的F119及法國的M88-2發(fā)動機也是將C/C復(fù)合材料列為制造發(fā)動機噴管的熱結(jié)構(gòu)材料。IHPTET第二階段中的JETEC研究中的排氣噴管由中空的C/C支板和內(nèi)外流道壁焊接而成，試驗表明：該焊接組件可以承受超過7500磅力的軸向載荷。在發(fā)動機中，無冷卻的C/C排氣噴管最高溫度可以達到1649℃。XTL86驗證機采用C/SiC渦輪葉片、C/C噴管等技術(shù)提高推重比和降低費用，其推重比提高76%，成本降低47%。

圖11　航空發(fā)動機C/C渦輪轉(zhuǎn)子

圖12　C/C 魚鱗片

圖13　C/C 燃燒室部件

2.3國外膨脹石墨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

本世紀(jì)六十年代美國聯(lián)合碳化物公司首先研制成功膨脹石墨密封材料開始，五十年間，柔性石墨已進入許多領(lǐng)域甚至一些高技術(shù)領(lǐng)域。全世界柔性石墨產(chǎn)量最大為8.5～10.0萬噸以上。目前，美、日、德、法的柔性石墨產(chǎn)業(yè)居領(lǐng)先地位。日本生產(chǎn)核能級的超低硫（S＜500ppm）及高純（S＜50ppm）產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)先。其中，高純?nèi)嵝允挥腥毡灸軌蛏a(chǎn)。

2.4國外活性炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

活性炭是一種孔隙發(fā)達、比表面積大、吸附能力強的功能型碳材料，其耐酸、耐堿、耐熱，且在使用失效以后可方便再生，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)藥衛(wèi)生和環(huán)境保護等各個領(lǐng)域，在保護人類生存環(huán)境中發(fā)揮著越來越重要的作用。

隨著世界工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)境保護要求逐步提高，世界范圍內(nèi)活性炭的生產(chǎn)量和消費量逐年增加。2009年，全世界活性炭總消耗量達到83.3萬t，據(jù)預(yù)測，到2014年，全世界活性炭消費量預(yù)計可達到138.8萬t，預(yù)計年增長率為10.8%。2009年國外主要活性炭生產(chǎn)國和地區(qū)活性炭生產(chǎn)能力見表5。

表5　2009年國外主要活性碳生產(chǎn)國、地區(qū)活性碳年生產(chǎn)能力及供需一覽表 萬 t/a

從20世紀(jì)80年代末開始，我國一直是美國最大的活性炭輸出國，主要輸出中、低檔活性炭產(chǎn)品，因此，美國的活性炭市場需求與我國活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)系十分密切。與此同時，美國又是世界上最大的活性炭生產(chǎn)國和消費國之一。未來幾年空氣凈化領(lǐng)域的增長率高達65.4%～66.4%，其中燃煤電廠控制汞排放用粉狀活性炭是主要增長點。2005年3月美國環(huán)保總署（EPA）制定聯(lián)邦法規(guī)，要求永久減少燃煤電廠和水泥廠的汞排放量。而活性炭附是控制汞排放最有效的方法之一。據(jù)有關(guān)機構(gòu)預(yù)測，2014年，美國市場用于燃煤電廠和水泥廠汞吸附的活性炭需求量將達到42萬t / a。從表2還可以看出，水處理已經(jīng)成為當(dāng)期美國活性炭的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，水處理用粉狀活性炭用量已經(jīng)達到50%左右；在氣相領(lǐng)域，2009年粉狀活性炭用量達到4.2萬t / a，超過顆?；钚蕴浚ㄓ昧繛?.6萬t /a）

日本是世界活性炭使用僅次于美國的國家，位居全球第2。日本也是我國第1活性炭出口目的地。2009年，日本活性炭年生產(chǎn)能力為10.22萬t，進口活性炭8.43萬t，出口活性炭0.68萬t。日本主要活性炭生產(chǎn)企業(yè)包括卡爾崗三菱化學(xué)株式會社、武田藥品工業(yè)株式會社及二村化學(xué)工業(yè)株式會社，主要生產(chǎn)高質(zhì)量、高檔次的活性炭產(chǎn)品，其生產(chǎn)能力都在1萬t/a以上。

我國活性炭出口的3大地區(qū)除東亞、美國之外，歐洲市場也是我國傳統(tǒng)的活性炭出口目的地。2009年西歐各國活性炭消耗量為14.9萬t，主要消費國是德國、法國、意大利、英國和西班牙等。其中最大的Norit公司年生產(chǎn)能力為4.6萬t，占?xì)W洲整個活性炭產(chǎn)量的52%。

3　新型碳材料產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

3.1概述

我國碳材料研究與生產(chǎn)起步于解放初期。在前蘇聯(lián)的援助下，首先建設(shè)了以生產(chǎn)煉鋼用石墨電極為主的吉林碳素廠和以生產(chǎn)電工用碳制品為主的哈爾濱電碳廠。四十余年來，我國碳素工業(yè)從無到有，有了長足的發(fā)展。現(xiàn)在已經(jīng)形成了以吉碳、蘭碳、上碳、哈碳、東碳等為主的骨干企業(yè)，石墨電極生產(chǎn)能力達30萬噸/年，位居世界前列，電碳制品也基本滿足了國內(nèi)經(jīng)濟建設(shè)的需要。但是我國碳材料工業(yè)和先進國家相比，無論在規(guī)模、質(zhì)量、工藝裝備、管理、科研、應(yīng)用開發(fā)等方面都存在很大差距，僅大體上相當(dāng)于國際上80年代的水平。具體表現(xiàn)在品種少、檔次低（如我國石墨電極仍以普通電極和高功率電極為主，而國外己上升為超高功率電極）；產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；工藝裝備落后；產(chǎn)品更新緩慢等。我國碳材料的科研水平從整體上來說落后于美國、前蘇聯(lián)、日本和歐共體等工業(yè)國家，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于韓國、印度、巴西等國。在某些重要領(lǐng)域我國緊隨著美、日等發(fā)達國家之后，差距并不十分明顯，如熱解石墨、結(jié)構(gòu)功能型碳/碳復(fù)合材料、活性碳纖維、柔性石墨等。進入21世紀(jì)以來，隨著碳納米管、石墨烯等納米碳材料的興起，我國碳素領(lǐng)域面臨新的發(fā)展機遇，相關(guān)研究在世界上占有重要地位，研究水平達到世界先進水平。目前我國從事碳材料研究的科研機構(gòu)主要有中科院金屬所、中科院山西煤化所、中科院物理所、航天總公司西安航天復(fù)合材料研究所、航天材料及工藝研究所等、西北工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、中南大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科技大學(xué)、武漢科技大學(xué) 、北京化工大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、陜西華興航空機輪公司等。主要研究領(lǐng)域涉及當(dāng)今碳材料研究與開發(fā)所有的熱點領(lǐng)域，如碳纖維、活性炭材料和微孔碳、金剛石膜、富勒烯族、柔性石墨、插層化合物、C/C復(fù)合材料、納米碳管、石墨烯、生物碳材料、核石墨等。

3.2我國納米碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

（1）碳納米管

碳納米管具有非常高的強度、剛性和韌性，耐強酸和強堿。其全部由碳原子組成，缺陷少，密度低，具有很高的軸向強度和剛度，其性能優(yōu)于通用級碳纖維，被看作是理想的復(fù)合材料增強相。利用碳納米管所具有的極好的導(dǎo)電特性、電致發(fā)光特性和長徑比值達 104等性能，可制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。碳納米管的電子結(jié)構(gòu)的金屬性質(zhì)或者半導(dǎo)體性質(zhì)取決于其直徑和螺旋度，因此，不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、微型電路的導(dǎo)線、最小的半導(dǎo)體裝置、納米級的晶體三極管、邏輯門和線路的連接件，應(yīng)用于微電子器件領(lǐng)域。碳納米管特殊的力學(xué)、電子、熱學(xué)性能，使得其可以用于制作各種傳感器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、耗能低、操作安全的特點，表現(xiàn)出良好的靈敏度和可選擇性。碳納米管結(jié)晶度高，導(dǎo)電性好，比表面積大，微孔集中在一定范圍內(nèi)，可用于制備雙層超級電容器。碳納米管具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機械性能，其巨大的潛在應(yīng)用價值得到了廣泛的關(guān)注。

目前，世界主要國家關(guān)于碳納米管的研究勢頭不減，仍然是各國研究的熱點領(lǐng)域。中國的研究論文數(shù)量從 2003 年開始，超越日本，僅次于美國。中國在碳納米管領(lǐng)域的專利申請首次出現(xiàn)在1996 年（如圖14所示），隨后幾年發(fā)展十分緩慢，1996 ～ 2000 年的專利申請總量不足 100 件，2000 年的申請量為 47 件，我國碳納米管技術(shù)在這一時期處于萌芽階段。直到2001 年，相關(guān)中國專利申請量才開始出現(xiàn)一定程度的增長，申請量達到 82 件。從 2002 年起，相關(guān)中國專利申請量開始出現(xiàn)實質(zhì)性的大幅增長，2002 年的申請量為 222 件，為 2001 年的近 3 倍，之后一直保持強勁的上升勢頭。這表明我國碳納米管相關(guān)專利技術(shù)進入快速發(fā)展軌道，碳納米管技術(shù)正引起業(yè)界重視，處于高速發(fā)展階段，前景良好。

圖14　1996-2012年我國納米碳管領(lǐng)域?qū)＠暾埛植冀y(tǒng)計圖

當(dāng)前，國際上技術(shù)領(lǐng)先的國家關(guān)于碳納米管的研究主要集中在生長工藝、生長機理、結(jié)構(gòu)表征、材料性能等方面，我國在碳納米管制備與應(yīng)用領(lǐng)域，以中國科學(xué)院、清華大學(xué)、北京大學(xué)等為代表的科研院所、高校，在諸多領(lǐng)域取得了突破，各種形式的碳納米管宏量制備技術(shù)逐漸成熟，復(fù)合和電池市場正在擴張，高端器件和高端結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用市場正在培育和發(fā)展，進而促進碳納米管的產(chǎn)業(yè)化。

多個國家成功地實現(xiàn)了碳納米管（尤其是聚團狀多壁碳納米管）工業(yè)化生產(chǎn)。中國、日本、美國、德國、法國、比利時和韓國等國家的公司開發(fā)的CVD法批量制備碳納米管技術(shù)已形成了上千噸的年產(chǎn)能。電弧放電法合成單壁碳納米管質(zhì)量高、缺陷少，是另一種合成單壁碳納米管的有效方法。基于清華大學(xué)范守善研究組的超順排陣列放大也取得了較大進展，提供了一種較簡易的制備高端碳納米管宏觀體的有效方法。目前，在市場上已有多種類型的多壁和單壁碳納米管樣品供應(yīng)，這顯著促進了碳納米管的應(yīng)用。隨著批量制備技術(shù)的快速發(fā)展，碳納米管的價格大幅下降。10年前，碳納米管的價格高于黃金（45 $/g）；現(xiàn)在，多壁碳納米管和單壁碳納米管的價格分別為0.2～25 $/g和50～400 $/g，但仍高于碳纖維的價格（0.1～5 $/g），主要是其產(chǎn)能比碳纖維低1～2個數(shù)量級。一些特種碳納米管的價格仍然較高，如富集了半導(dǎo)體性管或金屬性管的單壁碳納米管（大約500 $/mg）、長度/表面功能性碳納米管和摻雜碳納米管等。碳納米管高價格的原因主要是其生產(chǎn)、純化過程的高成本，缺乏穩(wěn)定大量的市場需求所致。由于不同碳納米管生產(chǎn)方法在產(chǎn)品產(chǎn)量上的差異，碳納米管售價也會產(chǎn)生很大差異?？梢灶A(yù)測，碳納米管的價格在未來存在進一步下降的空間，從而達到終端用戶所能接受的合理市場價格。但是，可利用的碳納米管仍然會比大部分化學(xué)產(chǎn)品和其他原材料（如碳黑、碳纖維）價格要高。

目前，碳納米管主要應(yīng)用于鋰離子電池電極材料、抗靜電纖維復(fù)合材料、汽車輪胎復(fù)合材料、體育用品增強復(fù)合材料和超級電容器電極材料等領(lǐng)域。在碳納米管進一步走向市場和產(chǎn)品的過程中，碳納米管的標(biāo)準(zhǔn)化勢在必行。我國于2009年10月30日宣布了多壁碳納米管的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 24491–2009）及其純度的測量方法（GB/T 24490–2009），并于2010年6月1日開始執(zhí)行；ISO/TC 229 和 IEC/TC聯(lián)合工作組在2010年4月19日發(fā)表了關(guān)于碳納米物質(zhì)詞匯的技術(shù)規(guī)范（ISO TS80004-3）；IEEE 正在開發(fā)超凈間內(nèi)碳納米管的加工過程標(biāo)準(zhǔn)；2011 年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所公布了單壁碳納米管的標(biāo)準(zhǔn)樣品。 這些標(biāo)準(zhǔn)化方面的努力將有助于碳納米管的獨立商品化、兼容性、互用性、安全性和可再生性的發(fā)展。關(guān)于其他各種類型的碳納米管的標(biāo)準(zhǔn)、分析和檢測仍然需要進一步開發(fā)。

（2）石墨烯

近幾年，石墨烯逐漸引起了我國；政府、學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度重視。2012年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《新材料；產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中的前沿新材料就包含了石墨烯。雖然現(xiàn)階段我國石墨烯尚沒有大規(guī)模量產(chǎn)，也沒有形成規(guī)?；膽?yīng)用，但它作為新材料板塊在“十二五”規(guī)劃出臺后的首個熱點，有望通過市場的關(guān)注形成良好的產(chǎn)業(yè)帶動效應(yīng)。此外，國家科技重大專項、國家973計劃圍繞“石墨烯宏量可控制備”、“石墨烯基電路制造設(shè)備、工藝和材料創(chuàng)新”等方向也部署了一批重大項目，取得了一系列創(chuàng)新成果，國際影響力逐步提升。國家自然科學(xué)基金也啟動了多項重大研究計劃，取得了相應(yīng)的進展。截至2012年，全球被SCI收錄的關(guān)于石墨烯的研究論文共有17361篇。其中申請數(shù)量排在全球前2位的國家是中國和美國（表6，7），發(fā)表的論文總數(shù)占全球總量的一半。美國作為世界科技最發(fā)達的國家，其發(fā)表的關(guān)于石墨烯研究方面的文獻達 4730篇，占總量的27.3%；我國在石墨烯研究雖然起步晚于美國，但在這幾年的努力下，文獻發(fā)表量達到了 5072篇，占比 29.2%，超過美國位居全球首位。

根據(jù)新世界專利搜索（SooPAT）專利檢索引擎，截至2013年6月，目前國內(nèi)機構(gòu)共申請5000余件石墨烯相關(guān)的發(fā)明專利，超過美國而成為世界第一，也從側(cè)面反映出國內(nèi)近幾年在這一領(lǐng)域的活躍狀態(tài)。國內(nèi)目前在石墨烯方向?qū)＠饕€是集中在各大院校以及研究機構(gòu)當(dāng)中，如浙江大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)等院校以及中國科學(xué)院下屬的各個院所等科研機構(gòu)等。相對于高校和研究院所來說，國內(nèi)企業(yè)在石墨烯專利方面的涉及還有待進一步加強。

表6　2012年之前中美兩國石墨烯領(lǐng)域論文對比

表7　2012年之前國際研究機構(gòu)在石墨烯領(lǐng)域論文發(fā)表情況表

從石墨烯產(chǎn)業(yè)目前的發(fā)展進程看，我國在石墨烯的散熱、導(dǎo)電等特性的應(yīng)用方面，已邁入產(chǎn)業(yè)化門檻。2012年1月，全球首款智能手機石墨烯電容觸摸屏在江蘇常州二維碳素科技有限公司研制成功。2013年5月，全球最大規(guī)模的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線又在該公司正式投產(chǎn)，年產(chǎn)能達到3萬平方米。2012年9月，浙江寧波墨西科技有限公司年產(chǎn)300噸的石墨烯項目正式投入建設(shè)。2013年4月，貴州新碳高科有限責(zé)任公司正式宣布推出我國首個純石墨烯粉末產(chǎn)品——柔性石墨烯散熱薄膜。2013年11月，國內(nèi)最大的年產(chǎn) 100噸氧化石墨（烯） /石墨烯粉體生產(chǎn)線在常州第六元素材料科技股份有限公司正式投產(chǎn)。2013年8月，江蘇無錫惠山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)啟動建設(shè)國內(nèi)首個石墨烯創(chuàng)新發(fā)展示范基地。

3.3我國碳基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

C/C復(fù)合材料的研究開發(fā)工作在我國始于上世紀(jì)70年代，主要研制固體發(fā)動機噴管、喉襯和飛機剎車盤等。到了90年代后期，C/C復(fù)合材料的致密化工藝逐漸完善，且在快速致密化工藝方面取得了顯著進展。C/C復(fù)合材料在制備工藝，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及力學(xué)性能、熱性能和抗氧化性能等方面基礎(chǔ)理論及方法的研究，進一步促進和擴大了該材料在航空航天、軍事以及民用領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。多種快速高效致密化工藝的工程化應(yīng)用，使C/C復(fù)合材料的成本得到大幅降低，在常規(guī)戰(zhàn)術(shù)武器喉襯中得到廣泛應(yīng)用。尤其是作為飛機剎車盤，以中南大學(xué)2004年獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎為轉(zhuǎn)折點，目前已有華興航空機輪公司、西安超碼科技有限公司、湖南博云新材料股份有限公司、北京百慕航材高科技股份有限公司、陜西藍(lán)太航空設(shè)備有限責(zé)任公司、北京北摩高科摩擦材料有限責(zé)任公司、煙臺冶金新材料研究所、汕頭西北航空用品公司等專業(yè)生產(chǎn)飛機剎車盤的公司通過民航的生產(chǎn)認(rèn)證。

圖15　世界主要國家/組織石墨烯專利申請量

近年來，基體碳織構(gòu)控制、抗氧化涂層、基體改性抗燒蝕等技術(shù)也取得較大進展，促進了該材料在固體火箭發(fā)動機擴散段、發(fā)動機燃燒室，各種再入式航天器的熱防護系統(tǒng)、航空發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用。今后C/C復(fù)合材料將向著低成本、高性能化的趨勢發(fā)展，降低成本以促進其向民用及常規(guī)兵器領(lǐng)域拓展，提高其抗氧化和高溫力學(xué)性能以滿足新型航天及航空飛行器熱結(jié)構(gòu)件的使用要求。

3.4我國膨脹石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國是天然石墨資源第一大國（世界上 2/3 的儲量在我國），但關(guān)于膨脹石墨（Expanded Graphite，簡稱 EG）的研究要比國外晚許多。膨脹石墨是一種軟質(zhì)新型碳素材料，它是 70 年代首先由美國聯(lián)合碳化物公司開發(fā)，壓制成用于高溫或防腐蝕介質(zhì)的密封材料，從此膨脹石墨又一次成為人們關(guān)注的焦點。從而相繼發(fā)現(xiàn)了膨脹石墨優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)磁、超導(dǎo)、儲氫、吸附等性能；并相應(yīng)的開發(fā)應(yīng)用于高導(dǎo)材料、超導(dǎo)材料、電池材料、催化劑材料、儲氫材料、密封材料、吸附材料等領(lǐng)域。并于78年開始引入我國，開始了對膨脹石墨大量的理論與實際應(yīng)用方面的研究。國內(nèi)已在許多石油化工廠和煉油廠的生產(chǎn)設(shè)備中得到實際應(yīng)用。

3.5我國活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

中國是世界上最大的活性炭生產(chǎn)國和出口國。20 世紀(jì) 80 年代，活性炭產(chǎn)業(yè)逐漸形成規(guī)模，中國活性炭生產(chǎn)企業(yè)已由 20 世紀(jì) 80 年代初的幾十家增至目前的 300 余家，總產(chǎn)能達 50 萬 t/a，其中煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè) 200 多家。2013 年中國活性炭年總產(chǎn)量約 35 萬 t，其中煤基活性炭產(chǎn)量約 25 萬 t。中國活性炭主要分為兩大類，一類是以木屑、椰殼、果殼或其他木質(zhì)材料為原料的木質(zhì)活性炭，另一類是以煤炭為原料的煤基活性炭。其中木質(zhì)活性炭產(chǎn)能主要集中在江西、福建和浙江等地，煤基活性炭產(chǎn)能主要分布在煤炭主產(chǎn)區(qū)，如山西、寧夏等地。從中國活性炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，煤基活性炭產(chǎn)量占中國活性炭產(chǎn)量的 70%以上，近幾年新建的萬噸級活性炭廠主要以煤基活性炭為主。

目前，我國活性炭產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出如下特點：

（1）工業(yè)布局：煤基活性炭生產(chǎn)主要集中在山西和寧夏，目前這2大基地的煤基活性炭產(chǎn)品產(chǎn)量占全國煤基活性炭產(chǎn)量的90%左右 ；果殼活性炭生產(chǎn)以河北為主 ；木質(zhì)活性炭生產(chǎn)主要集中在福建、江西、浙江南部及東北地區(qū)。

（2）原料：以木質(zhì)原料生產(chǎn)的活性炭所占比重逐漸下降，以煤為原料生產(chǎn)的活性炭所占比重呈上升趨勢。木質(zhì)活性炭所占比重從20世紀(jì)70年代占我國活性炭總產(chǎn)量的80%下降到20世紀(jì)90年代的不足30%，同期煤基活性炭從15%上升到70%，而且這種趨勢至今一直沒有改變，煤基活性炭是以煤為主要原料制成的活性炭，原料煤的物理化學(xué)性質(zhì)對煤基活性炭的產(chǎn)品性能有重大影響。近年來，我國在活性炭原料煤處理方面加大了研發(fā)力度，研究開發(fā)的活性炭原料煤深度脫灰技術(shù)，能夠生產(chǎn)灰分極低（灰分約2%以下）的超低灰煤。而以超低灰煤為原料生產(chǎn)的活性炭，雜質(zhì)含量低、附加值高，成為新一代的優(yōu)質(zhì)活性炭產(chǎn)品。另外，采用壓塊成型技術(shù)可以生產(chǎn)出強度高、孔隙結(jié)構(gòu)可隨意調(diào)整、孔徑分布均勻而合理、無漂浮且在液相中下沉速度快、吸附性能優(yōu)越的活性炭產(chǎn)品。

（3）產(chǎn)品用途：從20世紀(jì)70年代，活性炭的應(yīng)用范圍還主要集中在食品、軍事、醫(yī)藥、化工等行業(yè)。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各國環(huán)保意識的提高，目前的活性炭應(yīng)用已經(jīng)擴展到了國民經(jīng)濟的各個方面。

（4）產(chǎn)品特點：由于原料的優(yōu)化、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，目前國內(nèi)的活性炭產(chǎn)品已經(jīng)逐步向多品種、高附加值方向發(fā)展。隨著出口量的增加以及企業(yè)技術(shù)的不斷革新，國內(nèi)外客戶對活性炭產(chǎn)品的要求不斷提高，國內(nèi)活性炭產(chǎn)品的品質(zhì)也隨之不斷提升。

（5）生產(chǎn)方法：目前，國內(nèi)約 68%左右的活性炭產(chǎn)品為煤基活性炭，煤基活性炭以優(yōu)質(zhì)煤為原料，經(jīng)過碳化、冷卻、活化、洗滌等工藝一步步精制而成。生產(chǎn)技術(shù)也由最初的單種煤生產(chǎn)活性炭，逐步過渡到配煤生產(chǎn)活性炭及催化活化生產(chǎn)活性炭階段。

4　發(fā)展我國新型碳材料產(chǎn)業(yè)的主要任務(wù)及存在主要問題

從幾種典型新型碳材料的國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀可以看出，國內(nèi)在幾種典型新型碳材料在產(chǎn)業(yè)化方面還與歐美等發(fā)達國家還有一定差距，尤其是在碳基復(fù)合材料、活性炭、高性能石墨等碳材料方面，差距還較為明顯。下面逐一介紹幾種碳材料目前產(chǎn)業(yè)化方面存在的主要問題。

4.1我國納米碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的具體問題

（1）碳納米管

國內(nèi)盡管碳納米管的宏量制備技術(shù)得到了長足發(fā)展，但對單根碳納米管的嚴(yán)格控制和穩(wěn)定質(zhì)量相關(guān)的實踐經(jīng)驗仍然缺乏。關(guān)于碳納米管的手性、缺陷密度、管端開閉、生長速度、全同長度與壁數(shù)仍缺乏有效的控制和監(jiān)測手段。碳納米管的催化機理和聚集行為相關(guān)理論不夠完善。必須在綜合考慮碳納米管合成化學(xué)、碳納米管相互作用物理學(xué)及化學(xué)工程科學(xué)的基礎(chǔ)之上才能找到有效的解決途徑。

與傳統(tǒng)大量化學(xué)品相比，碳納米管距離大規(guī)模應(yīng)用（百萬噸量級）還很遙遠(yuǎn)。這主要是因為其在合成和后續(xù)處理上仍存在較大困難。例如，碳納米管的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程和應(yīng)用特性之間很強的耦合關(guān)系，冗長的分散和復(fù)合過程仍有待工程突破，精確的組裝和優(yōu)異性能的發(fā)揮仍然非常困難。但是，這些涉及碳納米管應(yīng)用的分散、復(fù)合、結(jié)合等科學(xué)問題，需要更為深入的研究提出解決策略，進而改變未來制造業(yè)的理念及方法。納米產(chǎn)業(yè)其成功實現(xiàn)的核心在于將前沿的納米研究與目前工業(yè)界所使用的碳材料概念（如純度、粒徑和分散等較為粗放的特征）進一步結(jié)合。這類復(fù)雜的耦合需要科學(xué)家和工程師超越單一視角去設(shè)計生產(chǎn)路徑，從而實現(xiàn)一個貫穿碳納米管合成和應(yīng)用的相關(guān)流程。通過學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共同努力跨越技術(shù)鴻溝，增強公眾對納米產(chǎn)品的理解。作為一個新興工業(yè)，只有繼續(xù)深入探索碳納米管的基礎(chǔ)和工程科學(xué)問題才能夠促進碳納米管工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展。目前，關(guān)于純碳納米管的毒性并沒有定論，但是為了維持碳納米管工業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展，需要進一步建立包括碳納米管安全性在內(nèi)的國際標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)分析方法，需要建立政府-工人-工業(yè)的合作關(guān)系，從而發(fā)展一個安全、高效、經(jīng)濟的碳納米管生產(chǎn)和應(yīng)用過程。

（2）石墨烯

目前我國石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于初始階段，尚存在一些影響石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題。

① 缺乏整體規(guī)劃和引導(dǎo)。石墨烯技術(shù)包括制備技術(shù)、材料技術(shù)、工藝技術(shù)以及應(yīng)用技術(shù)，在缺乏總體規(guī)劃和引導(dǎo)的前提下，政府扶持力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外，各研究機構(gòu)低水平重復(fù)研究的現(xiàn)象比較普遍。另外，目前國內(nèi)石墨烯企業(yè)良莠不齊，大多數(shù)企業(yè)停留在概念炒作的階段，全國真正投入力量參與石墨烯研發(fā)的企業(yè)不超過30家。

② 缺乏自主創(chuàng)新能力。石墨烯高端領(lǐng)軍人才主要集聚在美國、英國、韓國等發(fā)達國家的高校和跨國大企業(yè)。與先進發(fā)達國家相比，我國雖然科研人員很多、成果也很多，但頂尖性、原始性成果較少，大多采用跟蹤研究的方法，處于追趕狀態(tài)，重大創(chuàng)新不多。此外，研究成果主要集中在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，應(yīng)用技術(shù)相對薄弱。國內(nèi)從事石墨烯研究的主要是高校和研究機構(gòu)，企業(yè)在科研方面的投入力度遠(yuǎn)遜于國外企業(yè)，在石墨烯領(lǐng)域提交專利申請的企業(yè)更是少之又少。

③ 缺乏市場化能力。石墨烯產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。從設(shè)備水平看，國內(nèi)絕大多數(shù)高校仍處在科研小試和中試階段，絕大多數(shù)企業(yè)也處在小批量生產(chǎn)的摸索階段，還不能形成穩(wěn)定的規(guī)模化生產(chǎn)能力。從材料應(yīng)用看，主要的應(yīng)用成果絕大多數(shù)還停留在實驗室階段。石墨烯在產(chǎn)品上的應(yīng)用還處于初始階段，并沒有真正形成下游的應(yīng)用和需求，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚需相當(dāng)長的一段時間。從資金投入看，各類投資資金也僅處于初始試探階段，與國外大規(guī)模資金投入相比，我國的資金投入力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

④ 缺乏資源整合能力。石墨烯產(chǎn)業(yè)需要創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈和服務(wù)鏈多鏈融合才能尋求產(chǎn)業(yè)突破，但目前我國在產(chǎn)業(yè)上下游、產(chǎn)學(xué)研合作、產(chǎn)業(yè)與金融對接、知識產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移等方面尚未建立有效的資源共享機制，導(dǎo)致資源分割，各領(lǐng)域初步形成的優(yōu)勢呈現(xiàn)“碎片化”特征，急需在全國范圍內(nèi)統(tǒng)籌形成各方資源系統(tǒng)集成的能力。

⑤ 缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展涉及多學(xué)科和多產(chǎn)業(yè)，是一項系統(tǒng)工程。從國外碳纖維新材料的發(fā)展規(guī)律看，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對規(guī)范研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化起到至關(guān)重要的作用，但我國的石墨烯從研發(fā)到應(yīng)用缺乏系統(tǒng)性，相應(yīng)數(shù)據(jù)庫、檢測、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用驗證體系支撐不足，嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4.2我國碳基復(fù)合材料領(lǐng)域存在問題

國內(nèi)碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化較為成熟屬其作為飛機剎車盤使用。在此領(lǐng)域，雖然國內(nèi)已經(jīng)具備了一定的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，但是缺乏針對炭剎車材料的測試標(biāo)準(zhǔn)和炭剎車副的臺架試驗技術(shù)規(guī)范。國外成熟的剎車副制造商均有針對炭剎車材料的測試標(biāo)準(zhǔn)和炭剎車副的臺架試驗技術(shù)規(guī)范，對于具體機型如波音B757、A320 等，都有主起落架機輪和炭剎車的地面動力試驗臺模擬試驗驗證技術(shù)規(guī)范。但各公司均將其作為技術(shù)秘密，沒有公開發(fā)表。由于國外在本行業(yè)實行技術(shù)封鎖，目前我國沒有統(tǒng)一、成熟的商用飛機用炭剎車材料性能測試規(guī)范、炭剎車副產(chǎn)品臺架模擬試驗驗證技術(shù)規(guī)范和炭剎車副產(chǎn)品使用壽命評估試驗技術(shù)規(guī)范。飛機炭剎車盤是飛機剎車系統(tǒng)中重要的易耗件。到目前為止，國際市場飛機炭剎車盤全部由美、英、法三國四家公司所壟斷，國內(nèi)只有 A320、波音B757 等機型采用部分國產(chǎn) PMA 件。目前，我國企業(yè)在進行 PMA 件適航符合性驗證時，都根據(jù)中國民航局適航司發(fā)布的“運輸類飛機炭剎車盤替換件合格審定符合性方法”（AC－25－AA－2008－02） 形成了各單位的試驗大綱，但國內(nèi)還沒有形成統(tǒng)一的、完整的大型商用飛機炭剎車副符合性驗證方法。

在國防領(lǐng)域，隨著我國國防技術(shù)的快速發(fā)展，對高性能大型C/C復(fù)合材料復(fù)雜構(gòu)件、低燒蝕C/C復(fù)合材料、低熱膨脹系數(shù)C/C復(fù)合材料構(gòu)件的需求越來越緊迫。雖然國內(nèi)多家單位如航天一院、航天四院、西北工業(yè)大學(xué)等單位都具備了一定的大型復(fù)雜C/C復(fù)合材料構(gòu)件的制備能力，但是整體性能尤其是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的性能還不能滿足某些坎坷服役環(huán)境的要求，有些領(lǐng)域甚至成為了限制總體發(fā)展的瓶頸技術(shù)，亟待解決。

4.3我國膨脹石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的具體問題

（1） 理論研究尚處于初級階段

我國自20 世紀(jì)70 年代開始對可膨脹石墨及其制品進行研究，但這僅局限于部分高校及一些大型國有石墨企業(yè)，盡管也取得一定的成績，但由于缺乏行業(yè)指導(dǎo)、系統(tǒng)規(guī)劃，大多是閉門自鎖、各自為戰(zhàn)，且項目重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，未向更深層次發(fā)展。因此有待于行業(yè)進行總體規(guī)劃、合理分工，多方聯(lián)合，加快理論研究的縱向深入。

（2）生產(chǎn)方式落后、污染嚴(yán)重

目前大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)方式都比較落后，尤其是一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)及個體企業(yè)，多為作坊式生產(chǎn)，質(zhì)量無法保證。當(dāng)前可膨脹石墨的生產(chǎn)多是采用硫酸作插入劑，輔以強氧化劑或以電解方式經(jīng)酸化、洗滌、脫水、烘干加工而成，由于該種方式插入劑消耗量大，洗滌用水量和污水排放量居高不下。且多數(shù)生產(chǎn)廠家沒有解決廢水處理問題，處于自然排放狀態(tài)，環(huán)境污染嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著該行業(yè)的發(fā)展。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量大多處于低級水平

目前可膨脹石墨的年產(chǎn)量達到 25 000t 左右，其中80% 為低檔產(chǎn)品，僅能滿足一些領(lǐng)域的低檔次應(yīng)用。況且國內(nèi)對可膨脹石墨及其制品至今仍沒有形成一套完整具體合理統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)也沒有完整的檢測體系，對產(chǎn)品指標(biāo)把握不準(zhǔn)，形成了盲目生產(chǎn)、無標(biāo)生產(chǎn)、僅憑經(jīng)驗去干的局面，結(jié)果產(chǎn)品質(zhì)量波動幅度很大，以如此的原料再去加工制品，其質(zhì)量可見一斑。

4.4我國活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的具體問題

如前所述，近年來，在下游用戶的推動以及企業(yè)自身的努力下，我國活性炭產(chǎn)業(yè)有了長足的進步，但和發(fā)達國家相比仍存在較大差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品品種2個方面。未來，我國的活性炭生產(chǎn)企業(yè)還需在這2方面下足功夫，以增強中國活性炭產(chǎn)品在國際市場上的競爭力。

在產(chǎn)品質(zhì)量方面：我國生產(chǎn)的煤基活性炭品質(zhì)不高，孔容小、比表面積低、吸附性能差，而且品種單一、產(chǎn)品的質(zhì)量也不穩(wěn)定。同時，還由于我國活性炭出口多頭經(jīng)營、競相壓價以爭取外商，造成活性炭的價格偏低，目前我國活性炭的出口價格只相當(dāng)于國際市場上同等質(zhì)量活性炭價格的1/3～1/2，甚至更低。這種無序狀況已導(dǎo)致了嚴(yán)重的后果：一方面外商進一步壓價，并提出對產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求，甚至要派員駐廠監(jiān)督；另一方面，易引起外國同行協(xié)會或商貿(mào)部門反傾銷訴訟。這已嚴(yán)重影響了我國活性炭在國際市場的競爭力甚至國家的商業(yè)信譽。

目前，我國活性炭生產(chǎn)和銷售的實踐均證實，通過增加活性炭產(chǎn)量可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)值，但單位質(zhì)量產(chǎn)品的利潤率不僅得不到提高，反而是越來越低，甚至對活性炭行業(yè)在一個時期內(nèi)造成毀滅性的打擊。造成這個結(jié)果的原因，有市場供求關(guān)系變化、活性炭應(yīng)用途徑對活性炭質(zhì)量指標(biāo)的改變等方面的影響，但其最根本的原因是我國活性炭出口多頭經(jīng)營、缺乏管理、競相壓價爭取外商所引起的活性炭市場的無序化狀態(tài)。在這種情況下再通過盲目提高活性炭產(chǎn)量發(fā)展活性炭工業(yè)，顯然是行不通的。

另外在產(chǎn)品品種方面：雖然我國活性碳經(jīng)過20余年的快速發(fā)展，我國活性炭生產(chǎn)企業(yè)已由20世紀(jì)80年代初的幾十家增加到目前的300余家，總生產(chǎn)能力達到50萬t，活性炭品種幾十個，牌號達100多種，其中，煤基活性炭生產(chǎn)企業(yè)近200家。2011年，我國活性炭總產(chǎn)量已經(jīng)達到35萬t，其中煤基活性炭產(chǎn)量約24萬t。但是，目前水處理是國內(nèi)活性炭最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占市場需求量的60%以上。為提高我國活性碳的國際競爭力，必須在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)新型活性碳品種。

5　推動我國新型碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對策和建議

5.1我國納米碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

（1）碳納米管

碳納米管技術(shù)是一門年輕學(xué)科，其研究和應(yīng)用方興未艾。目前，其正處于快速發(fā)展時期，研究成果逐漸增多，應(yīng)用范圍日益廣闊。國內(nèi)相關(guān)高校和科研機構(gòu)以及龍頭企業(yè)作為主體推動了該領(lǐng)域科學(xué)研究在我國的持續(xù)升溫。近年來，國內(nèi)的相關(guān)專利申請量和申請人數(shù)量增長非常迅速，所涉及的技術(shù)主題也逐漸增多。針對我國碳納米管領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的發(fā)展，提出如下建議 ：

① 我國相關(guān)企業(yè)需要加強在碳納米管領(lǐng)域的研發(fā)投入。目前富士康集團在國內(nèi)碳納米管技術(shù)發(fā)展和專利布局中處于領(lǐng)先地位。希望更多的國內(nèi)企業(yè)能夠加入到碳納米管技術(shù)的研發(fā)中，形成有效的競爭機制，以促進整個行業(yè)的發(fā)展。

② 國內(nèi)眾多高校和科研機構(gòu)在碳納米管領(lǐng)域具有一定的技術(shù)積累和創(chuàng)新能力，但在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面缺乏足夠經(jīng)驗。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和高校及科研機構(gòu)之間應(yīng)該充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，圍繞重大項目推進碳納米管技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研合作，以清華大學(xué)與富士康集團的合作為典范，在整個行業(yè)中廣泛開展產(chǎn)學(xué)研合作，促進我國碳納米管技術(shù)基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的有機銜接，在此過程中把握科技發(fā)展方向，抓住產(chǎn)業(yè)發(fā)展機會，有效、合理地利用行業(yè)資源，實現(xiàn)我國碳納米管技術(shù)的跨越式發(fā)展。

（2）我國石墨烯領(lǐng)域發(fā)展建議

從整體情況來看，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展還是以研發(fā)為主，規(guī)模化制備工藝還不成熟，難以實現(xiàn)低成本、規(guī)模化、高性能的石墨烯產(chǎn)品制造 ；完整的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，下游仍沒有一個可以實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化應(yīng)用的領(lǐng)域 ；目前對石墨烯產(chǎn)品的需求仍然集中在各大院校及科研機構(gòu)，所用產(chǎn)品也僅限于樣品。因此，實現(xiàn)石墨烯在下游某一兩個應(yīng)用領(lǐng)域的突破是當(dāng)前我國石墨烯產(chǎn)業(yè)化工作的重中之重。石墨烯應(yīng)用于不同領(lǐng)域所面臨的技術(shù)難題、市場需求均有不同，在國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用目標(biāo)必須依據(jù)我國工業(yè)基礎(chǔ)，由簡入繁、因勢利導(dǎo)、有目的、有規(guī)劃、分階段，逐步推動石墨烯的商業(yè)化應(yīng)用。盡管到目前為止石墨烯還沒有實現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但是石墨烯在近幾年有望在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用突破，這些應(yīng)用領(lǐng)域的共同特點是石墨烯不是主成分而是作為添加劑的形式，利用石墨烯非常優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能，改善最終產(chǎn)品的相應(yīng)性能。目前，這些領(lǐng)域?qū)κ┑囊蟛⒉皇呛苁挚量蹋旧淼墓に囯y度也相對較小，而且中國在這些應(yīng)用領(lǐng)域有很強的技術(shù)實力和生產(chǎn)基礎(chǔ)，在國際上也有較強的市場競爭力，因此在國內(nèi)更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而且已經(jīng)有不少公司在這方面做了大量的工作。

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議：

① 制定石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加強對產(chǎn)業(yè)的統(tǒng)籌引導(dǎo)

應(yīng)在國家層面系統(tǒng)規(guī)劃石墨烯產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線和產(chǎn)業(yè)化路線，明確石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段目標(biāo)、重點領(lǐng)域、資金來源、政策體系等重大問題，確立合理的組織框架，推動材料、設(shè)備、工藝和應(yīng)用齊頭并進，促進上下游的協(xié)調(diào)發(fā)展。在制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃過程中，應(yīng)把握好三個方面的關(guān)鍵點: 一是充分發(fā)揮科研院所和創(chuàng)新企業(yè)的積極性，兼顧技術(shù)和市場兩個方面的發(fā)展趨勢，遵循創(chuàng)新規(guī)律和產(chǎn)業(yè)規(guī)律。既要考慮技術(shù)的前瞻性，又要考慮技術(shù)的應(yīng)用性、集成性和可轉(zhuǎn)化率；既要考慮產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高端性，又要考慮產(chǎn)業(yè)化的可行性、規(guī)模性和經(jīng)濟性。二是統(tǒng)籌兼顧當(dāng)前和長遠(yuǎn)的關(guān)系，既要準(zhǔn)確把握國際、國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，又要選準(zhǔn)階段性的突破方向，實現(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，形成產(chǎn)業(yè)促進技術(shù)提高的良性循環(huán)。三是正確處理政府和市場的關(guān)系。政府扶持的重點在于初始階段的政策引導(dǎo)和財稅支持，要充分激發(fā)企業(yè)和市場在技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中的主體作用，既要加大扶持力度，又要通過杠桿效應(yīng)撬動更多的社會資源聚焦石墨烯產(chǎn)業(yè)。

② 加大科技創(chuàng)新力度，加強自主創(chuàng)新能力

應(yīng)在國家層面設(shè)立重大科技專項，進一步加大對石墨烯技術(shù)創(chuàng)新的支持力度。引導(dǎo)國內(nèi)高校投身于石墨烯研究，大力引進國外領(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，充分調(diào)動企業(yè)研發(fā)的積極性，注重關(guān)鍵、核心和前沿技術(shù)的研發(fā)。加大科技成果轉(zhuǎn)化力度，突破產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)、工藝和裝備的瓶頸制約，不斷提高石墨烯產(chǎn)業(yè)核心競爭力。重點打造“三大平臺、一個高地”: 一是在高校建立石墨烯國家重點實驗室，在基礎(chǔ)研究上保持與世界同步水平。二是在企業(yè)建立石墨烯國家工程技術(shù)研究中心，在應(yīng)用技術(shù)和工藝技術(shù)上實現(xiàn)重點突破。三是學(xué)習(xí)借鑒德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進協(xié)會和中國臺灣工研院的模式，鼓勵和支持發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究，重點聚焦產(chǎn)業(yè)前瞻性研究項目和系統(tǒng)集成項目。此外，還要建立人才高地，搶抓全球人才加速流動的機遇，以全職人才和柔性人才兩種方式，面向全球招攬高端人才。

③ 堅持市場導(dǎo)向，促進研發(fā)與商業(yè)化并行發(fā)展

重點開展產(chǎn)業(yè)化前期的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，支持和引導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)、研究設(shè)計機構(gòu)與應(yīng)用單位聯(lián)合開發(fā)各種石墨烯增強復(fù)合材料、零部件及成品，擴大工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場。主要應(yīng)在三個方面加強研發(fā)與商業(yè)化的有機融合：一是大力發(fā)展“研發(fā)機構(gòu) + 孵化器 + 加速器”的三位一體模式，實現(xiàn)從技術(shù)研發(fā)到成果轉(zhuǎn)化的一站式服務(wù)。二是鼓勵下游終端應(yīng)用企業(yè)持股孵化石墨烯初創(chuàng)企業(yè)，通過市場需求引導(dǎo)技術(shù)研發(fā)的方向。三是重點支持研發(fā)機構(gòu)和終端應(yīng)用企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)科技成果轉(zhuǎn)化項目，集中研發(fā)機構(gòu)與企業(yè)的創(chuàng)新資源，縮短技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的間隔時間。在未來一到兩年，建議重點在三個方面形成突破: 一是利用其導(dǎo)電性，在觸摸屏、超級電容和動力電池方面有所突破。二是利用其導(dǎo)熱性，在散熱材料方面有所突破。三是利用其相容性和耐腐蝕性，在生物醫(yī)藥、涂料和復(fù)合材料方面形成突破。

④ 深化科技體制改革，提高協(xié)同創(chuàng)新能力

堅持企業(yè)在創(chuàng)新中的主體作用和市場在創(chuàng)新資源、生產(chǎn)要素配置中的決定性作用，不斷深化和完善“以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向和產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合”的技術(shù)創(chuàng)新體系，鼓勵科技與人才相結(jié)合、科技與市場相結(jié)合、科技與金融相結(jié)合，促進技術(shù)、市場、人才、資金多元融合的體制機制，集聚政、產(chǎn)、學(xué)、研、用、資、介等各類創(chuàng)新資源，大大提升石墨烯產(chǎn)業(yè)的資源整合能力。重點在三個方面實現(xiàn)體制機制創(chuàng)新:一是探索產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的機制。推進企業(yè)、高校和科研院所建立優(yōu)勢互補、利益共享、風(fēng)險共擔(dān)的合作機制，實現(xiàn)技術(shù)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的無縫對接、雙向融合和優(yōu)勢疊加。二是探索科技、金融緊密結(jié)合的機制。大力發(fā)展符合新興產(chǎn)業(yè)特征的金融產(chǎn)品和服務(wù)，支持天使投資、科技支行、科技保險、科技小貸和科技保險等新型金融業(yè)態(tài)，建立風(fēng)險補償、基金扶持等配套政策，加快構(gòu)建多元化的資金鏈，有效破解新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資金難題。三是探索“有形”和“無形”緊密結(jié)合的機制。在發(fā)揮企業(yè)主體作用、激發(fā)市場活力的同時，進一步強化政府的引導(dǎo)和服務(wù)功能，實現(xiàn)政府“有形之手”和市場“無形之手”的協(xié)同配合。

⑤ 建立產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)

石墨烯是交叉科學(xué)的產(chǎn)物，單一機構(gòu)不可能在所有的科學(xué)領(lǐng)域都處于領(lǐng)先地位。因此，只有不同的單位組建聯(lián)盟，進行技術(shù)研發(fā)合作并形成合力，才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。目前，石墨烯處于產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的臨界點，從戰(zhàn)略上來說，各機構(gòu)應(yīng)聯(lián)合起來共同推進石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)務(wù)之急是加快推進三方面工作：一是充分發(fā)揮產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的力量，加快制定石墨烯的國家標(biāo)準(zhǔn)，積極搶占石墨烯的國際市場。二是依托高校和龍頭骨干企業(yè)，加快建成一批石墨烯產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新平臺、技術(shù)檢測平臺以及知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)平臺。三是依托科技情報和中介服務(wù)機構(gòu)，提升石墨烯產(chǎn)業(yè)的高端服務(wù)能力，準(zhǔn)確把握石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。

5.2我國碳基復(fù)合材料領(lǐng)域發(fā)展建議

根據(jù)國外碳/碳復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展和國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)實踐，要保持和提升我國在該領(lǐng)域的國際競爭力，同時為我國航空、航天及軍事工業(yè)發(fā)展提供材料支撐，國內(nèi)仍需在以下方面進一步發(fā)展和提高。

（1）加強低成本制備工藝的開發(fā)，促進C/C復(fù)合材料向常規(guī)武器及民用領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，同時提高我國碳剎車盤的國際競爭力。

（2）強化致密化過程中的織構(gòu)調(diào)控，確保材料性能及其穩(wěn)定性。

（3）加強質(zhì)量管理，保證構(gòu)件性能的穩(wěn)定性，C/C復(fù)合材料的性能分散性較大，需要在預(yù)制體質(zhì)量控制、致密化工藝控制、后處理工藝控制、機械加工工藝控制等一系列的工藝環(huán)節(jié)中嚴(yán)格控制質(zhì)量，降低性能分散性，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。

（4）針對不同服役環(huán)境，進一步開發(fā)抗氧化、抗燒蝕技術(shù)，滿足航空、航天等領(lǐng)域中苛刻服役環(huán)境對材料的性能需求。

（5）進一步提高化學(xué)氣相滲透的速度，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，使我國炭剎車材料具有更好的經(jīng)濟性。

（6）在剎車盤等商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，強化技術(shù)積累，促進企業(yè)技術(shù)升級，提升產(chǎn)品質(zhì)量，縮小與美、英、德、法等傳統(tǒng)強國的差距，提升產(chǎn)品國際競爭力，同時向更多機型拓展。

5.3我國膨脹石墨領(lǐng)域發(fā)展建議

（1）發(fā)展低硫可膨脹石墨及其制品

硫在可膨脹石墨及其制品中是一種有害元素、它對設(shè)備易造成腐蝕，且高溫膨脹時易產(chǎn)生有毒氣體，污染環(huán)境，因此對其含量有所限制，目前客戶能接受的產(chǎn)品硫含量在 800×10-6以下，而當(dāng)前多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品硫含量大于1000×10-6，在市場競爭的今天，質(zhì)量是第一位的，因此，硫含量指標(biāo)不合格的產(chǎn)品，客戶已拒絕使用。現(xiàn)在一些生產(chǎn)企業(yè)已認(rèn)識到問題的嚴(yán)重性，早已著手進行低硫、超低硫、無硫產(chǎn)品的研制來滿足市場需要，但卻因成本原因，影響了市場的進一步深入，也制約了該行業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

（2）發(fā)展高純、高pH 值、低溫膨脹可膨脹石墨

在一些特殊領(lǐng)域，要求可膨脹石墨的純度達到99.9%，pH 值呈中性，甚至偏堿性，要求可膨脹石墨在低溫（＜200℃）情況下膨脹。

（3）發(fā)展高強度可膨脹石墨制品

膨脹石墨板材的主要缺點是抗拉強度低（一般為3.5～5.5MPa）、質(zhì)脆，在一些領(lǐng)域受到限制，目前成熟的方法是將膨脹石墨板材與長纖維或薄金屬板組成復(fù)合材料，既保持了膨脹石墨板材的特點，又克服了其機械強度低的不足。

（4）由作坊式生產(chǎn)向自動化規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)變

目前可膨脹石墨及其制品的市場競爭是非常激烈的，除了產(chǎn)品質(zhì)量的競爭外，產(chǎn)品價格是競爭的另一個主要因素，產(chǎn)品價格的高低又決定于產(chǎn)品成本的高低。當(dāng)前，可膨脹石墨及其制品的生產(chǎn)企業(yè)參差不齊，部分企業(yè)甚至仍停留在作坊式手工生產(chǎn)上，在產(chǎn)品質(zhì)量難以保證的情況下，產(chǎn)品成本也居高不下。市場杠桿決定了行業(yè)必須走自動化規(guī)模生產(chǎn)的路子，以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，贏得更大的市場。

5.4我國活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

目前，世界活性炭工業(yè)生產(chǎn)呈現(xiàn)出如下特點 ：

（1）世界活性炭的工業(yè)化生產(chǎn)已從西方轉(zhuǎn)向中國等發(fā)展中國家，這種產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移在21世紀(jì)中期將持續(xù)進行；

（2）全球范圍內(nèi)日漸嚴(yán)厲的環(huán)保法規(guī)使得活性炭的需求進一步增長，水處理行業(yè)一直是活性炭消費的巨大市場，同時也是最重要的增長領(lǐng)域 ；

（3）其它需求增長較快的領(lǐng)域包括氣體處理市場，美國在此領(lǐng)域的消費量中期內(nèi)將增長5%；

（4）最大的潛在活性炭應(yīng)用市場是燃煤火電廠所排放氣體的凈化，預(yù)計美國在此領(lǐng)域的活性炭需求到2014年將達到42萬t；

（5）由于人們對可能的生化恐怖襲擊高度關(guān)注，核、細(xì)菌以及化學(xué)防護過濾器和個人防護服裝對活性炭的需求也將逐步增加。

針對國外活性炭產(chǎn)業(yè)化的所呈現(xiàn)出的特點，我國活性炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)關(guān)注的焦點在于：

（1）擴大生產(chǎn)規(guī)模。

目前國內(nèi)活性炭生產(chǎn)企業(yè)準(zhǔn)入門檻低，普遍規(guī)模較小、技術(shù)力量薄弱、經(jīng)濟實力不強，只能依賴資源優(yōu)勢在激烈的市場競爭中求生存，不但企業(yè)自身很難有大的發(fā)展，而且也很難與國外的大型活性炭企業(yè)競爭。一般來說，工業(yè)發(fā)達國家運行良好的活性炭企業(yè)其生產(chǎn)規(guī)模在2萬t/a以上。世界最大的2家活性炭企業(yè)美國Calgon公司和荷蘭Norit公司活性炭年產(chǎn)量均在10萬t以上，單臺設(shè)備生產(chǎn)能力可達1.5萬t/a。因此，為提高與國外大型活性炭企業(yè)的競爭能力，充分利用現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力，必須擴大活性炭生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，逐步淘汰規(guī)模小，設(shè)備落后的企業(yè)，增加萬噸級活性炭企業(yè)（目前國內(nèi)規(guī)模 10 萬 t/a 超大型活性炭企業(yè)一家）。從而有效地改善中國活性炭市場的無序競爭現(xiàn)狀。

（2）生產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)代化。

隨著國內(nèi)活性炭生產(chǎn)規(guī)模的大型化發(fā)展，必將促進活性炭生產(chǎn)設(shè)備向大型化和現(xiàn)代化方向發(fā)展。目前國內(nèi)已有活性炭生產(chǎn)企業(yè)引進國外的干法輥壓造粒機（生產(chǎn)能力5萬t/a）和耙式爐（生產(chǎn)能力1萬t/a）。同時，配套的物料輸送和儀表控制環(huán)節(jié)也向連續(xù)化、自動化方向發(fā)展。如現(xiàn)已成功研發(fā) 1.5萬t級大型炭化爐。為推廣大型活化設(shè)備多膛爐在中國的應(yīng)用，煤炭科學(xué)研究總院已建成一套 50 kg/h 的小型多膛試驗爐，可為不同種類活性炭的試制提供技術(shù)服務(wù)。

傳統(tǒng)活性炭行業(yè)自動化水平低，大多需要人工操作，主要體現(xiàn)在物料進料、出料以及物料運輸?shù)确矫?，勞動強度極大，不符合現(xiàn)代化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用輸送機（對于產(chǎn)生粉塵的采用密封式輸送機）運輸物料，采用氣動或電動閥門控制進料、出料，并通過引進PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備自動控制。目前部分企業(yè)基本實現(xiàn)全廠自動化操作。

（3）產(chǎn)品多樣化。

隨著活性炭應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，涌現(xiàn)出一些技術(shù)含量高的活性炭新產(chǎn)品，活性炭的檔次也越來越高，質(zhì)量逐步提升。目前，水處理是活性炭最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占市場需求量的60%以上。壓塊活性炭將是未來水處理用活性炭市場，尤其是中國水處理活性炭市場的主流產(chǎn)品，此外，隨著干法煙氣凈化技術(shù)的推廣，活性焦也越來越受到重視。

（4）重視國內(nèi)市場。

我國是活性炭生產(chǎn)大國，年產(chǎn)量高達30萬t以上，但年消費僅為10萬t左右。而居世界活性炭產(chǎn)量第2的美國年產(chǎn)活性炭為18萬t，消費卻接近20萬t，可見我國活性炭產(chǎn)業(yè)還有很大的市場空間，隨著工業(yè)的不斷進步，我國活性炭產(chǎn)業(yè)在未來10～20年的國內(nèi)市場需求還將進一步加大。

（5）節(jié)能減排。

目前，活性炭生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排已經(jīng)成為活性炭生產(chǎn)企業(yè)基本要求，企業(yè)普遍采用通過余熱鍋爐、煙氣循環(huán)等方式節(jié)約能源，并通過二次燃燒、洗滌除塵等方式降低有毒有害氣體的排放，效果十分顯著。已有企業(yè)在炭化爐尾氣出口增加焚燒和余熱回收裝置進行熱量回收，單臺年產(chǎn) 4000 t/a的炭化爐配套余熱鍋爐約2 t/h，同樣活化設(shè)備斯列普爐尾氣出口也增加焚燒和余熱回收裝置。通過增加這些設(shè)備，大大提高了全廠的熱效率，降低單位產(chǎn)品能耗 10% ～20%。

2012年11月26日，寧夏頒布實施了中國第一個活性炭生產(chǎn)企業(yè)的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，國家排放標(biāo)準(zhǔn)也即將發(fā)布，說明中國對活性炭產(chǎn)業(yè)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的重視程度有所增加，將有利于提高產(chǎn)業(yè)的準(zhǔn)入門檻，淘汰落后產(chǎn)能。寧夏地方標(biāo)準(zhǔn)要求新建活性炭廠SO2排放限值為 350 mg/m3（已建廠400 mg/m3），粉塵為50 mg/m3（已建廠 80 mg/m3）。這就要求不達標(biāo)企業(yè)必須新增減排設(shè)施，如車間需增加除塵設(shè)施，不密封設(shè)備需更換成密封良好設(shè)備等;煙氣中 SO2、煙塵需增加噴淋裝置和脫硫設(shè)備，目前新建的大型活性炭廠均要求建有脫硫除塵設(shè)施。

（6）加強技術(shù)創(chuàng)新。

在國家“863”、“973”等科技計劃的支持下，在我國率先實現(xiàn)了活性焦干法脫硫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化并開始工業(yè)推廣，自主開發(fā)的煤基脫硫?qū)Ｓ没钚越瓜盗挟a(chǎn)品已在山西、寧夏、內(nèi)蒙古等地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品目前已占據(jù)國內(nèi)60%以上的活性焦市場份額，并出口日本、韓國。在煤炭科學(xué)研究總院的示范帶動作用下，越來越多的企業(yè)認(rèn)識到，科技創(chuàng)新對提高產(chǎn)品性能的重要性。企業(yè)紛紛通過與科研院所、高校聯(lián)合開發(fā)，或者成立自己的研發(fā)中心，不斷優(yōu)化活性炭的生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品性能，開發(fā)新型產(chǎn)品，保護和開拓活性炭的應(yīng)用市場。

（7）開發(fā)活性炭下游產(chǎn)品，向活性炭應(yīng)用技術(shù)服務(wù)方向拓展

目前，利用活性炭制成活性炭布、成型活性炭、蜂窩狀活性炭塊、飲用水處理用活性炭罐、空調(diào)凈化光催化劑載體、血腎等，均能把活性炭的價值成倍提高。

和其它行業(yè)一樣，發(fā)達國家的活性炭企業(yè)也經(jīng)歷了生產(chǎn)活性炭產(chǎn)品、開發(fā)下游產(chǎn)品，進而向特定行業(yè)直接供應(yīng)使用活性炭的終端設(shè)備并提供環(huán)境突發(fā)事件應(yīng)急處理、設(shè)備維修、活性炭更換與再生等專門化的服務(wù)發(fā)展歷程。

我國活性炭企業(yè)如果能順應(yīng)國際上各專業(yè)市場逐漸細(xì)分的潮流，從活性炭產(chǎn)品生產(chǎn)向開發(fā)下游產(chǎn)品、提供專門技術(shù)產(chǎn)品服務(wù)領(lǐng)域拓展，必將真正打破行業(yè)局限、突破單一煤炭產(chǎn)品的框框，有不可限量的發(fā)展前景。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2016.01.002