刘忠范:石墨烯等新材料产业发展的底层逻辑

材料是产业的先导。我们常说的“卡脖子”技术深层次的根源是材料,材料是制约我国高科技产业发展的瓶颈之一。
抓住新材料,就抓住了新的发展机遇。发展新材料、开辟新赛道,是解决诸多“卡脖子”难题、实现跨越发展的关键抓手。

中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范
4月10日,由深圳创新发展研究院、中关村产业转型升级研究院、深圳企联等共同主办的科技创新院士报告厅第12期开讲,中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范以“新材料产业发展的底层逻辑:石墨烯的创新实践”为题发表演讲。
刘忠范院士认为,新材料产业的发展,要绑定龙头企业,找到“杀手锏级”的应用场景,借力发力。现状是科学家做科学家的事,产业界做产业界的事,中间没人管,导致技术创新链条中断。因此,要解决好技术创新链条不完整的问题,重点布局链接基础研究阶段和产业化阶段的中间环节,即材料工程化和规模化中试环节。
以下内容根据刘忠范院士演讲记录整理,经讲者审订。

一、来自碳纤维产业的启示

碳纤维材料是60年前开始的竞争,碳纤维是一种非常重要的新材料,具有轻质高强等诸多优异特性。早年的碳纤维做钓鱼竿、高尔夫球杆用,现在已成为航空航天、国防军工、石油化工、风电叶片等领域不可或缺的存在。
目前,全球碳纤维市场需求已达20万吨量级,且在迅速增长之中。全球碳纤维前五家企业占了全球62%的产能,其中日本占了3家,东丽、三菱丽阳和东邦,比例达47.3%,其余两家是德国西格里和美国赫氏。
日本东丽公司应该是碳纤维产业的拓荒者和领头羊,创造了近半个世纪的碳纤维材料研发历史。
1961年日本东丽成立碳纤维研发部,到了1971年实现T300(1吨/月)的规模化生产,这个过程花了十年时间。我们现在讲的T300、T800、T1000,还有M60系列产品,日本人早在上世纪80年代就完成了。
从1990年代开始,碳纤维开始在飞机上使用,例如波音777的尾翼等。真正的突破是用在波音787上,2003年东丽公司赢得了波音787的合同。波音公司要做新一代的大飞机,而“新一代”通常是从新材料入手。波音公司满世界找材料,最终选择了碳纤维。材料生产厂商和应用客户的共同努力,使得碳纤维新材料找到了其“杀手锏级”的用途。
我要强调的是,日本东丽公司花了1400多亿日元从事碳纤维新材料研发,一直处于亏损状态,直到2011年才进入稳定盈利期,前后花了50年的时间。半个世纪的坚持,实属不易。值得我们学习,更值得我们深思。

中国碳纤维的发展,可以概括为八个字:“起个大早,赶个晚集”。其实我们早在1960年代中期就开始了PAN基碳纤维的研究,跟日本差不多同步。1970年代初期,实验室已经突破连续化工艺;1974年山西煤化所开始设计我国第一条碳纤维生产线,1976年建成中试生产线,1978年拿了全国科技大会奖,后来这条中试线整体搬迁到吉林石化。
实际上,1970年代的国产碳纤维与国外差别并不大,有关部门也高度重视这种新兴材料。时任国防科委主任张爱萍主持召开了“7511”会议,先后组织了二十多家科研和企事业单位联合攻关。由于知识产权归属问题,各部门难以协调,最后不了了之。知识产权算谁的?谁牵头?谁获益?这些无法回避的问题导致碳纤维新材料研发工作进展缓慢。这样的事情现在也在不断发生着,不同利益的主体一起搞创新,很难协同,结局就是轰轰烈烈开始,凄凄惨惨结局。
进入21世纪,师昌绪先生呼吁要大力发展碳纤维产业,引起政府有关部门的重视并采取了有力措施。“863计划”、“973计划”相继将碳纤维列入重点研发项目。2005年我国碳纤维企业仅10家左右,合计产能占全球的1%。2008年国企进入碳纤维行业,2010年碳纤维产能占全球高性能碳纤维总量的0.5%。2010年到2014年,产能从6445吨增至15000吨,产量从1500吨增至3700吨。2012年工信部“十二五”规划碳纤维产能1.2万吨/年,2017年达到2.6万吨,仅次于美国和日本,占比18%。目前我国从事碳纤维复合材料研制及生产的企业近百家,产能千吨以上的有7家。大多数企业的碳纤维产品仍处于低端领域,普遍处于亏损状态。

碳纤维产业给我们的启示是什么?
一是耐心和坚持,东丽公司半个世纪的坚持最后成就了其碳纤维产业龙头老大的地位。我们如果能够坚持50年,做不到才怪,问题是我们有没有这个耐心。
二是企业主导和领军企业,任何科技创新成果最后必须通过企业才能落地。没有企业主导,最后是落不了地的;而没有领军企业的存在,产业很难发展起来,1万个小作坊企业也比不上1个龙头企业。
三是绑定头部企业和杀手锏级的应用场景非常重要。假如没有波音公司的加持,碳纤维产业的大规模快速发展很难想象。日本东丽绑定了波音公司,为其碳纤维材料找到了强大的市场牵引。这应该是新材料产业发展的一个规律,绑定龙头企业,找到“杀手锏级”的应用场景,借力发力。
四是领头人和工匠群体,没有东丽公司不能说就没有碳纤维,但是有可能现在还处于起步阶段。所以一个领头人、一个领头组织、一个工匠群体极其重要。
我认为这四点就是新材料产业发展的共性的底层逻辑,这些共性的东西对石墨烯新材料产业也适用。

二、与国外相比,中国石墨烯行业的关注点不在一个频道上

石墨烯材料可以畅想的应用前景很多,但哪个能成为产业现实还不好说。
石墨烯粉体材料作为锂离子电池的导电添加剂已经出现在市场上,究竟效果多大依然是一笔糊涂账。氧化石墨烯基散热膜已经用在华为手机上,效果还不错,与人工石墨散热膜有一拼。石墨烯防腐涂料受到很多企业的青睐,国内有数千家企业在做相关工作。但是,还没有真正实现规模化的市场落地,还有很多技术问题需要攻关。石墨烯材料在触摸屏、传感器、电子报纸、电磁屏蔽以及超快光通信领域都有潜在的应用价值,尽管大多仍在探索之中。
从0到1的原创性基础研究突破常常是“无心栽柳”的结果,源于科学家们的强烈好奇心和求知欲,很难进行“规划”和重点“攻关”。所以,基础研究不能过于急功近利,需要培育创新性的文化土壤,打造自由宽松的文化环境,允许一些人做看似“毫无用处”的探索性工作,这是支持原始性创新的关键所在。当你问他“干嘛用”的时候,就已经偏离了基础研究的逻辑。
据不完全统计,中国现在有60个石墨烯产业园、113个石墨烯研究院、17个石墨烯创新中心,还有17个石墨烯产业联盟。这些石墨烯相关组织,全世界加在一起也没我们多。
我们再看一下石墨烯专利申请情况,中国占了全球的72%,数量达9.2万件,而排名第二的美国只有9000多件,是我们的十分之一。我们为什么搞那么多专利,真的有用吗?
再看论文数量,全球发表石墨烯相关论文35万余篇,我们拥有26万余篇,占比74.5%,排名第二的美国是4.7万篇。中国当今的学术评价体制就是,鼓励大家玩命发文章,这样可以得到诸多好处,尽管这种好处似乎只对自己有用。
统计数据永远反映不了真实情况,说明不了我们世界领先。
国内石墨烯行业关注的热点是什么?我经常讲是“三大件”,新能源、大健康和电热产品、涂料,占比超过80%。其中新能源占了一半,大健康电热产品占了23%,涂料占了8%。

图1 国内石墨烯行业的关注热点
我经常被问到,中国的石墨烯产业处于什么水平?我无法正面回答,与欧洲、美国、日本和韩国相比,根本不在一个频道上,没法比较。国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发,而我们大多关注能立即赚到钱的实用性产品。
韩国在石墨烯领域是一匹黑马,其特点是以三星公司为核心,形成了一个石墨烯网络,大学、科研院所都围绕三星公司开展石墨烯新材料研发工作。很多石墨烯器件相关的核心专利都在三星公司,我们申请的很多专利没多大意义,企业关注的是实用价值,而大学教授关注的是数量而已。这说明任何一个产业要想走得远,龙头企业特别重要,光靠科学家折腾是搞不定的,因为科学家通常做不了企业。
中国的石墨烯新材料产业存在诸多挑战。我们的小作坊式石墨烯企业占了90%以上,缺少龙头领军企业,可持续发展能力很弱。2019年,我率领20人的调研组花了半年时间走遍全国14个省29个城市,实地考察了上百家石墨烯企业,这些企业都是精挑细选具有代表性的。我们发现了很多问题,令人忧心。一个普遍存在的问题是同质化现象非常严重,大炼钢铁式的低水平恶性竞争导致有限资源的高度分散和浪费。在研发目标的选择上,急功近利,只关心现在,不关心未来。在石墨烯领域,科技与经济的两张皮现象十分严重,一大批科研人员搞文章,还有更多的企业家们做产业,缺少实质性的产学研协同创新。
不可否认,来自各级政府、各个部门的过度碎片化的政策引导,是造成一窝蜂建设石墨烯产业园区和全民造烯运动的重要原因,也是造成产能过剩的根本原因。产业还没真正发展,我们的产能已经过剩了,这是一个现实问题。这种无序竞争很大程度上弱化了我国庞大的市场优势。
“国家意志”和“市场意志”有效协同,应该是我国石墨烯产业健康发展的关键,没有国家意志就没有长远布局,我们现在的企业有长远布局的不多,华为是个特例。与此同时,没有市场意志就会背离市场规律,导致市场无序竞争的乱象。事实上,“国家意志”和“市场意志”是两只无形的大手,在高科技产业发展过程中发挥着至关重要的作用。今年的政府工作报告提出要“促进有效市场和有为政府更好结合”,这一点极为重要。“有效市场”也来自“有为政府”,希望尽快落到实处。

三、一个新材料要想站住脚,必须找到一个“杀手锏级”应用

一个新的材料、新的技术走进市场,通常经历技术萌芽期、期望顶峰、泡沫谷底期、爬坡期、稳定应用期等五个阶段,石墨烯也不例外。实际上,科学家在实验室里捣鼓的东西绝大多数走不完这条道,仅仅是实验室里的“实验样品”而已。
从实验室里的样品变成规模化的产品,再到市场化的商品,这条路很长,也是个大浪淘沙的过程。

图2 从高德纳技术成熟度曲线看新兴石墨烯产业

图3 石墨烯产业的卡脖子技术
石墨烯新材料产业我认为是八个字:前途无量,任重道远。这个产业还存在很多“卡脖子”的问题,比如低成本的规模化制备技术现在还没有解决,也没有那么容易解决。批量剥离转移也是个大问题。石墨烯薄膜通常高温生长在金属催化剂表面,使用时通常需要剥离转移到目标衬底上。这是一个巨大的技术挑战,因为涉及的是单层原子厚度的剥离和转移技术。
尤其需要指出的是,石墨烯尚未找到真正的“杀手锏级”用途,我们现在所有的尝试还处于当年碳纤维做钓鱼竿的阶段。石墨烯产业之路很长,急不得。
我一直认为,“卡脖子”技术是熬出来的,绝不是临时抱佛脚砸钱突击出来的,需要数十年如一日的不懈努力和持续的资源投入。“卡脖子”问题既是过去时,也是现在时和未来时,如果不改变急功近利的群众运动式的做法以及“物美价廉”的传统思维方式,我们在石墨烯等硬科技领域还会不断出现“卡脖子”问题。
我特别喜欢比尔·盖茨讲过的一句话,他说“我们总是高估今后一两年内将要发生的变革,也总是低估未来十年将要发生的变革”。很多人对石墨烯就是这种态度,总以为一两年就能赚大钱,一拥而上。明知道十年后肯定赚大钱,也很少有人坚持。我们的企业不等,我们的政府也不等,这是我们的传统思维方式,改起来不容易。
2022年,我国石墨烯粉体的产能2.2万吨,薄膜产能540万平方米。粉体的利用率7%左右,薄膜的利用率0.23%左右,已经处于产能过剩状态。必须强调的是,石墨烯材料制造业尚有巨大的提升空间,今天的石墨烯还不能支撑起石墨烯产业的大厦。中国石墨烯新材料产业需要像东丽公司那样的领军企业,需要舍我其谁、志存高远的担当者,需要一大批追求极致的“匠人”。其实何止石墨烯,硬科技产业都应该这样。

四、如何破解科技和经济“两张皮”难题?

我是2008年进入石墨烯领域的。此前,做了十年的碳纳米管研究。2018年创建北京石墨烯研究院(BGI),BGI是北京市支持成立的新型研发机构,开工之初,手中没有一分钱,我以个人名义从首都发展集团借款4750万元,当年年底经费到账后,就还清了这笔借款,还多还了100万元利息。
尽管遭遇三年新冠疫情,BGI在过去五年多来取得了飞速发展。目前拥有两栋大楼,一栋是研发大楼,一栋是公司产业化大楼;员工规模已达410余人,成为全球最大规模的石墨烯新材料研发与产业化队伍。2017年12月26日,注册成立北京石墨烯研究院有限公司,一手是研究院,一手是有限公司,一体两翼,一对一孵化,这是我们的制度设计。需要强调的是,我们既拥有基础研究团队,又拥有工艺研发团队,还有市场落地团队和专业化管理团队,因此是一个真正意义上的复合型团队。
我在北大做了31年教授,深知大学科研团队的局限性。通常情况下,大学和科研院所的研究团队(课题组)通常由导师、助手和单一专业背景的研究生和博士后组成,规模是几个人到几十人不等。老实讲,这种研究团队能做的事情是有限的,比较适合于兴趣导向的发散性基础研究,可能折腾出诺贝尔奖来。但是,你想让这样的团队去攻关“卡脖子”技术和推动产业化落地几乎是不可能的,一方面人员构成过于单一,另一方面体量也远远不够。
BGI的追求目标是什么呢?一是向全球市场提供最具竞争力的石墨烯材料,另一个是向市场提供最好的石墨烯制备装备和规模化生产线。一手抓材料,一手抓装备,这是我们的核心发展战略,也是BGI的核心竞争力。
我发表了数百篇学术论文,没有BGI这个平台,很难对石墨烯产业有实质性贡献。发文章不应该是目的,应该是研究的副产品。把发文章变成追求的目标,别的变成副产品,完全是本末倒置。

图4 创新链条布局
我们经常讲技术创新链条,从实验室阶段到中试阶段再到产业化阶段,一般分为9级。BGI重点布局链接基础研究阶段和产业化阶段的中间环节,即材料工程化和规模化中试环节。技术创新链条的不完整是产生“卡脖子”问题的深层次原因,表现为科技与经济的“两张皮”,科学家做科学家的事,产业界做产业界的事,中间没人管,导致技术创新链条是断的。
为什么会出现这个问题?一是我们现行人才评价体制让科技工作者满足于发表学术论文,没有动力把科研成果推向中试和产业化。二是实验室里的科研成果很难被企业接住。我发表了数百篇石墨烯论文,但企业很难接得住,因为缺少工程化和规模化的环节。绝大多数企业没有能力和意愿填补这个空白。如果不重视解决这个问题,我们建再多的研发平台也没用。
BGI独创的蒙烯玻璃纤维材料实现了规模化产业落地,石墨烯TOC分离膜、石墨烯电镜载网陆续推向市场。我可以自信地讲,BGI是引领全球的石墨烯材料研发和产业孵化基地。
为了探索石墨烯材料的“杀手锏级”用途,BGI建立了“未来实验室”,架起链接“材料”与“市场”的桥梁。BGI未来实验室有三大板块:电热技术实验室、散热技术实验室和电磁技术实验室。这三大板块是我对石墨烯产业发展的预判,与当前市场上炒作的方向不完全一致。
第一,石墨烯是优异的新型电热转换材料,拥有电热转换效率高、升温速度快、柔性、透明等诸多优势。事实上,石墨烯电暖画和保暖衣,还有诸多石墨烯大健康产品都属于石墨烯电热技术产品,也是进入市场最早的石墨烯产品。
第二,石墨烯拥有已知最高的热导率,是非常好的导热散热材料,石墨烯导热散热技术拥有巨大的市场潜力。石墨烯散热膜已经用在华为手机上。
第三,石墨烯也是优良的电磁功能材料,在轻量化导线、电磁屏蔽等诸多方面有着广阔的应用前景。
基于上述原因,BGI未来实验室重点布局了这三大板块,客户需求导向,逆向材料研发。我们特别强调绑定用户,共同研发,实践证明这是行之有效的好办法。

五、政府不能离科学前沿太近,否则会带来巨大的决策风险

我们不能满足于建立一堆研发平台。没有企业的介入和市场化机制,这些研发平台只能产生一大堆文章和专利、无数的“自嗨式”创新突破以及众多小作坊式的公司。不经过市场竞争的洗礼,任何创新性成果都无法真正转化落地和创造市场价值。

图5 产学研协同创新的两种不同模式
产学研协同创新的最佳模式是什么?我总结了两种截然不同的协同创新模式:一个是一台机器运转的模式,一个是多台机器协调运转的模式。
一台机器运转模式就是通常的企业模式。例如华为,有自己的科学家、工程师和企业家,这些人是一条绳上的蚂蚱,拥有完全一致的追求目标和利益导向。多台机器协调运转模式常见于政府主导的各种协同创新平台,在政策和利益诱惑下,大学和科研院所的众多科学家、企业家和投资商等不同的利益主体共建共享一个创新平台,以期实现产学研协同创新。
显而易见,后者需要一个强有力的协调机制,让众多的机器协同运转起来,难度可想而知。毋庸置疑,一台机器运转的企业模式是最高效的产学研协同创新模式。
所以,弘扬“企业家精神”,充分尊重和信任企业家,培育公平竞争的市场文化,让千千万万个企业成长起来,是推动高科技成果转化和繁荣市场经济的不二法宝。
我们不能过度模糊科学、技术和产业的边界。
科学是天马行空,需要的是自由宽松的环境土壤,应该交给学术共同体。从某种意义上讲,政府不能离科学前沿太近,否则会带来巨大的决策风险,同时严重破坏学术生态。
技术是一招鲜,需要耐心和长时间的积淀,应该交给企业家。应重视培育“隐形冠军企业”,而不是万金油型的“杂货摊企业”。我们需要培育出众多的“华为”,这样“卡脖子”问题就自然解决了。产业和市场需要敢吃螃蟹的创新生态和公平竞争的文化土壤,所以一切政策的导向必须以繁荣市场为准则,这是有为政府必须承担的重任。市场、技术、科学不是一回事,各有各的特点、责任和规律,不能过度混淆。
另外,我们不能混淆和无视原始创新、技术创新和产品创新的差异。像手机、星链都是产品创新,是已有技术的集大成者,并非原始创新。这些创新性产品通常始于一个大胆甚至疯狂的想法,马斯克、乔布斯这样的技术偏执狂才能创造出这种东西来。这里需要的是追求极致的工匠精神,并非从0到1的原始创新。
从原始创新到产品创新存在着巨大鸿沟,时间跨度长达数十年甚至是上百年,直通车没有成功的先例,也不符合市场和产业发展规律,我们需要冷静地思考这个问题。相对论是爱因斯坦一百多年前创立的,现在的GPS定位都需要相对论理论,但是从那个时候就开始抓起,自然是不现实的事情。我认为,技术创新链不能布局太长,否则很难走下去。
(整理者:林美丹。本文经刘忠范院士审订。)
刘忠范
来源:澎湃新闻

资讯汇总5.14

1、常州三项产业专利导航获批首批省级优秀案例

5月6日获悉,江苏省知识产权局发布首批省级专利导航优秀案例,在全省范围内遴选出12个优秀案例,常州市动力和储能电池、常州天宁经开区现代纺织、江苏省石墨烯热应用三项产业专利导航入选。

江苏省石墨烯热应用专利导航项目通过专利信息与产业情报的对接融合,开展石墨烯产业技术研发路线分析,研究了全球、全国、江苏省石墨烯热应用领域发展现状和技术方向。从产业结构、企业创新实力、科研人才储备、专利运营实力以及产业链分布等方面明晰了石墨烯热应用产业目前存在制约发展的瓶颈问题和制度障碍,全景式分析全省石墨烯热应用产业的发展定位、产业竞争格局、企业经营决策和技术创新方向,促进石墨烯应用相关企业的技术创新,为石墨烯热应用创新主体发展方向、定位和路径提供指引。

2、苹果全新iPad Pro配备石墨片散热

苹果公司在线上举办了春季新品发布会,发布了iPad Pro、iPad Air、Apple Pencil Pro三款主要硬件产品。其中,全新iPad Pro后盖配备石墨片,同时后盖logo加入了铜材料,将散热性能提高20%。宣称比之前配备M2的iPad Pro快4倍;比初代iPad Pro快10倍。

石墨烯导热膜以高烯单层氧化石墨烯为核心原料,拥有较高的二维导热均热性能、高柔软性、优异的耐弯折性以及厚度可定制等特点,主要被用作智能手机、平板电脑、汽车电子、航空航天等领域的散热材料。根据CGIA Research预测,2025年全球5G手机石墨烯导热膜市场规模有望达到26.4亿元,同时4G手机石墨烯导热膜市场规模有望达到3.6亿元,预计2025年石墨烯散热膜在智能手机的市场规模有望达到30亿元。开源证券研报指出,因石墨烯导热膜出色的柔韧性、耐弯折等特性,使其在折叠屏手机领域中具有很大的应用前景,预计随着未来石墨烯导热膜在折叠屏手机上技术逐步成熟,其需求量将同步增长。

来源:财联社

3、科学家实现3D打印石墨烯微型超级电容器构筑与单片集成

中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队与中国石油大学(华东)教授吴明铂团队合作,在3D打印石墨烯微型超级电容器研究方面取得进展,开发出适用于3D打印的高质量无添加剂石墨烯油墨,研制出高集成密度、高输出电压和高电压密度微型超级电容器。

该研究以电化学阳极剥离的石墨烯、甘油和水为原料,开发出无高分子流变剂、性价比高并具有高鲁棒性、环保性的3D打印石墨烯油墨。该油墨打印出的微型电极或器件不含高聚物等非活性材料,降低了其对储能及其他潜在应用领域的不利影响。该团队以EMIMBF4/PVDF-HFP离子凝胶为准固态电解质,提高了3D打印的石墨烯微型超级电容器的电化学性能,其面积比电容为4900mF/cm2,体积比电容为195.6F/cm3,面积能量密度为2.1mWh/cm2,体积能量密度为23mWh/cm3,且在3.5V高电压和100°C高温下实现了稳定的循环性能。此外,为了满足实际电子器件对高工作电压的要求,该工作实现了3D打印的单片集成微型超级电容器的高集成器件数、高集成密度、高输出电压和高电压密度等。上述成果有望为石墨烯在3D打印领域的商业化奠定科学基础并提供应用指导。

相关研究成果以Electrochemically Exfoliated Graphene Additive-Free Inks for 3D Printing Customizable Monolithic Integrated Micro-Supercapacitors on a Large Scale为题,发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到国家自然科学基金和大连化物所创新基金等的支持。

论文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313930

来源:中国科学院官网

4、石墨烯深度融合新能源储能行业,提升企业新品新质研讨会成功举办

为进一步推动石墨烯与新能源产业的深度融合,促进科技成果转移转化,5月9日,江苏省石墨烯创新中心联合常州市产科教联盟、江苏省石墨烯产业技术创新战略联盟、江苏省材料学会、江南石墨烯研究院、江苏省储能行业协会、常州市光伏行业协会成功举办了“石墨烯深度融合新能源储能产业,提升企业新品新质研讨会”。

武进区委常委、西太湖科技产业园党工委书记徐俊,科教城党工委副书记王元兵,省材料学会秘书长强星参加活动并发表致辞。来自市工信局、科技局、西太湖科技产业园等单位的相关领导,天津大学,中国科学技术大学,中科院苏州纳米所等高校院所的专家教授,石墨烯行业领军企业第六元素、杉元科技、富烯科技、碳索科技等,以及常州市在锂电、储能、光伏等领域代表企业参会。活动采取线上直播与线下互动相结合的方式,吸引了200余人共同参加。

石墨烯被誉为“未来材料”,石墨烯产业是新质生产力的典型代表,常州西太湖是全国石墨烯专精特新企业最集中的地区,已形成了从“设备研发─原料制备与应用研究─产品生产─下游应用”等完整的石墨烯产业链。石墨烯与储能产业的跨界融合为新能源储能领域带来了新的机遇,有望推动新质生产力的加速培育。

来源:江苏省石墨烯创新中心

5、石墨谷产业集团与黑龙江省石墨新材料科技有限公司签订战略合作协议

5月7日,石墨谷产业集团与黑龙江省石墨新材料科技有限公司进行座谈交流并签订战略合作协议;黑龙江交通发展股份有限公司董事长王海龙,黑龙江交通发展股份有限公司总经理傅世学,黑龙江省石墨新材料科技有限公司总经理胡浩,石墨谷产业集团董事长方振辉,石墨谷产业集团总经理刘智良等领导出席签约仪式。

此次签约,是双方构建双赢、可持续发展战略合作伙伴关系的集中体现;未来,石墨谷以持续发展为主题,积极探索新能源、新材料产业发展规律,抢占经济和科技竞争制高点,强化科技创新成果产业化;优化资源配置,培育和巩固核心产业,保持行业领先地位,为客户提供优质的产品和服务,建设和打造中国石墨产业第一谷;并为推动战略性新兴产业快速健康发展,为促进经济社会可持续发展做出贡献。

来源:黑龙江省石墨谷产业集团

资讯汇总4.29

1、上海浦东新区金桥(永安)产业园揭牌成立

4月24日,上海浦东新区金桥(永安)产业园揭牌仪式在永安举行。永安市政府与上海金桥管理局签署了浦东新区金桥(永安)产业园合作共建框架协议;三明埔岭汽车工业园区管委会分别与中材航特科技有限公司签订先进难熔金属新材料及半导体、航天航空器件制造项目意向协议,与凯纳新材料科技有限公司签订石墨烯和单壁/寡壁碳纳米管粉体建设项目投资意向书。

同时,中材航特科技有限公司、凯纳新材料科技有限公司等2家落地项目企业与鸿之微科技(上海)股份有限公司、上海交大纳米中心、上海国禾私募基金管理有限公司等3家上海企业进行交流推介。

来源:三明日报

2、中科纳米葛店科技创新产业集群综合示范项目落户湖北鄂州

湖北鄂州葛店经开区20日举行中科纳米葛店科技创新产业集群综合示范项目签约仪式,这个总投资20亿元的高科技项目落户葛店经开区。

该项目由中科纳米产业集团投资兴建,涵盖纳米金属粉体、纳米石墨烯、纳米气凝胶、智能无人机、智能无人车、智能机器人、氢能源汽车等龙头产业项目,配套建设院士专家交流中心、科技成果孵化基地和各产业上下游配套及关联产业等项目。

未来,中科纳米产业集团将在产业集群内孵化上市公司不低于1家,前3年引入6至8人次院士和专家到当地开展技术交流,前5年平均每年导入专利、技术不少于10项,全周期孵化3至5家优秀种子企业,助力葛店经开区打造省级以上重点实验室和新材料研发中心。

来源:新华网

3、江西国轩年产锂电池及PACK30GWH生产基地扩建项目环境影响报告表拟批准公示

根据建设项目环境影响评价审批程序的有关规定,经审议,我分局拟对江西国轩年产锂电池及PACK30GWH生产基地扩建项目作出批复决定。为保证此次审议工作的严肃性和公正性,现将该项目环境影响报告表的基本情况予以公示。公示期为2024年4月22日-2024年4月23日(2个工作日)。

听证告知:依据《中华人民共和国行政许可法》,自公告起五日内申请人、利害关系人可对上述拟作出建设项目环境影响评价文件批复决定要求听证。

联系电话:0795-3918056(环评科)

通讯地址:宜春经开区管委会春风路1号202(336000)

江西国轩年产锂电池及PACK30GWH生产基地扩建项目位于宜春经济技术开发区春顺路与宜云路交界处,中心地理坐标为:东经114°26′54.557″,北纬27°53′15.072″,项目西侧为宜春国轩电池有限公司一期项目,东侧为宜创路,北侧为春顺路,南侧为园区规划道路春和路,总占地面积573.01亩。本项目属新建工程,以磷酸铁锂、导电碳黑、石墨烯复合导电浆料、PVDF、NMP、石墨、SBR、CMC、勃姆石、涂碳铝箔、铜箔、陶瓷隔膜、电解液、高温胶带、电芯盖板、电芯壳体、电芯绝缘袋、PET绝缘膜、电芯顶盖贴片、双组分聚氨酯结构胶A、双组分聚氨酯结构胶B、PU泡棉、EVA泡棉-A、EVA泡棉-B、铁碳颗粒、双氧水为原辅料,经合浆、涂布、辊压、激光切、极耳预焊裁切、叠片、X-RAY超声焊、组装、激光焊、85℃烧烤、一次注液、静置化成、补液、封口、激光清洗、纯水清洗、分容、检测、分档等工序生产磷酸铁锂电池电芯;经电芯预处理段、模组堆叠段、涂结构胶、模组组装/焊接段、下线检验、半成品加工段、成品加工段进行PACK电池模组加工组装,建成年产20GWH锂电池及2条PACK生产线。

项目建设主要内容:新建1#-3#主体工程;1#-2#综合车间,12#-22#倒班房,储能电站,门卫室等辅助工程;1#-6#仓库、4#仓房、电解液仓库、NMP储罐等储运工程;供水、供电、空压制氮站、压缩空气、除湿系统、真空系统、纯水制备系统等公用工程;废水处理设施、废气处理设施、固废贮存间、噪声削减、环境风险防控工程等环保工程。

项目总投资515000万元,其中环保投资1894.5万元,占总投资的0.37%。

来源:宜春市生态环境局

4、深圳石墨烯创新中心获国家资质认证

近日,光明科发集团参股企业深圳石墨烯创新中心有限公司检测中心正式获中国合格评定国家认可委员会颁发的实验室认可证书,成为光明区石墨烯领域唯一一家获得CNAS资质的机构。

据了解,深圳石墨烯创新中心成立于2018年,是在广东省工信厅、深圳市政府及光明区政府的大力扶持下,由清华大学牵头,联合政府产业平台、高校、科研机构、民营企业和社会资本共同成立的混合所有制新型创新平台,并于2019年被授予广东省石墨烯创新中心。2022年,凭借突出的科技创新能力,通过国家高新技术企业认定。

据了解,该中心的综合检测分析能力,包括石墨烯材料晶体结构和比表面积以及粉末、微纳米材料比表面积、孔体积、平均孔径、孔分布、微孔体积、孔分布、物相定性分析和热失重检测等,将为石墨烯产业发展提供有力支撑。

来源:深圳新闻网

5、江苏省《石墨烯材料包装储运通用要求》5月3日起实施

近日,由江苏省工业和信息化厅提出,江苏省石墨烯标准化技术委员会归口的 《DB32/T 4723-2024 石墨烯材料包装储运通用要求》发布,于2024年5月3日实施。

《DB32/T 4723-2024 石墨烯材料包装储运通用要求》规定了石墨烯材料的包装、标志、储存、运输和安全要求,适用于石墨烯粉体、石墨烯浆料、石墨烯滤饼和石墨烯薄膜的包装储运。

其中,石墨烯薄膜(柔性衬底表面的石墨烯薄膜)包装方法:

  1. a) 在聚乙烯或聚丙烯塑料盒内贴附一层无尘纸,确保无尘纸平整、无皱褶;
  2. b) 将产品平放于聚乙烯或聚丙烯塑料盒内;
  3. c) 在产品四个直角表面粘贴胶带以固定产品;
  4. d) 将装有产品的塑料盒和干燥剂一同放置于防静电袋内,防止产品受到静电影响;
  5. e) 对防静电袋进行抽真空和热塑封口处理;
  6. f) 以纸箱进行外包装。

其他详见附件。

来源:智能制造网

6、宁波石墨烯创新中心有限公司采购石墨烯气凝胶毡中试线(前处理设备)项目结果公示

一、中标人信息:

标段(包)[001]石墨烯气凝胶毡中试线(前处理设备):

中标人:杭州华黎泵业有限公司 中标价格:984.4万元

二、其他:

1、招标公告发布日期:2024 年3 月 29 日

2、定标日期:2024 年4月 19 日

3、公示期:2024年 4月25日-2024年4月28日

来源:宁波中基国际招标有限公司

7、国家石墨烯创新中心举办石墨烯防腐涂料产业论坛暨宁波云涂新材料科技有限公司开业庆典活动

4月26日,石墨烯防腐涂料产业论坛暨宁波云涂新材料科技有限公司(以下简称“云涂新材”)开业庆典活动在国家石墨烯创新中心研发设计中心(富邦园区)圆满举行。来自全国各地近60位防腐涂料领域的院校专家、产业链上下游企业、行业协会代表齐聚一堂,探讨交流“新材料之王”石墨烯在防腐涂料行业的技术应用,并共同见证石墨烯改性工业重防腐材料工程技术中心揭牌。

开业仪式上,中国科学院宁波材料所研究员、国家石墨烯创新中心主任刘兆平致辞,他表示云涂新材的成立,是国家石墨烯创新中心在石墨烯工业重防腐领域技术成果转移扩散的标志性成果之一。面向国家需求和行业发展需求,秉持“聚焦需求,众筹众创,共建共享”的发展理念,石墨烯创新中心将为石墨烯产业发展提供技术支撑,推动石墨烯应用技术的落地,共同打造新质生产力。

同期,石墨烯防腐涂料产业论坛举行。中国科学院宁波材料所研究员、国家石墨烯创新中心副主任周旭峰,浙大宁波理工学院生物与化学工程学院副院长王进波,中国国际科技促进会涂层防腐技术创新分会秘书长殷岩勤,中关村华清石墨烯产业技术联盟副秘书长冯巧娜,宁波云涂新材料科技有限公司总工马金华,宁波云涂新材料科技有限公司总经理武天云分别作石墨烯技术与产业化发展、宁波涂料产业化发展、腐蚀联盟产业、石墨烯涂料标准分析、石墨烯改性工业重防腐涂料技术、工业重防腐涂料市场前景展望等报告。

来源:国家石墨烯创新中心

8、石墨烯制成迄今最薄心脏植入物

据发表在最新一期《先进材料》杂志上的论文,美国西北大学和得克萨斯大学奥斯汀分校领导的研究团队开发出由石墨烯制成的迄今最薄的心脏植入物。

这种新的石墨烯植入物在外观上类似于一次性文身贴,厚度不及一根发丝,但仍能像传统心脏起搏器一样发挥作用。与目前的起搏器和植入式除颤器不同,这种新设备可与心脏柔和地融合在一起,同时检测和治疗心律失常。它薄而柔韧,贴合心脏的细微轮廓,也有足够的弹性和强度,能承受心脏的跳动。

研究证明,在将该设备植入大鼠模型后,石墨烯“贴纸”可成功地感知不规则的心率,并通过一系列脉冲传递电刺激,而不会限制或改变心脏的自然跳动。此外,这种石墨烯植入物是光学透明的,允许研究人员使用外部光源通过设备记录情况和刺激心脏。

当心脏跳动过快或过慢时,就会发生心律失常。严重的情况下,心律失常可能导致心力衰竭、中风甚至猝死。医生通常使用植入式起搏器和除颤器进行治疗,这些设备可检测到异常的心跳,然后通过电刺激纠正心律。但是,它们不够柔韧灵活,可能会限制心脏的自然跳动,损伤软组织,造成暂时的不适,还可能引起并发症,如肿胀、穿孔、血栓、感染等。

在筛选了多种材料后,研究人员最终选择了具有优异生物兼容性的“神奇材料”石墨烯。石墨烯具有超强、轻质的结构和高导电性,在高性能电子产品、高强度材料和能源器件等方面具有潜在的应用前景。新的柔软、灵活的石墨烯植入物不仅不“显眼”,而且能直接与心脏紧密无缝地吻合,提供更精确的测量。

来源:科技日报

永清石墨烯研究院诚邀您参观CIBF2024第十六届重庆国际电池技术交流会/展览会

中国国际电池技术交流会/展览会(CIBF)”是由中国化学与物理电源行业协会主办的电池行业的国际性的专业技术交流会/展览会,是全球最具影响力的新能源展会之一,连续15次搭建高端交流平台。CIBF每两年一届固定在深圳举办,为带动行业发展,在两年之间,主办方增加了CIBF巡展。CIBF2024首次走进川渝,将于2024年4月27-29日重庆国际博览中心举行。14个展馆,近18万+平米,预计20万+观众参观。

诚挚欢迎您莅临展位参观洽谈!
研究院介绍

福建永安市永清石墨烯研究院有限公司成立于2018年1月,由永安市政府出资、联合清华大学深圳国际研究生院,共同建立的公共技术服务平台,是国家高新技术企业、科技型中小企业。永清石墨烯研究院座落在永安市石墨和石墨烯产业园,是国家先进电池材料产业集群海西区域产业工作组,并列入产业集群检测技术分析平台,被福建省科技厅列为省级科技创新平台,也是三明市政府支持的三明市重大科技创新平台。永清石墨烯研究院依托清华大学在石墨烯及新能源储能材料领域的研发、技术、人才优势,为福建省石墨烯产业集群企业及相关高校和研究机构提供检测分析、研发设计、工艺开发、中试孵化、成果转化等技术服务。
永清石墨烯研究院在各级政府支持下、同各大石墨烯实验室、研究院等单位紧密合作,通过资源整合、共建共享,建设检测认证中心、技术开发中心和创业服务中心,打造功能全、智能化、数字化检测分析和中试研发平台,建设面积达2400平方米。
永清石墨烯研究院始终围绕服务石墨烯等新型碳材料的产业化创新,与清华大学深圳国际研究生院、北京石墨烯研究院、厦门大学、福州大学、深圳贝特瑞股份有限公司、深圳清新电源研究院、CSTM等数十家单位建立广泛的合作联盟。

碳 /碳复合材料的发展及应用研究

摘要

碳/碳复合材料作为新型结构材料具有优异的力学性能、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性 能,在较宽的温域范围内拥有较好的抗蠕变性能和较高的强度保留率,是新材料领域重点研究和开发的一类战略 性高技术材料。

本文阐述了碳/碳复合材料的优势以及综述了碳/碳复合材料的发展阶段,重点针对航空航天、光 伏产业、汽车、半导体、工业领域以及生物医学等领域进行应用探索,本文认为碳/碳复合材料正从过去的双元 复合逐步向多元复合的方向发展,未来碳/碳复合材料会向多功能复合材料方向发展,其应用领域也将更加广泛。

引言

碳/碳复合材料(C/C) 是以碳纤维或石墨为增强体的碳基复合材料,具有优异的力学性能,如高温下的高强度和模量,尤其是其随温度的升高, 强度不但不降低反而升高的特性,以及高断裂韧性、低蠕变等性能,加之具备具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐热冲击以及耐烧蚀等优异性能,在较宽的温域范围内拥有较好的抗蠕变性能和较高的强度保留率,是新材料领域重点研究和开发的一类战略性高技术材料。碳/碳复合材料的主要缺点是抗氧化性低,在高于900℉ (482℃) 的温度下与氧气发生反应,通常采用防护层等方法提升氧化保护。碳/碳复合材料是目前3000 ℃以上仍保有结构强度的唯一材料,其理论最高使用温度高达3500 ℃,由于其独特性能表现,已广泛应用于航空航天、汽车、光伏、半导体等领域。

碳/碳复合材料的发展史

全球碳/碳复合材料发展基本划分三个阶段: 从碳/碳复合材料发明到20世纪60年代中期,为基础工艺研究阶段; 从 20世纪60年代中期到90年代中期为应用开发阶段,主要应用于航空航天等领域; 90年代中期到2010年,为碳/碳复合材料民用领域开发应用阶段。2010年至今未发展成熟期,基本实现了应用的规模化和批量化。1958年美国 CHANCE VOUGHT实验室进行碳/ 酚醛实验时失误导致得到碳基体,碳/碳复合材料首次出现是航空实验室。

碳/碳复合材料一经问世 便受到世界科技工作者的广泛关注。60 年代末期,碳/碳复合材料发展成为工程材料,由于生产周期长,工艺过程复杂以及生产成本高,使碳/碳复合材料广泛应用受到了根本性的制约。70年代,伴随着现代空间技术对运载火箭、超高声速飞行器、固体火箭发动机及其喷管、喉衬等对材料性能要求不断提高,美、法、英、德、前苏联等国家相继对碳 /碳复合材料进行了研究,推出了碳纤维多向编织 技术、碳/碳复合材料致密化工艺,如高压液相浸渍工艺及化学气相浸渗法 ( CVI) 等不断发展并趋于成熟,为制造、批量生产和应用开辟了广阔的前景。20世纪80年代,碳/碳复合材料研究更加活 跃,在性能提高、快速致密化工艺研究及扩大应用等方面取得很大进展。美国橡树岭国家实验室及法国原子能委员会分别提出的热梯度强制流动 ( FCVI) 法及化学液相气化渗透法,大幅度缩短了传统等温 CVI 工艺的制备周期,大大提升了材料的制备 效率。同时,碳/碳复合材料抗氧化烧蚀技术也得到了应用,如美国NASA 将SiC /HfC 多层复合涂层碳/碳复合材料应用于 X-43A 高超声速飞行器的头部前缘和水平尾翼前缘上,该飞行器连续两次成功实现了6. 91Mach 和9. 68Mach的飞行试验。除了在国防、军事领域取得成功应用外,碳/碳复合材料在民用刹车盘方面也取得了规模化生产,全球最大碳盘生产公司有英国的BP公司、美国的Bendix、Goodrich和 Goodyear公司,法国Messier公司以及英国Dunlop公司。20世纪90年代开始,碳/ 碳复合材料成为了关键新材料之一。目前国外碳/ 碳复合材料研究主要集中在低成本制造、特殊环境材料失效行为、微尺度性能数据库以及在线损伤检测等方面,应用向精细化和多功能化发展,研究工作趋于细观和微观领域。

碳/碳复合材料的应用

航空航天应用

碳/碳复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景,已用于战略导弹端头、空天飞行器头锥、机翼前缘、热结构舱段,导弹发动机燃烧室、扩张段、喉衬以烧蚀环、防热/隔热部件,飞机制动盘,兵器火箭弹喉衬、喷管和机械紧固件等。2020年我国航天在新型火箭首飞、卫星导航系统、月球与深空探测与商业航天等领域取得了重大成就,航天产业飞速发展带来强大的市场需求。

飞机刹车制动盘

碳/碳复合材料产业化最成功的典型代表是碳/碳复合材料航空制动盘,飞机刹车盘为碳/碳复合材料在航空航天领域的主要应用方向,50%以上的碳/碳复合材料用于飞机刹车装置。碳/碳复合材料制作的飞机刹车盘重量轻、耐温高、比热容比钢高 2. 5 倍; 同金属刹车材料相比,可节省 40%的结构重量,使用寿命可提升5 ~ 7 倍,刹车力矩平稳,刹车时噪声小。华兴航空机轮公司、兰州碳素厂等单位是国内较早开展相关工作的单位。20世纪90年代以来,国内碳制动盘取得长足发展,我国军机陆续换装碳制动盘。2004年中南大学黄伯云院士及团队完成的碳/碳飞机制动盘项目首次成功应用于南方航空公司的A320飞机,获得国家技术发明一等奖。2005年2月西安超码科技有 限公司研制的B757-200型制动盘在上海航空股份有限公司的B757-200型飞机上使用,并成为国航西南公司、上海航空股份有限公司( 前)的唯一指定制动盘供应商。以博云新材为代表的碳/碳复合材料龙头企业已经成功地承担了我国大飞机C919刹车系统的生产。

我国碳制动盘市场需求量在不断上升,飞机刹车盘为高耗材产品,可分为粉末冶金、碳/碳及复合材料三类,粉末冶金刹车盘仅 250次起落就需更换,而碳/碳刹车盘性能优良可靠性 高,更换次数可达1,000次起落( 约飞行 3 年) ,现阶段广泛应用新型号飞机、军民用飞机刹车盘 ( 副) ,后续将成为飞机刹车盘的主流材料。根据中商产业研究院预测,2021年我国民用飞机总数量和民用运输飞机数量分别可达7,567架和4,457架。按照一个主机轮配置4 个碳/碳刹车盘,以及新飞机刹车盘1: 1.5配置、旧飞机刹车盘1:1配 置,未来我国刹车盘市场需求接近74244个,预计到2025年我国碳/碳刹车盘市场容量将超过45亿元。

热防护结构

在航空航天领域中,当飞行器进入大气层,摩擦产生的大量热将导致飞行器受到严重的烧蚀。为了降低飞行器烧蚀,需要构建有效的防热体系,如航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。纤维增强陶瓷基复合材料 ( CMC) 是制作抗烧蚀表面隔热板的较佳候选材料之一。推重比15-20高性能航空发动机的涡轮前温度将达到2200 K以上,连续纤维增韧陶瓷基复合材料耐温高,密度低,具 有类似金属的断裂行为,对裂纹不敏感,不发生灾难性的损毁,可代替高温合金作为热端部件结构材 料。CMC 的应用使发动机大幅度减重,节约冷却气或无需冷却,从而确保发动机高推重比的有关性能。美、英、法等发达国家以推重比9-10发动机 (如F119、EJ200、F414等) 作为CMC的验证平 台,主要验证的部件有SiC基CMC的燃烧室、涡轮外环、火焰稳定器、矢量喷管调节片和密封片,甚至整体燃烧室和整体涡轮等构件。碳化硅( SiC)基 CMC的关键制造技术包括纤维预制件的设计和制造、SiC 基体的致密化技术、纤维与基体间界面层和复合材料表面防氧化涂层的设计与制造以及构件的精密加工等。目前,欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用的飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料,C/SiC复合材料是其研究的一个重要材料体系,并已达到很高的生产水平。波音公司通过测试热保护系统大平板隔热装置,也证实了C/SiC复合材料具有优异的热机械疲劳特性。国内碳/碳复合材料产业化最早、目前在国防上应用及产业化程度最高的属固体火箭发动机用碳/碳复合材料喷管喉衬。1984年西安航天复合材料研究所研制的碳/碳复合材料喉衬材料成功参与我 国第一颗通讯卫星的发射,填补了碳/碳复合材料在国内喉衬领域应用的空白,西安航天复合材料研究所成为我国较大的固体火箭发动机壳体、喷管的研发生产基地。上海大学研制的各类碳/碳复合材料喉衬,在长征二号捆绑式火箭发动机、铱星、亚 星二号以及艾克斯达一号卫星发射中用于近地点发动机均获圆满成功。西北工业大学实现了高性能CVI沉积碳/碳复合材料喉衬的制备和批量生产,研发了 10余种型号的喉衬产品,成功应用于兵器、 航天等领域。在航天热防护材料及航空发动机热结构部件方面,北京航天材料及工艺研究所、西安航天复合材料研究所、中南大学、西北工业大学等单位均具备生产碳/碳复合材料大型复杂构件的能力。西北工业大学研制的碳/碳前缘模拟 件,在气流总焓为2650kJ/kg、气流速度为2040m/s的高超声速电弧等离子风洞中经历三次700s循环考核(累计时间2100s)后线烧蚀率仅为8.1×10-5 mm/s;研制的带涂层喷管试件在1600 ℃燃气风洞冲刷环境下抗氧化时间超过300h,可满足多方面的应用需求。

光伏行业

碳/碳复合材料在太阳能领域作为单晶硅炉、多晶硅铸锭炉及氢化炉热场材料使用。热场是用在光伏硅片拉晶过程中的耗材。光伏行业发展前期,其单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨。石墨热场系统产品具有成本高、供货周期长、依赖进口等特点,阻碍了光伏行业降成本、扩规模的发展进程,特别是随着单晶硅拉制炉的容量快速扩大,其已经从 2011年的16-20in热场快速发展到现在的26in和28in 热场,而等静压石墨作为由石墨颗粒压制成型的脆性材料,已经在安全性方面不能适应大热场的使用要求,在经济性方面也已经落后于碳/碳材料。随着国内先进碳基复合材料制备技术的发展,先进碳基复合材料成为降低硅晶体制备成本、提高硅晶体质量的最优选择,正逐步形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的升级换代,目前主要应用于单晶拉制炉和多晶铸锭炉的热场材料。光伏行业竞争激烈,成本压力显著,碳/碳复合材料相比传统石墨材料具有更优异的保温性能、更高的强 度、更好的韧性,且不易破碎,可有效降低生产能耗、提升设备使用寿命,从而降低整个生产的成 本。碳/碳复合材料的可设计性很强,可以根据产品结构需要编织出任意尺寸和形状的增强体,其在光伏行业的应用主要包括 : 多晶硅氢化炉用内、 外保温筒、U 型加热器、保温板,多晶硅铸锭炉用盖板、坩埚护板、坩埚底托、保温板,直拉硅单晶炉用坩埚、导流筒、发热体、盖板、底托、内外保温筒等。目前,光伏行业用的碳/碳复合材料保温筒、发热体、导流筒、坩埚等在中环光伏、西安隆基、保利协鑫、昱辉阳光等企业都有所应用。西安超码科技有限公司、湖南南方博云新材料有限责任公司等单位在硅晶体生长炉碳/碳热场方面具备一定的 产业化规模。

汽车领域

在汽车制造领域,电动车轻量化、高端化趋势下,碳陶刹车盘有望批量导入碳/陶复合材料性能优异,刹车制动领域应用前景广阔。汽车和高速列车的刹车材料经历了从铸铁、合成材料、粉末冶金材料到碳/碳复合材料和碳/陶复合材料的发展。碳/陶复合刹车材料是在碳/碳复合刹车材料的基础上,引入具有优异抗氧化性能的碳化硅陶瓷硬质材料作为基体的一种刹车材料,既保持了碳/碳复合刹车材料密度低、耐高温的优点,又克服了碳/碳刹车材料静摩擦系数低、湿态衰减大、摩擦寿命不足及环境适应性差等缺点。相较于铸铁、粉末冶金等传统材料,碳/陶复合材料作为具有更好制动性能、更轻量化的摩擦制动材料,预计在新一轮的新能源汽车升级换代中拥有广阔的市场应用前景。(1) 更轻的簧下质量,提高续航里程车辆簧下质量减轻1kg相当于车身上减少5kg的效果。以380mm一对碳陶刹车盘重量为12kg,而一对380mm灰铸铁制动盘为32 kg为例,悬挂以下减少20 kg,相当于悬挂系统以上减少100kg重量效果。新能源电动车可以大幅提高续航里程。(2) 无高温衰减,更稳定的制动性能 一般来说,行驶中反复踩刹车将导致制动能力因为受热而明显损失。碳/陶材料刹车盘能够承受至少1650 ℃ 的高温,在高温环境中具有非常优异 的制动稳定性,可有效防止制动能力因为高热而衰减情况的发生。(3) 更短的制动距离,更长的寿命碳/陶材料制动产品具有稳定的摩擦系数,制动过程柔和,制动曲线平稳,刹车距离缩短30%。常规铸铁刹车盘使用寿命为10万公里,碳/陶刹车盘有非凡耐用性,正常使用终生免更换。2001年保时捷首次将碳/陶制动系统应用于汽车,装配在911GT2 型跑车上,911C4S从2002年11月提供选配。其他知名品牌汽车也陆续开始通过采用这一创新型刹车技术来提高车辆安全性并改善踏板舒适度。但 受限于碳/陶成本高,价格极其昂贵,例如全球知名的制动系统制造商Brembo提供的碳/陶刹车盘价格在12-16万元不等,此前应用仅限于部分高端跑车或改装车领域。新能源汽车高速发展,碳/陶材料有望迎来新机遇。轻量化可以有效提升整车的操控性和动力性,提高车辆的加速度性能,缩短刹车制动距离。电动车虽然没有传统的发动机和变速箱,但其携带的动力电池组在整车质量中占了很大比重。电动车想要提高性能,并超过燃油车,就必须发展轻量化结构。当纯电乘用车每减重10% ,电耗将会下降5. 5% ,续航里程也增加5. 5% 。碳/陶刹车盘可以有效降低簧下质量,提供更好的控制感和刹车体验。

半导体领域

碳化硅适用于高频、高压、大功率器件,将受益光伏风电、新能源汽车需求增长。碳化硅作为第三代半导体的核心,拥有较宽的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速率、较强的抗辐射导热能力等优点,是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。SiC功率器件将极大提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率,主要应用领域包括5G 通讯、国防应用、航空航天、电动汽车/充电桩、 光伏新能源、轨道交通、智能电网等。随着国内外新能源车和光伏发电等下游需求不断增长,对功率器件和衬底材料的功率及频率适用性要求也不断提高,SiC衬底的市场规模有望快速增长。SiC衬底占器件成本的50% ,一般采用PVT法制备。SiC衬底的制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大环节,约占SiC器件制造成本的50% 。SiC单晶制备又是衬底的基础,目前国内主流商用SiC单晶生长均采用物理气相传输法( PVT),将SiC高纯粉末放置在圆柱形致密的石墨坩埚底部,SiC籽晶放置在坩埚锅盖附近,坩埚通过射频感应加热至2300℃-2400℃,并有石墨毡或多孔石墨绝热,通过选择合适的频率避免对该绝热层直接加热。籽晶温度设定在比源温度低约100 ℃,这样使升华的SiC物质可在籽晶上凝结并结晶。PVT工艺难度较高,未来仍需进一步降低成本。

其他领域

在工业领域,碳/碳复合材料可作为柴油机活塞、连杆材料、高温紧固件等使用,碳/碳复合材料柴油机部件可使其使用温度由原来的300℃提高至1100 ℃,同时其密度低,减少了能量的损失,热机效率可达48% ; 由于碳/碳复合材料热膨胀系数较低,在有效温度内可不使用密封环等材料,简化了构件结构。由于碳/碳复合材料具有与人工骨相近的弹性模量及生物相容性,具有广阔的应用前景。最早临床用碳质人工骨由吉林碳素厂研究所提供,碳质人 工骨包括: 碳质股骨头、股骨上下端、桡骨上下端、下颌骨、颅骨、肋骨等10余个品种。山东大学研究发现: 碳/碳复合材料有利于促进骨组织的生成,并且在碳/碳表面制备 CaP涂层效果更佳显著。由于未经处理碳/碳复合材料为生物惰性材料,为使其具有一定的生物活性,必须对其进行表面处理。西北工业大学进行了系列羟基磷灰石(HA)涂层研究,很好地解决了碳/碳复合材料的生物惰性问题。

结语

总之,碳/碳复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀等优点,在航天航空、光伏等行业领域应用广泛。碳/碳复合材料正从过去的双元复合逐步向多元复合的方向发展,未来碳/碳复合材料会向多功能复合材料方向发展,其应用领域也将更加广泛。

来源:纤维复合材料

作者:迟波,于博

 

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

石墨烯改性纤维是一种通过将石墨烯材料与各种化纤复合,以提升纤维性能的新型功能性纤维。石墨烯因其独特的物理和化学性质,如高导电性、高强度 、良好的热稳定性等,被广泛应用于纺织领域,用于提高纤维的机械性能、电学性能、热学性能等。

SN/T 1690.3-2019
新型纺织纤维成分分析方法 第3部分:石墨烯改性纤维的定性鉴别

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

范围:石墨烯改性锦纶纤维、石墨烯改性粘胶纤维和石墨烯改性聚酯纤维的定性鉴别。

鉴别方法:

  • 显微镜法:生物显微镜观察纤维的纵面与横截面。
  • 溶解法:通过将纤维溶解,观察溶解情况进行鉴别。
  • 拉曼光谱法:不同物质有不同的拉曼光谱图。利用这种原理,将未知纤维与已知纤维的拉曼光谱进行比较来区别纤维的类别。

特点:为石墨烯改性纤维提供了明确的鉴别方法,有助于确保产品质量和一致性,但可能存在精确度不足等问题。

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

石墨烯改性纤维横截面和纵面形态特征表

T/CCFA 00012-2022
纤维中石墨烯材料定性鉴别方法

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

范围:适用于聚酰胺6纤维或聚酯纤维中石墨烯材料的定性鉴别方法。

鉴别方法:

  1. 先通过拉曼光谱判断纤维中是否存在碳材料,即当G峰存在时,基本可认为是含有sp2共轭结构的碳材料,呈现明显G峰则证明为主体为碳材料。
  2. 其次利用原子力显微镜,通过定量测定样品的厚度和高度信息,从而可以判断是否为二维材料:当材料的横向尺寸为纵向尺寸的10倍及以上为二维材料
  3. 最后由X射线在晶体物质中的衍射效应进行物质结构分析的技术,特别适合于表征石墨烯材料的层间距、还原程度和堆叠状态。

X 射线衍射曲线满足“在26°~27°无明显峰或衍射峰半峰宽大于 2.3°,判定为“推测该纤维含石墨烯材料”。

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

特点:该标准采用了多种技术手段进行综合鉴别,提高了鉴别的准确性和可靠性。与此同时,这种综合方法可能会面临增加测试的成本和复杂度等问题。

T/CNTAC 21-2018 
纤维中石墨烯材料的鉴别方法 透射电镜法

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

范围:

规定了透射电镜法鉴别纤维中石墨烯材料的试验方法,包括溶解提取超薄切片两种制作试样的方法。

其中,溶解提取法适用于主体材料能够被溶解的纤维,超薄切片法适用于易制成超薄切片的纤维。

鉴别方法:

通过溶解提取和超薄切片制作试样,利用透射电镜测试聚集体 C 原子含量,从边缘观察其层数,对聚集体进行定性分析。

含有石墨烯材料聚集体数量占选取聚集体数量的百分含量≥60%时,可判断该纤维含石墨烯材料。

特点:能够直观地观察到石墨烯材料的存在,对于易制成超薄切片的纤维尤其适用。但透射电镜法可能需要专业的设备和技术知识,且对样品的处理过程较为繁琐。

T/CNTAC 70-2020
纤维中石墨烯材料的定量分析 元素分析法

标准解读||究竟如何鉴别纤维中的石墨烯材料?

范围:适用于含石墨烯材料的聚酯纤维、聚酰胺纤维和粘胶纤维及由其构成的面料,含石墨烯材料的其它纤维及其构成的面料可参照执行。

鉴别方法:

首先需按T/CNTAC 21对样品进行定性测试,确定样品含石墨烯材料

将含石墨烯材料的纤维样品溶解,通过高速离心分离后提取离心管中的残留物质,再利用元素分析仪对残留物质中碳元素定量分析,最终确定纤维中石墨烯材料的含量。

特点:可检测出纤维中石墨烯材料的含量,且具有一定的准确性和可靠性,但测试方法较复杂、测试成本增加。

 

来源:石墨烯材料标准化与检测评价

资讯汇总4.22

1、常州西太湖(深圳)协同创新中心启动

常州西太湖(深圳)协同创新中心4月13日在深圳启动。中心将通过构建高效协作的平台载体,推动双方在产业链、创新链、资金链方面深度融合,打造“政产学研资”紧密合作的创新生态。

常州西太湖(深圳)协同创新中心设在深圳麦科田生物医疗技术股份有限公司。常州西太湖科技产业园派出相关工作人员常驻中心,与深圳企业深入对接,推进产业创新联动,同时为在常落地的深圳企业提供前沿服务,搭建互利共赢的桥梁和纽带。

来源:常州日报

2、北京锚定重点产业 打造绿色低碳新动能

近日,北京市经济和信息化局发布《北京市促进制造业和信息软件业绿色低碳发展的若干措施》,将大力推进产业绿色低碳转型,通过梯度培育促进制造工厂全面绿色达标。

《若干措施》提出,加强氢能、储能领域先进技术、材料和装备研发,加快新型电力系统技术研发应用,推动产业化项目落地;大力发展新能源智能网联汽车,聚焦纯电动、氢燃料电池、智能网联等新兴领域,支持多品种、多技术路线并行发展;推动工业互联网、大数据、人工智能、第五代移动通信等新兴技术与绿色低碳产业深度融合,形成产业增长新动能。

随着技术创新,一批绿色的未来产业也正在崛起。本市将培育碳捕集封存利用产业,推动石墨烯在新能源、节能环保领域规模化应用,氧化镓材料在光伏、风电、新能源汽车等方向应用,超导材料在加速器、单晶硅制造等领域的推广应用。“我们将充分发挥绿色金融支撑引导作用,推动制造业和信息软件业企业绿色低碳转型升级。”相关负责人说。

来源:北京日报

3、海虹老人创新石墨烯技术产品首次为风电项目提供防护

苏州格瑞丰的战略合作伙伴—海虹老人,首次将创新石墨烯技术产品规模应用于风电项目。替代传统环氧富锌,为客户风电塔筒提供长效防护。

海虹老人创新石墨烯技术产品——老人牌环氧石墨烯锌粉底漆540,首次实现风电项目的规模应用,替代传统环氧富锌漆,为客户风电塔筒提供长效防护。

老人牌环氧石墨烯锌粉底漆540优异的性能得到了明阳智能的认可,并最终成功应用于华润电力梧州藤县天平200MW风电储能一体化项目,为该项目40台5MW风机塔筒提供防护。

来源:苏州格瑞丰graphene石墨烯

4、产业合作||石墨烯农业技术交流与合作研讨会成功举办!

2024年4月17日,由华清石墨烯联盟与北京现代温室产业协会共同组织、北京鑫福农业承办的石墨烯农业技术交流与合作研讨会,在北京市通州区永乐店镇大务村村史馆顺利召开。

来自北京市农业技术推广站、北京现代温室产业协会、北京鑫福农业、北京十玉兴邦农业、北京新希望、北京绿能嘉业、北京石墨烯研究院、苏州高通、宁波烯材、南京源昌、深圳华烯等近30名与会代表参与了本次会议,联盟秘书长 戴石锋主持会议。

(1)与会单位一致同意筹建石墨烯农业技术合作委员会,该委员会由农业公司牵头,拥有各种农业技术的石墨烯企业参与。农业公司负责农业技术需求的提出,积极示范应用有价值的石墨烯农业技术,定期反馈示范应用的数据和结果。此外,该委员会根据大家的需求,组织石墨烯农业技术研讨会、推广会及行业自律建设,石墨烯联盟将安排专人负责收集分享石墨烯农业技术的最新动态、委员会内企业的互助合作等,助力形成良好的石墨烯农业技术产业合作生态。

(2)鑫福农业愿意担任拟筹建的石墨烯农业合作专委会的第一届牵头单位,立即开始示范应用本次会议中部分企业分享的农业技术,并按照专业的数据采集方法记录,反馈给石墨烯联盟。对于具有广泛应用价值的石墨烯农业技术,鑫福农业公司也有兴趣与石墨烯企业一起向北京地区其他有需求的农业公司进行推广。

来源:石墨烯材料标准化与检测评价

5、松绑减负、轻装快跑,北京科研“包干制” 掷地有声

2016年,北京市政府大胆创新,与北京大学共同支持中国科学院院士、北京大学纳米科技研究中心主任刘忠范牵头成立北京石墨烯研究院,开展石墨烯关键共性技术及工程化攻关。

据北京市科委、中关村管委会相关负责人介绍,北京石墨烯研究院正式运行时,北京市就设置独立科技专项,逐年滚动支持研究院开展技术攻关、人才培养、平台搭建,打造坚实的石墨烯优势基础,保障研究院发展“生命线”,让科研人员得以持续、稳定地开展研究工作。

随着北京石墨烯研究院成为首个“独立法人研发机构科技专项”的经费“包干制”试点,研究院300多名科研人员创新活力被进一步激活。

北京石墨烯研究院院长刘忠范介绍,北京市科委、中关村管委会将项目选择权交给了研究院,只按“负面清单”进行管理。研究院不再需要将每个项目都向北京市科委、中关村管委会进行申请,也不再需要单独编制预算,而是可以按发展方向进行总体布局,改变了过去有可能存在的研究碎片化的问题。

与研究院同步成立的北京石墨烯研究院有限公司,2022年也实现全年营收6000余万元,较2021年提升超过5倍,并先后获得“国家级高新技术企业”“中关村高新技术企业”、北京市“专精特新”企业等多个荣誉称号,产业化发展迈上快车道。

2023年3月,北京石墨烯研究院首轮“包干制”项目通过专家验收,并被评为优秀。

“设立不能触碰的‘红线’,经费使用大胆放权。”在刘忠范看来,“包干制”就是适应科研活动特点和科研创新规律的政策。

6、国家石墨烯创新中心举行石墨烯产业技术应用对接会

4月18日,为加强与企业的技术交流及合作,促进石墨烯产业技术成果转移扩散和助力传统产业创新发展,国家石墨烯创新中心举行石墨烯产业技术应用对接会。

座谈会上,氮化物半导体功率外延片项目、石墨烯RFID电子标签项目、石墨烯改性涂料项目、石墨烯铜线项目等项目总监分别作技术成果及应用领域介绍。企业代表表达了企业转型升级,产品迭代过程中对创新技术及寻求合作的需求和想法。现场,与会人员就应用方向、市场需求、技术细节等进行交流和探讨。

来源:国家石墨烯创新中心