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易倍体育emc院士报告厅|刘忠范:石墨烯等新材料产业发展的底层逻
发布时间:2024-05-24 10:20:16 来源:emc全站官网 作者:emc全站网页版

  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。

  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。

  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。

  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年始,碳纤维开始在飞机上使用,例如波音777的尾翼等。线的合同。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年建成中试生产线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。

  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。

  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。

  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%。

  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。

  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。

  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。

  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。


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