山西省碳基新材料创新发展研究

许 阳

（太原理工大学材料科学与工程学院， 山西 太原 030024）

0 引言

随着科技的进步，碳基材料作为工业基础材料，因其具有密度小、刚度好、强度大、高导热、高导电、耐高温、耐烧蚀、抗辐射、抗疲劳、抗化学腐蚀等优异性能，目前已被广泛应用于航空航天、国防军工、工业、农业等生产生活各个领域[1]，成为各国新材料产业发展中不可或缺的部分。山西省具有丰富的煤炭、石墨资源优势以及相关的研发和产业基础，为发展壮大碳基材料产业创造了良好的条件。

1 国际碳基新材料发展现状

全球碳基新材料生产制造和技术研发主要集中在美国、德国、日本、韩国等国家，呈现出专业化、复合化、精细化、智能化、绿色化特征，这些地区的大型跨国公司，在经济实力、核心技术、研发能力、市场占有率等方面占据绝对优势和垄断地位。

高端炭材料以日本东丽、德国西格里、韩国可乐丽等为代表，碳纤维、石墨烯、超级电容碳等产品均处于国际领先水平，具有产品牌号齐全、性能良好、批次质量稳定的特点。随着全球经济发展，航空航天、建筑工程、交通运输、能源等领域对高端炭材料的需求将越来越旺盛，碳纤维、石墨烯、超级电容碳等产品高性能化、质量稳定性和低生产成本相关技术的研发与产业化将成为主要发展方向。

碳基合成新材料以美国陶氏、杜邦、日本三井化学、荷兰壳牌、德国巴斯夫等为代表，主要产品高端聚烯烃材料、全合成化学材料、高性能工程塑料与纤维材料等生产工艺控制精准，其产品长期占领国际市场。碳基合成新材料是现代工业、农业、信息、能源、交通、航空航天、海洋等多个领域不可或缺的新型材料，市场需求将稳步增长，茂金属聚乙烯、聚酰胺66、光学聚酯薄膜等高端材料在一段时期内仍将处于国外垄断状态[1]。

2 国内碳基新材料发展现状

2.1 发展现状

“十三五”以来，随着自主创新能力不断提升，我国碳基新材料部分关键材料与技术取得重大突破，部分产品产能规模实现了快速增长，总量和年均增速居世界领先。包括国产T800 级碳纤维关键制备a 技术、超高分子量聚乙烯制备技术、全合成润滑油及高端油蜡制备等技术，形成光威复材、山西钢科等千吨级碳纤维生产企业，涌现出的碳基合成新材料代表企业有中石化、万华化学、恒逸石化、恒力石化、潞安集团等，建设了清华大学、大连化物所、中科院山西煤化所等众多创新平台。在高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料的基础上，实现了性能赶超同等栅长硅基CMOS 技术的电路和晶体管，碳基材料领域正蕴藏着全新机遇。目前，国内研究机构在碳基材料（碳基半导体）领域取得了较为显著的研究进展，基本解决了碳基半导体材料制备的材料密度、纯度和面积问题。

2.2 比较优势及存在差距

石墨烯依托大连化物所、中科院山西煤化所等创新平台，在制备及应用技术方面达到国际先进水平，煤基油蜡加氢精制技术进步使得全合成润滑油打破国际垄断，实现与石化路线的差异化发展。未来我国在航空航天、工业、农业、建筑等众多领域市场需求持续增加，为碳基新材料提供了广阔的发展空间。未来碳基技术有望全方位影响现有半导体产业格局。目前，我国碳基芯片的基础研究方面已迈入全球发展前列，有望通过发展碳基芯片，实现中国芯的弯道超车。

但与国际先进水平相比，在技术及装备方面，我国仍存在较为明显的差距。存在原始创新能力弱、高端产品少、产品质量不够稳定问题，“卡脖子”技术尚未突破。目前，我国碳纤维树脂基复合材料方面缺乏碳纤维高端产品，大规模工业化生产成套工艺与装备研发能力不足，制造工艺装备仍比较落后。国产碳纤维在自主创新、产品产量、生产成本、质量一致性等方面与日本东丽公司相比，还存在较大差距。聚烯烃方面，C6（己烯）以上α- 烯烃高端产品，北美、西欧及日本占据市场主导，国内多为普通聚烯烃牌号产品。据中国产业信息网分析，我国高端聚烯烃自给率仅为40%。聚酰胺方面，聚酰胺6 实现了产业化，聚酰胺66受制于原料己二腈及己二胺的技术壁垒，仍然依赖进口。我国的碳素产业缺乏龙头企业的引领，研发水平较为薄弱，还存在低水平的重复建设和市场不良竞争。

3 山西省碳基新材料产业发展情况

新材料产业是基础性、战略性产业，被誉为制造业“底盘”，对推动技术创新，带动传统产业升级，建设制造强国具有重要战略意义[2]。山西依托资源禀赋及煤化工、焦化相关的研发和产业基础，高端炭材料及部分碳基合成新材料研究开发及产业化实践取得积极进展。截至2022 年底，山西省碳基新材料规模以上工业企业72 户，营业收入328 亿元，占比全省新材料产业营业收入15.6%，重点企业有山西钢科、潞宝兴海、潞安太化、三元碳素、大同新成等。

3.1 产业发展现状

3.1.1 基础能力不断提升

多年来，山西大力推进碳纤维、电容碳、石墨烯等碳基新材料及其功能材料等相关产业发展，优化产业经济结构，转变经济发展方式，加快破解制约资源型经济转型的结构性矛盾，蹚出了一条转型发展的新路。山西已探明阳泉、晋城无烟煤储量470 亿t，约占全国无烟煤储量的39.6%，是制备新型碳材料的首选原料。山西焦化产业产能产量位居全国首位，焦化副产品煤焦油、焦化苯、焦炉煤气产能分别为300 万t、100 万t、200 亿m3，是碳基新材料产业的重要原料基础。山西煤制油、煤（焦炉煤气）制甲醇、煤制乙二醇等现代煤化工产业为发展碳基新材料产业奠定了较好基础。山西煤炭分质分级利用技术探索及产业示范，有望成为油气资源的重要补充，为碳基新材料产业提供更丰富的原料来源。

3.1.2 技术难题有所突破

煤气化是碳基新材料产业的主要出发点，阳煤化机与清华大学合作研发制造晋华炉，基本解决了高灰熔点煤和低浓度水煤浆气化能耗高的难题。

高端炭材料方面，中科院煤化所突破了国产T800 级碳纤维的关键制备技术，基本实现了百吨级稳定生产，主体力学性能达到日本东丽同类产品水平，已被应用于航空航天领域，同时，还突破T1000 碳纤维实验室制备技术及石墨烯等储能材料规模化生产核心技术，组装了超级电容器、锂离子电池和锂硫电池等储能器件，形成电动汽车、道钉灯和无人机等应用示范，构建了“料—材—器—用”创新链、供应链[3]。

碳基合成新材料方面，潞安集团与中科院煤化所掌握了费托合成蜡等核心关键技术，全合成润滑油、高端合成蜡打破国外垄断；潞安集团与中科院上海有机所合作，依托煤制油α- 烯烃原料优势，开展聚烯烃弹性体技术研发并取得了突破；潞安集团、潞宝集团聚酰胺6 具备产业化生产能力。

3.1.3 创新平台架构已搭

作为中国煤化工的发源地，山西汇聚培养了一大批技术、管理人才及产业工人，具有一定的创新要素支撑，形成了以中科院山西煤化所、太原理工大学等为引领的碳基新材料创新团队，建设了煤转化国家重点实验室、煤基聚合物改性技术国家地方联合工程实验室、碳纤维制备技术国家工程实验室、中科院（山西省）碳材料重点实验室等创新平台，潞安、晋能、焦煤、潞宝等龙头企业广泛参与，拥有新型煤气化、煤基浆态床合成液体燃料、煤基油蜡加氢精制等领先技术。除了科研基础，山西省支持新材料产业高质量发展的若干政策和政府资金等鼓励支持类政策加快落实，碳基新材料产业创新生态体系初具形态。

3.2 碳基新材料产业发展中存在的问题

山西省碳基新材料产业虽然取得了一定技术成果，积累了一定的产业化经验，但在高端碳材料、高端聚烯烃、高性能工程塑料与纤维等材料方面仍处于产业化前期，核心技术有待进一步突破。存在创新资源配置效率不高，创新要素流动不畅，创新主体之间合力不够，创新生态亟待进一步完善和优化。

3.2.1 科技成果产业化存在瓶颈

一方面，创新成果产业化缺乏政策扶持，比如工业性试验项目前期手续办理依据不明确，国内首次使用的生产工艺安全可靠性审查仍属“点办理”，难以做到“批处理”，一定程度影响新技术应用和项目推进。另一方面，科研成果与下游产业应用脱节严重，大部分成果以学术论文和发明专利的形式“躺”在书架上，没有形成真正的产业化。很多基础研究成果还缺少进一步的实用化研发和“中试阶段”，尚未达到产业化成熟阶段，因此存在巨大的风险，导致下游企业的兴趣不足。

3.2.2 企业创新意识不强

目前全省绝大多数企业自主创新能力还比较低，部分企业缺乏长远战略目标，重生产轻研发，在技术创新方面投入的人力、物力、财力较少；企业缺乏首创型发明，核心竞争力弱；特别是部分规模小的企业，面对原材料、劳动力等成本不断提高，资金链条吃紧，创新投入明显不足。全省新材料企业关键技术联合创新不足，新产品开发能力弱，高技术、高附加值等关键材料受制于人。同时，很多成果拥有者成立公司直接从事转化工作，形成大量的初创型小微企业，由于学非所用和经验不足，成功率并不高，而且还严重影响进一步的研发创新。缺乏有效的机制使产学研有机结合，从而既能保持原创性成果不断产出，又能使已有成果源源不断转化成生产力。

3.2.3 关键技术存在制约

碳基新材料相关产品仍处于产业链、价值链的中下游、中低端及产业化的培育阶段。高端炭材料、聚烯烃弹性体、茂金属聚乙烯、聚酰胺66 等产品仍面临国际贸易和技术壁垒，自主创新能力仍有差距。

4 山西省推进碳基新材料产业发展建议

4.1 聚焦两条路线

1）高端炭材料。以产业化培育和拓展市场应用为主要任务，加快提高以煤、煤焦油、石墨、生物质等为原料的碳纤维、石墨烯、超级电容碳等技术成熟度，聚焦高端炭材料制备过程中的“卡脖子”技术，加大经费支持力度，整合资源，潜心攻坚克难，突破高端炭材料规模化制备的核心技术。在占领特定领域、高端市场的基础上，降低生产成本，积极扩展中低端应用领域及民用市场，扩大产业体量，发挥规模效应。

2）碳基合成新材料。确立产业链上中下游同步推进发展思路，推进碳基合成新材料产业化应用，实现煤碳由燃料向原料、向特种材料转变，打造碳基新材料产业集聚区。通过政、产、学、研、用协同创新，打造从基础材料、制品器件到终端应用的技术创新链，形成产业链产品开发和系统应用的一体化解决方案。上游夯实基础、做绿平台。突破大型高效煤气化和煤炭分质分级利用技术瓶颈；适度控制焦炭规模，做优做绿焦化产业平台。中游差异发展、形成优势。巩固提升焦化副产品深加工平台基础和优势，延伸焦化精深加工链条，提升市场竞争力。下游技术攻关、产业培育。自主创新、协同创新、开放创新多措并举，努力提高产品技术含量和产业附加值，加快成熟技术产品的应用推广，积极探索战略新兴材料，集中攻克关键技术及“卡脖子”技术，持续发力，推进终端材料产业化应用。

4.2 落实四项要求

1）高端化。高起点开发，高标准建设，高科技支撑。合力攻克一批“卡脖子”技术，甚至是颠覆性技术。包括：新的碳同素异形体设计理论与合成方法；碳材料在液相、高分子、金属中的分散和复合技术；碳基结构材料与功能材料的跨尺度设计理论和制备方法；碳基显示、电磁屏蔽和超导材料；碳基传感器件、可穿戴与物联网技术；碳基光纤与光电子技术；硅基- 碳基复合器件及全碳电子器件；碳基储能与分离技术；碳基催化剂与单原子催化等。通过产业集群，关联耦合，循环利用，推动产业走向高端，产品趋向终端。

2）市场化。以市场为导向，以效益为中心，以可持续发展为目标，摒弃扎堆建设形成过剩的恶性循环，山西省目前碳材料产业化主要布局在短期内投资可以快速见效的领域，但总体上技术含量和产品附加值不高，对未来高精尖产业的拉动能力有限，因此应该深入挖掘市场潜力和竞争优势，理性规划，科学布局。

3）差异化。依托产业基础和比较优势，走出一条与大型石化路线差异化资源利用，差异化产品设计，差异化市场供应，可以有效避免低水平重复建设和恶性竞争。因此针对全省在碳材料产业发展区域差异明显，应统筹合理规划产业发展布局，因地制宜，推进差异化、特色化发展，走互为补充，协调发展的道路。

4）环境友好型。采用无污染或低污染的技术和工艺，加强全过程控制管理，提升“三废”资源化利用水平，降低“三废”排放强度。建设绿色制造评价体系，实现源头政策控制、过程技术控制和末端处置控制并重，不断提升全行业环境友好度。

4.3 明确三大任务

4.3.1 创新驱动技术进步

坚持“创新为上”工作理念，紧盯行业关键共性技术，力求通过技术创新引领产业发展。以技改资金支持、创新活动全覆盖、技术交流研讨等方式推动国内外、省内外科研院所、高校、创新平台、重点企业开展创新合作，聚焦重点，突破关键，特别是围绕高端炭材料及碳基合成新材料制备技术、煤炭分质分级综合利用技术、适合山西煤种的煤气化技术等开展攻关，实现产业发展的核心技术支撑引领。研究组建山西省碳基新材料成果转化推进公司，承接并转化创新成果，加快科技成果产业化进程。规划集应用基础研究和高技术开发于一体，着力打通碳基新材料从实验室、中试向产业化的发展通路，提升技术成熟度，促进成果转移转化，努力将山西在碳基新材料领域的“技术优势转化为产业优势”。

4.3.2 项目助推产业培育

围绕碳纤维、石墨烯、超级电容碳等高端炭材料，以及煤- 焦- 焦炉煤气、煤焦油、粗苯- 甲醇、乙二醇、己内酰胺- 全合成润滑油、高端合成蜡、聚酯纤维、聚酰胺6 等碳基合成新材料产业链条。重点推进T1000 高性能碳纤维、千吨级超级电容碳、单烷烃分离、焦炉煤气钴基费托合成精细化学品及低热值煤热解燃烧分级转化分质利用技术研发及工程示范等产业项目，以项目实施培育碳基新材料特色产业。

4.3.3 改革构建支撑体系

在政策保障、要素配置、人才培养等顶层设计环节持续发力，构建碳基新材料产业创新生态和支撑体系。政策方面先行先试，研究制定支持碳基新材料产业发展的配套措施，做好战略性、全局性的规划设计，做到高标准规划引领高质量发展，进一步明确产业推进思路，根据当地资源禀赋、研发基础和产业特点进行针对性的布局和建设。

5 结语

山西省是煤炭资源大省，长期以来煤炭产业发展方式简单粗放，产业链短、利用效率效益不高，产业结构相对单一。在资源和环境约束趋紧的形势下，大力推进碳基新材料相关产业的发展是山西省推进转型升级、实现煤炭由燃料向新型材料转化的立足点和首要任务。

在推进碳基新材料发展的过程中，我们应坚持高科技支撑，高起点开发，高标准建设。依托产业基础和比较优势，走出一条与大型石化路线资源利用、产品设计及市场供应差异化的路；采用无污染或低污染的技术和工艺，加强全过程控制管理，提升“三废”资源化利用水平，降低“三废”排放强度；坚持“创新为上”的工作理念，紧盯行业关键共性技术，力求通过技术创新引领产业发展；对政策保障、要素配置、人才培养等方面持续发力，构建碳基新材料产业创新生态和支撑体系。