新型碳材料

李贺军，张守阳（中国材料研究学会 ）



新型碳材料

李贺军，张守阳
（中国材料研究学会 ）

本文引用格式：李贺军，张守阳.新型碳材料[J]. 新型工业化，2016，6（1）：15-37.

1　发展新型碳材料产业的背景需求及战略意义

碳是世界上含量及广的一种元素。它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化），再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料。具有各式各样的性质。在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料：新型纳米材料、碳基复合材料、碳纤维、柔性石墨、储能型碳材料、金刚石等。其中新型纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石等。没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬－最软、绝缘体－半导体－超导体、绝热－良导热、吸光－全透光等。随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。

进入21世纪以来，富勒烯、碳纳米管、石墨烯等纳米新型碳材料的迅速发展引起了全世界的广泛关注，其与碳基复合材料、碳纤维等构成了新型炭材料的主要品种。而随着这几种新型碳材料的研究逐渐深入及其制备工艺的不断完善，目前逐步走向产业化阶段，但相比于传统的碳材料产业化程度还有一定差距，但由于它们独有的优异性能，其在各个领域展现出了良好的应用前景。

1.1纳米碳材料产业的背景需求及战略意义

（1）富勒烯领域的背景需求及战略意义

富勒烯是由碳原子形成的一系列笼形单质分子的总称，它是碳单质的第三种稳定的存在形式，而C60是富勒烯系列全碳分子的代表，1985年C60的发现使人们了解到一个全新的碳世界。C60是最常见的富勒烯，60个全同碳原子构成完全对称的中空球形结构，杂化电子在碳球外围和内腔形成非平面离域大π键，因此C60具有缺电子烯烃的性质，碳球内外表面都能反应，如金属、Ti、N、S等嵌入碳笼内或对碳笼外表面修饰得到富勒烯衍生物。随着C70、C76、C84等富勒烯的发现，富勒烯及其衍生物显示出巨大的应用前景。目前，富勒烯已广泛地影响到机械学、电子学、光学、磁学、化学、医学、材料科学和生物工程学等各个领域，极大地丰富和提高了科学理论，同时也在催化工程、磁性材料、医学和生物工程、精细化工、微型半导体器件及传感器方面显示出巨大的应用前景。

（2）碳纳米管产业的背景需求及战略意义

碳纳米管属于一维纳米材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。按石墨片层数可以分为单壁碳纳米管和和多壁碳纳米管，由于具有独特的金属和半导体导电性、极高的机械强度、贮氢能力、吸附能力、较强的微波吸收能力，其杨氏模量是钢的5倍而重量仅为钢的1/6。还具有良好的导电、导热等性能，并且在真空或惰性条件下可以承受超过2000K以上的高温。可用于复合材料、电子、场发射组件、能源、资源、测量仪器、生物医药等领域，此外，CNTs 的特殊结构和介电性，使其表现出较强的宽带微波吸收性能，同时兼具质量轻、导电性可调、高温抗氧化性能强和稳定性好等一系列优点，是一种有前途的微波吸收剂，可以作为潜在的隐身材料、电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积极的成果，显示出其重要的国防军事应用价值和巨大的潜在商用价值。近年来，国际上碳纳米管的修饰改性技术越来越受到重视，各种新型改性碳纳米管的开发进一步拓展了其应用领域。

当前，国际市场高纯度碳纳米管价格已在50$/g以下，纯度稍低的多壁碳纳米管价格已接近1050 $/ g在碳纳米管相对优势的价格下，各国投资者极为看好碳纳米管未来的产业应用前景，并在材料制备和应用方面纷纷投入大量研发资金及科技力量。其中，日本已有300多家相关企业致力于碳纳米管产业技术研发，期望抢占此技术领域制高点，进而加速碳纳米管的商业应用进程。

据美国商务部市场调查机构BCC统计数据，在复合材料、电子材料、能源材料等领域中，2007年全球碳纳米管市场产值达到7910万美元；2009年的产值已经接近3亿美元，年均复合增长率达38.7%。由此可以推测，全球碳纳米管未来几年的市场需求将出现迅速增长，全球碳纳米管的产量将达到数千吨的规模，产值将达数十亿美元，与其相关产品的产值将达数百亿美元。

（3）石墨烯产业的背景需求及战略意义

石墨烯厚度只有0.3354 nm，是目前世界上发现最薄的材料。具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质：强度达130 GPa、热导率约5000 J/（m·K·s）、禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/（V·s）、高透明度（约97.7%）、比表面积理论计算值为2630 m2/g，石墨烯的杨氏模量（1100 GPa）和断裂强度（125 GPa）与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列性质。随着低成本可化学修饰石墨烯的出现，可以更好地利用其特性制备出不同功能的石墨烯复合材料。基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向，其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，具有广阔的应用前景。石墨烯的加入可以显著提高复合材料的多功能性和加工性能，因而它在导电高分子材料、多功能复合材料、高强度多孔陶瓷材料等领域有着广泛的应用。

当前，世界各国均已认识到石墨烯的广阔市场前景，力争把握石墨烯技术革命和产业革命的机遇，正在形成技术研发和产业投资的高潮。发达国家将石墨烯列为一项影响未来国家核心竞争力的技术，大力支持石墨烯的研发及商业化。在国家战略层面，2010 年美国联邦政府提出 45 亿美元巨资资助石墨烯的计划，力图在石墨烯研发的最前沿领域取得领跑地位。2011 年英国将石墨烯列为四大战略性新兴产业之一，并投入 5000万英镑打造全球领先的石墨烯研发和产业化中心。从 2012 年开始，韩国将连续六年累计提供2. 5 亿美元用于资助石墨烯的研发和产业化应用研究。从 2013 年开始，欧盟也将连续十年投入10 亿欧元的专项经费用于石墨烯的研发，并将其上升到“旗舰项目”的战略高度。在企业层面，全球各国已有 200 多家企业加入到石墨烯的研发和产业化队伍中，包括一大批世界 500 强的国际知名公司，如美国宝洁、韩国三星、美国 IBM、荷兰飞利浦等企业巨头。在产业化层面，美国石墨烯生产商 XG Sciences 年产能达到 80 吨。韩国三星公司已研制出首款石墨烯电子晶体管器件和柔性显示屏智能手机。在技术专利层面，全球石墨烯专利申请量呈激增态势，从 2010 年到 2012 年的短短 3 年时间内，专利申请量增长4倍多。美国和我国在专利拥有量上处于领先地位。韩国三星、浙江大学、美国 IBM、韩国高级科技学院以及南京大学分别排在专利申请的前五名。

近年来，我国高度重视石墨烯技术和产业的发展，各高等院校和众多企业一直密切跟踪石墨烯的前沿技术和产业动向。2012年，工信部在新材料“十二五”规划中将石墨烯列入前沿材料目录。国家自然科学基金委在2007～2013年期间资助了1096项与石墨烯有关的基础研究计划。科技部围绕石墨烯的制备、工艺、材料等方向支持了一批重大专项和科技支撑计划项目。从石墨烯产业目前的发展进程看，我国在石墨烯的散热、导电等特性的应用方面，已迈入产业化门槛。2012年1月，全球首款智能手机石墨烯电容触摸屏在江苏常州二维碳素科技有限公司研制成功。2013年5月，全球最大规模的石墨烯透明导电薄膜生产线又在该公司正式投产，年产能达到3万平方米。2012年9月，浙江宁波墨西科技有限公司年产300吨的石墨烯项目正式投入建设。2013年4月，贵州新碳高科有限责任公司正式宣布推出我国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。2013年11月，国内最大的年产100吨氧化石墨（烯）/石墨烯粉体生产线在常州第六元素材料科技股份有限公司正式投产。2013年8月，江苏无锡惠山经济开发区启动建设国内首个石墨烯创新发展示范基地。

综上所述，本世纪碳纳米管及石墨烯等碳纳米材料领域的研究及开发，给我国的高技术产业带来一次新的机遇，在这些领域，我国的研究水平与世界发达国家相当，因此能否抓住这个机遇，保持优势，进一步发展，对我国未来的材料技术和高技术产业发展是一个关键考验。

1.2炭基复合材料的背景需求及战略意义

碳基复合材料主要指C/C复合材料，是新材料领域中重点研究和开发的一种新型超高温材料，它具有比重轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好、摩擦性好等一系列优异性能。由于其优越的抗烧蚀性能，C/C复合材料在航天工业已成功地得到应用；由于其优异的摩擦性能和高温性能，C/C复合材料飞机刹车盘取代粉末盘成为飞机摩擦材料的第四个里程碑，占据了飞机刹车市场的绝对主导地位；由于其无可比拟的超高温性能，各国研究人员又把注意力集中于将该材料作为高温长时间使用的热结构材料方面，尤其是如何使之用于新一代高性能航空发动机的热端部件。目前C/C复合材料的应用领域主要在以下方面：

C/C复合材料具有卓越的高温力学性能，抗热震性能、良好的高温烧蚀性能，广泛用在导弹发动机喷管、喉衬和航天飞机的鼻锥、机翼前缘等方面。

C/C复合材料热导率高、比热大、热膨胀系数低、耐摩擦磨损且摩擦系数稳定，是理想的高级制动刹车材料。现已广泛用于大中型民航客机，如波音747、777，麦道90等。

用于制造热压模具。由于具有质轻和难熔的性质，在金属铸造、陶瓷和粉末冶金生产中，采用C/C复合材料制作热压模具可减小模具厚度，缩短加热周期，节约能源和提高产量。

由于C/C复合材料耐高温、热导率高、比热大、热膨胀系数低，被广泛用于高温热核反应堆的热交换材料。C/C复合材料具有优良的耐腐蚀性，在酸、碱盐溶液及有机溶剂中呈现化学惰性，可以用于制造化学实验中的仪器以及热交换材料。在工业污水处理以及废气处理等需要耐腐蚀性的场合具有应用优势。C/C复合材料的生物组织的相容性好，可以用作心脏瓣膜、人造骨关节和牙根的材料。

随着航空发动机推重比增加，涡轮前进口温度不断提高，尤其当航空发动机推重比达到15～20时，其热端工作温度高达2000℃，要求材料的比强度比目前高五倍，在如此苛刻的条件下，除C/C材料外其它材料都已无能为力。此外，一旦采用C/C复合材料，由于其比重轻，可以使发动机本身的重量大大降低，自然可以提高推重比，而且由于减少了冷却空气消耗，进而会使发动机效率得以提高。因此世界各发达国家研究新一代高推比航空发动机都是把C/C复合材料作为高温关键材料来考虑。

在航天领域，随着空间技术的快速发展，我国正在面临新的挑战和机遇，国际上以美国为代表的航天大国纷纷投巨资开展高超声速飞行器的研发工作，美国的X-43A、X37B、X-51A等一系列高超声速飞行器的试验，令航天技术迈入新的历史时期。世界各国正重新界定航空和航天技术的功能，纷纷投入大量人力物力开展相关研究。新的航天技术也给热结构材料带来新的挑战，可靠服役的热结构材料和热防护材料成了众多航天器研制的急迫需求，尤其是在高速再入过程中的热防护材料，发动机燃烧室用热结构材料、喷管材料等，往往要求材料承受超过2000℃的高温高速气流冲刷和高频振动，在如此苛刻的环境下，C/C复合材料以其优异的高温力学性能和抗烧蚀性能而成为最佳选择，但是在一些要求低烧蚀乃至零烧蚀的服役环境下，C/C复合材料的抗烧蚀性能还需要进一步提高，因此C/C复合材料的抗氧化及抗烧蚀改性技术就显得尤其重要。

在航空刹车领域，国产刹车盘虽然已经在B757及A320等机型获得了取证，但是相比于美国和欧洲产的同类产品，其制备成本高、使用寿命低、稳定性差。航空公司退货现象时有发生。不仅如此，美、法等国已经储备了相关技术，在价格和使用性能上，随时准备打压国产刹车盘，因此提高国产刹车盘使用寿命和稳定性，降低生产成本，是目前我国碳刹车领域面临的重大考验，否则，面对国外产品的竞争，相关生产商家前景并不乐观。

在民用领域如：化工耐腐蚀构件、高温炉保温材料、重载卡车刹车材料、高速列车受电弓摩擦材料等方面，C/C复合材料也面临着进一步拓展应用的迫切需求。

1.3膨胀石墨产业的背景需求及战略意义

膨胀石墨是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。因为膨胀石墨具有很大的孔隙体积，并且具有多层次、丰富的微孔结构，有很大的吸附性能，可广泛用于从水中吸附和分离油类和有机大分子。另外，膨胀石墨基本由纯碳组成，无毒并且具有化学惰性，所以对环境不会造成二次污染。膨胀石墨经过模压或轧制等深加工而制成的具有柔性的纸状薄片，称做柔性石墨，是重要的密封材料。目前国内外对于膨胀石墨的研究主要着重于以下几个方面：膨胀石墨制备方法的研究、膨胀石墨基复合材料的制备、结构分析和应用研究。其中，制备方法研究主要包括不同石墨原料的选择、插层方法的优化、插层剂的选择、插层条件的选择等。膨胀石墨的应用涉及储热能源、制作烟幕材料、作为吸附剂、高温密封材料、核反应堆密封材料等很多方面。主要表现在：

（1）密封行业：20世纪60年代后期，美国联碳公司用膨胀石墨制成密封材料，从而诞生了第二代密封材料。1971年美国洛克惠尔阀门工程设计中心为解决原子能阀门泄漏问题，对美国九家公司生产的16 种不同类型的密封填料在64 个试验点进行对比试验，结果表明，膨胀石墨密封效果最佳，从此，美、日、法、德等发达国家进一步深入研究，促进了膨胀石墨密封材料的迅速发展，成为世界上一种新型高效节能密封材料。我国于1978年开始研制膨胀石墨及其制品，近几年发展速度也很快。由于它独具质地柔软，压缩性和回弹性强等特点，因而作为密封材料在我国很快得到推广和应用。它可以代替石棉、橡胶、聚四氟乙烯、金属等传统密封材料，能较理想地解决设备的跑冒滴漏问题，对于提高三大效益，尤其是环境效益，作用也越来越大。

（2）钢铁工业：不同膨胀倍率的可膨胀石墨，是炼钢厂配制各种不同型号防氧保温发热剂的主要原料之一，对降低钢坯缩孔切头率，提高钢锭的成材率有较显著的经济效果。

（3）电池材料：在可充锌锰电池的锌阳极中添加膨胀石墨可以减小锌阳极充电时的极化，增强电极及电解液的导电性，抑制枝晶的形成，并且能提供良好的成型特性，抑制阳极的溶解和变形，延长电池寿命。另外锂可以通过气态、液态、固态及锂盐电解法与石墨形成 GIC，这种GIC 具有较低的电极电位和良好的嵌脱可逆性。日本三洋公司利用锂型GIC作负极生产出锂离子电池，循环寿命达到500次，比能量达到 261W·h/L。

（4）环保产业：可膨胀石墨经高温膨胀后得到的膨胀石墨具有丰富的孔结构，因此具有优良的吸附性能，利用其对污染物的吸附，可以达到治理污染的目的。有报道称，1g 膨胀石墨可吸附80g 以上的重油。1997 年，日本福冈近海油轮泄漏，试用膨胀石墨清除，取得了很好的效果。膨胀石墨又是一种良好的微生物载体，在工业废水的治理中，也有广泛的应用前景。

（5）生物医学产业：在生物医学材料上，清华大学等应用膨胀石墨制作医用敷料替代医用纱布，经过大量动物实验及一百多例临床实验，证明比传统纱布引流好，有明显的抗感染、抑菌、消炎作用。目前这一科研成果已取得发明专利权。

（6）隔热隔音材料：可膨胀石墨膨胀容积大，可达350mL/g，并且化学性质稳定，氧化温度高，安全性好，是理想的隔热（保温）、隔音材料。国外有的高档建筑、客轮的墙壁材料中夹一层一定膨胀容积的可膨胀石墨，以起到保温、隔音作用，且在火灾发生时，也有阻止火势蔓延的作用。

1.4活性炭产业的背景需求及战略意义

活性炭是一种品味很高的重要林化产品，广泛应用于废水处理、食品脱色、空气净化等行业，研究表明，环保因素的日趋重要导致全球活性炭需求以 3.8%的年增长速度在增加。1998～2006 年美国活性炭出口额一直居世界第 1 位，2007 年被中国赶超。5 个主要活性炭出口大国中，中国是唯一活性炭出口市场份额不断增长的国家，但是中国活性炭质量竞争力远低于美国、德国和日本，主要原因是中国活性炭出口以低附加值的初级产品为主，可持续发展性不强；中国活性炭贸易条件日益恶化。与发达国家相比，我国活性炭工业仍然存在很大差距，主要表现在技术基础薄弱，生产装备落后，企业数量多、规模小、品种少。同时，在对外贸易中由于缺乏宏观调控，活性炭市场基本处于无序状况。这些都导致国产活性炭在国际市场上缺乏价格竞争力，极大影响了我国活性炭产业的国际竞争力，在活性炭领域必须从研究、生产及管理等方面不断提高自身水平，才能满足国际市场需求，在激烈的国际竞争中占有一席之地。

2　新型碳材料产业的国外发展现状及趋势

2.1国外纳米碳材料产业的发展现状及趋势

如前所述，由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分。随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳的两种同素异构体“金刚石”和“C60”相继于1990年和1991年连续两年获此殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C60的三位科学家；在富勒烯研究推动下，1991 年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司（NEC）的饭岛澄男博士使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产的碳纤维中发现。而2004年另外一种神奇的炭纳米材料——石墨烯（仅由一层碳原子构成的薄片）被英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现，二人也获得了2010年诺贝尔物理奖的殊荣。这些事充分反映了新型纳米碳材料科学的飞速发展，这些新型纳米碳材料的快速发展也带动其相关应用及产业的发展，而在这些新型纳米碳材料中，目前有一定产业化规模的主要是碳纳米管及石墨吸、 其中新型纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等。

（1）碳纳米管产业化国际发展现状及趋势

自从纳米碳被发现以来，其一直是学术研究的热点。尽管石墨烯的出现分流了不少碳纳米管的研究关注度，但是碳纳米管仍然是目前研究最充分、关注度最高的新型纳米材料。碳纳米管诸多优异新奇的性质为其带来了许多实际应用，已在复合材料、电子、场发射组件、能源/资源、量测/仪器、生物医药及平台等7个重点领域广泛应用，并引起了各国的高度关注。

以往，由于受碳纳米管制备工艺技术及成本等问题的制约，碳纳米管产业化应用受到了较大影响。但是，近年来随着碳纳米管工艺技术水平的逐年提高，碳纳米管的生产成本也大幅降低。当前，国际市场高纯度碳纳米管价格已处于50美元/g以下，纯度稍低的多壁碳纳米管价格已接近10美元/g。为此，各国投资者极为看好碳纳米管的应用前景，并在材料制备和应用方面纷纷投入大量研发力量。其中，日本已有300多家相关企业致力于碳纳米管产业技术研发，期望抢占此技术领域制高点，进而加速碳纳米管的商业应用进程。

据美国商务部市场调查机构BCC统计数据（图2），在复合材料、电子材料、能源材料等领域中，2007年全球碳纳米管市场产值达到7910万美元；2009年的产值超过2.7亿美元，预计2011年的产值将达到8.3亿美元，年均复合增长率超过75%。目前国外生产碳纳米管的四家主要公司：日本昭和电工（Showa Denko K.K）、比利时nanocyl公司及法国arkema公司，年产均超过400吨；而美国 hyperion公司，产量未知，却是最早大量生产碳纳米管的公司。由此可以推测，碳纳米管未来几年的市场需求将达到数千吨。

图2　2007-2011年国际碳纳米管市场份额

目前，伴随世界各国对碳纳米管应用领域研究的日益深入，电子、场发射与复合材料领域的应用潜力已逐步显现出来。在日本《 第八次科技预测》研究中发现，基于碳纳米管的优势特性（表1），未来在半导体的应用上碳纳米管将扮演重要角色，但可否完全有效取代硅的应用地位，引起了科学家的高度关注；同时，在生物医学、能源及资源等领域的应用，已成为世界各国追求纳米材料工业化发展进程的重要热点。

表1　日本碳纳米管的优势特性

（2）石墨烯产业化国际发展现状及趋势

如前所述，石墨烯（Graphene），是碳（C）的一种同素异形体，具有由C原子经sp2电子轨道杂化后形成的二维结构，以及超强的机械强度、高导热率、高透光率、高比表面积等特点。石墨烯是零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本组成单元（如图1所示）。单层石墨烯厚度只有一个碳原子厚，为0.335nm。是目前已知的最薄的一种材料，其拥有许多碳材料所不具备的特性。石墨烯以其精妙的结构、无以伦比的性能，使其在石墨烯柔性透明电极、石墨烯储能器件、石墨烯导电导热复合材料等方面具有广阔的应用前景。

随着石墨烯及其应用研究的不断深入，石墨烯产业化序幕也逐渐拉开。目前，国内外已有一批石墨烯企业开始量产。石墨烯产业化分为石墨烯微片和石墨烯薄膜2类产品的产业化。美国的Vorbeck Materials公司和XG Sciences公司是国际上最早从事石墨烯微片生产的公司。其中Vorbeck Materials公司的石墨烯采用氧化方法制备，含有较丰富的官能团，并且已在导电油墨和锂电池等领域积极开展了应用研发。X GSciences公司则采用无氧化的插层剥离路线制备石墨烯微片，并重点开发其在高分子复合材料领域的应用。韩国三星公司是最早开展石墨烯薄膜量产技术研发的公司，并在2010年推出了30英寸的石墨烯透明导电薄膜展现了迷人的应用前景。另外，该公司也成功将石墨烯应用于柔性触摸平板显示器，此前报道2012年将实现量产，但目前仍未见其石墨烯触摸屏平板显示设备推向市场。最近，索尼公司也积极投身石墨烯薄膜的生产装备研发，在薄膜连续化生长与转移技术方面取得了重要进展，成功合成大面积长120米、宽230米的石墨烯薄膜。

韩国KoreaBizwire网站公布，韩国科研人员成功研发出透明且富有弹性的石墨烯电极，即利用石墨烯-金属混合结构纳米沟槽网络的电极，这意味着弹性透明的“电子皮肤”将成为现实。相关研究成果已于10月20日刊发在国际著名期刊Nano Letters上，该期刊是全球范围内微纳材料和技术领域的高水平期刊。该科研团队表示，该弹性透明电极的发现，意味着可以开发易于附着皮肤和玻璃等物质的电子线路，而且意味着可用做显示器、电子线路或传感器的电子皮肤将成为现实。

图3　电子皮肤

石墨烯锂离子电池石墨烯作为储能复合材料使用，解决了锂离子电池能量密度和功率密度两者的要求，是其最有可能实现产业化应用的方向之一。石墨烯在锂离子电池中的应用主要包括3个方面：一是石墨烯复合电极材料，包括正极和负极；二是石墨烯作为锂离子电池的导电添加剂；三是石墨烯功能涂层。石墨烯优异的导电性能可以提高锂离子电池的充放电速度，并增强与集流体间的导电接触。石墨烯包覆磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料，无论在学术上，还是产业化研究方面，目前报道都是最多的。2012年4月，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）研究人员利用DVD刻录机发明出微型超级电容器，这种超级电容器只需数秒时间即可使手机或汽车充满电，其充电和放电速度是标准电池的100～1000倍。美国Nanotek Instruments公司研制的石墨烯基超级电容器，电极采用了石墨烯、混合5%（质量分数）的乙炔黑，电解液通过弯曲和卷曲的石墨烯片结构时，可以更大比例地和石墨烯表面进行接触，从而提高储存电量。据报道，该超级电容器室温下可以达到85.6Wh/kg的能量密度，相当于镍氢电池的能量密度，充放电仅需要几分钟，甚至几秒钟。这意味新一代的超级电容器作为储能器件逐步取代具有环境污染的铅酸电池和具有安全隐患的锂离子电池成为了可能，并在储能和动力电池领域带来重大进步。美同莱斯大学研究人员在石墨烯薄片上快速生长出碳纳米管，长度可以达到120微米，以形成大量的表面积，更重要的是看起来类似储能超级电容器。研制的这种无缝石墨烯/碳纳米管复合材料，或可作为最好的电极界面材料，在诸多储能和电子器件得到应用。据韩国教育科技部透露，韩国科学技术院研究团队成功研制出大容量、可挠式（Flexible）下一代蓄电池超级电容器。该超级电容器的成功研制是基于石墨烯的应用，它有望在电动汽车和智能电网等领域予以采用。研究小组发现氮掺杂石墨烯后，电解液与离子能够更好地相结合。此次研制的石墨烯蓄电池具有可挠性，可用于制作携带在衣服或身上的蓄电产品。相信随着石墨烯成本的降低和石墨烯基复合电极技术的进步，石墨烯超级电容器会逐步走向产业化。

在石墨烯导电复合材料应用方面：2006年，从事石墨烯研究的著名美国教授Ruoff的课题组首次报道了聚苯乙烯/石墨烯导电复合物的制备，开启了石墨烯导电复合材料研发的序幕。美国Vorbeck Materials公司开发出了“Vor-X”石墨烯导电添加剂。据介绍天然橡胶添加4%（质量分数）的“Vor-x”后的导电性能达到0.3S/m。此外，美国XG Science公司也提供各种规格的石墨烯导电微片产品。据报道，美国的Ovation Polymers公司已经推出了基于石墨烯的石墨烯热塑性色母料和复合母料。石墨烯导电油墨可以应用于印刷线路板、射频识别、显示设备、电极传感器等方面，在有机太阳能电池、印刷电池和超级电容器等领域具有很大的应用潜力。因此石墨烯油墨有望在射频标签、智能包装、薄膜开关、导电线路以及传感器等下一代轻薄、柔性电子产品中得到广泛应用，市场前景巨大。与现有的纳米金属（如纳米银粉、纳米铜粉等）导电油墨相比，石墨烯油墨还具有巨大的成本优势。2012年 6月，英国剑桥大学的F.Torrisi等利用石墨烯的N-甲基吡咯烷酮溶液，首次使用普通的喷墨打印机打印出由石墨烯制成的柔性电路。美国Vorbeck Materials公司开发的“Vor-ink”是首个得到美国环保署批准的石墨烯产品。该油墨导电性好，且价格远低于银基油墨，已经用于Topflight、CT、MWV等美国包装公司的隐形电子条码安全系统，以及射频识别商标上的电磁波定向屏蔽层。美国富尔顿公司（Fulton）的e-Coupled TM无线电源使用石墨烯纳米印刷感应线圈来实现笔记本电脑和手机的无线充电。石墨烯导电添加剂可减少导电填料在聚合物中的用量，增强聚合物力学性能，这方面的应用很多，如飞机的抗静电轮胎，以及航海航天用增强导电塑料等，据报道，美国Cabot公司已经将石墨烯应用于航天航空复合材料中。另外，增加石墨烯用量可以制备高强度的石墨烯电磁屏蔽材料。

综上所述，目前石墨烯产业在国内外仍处于专利布局期和产业化研发阶段。困扰石墨烯产业的发展的瓶颈，一是低成本高质量石墨烯的产业化制备，另外是石墨烯下游产业对石墨烯的需求的产业链的打开，即产业的发展需要进一步开发石墨烯的产业化应用。石墨烯产业的大门已经慢慢开启，随着产业链的逐步成熟，石墨烯必将得到巨大的发展。

（3）富勒烯、纳米金刚石产业化国际发展现状及趋势

富勒烯及纳米金刚石作为碳纳米材料领域重要成员，它们都展现出了独特的性能，但是全面受制于产业化制备及应用领域的开发等问题，目前两种纳米碳材料还处于试验室应用研究阶段。

富勒烯的潜在应用领域主要包括非线性光学器件、抗癌药物、高强度纤维、超导材料、催化剂及有机太阳能电池等。

纳米金刚石米金刚石早在三十多年前就已被研制出来，但其应用过去局限于做聚晶、抛光剂等磨料磨具领域。随着人们对纳米金刚石性质认识的深化，纳米金刚石已在金属镀层、润滑油、磁性记录系统、医学等领域开始获得应用，并且应用领域还在不断扩展。

2.2国外碳基复合材料产业的发展现状及趋势

碳纤维增强碳基复合材料即碳/碳复合材料（C/C）复合材料发明于1958年C/C复合材一出现，就以其卓越的性能引起世界各国的普遍重视，一些工业发达国家纷纷投入大量的人力物力、财力，致力于这种材料的研究和开发，从而促使其性能不断提高，应用范围日益扩大。三十多年来，C/C复合材料在材质、制备工艺、性能、以及工程应用等方面都取得了长足的进展。

表2　美国战略导弹弹头端头帽及材料的发展历史

表3　国外战略导弹弹头的防热热材料

C/C复合材料目前在航天领域主要应用领域包括导弹、固体火箭发动机的头锥、喉衬、喷管等作为耐烧蚀材料使用和高超声速飞行器头锥、机翼前缘等作为热防护材料使用。目前国外在这些领域已经具有一定的产业化规模，欧美等发达国家都将多种型号的导弹、固体火箭发动机及高超声速飞行器的超高温部件都采用C/C复合材料来制备。美国研制的C/C 扩张段已应用于Star 系列宇航发动机和MX 系列导弹发动机上；法国研制的C/C 扩张段已应用于西欧远地点助推发动机MageII 号上；俄罗斯研制的C/ C 扩张段已应用于“起点一号”运载火箭等的众多型号发动机上。

图4　阿里安-5助推器针刺无纬布C/C喉衬

图5　MX导弹SRM 3D C/C喉衬　

图6　C/C整体扩散段

图7　C/C出口锥

美国对先进战略导弹用材料要求极为严格，除要求高温稳定性外，对弹头还要求具有隐身、抗核、抗激光和抗粒子云等功能。采用经改性的C/C，能够实现一体化功能。由于细编穿刺的三向C/C有很好的耐烧蚀性能，故美国在战略导弹上主要使用此种C/C，美国将它用于射程为1l100 km和命中精度为90 m的MX导弹上，大大提高了战略导弹的命中精度。美国战略导弹的固体火箭发动机喷管喉衬采用多向编织的C/C，实现了防热和结构一体化功能，使喷管重量减轻30 Kg以上，其战略导弹上应用C/C的情况见表。美国C/C在战术导弹上主要用干导弹助推器喷管。大多数导弹选用的材料结构为四向结构，即4D C/C，少数导弹选用三向结构，即3D C/C，如近程攻击导弹便是使用3D C/C。美国使用4D C/C作助推器喷管的战术导弹有战斧巡航导弹、希神导弹、反潜艇导弹等数种。

图8　X-33试验机热防护有材情况

碳/碳复合材料由于在高温环境下具有很好的综合性能，一直以来都是各类航天飞行器最高温度区的首选材料，应用特别广泛，如美国现役的航天飞机轨道器，俄罗斯、法国和日本的航天飞机等。俄罗斯拥有在碳/碳复合材料表面制备多层复合涂层技术，使碳/碳复合材料能够在2000℃有氧环境下工作1小时以上。据AIAA96年的一份资料介绍，美国采用C/C复合材料头锥和机翼前缘等作为高温热防护系统已完成70余次发射。另据AIAA 2000年的一份报告，美国华盛顿大学进行了第二代可重复使用飞行器（RLV，Reusable Launch Vehicle）的设计（K2X 计划），其头锥的上裙部采用抗氧化C/C复合材料。美国的X系列属于高超声速飞行器，X-30、33、34均为可重复使用航天运载器，是超高音速飞行的可完全重复使用、单级入轨、水平起降的航天器，其中X-30试验机在高速飞行时，其表面任何区域的温度均不低于650℃，当X-30以马赫数8的速度在26822米的高度飞行时头锥处温度为1793℃，沿机身向后逐渐降至871℃，机身后部温度最低，约为760℃，由于激波交叉加热，整流罩前缘的温度将增至1788℃，机翼或者尾翼前缘的温度将高达1455℃，并逐渐降至后缘的871℃。发动机整流罩的温度可能将保持在982℃，其机翼前缘采用带主动式冷却的C/C复合材料。图8为X-33试验机热防护有材情况，可以看出，其头锥、机翼前缘均采用了C/C复合材料。

表4　国外碳/碳防热、热结构材料发展历程

HTV-2 属于美国“Falcon”计划的一部分，是一项发展和演示可以提升全球到达任务的高超声速技术。这些技术包括高升阻比技术、高温材料、精确导航/制导/控制、穿过等离子体鞘的通信和自主飞行安全系统。HTV-2 通过“米诺陶-4”运载火箭助推至预定高度，以大于Ma 20 的速度再入大气层，在大气层内高速滑翔的时间计划超过3000 秒。在热防护技术方面，HTV-2 主要采取了由C/C 复合材料制备的承力Aeroshell 结构，承担气动和飞行器轴向载荷，Aeroshell 内部安放高性能多层隔热材料，这对降低结构重量具有很大优势。另外，C/C复合材料在其它高超声速飞行器热防护系统应用方面，在轨时间达270天的X-37B轨道试验飞行器最高速度可达到25Ma以上，其翼舵面及襟副翼采用和C/C复合材料来制备。X-51高超声速巡航导弹同样使用了C/C复合材料前缘。日本1994年发射的OREX和1996年发射的HYFLEX高超声速试验飞行器的头锥也是使用抗氧化C/C复合材料制备的。

图9　美国航天飞机及C/C复合材料应用情况发展历程及趋势

C/C复合材料航空刹车盘的实验性研究于1973年第一次用于飞机刹车。目前，一半以上的C/C复合材料用作飞机刹车装置。高性能刹车材料，要求高比热容、高熔点以及高温下的强度，C/C复合材料正好适应了这一要求，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。碳刹车盘的使用寿命是金属基的5～7倍，刹车力矩平稳，刹车时噪声小，因此碳刹车盘的问世被认为是刹车材料发展史上的一次重大的技术进步。

英、美、法等国在20世纪60年代末、70年代初几乎同时将C/C复合材料用于飞机制动材料。目前已逐步取代金属刹车副，成为最先进的刹车副材料，并由该三国的五大公司垄断碳刹车盘的国际市场，它们是法国的Messier、美国的Goodrich、Bendix、Goodyear及英国的Dunlop。全世界已有40种以上的民机和22种以上的军机采用了碳刹车盘，其年产量占世界C/C复合材料总产量的90%以上。目前法国欧洲动力、碳工业等公司已批量生产C/C复合材料刹车片，英国邓禄普公司也已大量生产C/ C复合材料刹车片，用于赛车、火车和战斗机的刹车材料。C/C复合材料耐摩擦磨损性能优异，其摩擦因数适当且稳定，飞机刹车用C/C复合材料，寿命提高近5倍，刹车性能也明显高于粉末冶金刹车材料。70年代中期，英国Dunlop航空公司的C/C复合材料刹车片首次在协和式飞机上试飞成功以来，得到很大发展，已广泛应用于高速军用飞机和大型高音速民用客机：F16、B737、B757、B767、B777及暴风雪等型号。

图10　空中客车A-320 C/C刹车盘

C/C复合材料刹车盘的生产能力主要集中在少数几个国家，除了上述5家公司外，俄罗斯、中国、日本和德国的一些公司也具备研制能力，最新的资料介绍韩国、印度、中国台湾也在试制C/C刹车盘。法国欧洲动力公司大量生产C/C刹车片，用作飞机（如幻影式战斗机）、汽车（如赛车）和高速火车的刹车材料。法国生产出了世界上第一辆使用C/C刹车片的汽车（VEN-TURI-GT400型）。法国碳工业公司1994年开始批量生产汽车用C/C刹车片。日本协和式超音速客机共8个轮，刹车片约应用300kgC/C。若用C/C作民用飞机刹车片，可使飞机减轻450kg；若用作F-1型赛车刹车片，可使其减轻约11kg。

在航空发动机用热结构C/C复合材料研究方面，美国、法国、日本等国进行了大量研究工作，SiC涂层的二维C/C燃烧室部件于1984年设计并制造，计划用于IHPTET的F107实验发动机。到了1986年带涂层的C/C复合材料燃烧室部件在1343℃的最高燃气温度下安全工作累计超过163分钟。后面三年则进行了总时间达13小时的评估试验。1984年，一个全尺寸带涂层的C/C复合材料轴转子在1149℃下以45krpm的转速成功测试了17分钟。1986年转子在1500℃下以53krpm转速试验成功。1987年设计并制造出带有涂层的小尺寸2DC/C复合材料喷管部件，包括收敛鱼鳞片、发散鱼鳞片和侧壁，在704-1704℃的气体温度下每台发动机上进行了20-50小时的试验，满足性能要求且实现了实质性的减重。1991年，一个涂层保护的C/C复合材料鱼鳞片在F100发动机上考核超过1300小时、5100次加力燃烧室热循环和2100小时等效飞行。这种C/C复合材料鱼鳞片内衬比传统材料减重38%。1992年美国LTV制造C/C涡轮转子在1649℃下试车成功。据称，美国的F100已经将C/C复合材料用于发动机燃烧室喷嘴。法国的幻影2000等型飞机的发动机加力燃烧室喷油杆、隔热屏、鱼鳞片等零件已经采用C/C复合材料制造。美国IHPTET计划中的F119及法国的M88-2发动机也是将C/C复合材料列为制造发动机喷管的热结构材料。IHPTET第二阶段中的JETEC研究中的排气喷管由中空的C/C支板和内外流道壁焊接而成，试验表明：该焊接组件可以承受超过7500磅力的轴向载荷。在发动机中，无冷却的C/C排气喷管最高温度可以达到1649℃。XTL86验证机采用C/SiC涡轮叶片、C/C喷管等技术提高推重比和降低费用，其推重比提高76%，成本降低47%。

图11　航空发动机C/C涡轮转子

图12　C/C 鱼鳞片

图13　C/C 燃烧室部件

2.3国外膨胀石墨产业的发展现状及趋势

本世纪六十年代美国联合碳化物公司首先研制成功膨胀石墨密封材料开始，五十年间，柔性石墨已进入许多领域甚至一些高技术领域。全世界柔性石墨产量最大为8.5～10.0万吨以上。目前，美、日、德、法的柔性石墨产业居领先地位。日本生产核能级的超低硫（S＜500ppm）及高纯（S＜50ppm）产品的技术领先。其中，高纯柔性石墨只有日本能够生产。

2.4国外活性炭产业的发展现状及趋势

活性炭是一种孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的功能型碳材料，其耐酸、耐碱、耐热，且在使用失效以后可方便再生，被广泛应用于工业、农业、国防、交通、医药卫生和环境保护等各个领域，在保护人类生存环境中发挥着越来越重要的作用。

随着世界工业的发展以及环境保护要求逐步提高，世界范围内活性炭的生产量和消费量逐年增加。2009年，全世界活性炭总消耗量达到83.3万t，据预测，到2014年，全世界活性炭消费量预计可达到138.8万t，预计年增长率为10.8%。2009年国外主要活性炭生产国和地区活性炭生产能力见表5。

表5　2009年国外主要活性碳生产国、地区活性碳年生产能力及供需一览表 万 t/a

从20世纪80年代末开始，我国一直是美国最大的活性炭输出国，主要输出中、低档活性炭产品，因此，美国的活性炭市场需求与我国活性炭产业发展关系十分密切。与此同时，美国又是世界上最大的活性炭生产国和消费国之一。未来几年空气净化领域的增长率高达65.4%～66.4%，其中燃煤电厂控制汞排放用粉状活性炭是主要增长点。2005年3月美国环保总署（EPA）制定联邦法规，要求永久减少燃煤电厂和水泥厂的汞排放量。而活性炭附是控制汞排放最有效的方法之一。据有关机构预测，2014年，美国市场用于燃煤电厂和水泥厂汞吸附的活性炭需求量将达到42万t / a。从表2还可以看出，水处理已经成为当期美国活性炭的主要应用领域之一，水处理用粉状活性炭用量已经达到50%左右；在气相领域，2009年粉状活性炭用量达到4.2万t / a，超过颗粒活性炭（用量为2.6万t /a）

日本是世界活性炭使用仅次于美国的国家，位居全球第2。日本也是我国第1活性炭出口目的地。2009年，日本活性炭年生产能力为10.22万t，进口活性炭8.43万t，出口活性炭0.68万t。日本主要活性炭生产企业包括卡尔岗三菱化学株式会社、武田药品工业株式会社及二村化学工业株式会社，主要生产高质量、高档次的活性炭产品，其生产能力都在1万t/a以上。

我国活性炭出口的3大地区除东亚、美国之外，欧洲市场也是我国传统的活性炭出口目的地。2009年西欧各国活性炭消耗量为14.9万t，主要消费国是德国、法国、意大利、英国和西班牙等。其中最大的Norit公司年生产能力为4.6万t，占欧洲整个活性炭产量的52%。

3　新型碳材料产业的国内发展现状及趋势

3.1概述

我国碳材料研究与生产起步于解放初期。在前苏联的援助下，首先建设了以生产炼钢用石墨电极为主的吉林碳素厂和以生产电工用碳制品为主的哈尔滨电碳厂。四十余年来，我国碳素工业从无到有，有了长足的发展。现在已经形成了以吉碳、兰碳、上碳、哈碳、东碳等为主的骨干企业，石墨电极生产能力达30万吨/年，位居世界前列，电碳制品也基本满足了国内经济建设的需要。但是我国碳材料工业和先进国家相比，无论在规模、质量、工艺装备、管理、科研、应用开发等方面都存在很大差距，仅大体上相当于国际上80年代的水平。具体表现在品种少、档次低（如我国石墨电极仍以普通电极和高功率电极为主，而国外己上升为超高功率电极）；产品质量不稳定；工艺装备落后；产品更新缓慢等。我国碳材料的科研水平从整体上来说落后于美国、前苏联、日本和欧共体等工业国家，但远远高于韩国、印度、巴西等国。在某些重要领域我国紧随着美、日等发达国家之后，差距并不十分明显，如热解石墨、结构功能型碳/碳复合材料、活性碳纤维、柔性石墨等。进入21世纪以来，随着碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料的兴起，我国碳素领域面临新的发展机遇，相关研究在世界上占有重要地位，研究水平达到世界先进水平。目前我国从事碳材料研究的科研机构主要有中科院金属所、中科院山西煤化所、中科院物理所、航天总公司西安航天复合材料研究所、航天材料及工艺研究所等、西北工业大学、湖南大学、中南大学、清华大学、北京大学、武汉大学、中国科技大学、武汉科技大学 、北京化工大学、天津大学、哈尔滨工业大学、陕西华兴航空机轮公司等。主要研究领域涉及当今碳材料研究与开发所有的热点领域，如碳纤维、活性炭材料和微孔碳、金刚石膜、富勒烯族、柔性石墨、插层化合物、C/C复合材料、纳米碳管、石墨烯、生物碳材料、核石墨等。

3.2我国纳米碳材料产业发展现状

（1）碳纳米管

碳纳米管具有非常高的强度、刚性和韧性，耐强酸和强碱。其全部由碳原子组成，缺陷少，密度低，具有很高的轴向强度和刚度，其性能优于通用级碳纤维，被看作是理想的复合材料增强相。利用碳纳米管所具有的极好的导电特性、电致发光特性和长径比值达 104等性能，可制备导电聚合物复合材料。碳纳米管的电子结构的金属性质或者半导体性质取决于其直径和螺旋度，因此，不同直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶体三极管、逻辑门和线路的连接件，应用于微电子器件领域。碳纳米管特殊的力学、电子、热学性能，使得其可以用于制作各种传感器，具有结构紧凑、耗能低、操作安全的特点，表现出良好的灵敏度和可选择性。碳纳米管结晶度高，导电性好，比表面积大，微孔集中在一定范围内，可用于制备双层超级电容器。碳纳米管具有优异的物理、化学和机械性能，其巨大的潜在应用价值得到了广泛的关注。

目前，世界主要国家关于碳纳米管的研究势头不减，仍然是各国研究的热点领域。中国的研究论文数量从 2003 年开始，超越日本，仅次于美国。中国在碳纳米管领域的专利申请首次出现在1996 年（如图14所示），随后几年发展十分缓慢，1996 ～ 2000 年的专利申请总量不足 100 件，2000 年的申请量为 47 件，我国碳纳米管技术在这一时期处于萌芽阶段。直到2001 年，相关中国专利申请量才开始出现一定程度的增长，申请量达到 82 件。从 2002 年起，相关中国专利申请量开始出现实质性的大幅增长，2002 年的申请量为 222 件，为 2001 年的近 3 倍，之后一直保持强劲的上升势头。这表明我国碳纳米管相关专利技术进入快速发展轨道，碳纳米管技术正引起业界重视，处于高速发展阶段，前景良好。

图14　1996-2012年我国纳米碳管领域专利申请分布统计图

当前，国际上技术领先的国家关于碳纳米管的研究主要集中在生长工艺、生长机理、结构表征、材料性能等方面，我国在碳纳米管制备与应用领域，以中国科学院、清华大学、北京大学等为代表的科研院所、高校，在诸多领域取得了突破，各种形式的碳纳米管宏量制备技术逐渐成熟，复合和电池市场正在扩张，高端器件和高端结构材料的应用市场正在培育和发展，进而促进碳纳米管的产业化。

多个国家成功地实现了碳纳米管（尤其是聚团状多壁碳纳米管）工业化生产。中国、日本、美国、德国、法国、比利时和韩国等国家的公司开发的CVD法批量制备碳纳米管技术已形成了上千吨的年产能。电弧放电法合成单壁碳纳米管质量高、缺陷少，是另一种合成单壁碳纳米管的有效方法。基于清华大学范守善研究组的超顺排阵列放大也取得了较大进展，提供了一种较简易的制备高端碳纳米管宏观体的有效方法。目前，在市场上已有多种类型的多壁和单壁碳纳米管样品供应，这显著促进了碳纳米管的应用。随着批量制备技术的快速发展，碳纳米管的价格大幅下降。10年前，碳纳米管的价格高于黄金（45 $/g）；现在，多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的价格分别为0.2～25 $/g和50～400 $/g，但仍高于碳纤维的价格（0.1～5 $/g），主要是其产能比碳纤维低1～2个数量级。一些特种碳纳米管的价格仍然较高，如富集了半导体性管或金属性管的单壁碳纳米管（大约500 $/mg）、长度/表面功能性碳纳米管和掺杂碳纳米管等。碳纳米管高价格的原因主要是其生产、纯化过程的高成本，缺乏稳定大量的市场需求所致。由于不同碳纳米管生产方法在产品产量上的差异，碳纳米管售价也会产生很大差异。可以预测，碳纳米管的价格在未来存在进一步下降的空间，从而达到终端用户所能接受的合理市场价格。但是，可利用的碳纳米管仍然会比大部分化学产品和其他原材料（如碳黑、碳纤维）价格要高。

目前，碳纳米管主要应用于锂离子电池电极材料、抗静电纤维复合材料、汽车轮胎复合材料、体育用品增强复合材料和超级电容器电极材料等领域。在碳纳米管进一步走向市场和产品的过程中，碳纳米管的标准化势在必行。我国于2009年10月30日宣布了多壁碳纳米管的标准（GB/T 24491–2009）及其纯度的测量方法（GB/T 24490–2009），并于2010年6月1日开始执行；ISO/TC 229 和 IEC/TC联合工作组在2010年4月19日发表了关于碳纳米物质词汇的技术规范（ISO TS80004-3）；IEEE 正在开发超净间内碳纳米管的加工过程标准；2011 年，美国国家标准技术研究所公布了单壁碳纳米管的标准样品。 这些标准化方面的努力将有助于碳纳米管的独立商品化、兼容性、互用性、安全性和可再生性的发展。关于其他各种类型的碳纳米管的标准、分析和检测仍然需要进一步开发。

（2）石墨烯

近几年，石墨烯逐渐引起了我国；政府、学术界和企业界的高度重视。2012年，工业和信息化部发布《新材料；产业“十二五”发展规划》，规划中的前沿新材料就包含了石墨烯。虽然现阶段我国石墨烯尚没有大规模量产，也没有形成规模化的应用，但它作为新材料板块在“十二五”规划出台后的首个热点，有望通过市场的关注形成良好的产业带动效应。此外，国家科技重大专项、国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向也部署了一批重大项目，取得了一系列创新成果，国际影响力逐步提升。国家自然科学基金也启动了多项重大研究计划，取得了相应的进展。截至2012年，全球被SCI收录的关于石墨烯的研究论文共有17361篇。其中申请数量排在全球前2位的国家是中国和美国（表6，7），发表的论文总数占全球总量的一半。美国作为世界科技最发达的国家，其发表的关于石墨烯研究方面的文献达 4730篇，占总量的27.3%；我国在石墨烯研究虽然起步晚于美国，但在这几年的努力下，文献发表量达到了 5072篇，占比 29.2%，超过美国位居全球首位。

根据新世界专利搜索（SooPAT）专利检索引擎，截至2013年6月，目前国内机构共申请5000余件石墨烯相关的发明专利，超过美国而成为世界第一，也从侧面反映出国内近几年在这一领域的活跃状态。国内目前在石墨烯方向专利主要还是集中在各大院校以及研究机构当中，如浙江大学、北京大学、清华大学、天津大学、上海交通大学等院校以及中国科学院下属的各个院所等科研机构等。相对于高校和研究院所来说，国内企业在石墨烯专利方面的涉及还有待进一步加强。

表6　2012年之前中美两国石墨烯领域论文对比

表7　2012年之前国际研究机构在石墨烯领域论文发表情况表

从石墨烯产业目前的发展进程看，我国在石墨烯的散热、导电等特性的应用方面，已迈入产业化门槛。2012年1月，全球首款智能手机石墨烯电容触摸屏在江苏常州二维碳素科技有限公司研制成功。2013年5月，全球最大规模的石墨烯透明导电薄膜生产线又在该公司正式投产，年产能达到3万平方米。2012年9月，浙江宁波墨西科技有限公司年产300吨的石墨烯项目正式投入建设。2013年4月，贵州新碳高科有限责任公司正式宣布推出我国首个纯石墨烯粉末产品——柔性石墨烯散热薄膜。2013年11月，国内最大的年产 100吨氧化石墨（烯） /石墨烯粉体生产线在常州第六元素材料科技股份有限公司正式投产。2013年8月，江苏无锡惠山经济开发区启动建设国内首个石墨烯创新发展示范基地。

3.3我国碳基复合材料产业发展现状

C/C复合材料的研究开发工作在我国始于上世纪70年代，主要研制固体发动机喷管、喉衬和飞机刹车盘等。到了90年代后期，C/C复合材料的致密化工艺逐渐完善，且在快速致密化工艺方面取得了显著进展。C/C复合材料在制备工艺，复合材料的结构设计以及力学性能、热性能和抗氧化性能等方面基础理论及方法的研究，进一步促进和扩大了该材料在航空航天、军事以及民用领域的推广应用。多种快速高效致密化工艺的工程化应用，使C/C复合材料的成本得到大幅降低，在常规战术武器喉衬中得到广泛应用。尤其是作为飞机刹车盘，以中南大学2004年获得国家技术发明一等奖为转折点，目前已有华兴航空机轮公司、西安超码科技有限公司、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、陕西蓝太航空设备有限责任公司、北京北摩高科摩擦材料有限责任公司、烟台冶金新材料研究所、汕头西北航空用品公司等专业生产飞机刹车盘的公司通过民航的生产认证。

图15　世界主要国家/组织石墨烯专利申请量

近年来，基体碳织构控制、抗氧化涂层、基体改性抗烧蚀等技术也取得较大进展，促进了该材料在固体火箭发动机扩散段、发动机燃烧室，各种再入式航天器的热防护系统、航空发动机热结构部件中的应用。今后C/C复合材料将向着低成本、高性能化的趋势发展，降低成本以促进其向民用及常规兵器领域拓展，提高其抗氧化和高温力学性能以满足新型航天及航空飞行器热结构件的使用要求。

3.4我国膨胀石墨产业发展现状

我国是天然石墨资源第一大国（世界上 2/3 的储量在我国），但关于膨胀石墨（Expanded Graphite，简称 EG）的研究要比国外晚许多。膨胀石墨是一种软质新型碳素材料，它是 70 年代首先由美国联合碳化物公司开发，压制成用于高温或防腐蚀介质的密封材料，从此膨胀石墨又一次成为人们关注的焦点。从而相继发现了膨胀石墨优良的导电、导磁、超导、储氢、吸附等性能；并相应的开发应用于高导材料、超导材料、电池材料、催化剂材料、储氢材料、密封材料、吸附材料等领域。并于78年开始引入我国，开始了对膨胀石墨大量的理论与实际应用方面的研究。国内已在许多石油化工厂和炼油厂的生产设备中得到实际应用。

3.5我国活性炭产业发展现状

中国是世界上最大的活性炭生产国和出口国。20 世纪 80 年代，活性炭产业逐渐形成规模，中国活性炭生产企业已由 20 世纪 80 年代初的几十家增至目前的 300 余家，总产能达 50 万 t/a，其中煤基活性炭生产企业 200 多家。2013 年中国活性炭年总产量约 35 万 t，其中煤基活性炭产量约 25 万 t。中国活性炭主要分为两大类，一类是以木屑、椰壳、果壳或其他木质材料为原料的木质活性炭，另一类是以煤炭为原料的煤基活性炭。其中木质活性炭产能主要集中在江西、福建和浙江等地，煤基活性炭产能主要分布在煤炭主产区，如山西、宁夏等地。从中国活性炭产业结构来看，煤基活性炭产量占中国活性炭产量的 70%以上，近几年新建的万吨级活性炭厂主要以煤基活性炭为主。

目前，我国活性炭产业呈现出如下特点：

（1）工业布局：煤基活性炭生产主要集中在山西和宁夏，目前这2大基地的煤基活性炭产品产量占全国煤基活性炭产量的90%左右 ；果壳活性炭生产以河北为主 ；木质活性炭生产主要集中在福建、江西、浙江南部及东北地区。

（2）原料：以木质原料生产的活性炭所占比重逐渐下降，以煤为原料生产的活性炭所占比重呈上升趋势。木质活性炭所占比重从20世纪70年代占我国活性炭总产量的80%下降到20世纪90年代的不足30%，同期煤基活性炭从15%上升到70%，而且这种趋势至今一直没有改变，煤基活性炭是以煤为主要原料制成的活性炭，原料煤的物理化学性质对煤基活性炭的产品性能有重大影响。近年来，我国在活性炭原料煤处理方面加大了研发力度，研究开发的活性炭原料煤深度脱灰技术，能够生产灰分极低（灰分约2%以下）的超低灰煤。而以超低灰煤为原料生产的活性炭，杂质含量低、附加值高，成为新一代的优质活性炭产品。另外，采用压块成型技术可以生产出强度高、孔隙结构可随意调整、孔径分布均匀而合理、无漂浮且在液相中下沉速度快、吸附性能优越的活性炭产品。

（3）产品用途：从20世纪70年代，活性炭的应用范围还主要集中在食品、军事、医药、化工等行业。随着工业技术的不断发展，各国环保意识的提高，目前的活性炭应用已经扩展到了国民经济的各个方面。

（4）产品特点：由于原料的优化、应用领域的拓展，目前国内的活性炭产品已经逐步向多品种、高附加值方向发展。随着出口量的增加以及企业技术的不断革新，国内外客户对活性炭产品的要求不断提高，国内活性炭产品的品质也随之不断提升。

（5）生产方法：目前，国内约 68%左右的活性炭产品为煤基活性炭，煤基活性炭以优质煤为原料，经过碳化、冷却、活化、洗涤等工艺一步步精制而成。生产技术也由最初的单种煤生产活性炭，逐步过渡到配煤生产活性炭及催化活化生产活性炭阶段。

4　发展我国新型碳材料产业的主要任务及存在主要问题

从几种典型新型碳材料的国内外产业化现状可以看出，国内在几种典型新型碳材料在产业化方面还与欧美等发达国家还有一定差距，尤其是在碳基复合材料、活性炭、高性能石墨等碳材料方面，差距还较为明显。下面逐一介绍几种碳材料目前产业化方面存在的主要问题。

4.1我国纳米碳材料产业发展存在的具体问题

（1）碳纳米管

国内尽管碳纳米管的宏量制备技术得到了长足发展，但对单根碳纳米管的严格控制和稳定质量相关的实践经验仍然缺乏。关于碳纳米管的手性、缺陷密度、管端开闭、生长速度、全同长度与壁数仍缺乏有效的控制和监测手段。碳纳米管的催化机理和聚集行为相关理论不够完善。必须在综合考虑碳纳米管合成化学、碳纳米管相互作用物理学及化学工程科学的基础之上才能找到有效的解决途径。

与传统大量化学品相比，碳纳米管距离大规模应用（百万吨量级）还很遥远。这主要是因为其在合成和后续处理上仍存在较大困难。例如，碳纳米管的结构、生产过程和应用特性之间很强的耦合关系，冗长的分散和复合过程仍有待工程突破，精确的组装和优异性能的发挥仍然非常困难。但是，这些涉及碳纳米管应用的分散、复合、结合等科学问题，需要更为深入的研究提出解决策略，进而改变未来制造业的理念及方法。纳米产业其成功实现的核心在于将前沿的纳米研究与目前工业界所使用的碳材料概念（如纯度、粒径和分散等较为粗放的特征）进一步结合。这类复杂的耦合需要科学家和工程师超越单一视角去设计生产路径，从而实现一个贯穿碳纳米管合成和应用的相关流程。通过学术界和工业界的共同努力跨越技术鸿沟，增强公众对纳米产品的理解。作为一个新兴工业，只有继续深入探索碳纳米管的基础和工程科学问题才能够促进碳纳米管工业可持续化发展。目前，关于纯碳纳米管的毒性并没有定论，但是为了维持碳纳米管工业的可持续化发展，需要进一步建立包括碳纳米管安全性在内的国际标准及其相关分析方法，需要建立政府-工人-工业的合作关系，从而发展一个安全、高效、经济的碳纳米管生产和应用过程。

（2）石墨烯

目前我国石墨烯产业仍处于初始阶段，尚存在一些影响石墨烯产业发展的问题。

① 缺乏整体规划和引导。石墨烯技术包括制备技术、材料技术、工艺技术以及应用技术，在缺乏总体规划和引导的前提下，政府扶持力度远远低于国外，各研究机构低水平重复研究的现象比较普遍。另外，目前国内石墨烯企业良莠不齐，大多数企业停留在概念炒作的阶段，全国真正投入力量参与石墨烯研发的企业不超过30家。

② 缺乏自主创新能力。石墨烯高端领军人才主要集聚在美国、英国、韩国等发达国家的高校和跨国大企业。与先进发达国家相比，我国虽然科研人员很多、成果也很多，但顶尖性、原始性成果较少，大多采用跟踪研究的方法，处于追赶状态，重大创新不多。此外，研究成果主要集中在基础研究领域，应用技术相对薄弱。国内从事石墨烯研究的主要是高校和研究机构，企业在科研方面的投入力度远逊于国外企业，在石墨烯领域提交专利申请的企业更是少之又少。

③ 缺乏市场化能力。石墨烯产品研发与应用脱节现象严重。从设备水平看，国内绝大多数高校仍处在科研小试和中试阶段，绝大多数企业也处在小批量生产的摸索阶段，还不能形成稳定的规模化生产能力。从材料应用看，主要的应用成果绝大多数还停留在实验室阶段。石墨烯在产品上的应用还处于初始阶段，并没有真正形成下游的应用和需求，大规模产业化应用尚需相当长的一段时间。从资金投入看，各类投资资金也仅处于初始试探阶段，与国外大规模资金投入相比，我国的资金投入力度远远不够。

④ 缺乏资源整合能力。石墨烯产业需要创新链、产业链、资金链和服务链多链融合才能寻求产业突破，但目前我国在产业上下游、产学研合作、产业与金融对接、知识产权转移等方面尚未建立有效的资源共享机制，导致资源分割，各领域初步形成的优势呈现“碎片化”特征，急需在全国范围内统筹形成各方资源系统集成的能力。

⑤ 缺乏行业标准。石墨烯产业的发展涉及多学科和多产业，是一项系统工程。从国外碳纤维新材料的发展规律看，行业标准对规范研发和产业化起到至关重要的作用，但我国的石墨烯从研发到应用缺乏系统性，相应数据库、检测、标准及应用验证体系支撑不足，严重制约产业的发展。

4.2我国碳基复合材料领域存在问题

国内碳/碳复合材料产业化较为成熟属其作为飞机刹车盘使用。在此领域，虽然国内已经具备了一定的产业化规模，但是缺乏针对炭刹车材料的测试标准和炭刹车副的台架试验技术规范。国外成熟的刹车副制造商均有针对炭刹车材料的测试标准和炭刹车副的台架试验技术规范，对于具体机型如波音B757、A320 等，都有主起落架机轮和炭刹车的地面动力试验台模拟试验验证技术规范。但各公司均将其作为技术秘密，没有公开发表。由于国外在本行业实行技术封锁，目前我国没有统一、成熟的商用飞机用炭刹车材料性能测试规范、炭刹车副产品台架模拟试验验证技术规范和炭刹车副产品使用寿命评估试验技术规范。飞机炭刹车盘是飞机刹车系统中重要的易耗件。到目前为止，国际市场飞机炭刹车盘全部由美、英、法三国四家公司所垄断，国内只有 A320、波音B757 等机型采用部分国产 PMA 件。目前，我国企业在进行 PMA 件适航符合性验证时，都根据中国民航局适航司发布的“运输类飞机炭刹车盘替换件合格审定符合性方法”（AC－25－AA－2008－02） 形成了各单位的试验大纲，但国内还没有形成统一的、完整的大型商用飞机炭刹车副符合性验证方法。

在国防领域，随着我国国防技术的快速发展，对高性能大型C/C复合材料复杂构件、低烧蚀C/C复合材料、低热膨胀系数C/C复合材料构件的需求越来越紧迫。虽然国内多家单位如航天一院、航天四院、西北工业大学等单位都具备了一定的大型复杂C/C复合材料构件的制备能力，但是整体性能尤其是大尺寸复杂构件的性能还不能满足某些坎坷服役环境的要求，有些领域甚至成为了限制总体发展的瓶颈技术，亟待解决。

4.3我国膨胀石墨产业发展存在的具体问题

（1） 理论研究尚处于初级阶段

我国自20 世纪70 年代开始对可膨胀石墨及其制品进行研究，但这仅局限于部分高校及一些大型国有石墨企业，尽管也取得一定的成绩，但由于缺乏行业指导、系统规划，大多是闭门自锁、各自为战，且项目重叠现象严重，未向更深层次发展。因此有待于行业进行总体规划、合理分工，多方联合，加快理论研究的纵向深入。

（2）生产方式落后、污染严重

目前大多数生产企业，生产方式都比较落后，尤其是一些乡镇及个体企业，多为作坊式生产，质量无法保证。当前可膨胀石墨的生产多是采用硫酸作插入剂，辅以强氧化剂或以电解方式经酸化、洗涤、脱水、烘干加工而成，由于该种方式插入剂消耗量大，洗涤用水量和污水排放量居高不下。且多数生产厂家没有解决废水处理问题，处于自然排放状态，环境污染严重，严重制约着该行业的发展。

（3）产品质量大多处于低级水平

目前可膨胀石墨的年产量达到 25 000t 左右，其中80% 为低档产品，仅能满足一些领域的低档次应用。况且国内对可膨胀石墨及其制品至今仍没有形成一套完整具体合理统一的标准，多数生产企业也没有完整的检测体系，对产品指标把握不准，形成了盲目生产、无标生产、仅凭经验去干的局面，结果产品质量波动幅度很大，以如此的原料再去加工制品，其质量可见一斑。

4.4我国活性炭产业发展存在的具体问题

如前所述，近年来，在下游用户的推动以及企业自身的努力下，我国活性炭产业有了长足的进步，但和发达国家相比仍存在较大差距，主要体现在产品质量和产品品种2个方面。未来，我国的活性炭生产企业还需在这2方面下足功夫，以增强中国活性炭产品在国际市场上的竞争力。

在产品质量方面：我国生产的煤基活性炭品质不高，孔容小、比表面积低、吸附性能差，而且品种单一、产品的质量也不稳定。同时，还由于我国活性炭出口多头经营、竞相压价以争取外商，造成活性炭的价格偏低，目前我国活性炭的出口价格只相当于国际市场上同等质量活性炭价格的1/3～1/2，甚至更低。这种无序状况已导致了严重的后果：一方面外商进一步压价，并提出对产品质量的更高要求，甚至要派员驻厂监督；另一方面，易引起外国同行协会或商贸部门反倾销诉讼。这已严重影响了我国活性炭在国际市场的竞争力甚至国家的商业信誉。

目前，我国活性炭生产和销售的实践均证实，通过增加活性炭产量可以提高产品的产值，但单位质量产品的利润率不仅得不到提高，反而是越来越低，甚至对活性炭行业在一个时期内造成毁灭性的打击。造成这个结果的原因，有市场供求关系变化、活性炭应用途径对活性炭质量指标的改变等方面的影响，但其最根本的原因是我国活性炭出口多头经营、缺乏管理、竞相压价争取外商所引起的活性炭市场的无序化状态。在这种情况下再通过盲目提高活性炭产量发展活性炭工业，显然是行不通的。

另外在产品品种方面：虽然我国活性碳经过20余年的快速发展，我国活性炭生产企业已由20世纪80年代初的几十家增加到目前的300余家，总生产能力达到50万t，活性炭品种几十个，牌号达100多种，其中，煤基活性炭生产企业近200家。2011年，我国活性炭总产量已经达到35万t，其中煤基活性炭产量约24万t。但是，目前水处理是国内活性炭最主要的应用领域，约占市场需求量的60%以上。为提高我国活性碳的国际竞争力，必须在提高产品质量的同时，扩展其应用领域，开发新型活性碳品种。

5　推动我国新型碳材料产业发展的对策和建议

5.1我国纳米碳材料产业发展建议

（1）碳纳米管

碳纳米管技术是一门年轻学科，其研究和应用方兴未艾。目前，其正处于快速发展时期，研究成果逐渐增多，应用范围日益广阔。国内相关高校和科研机构以及龙头企业作为主体推动了该领域科学研究在我国的持续升温。近年来，国内的相关专利申请量和申请人数量增长非常迅速，所涉及的技术主题也逐渐增多。针对我国碳纳米管领域专利技术的发展，提出如下建议 ：

① 我国相关企业需要加强在碳纳米管领域的研发投入。目前富士康集团在国内碳纳米管技术发展和专利布局中处于领先地位。希望更多的国内企业能够加入到碳纳米管技术的研发中，形成有效的竞争机制，以促进整个行业的发展。

② 国内众多高校和科研机构在碳纳米管领域具有一定的技术积累和创新能力，但在产业应用方面缺乏足够经验。国内相关企业和高校及科研机构之间应该充分发挥各自的优势，围绕重大项目推进碳纳米管技术的产学研合作，以清华大学与富士康集团的合作为典范，在整个行业中广泛开展产学研合作，促进我国碳纳米管技术基础研究与产业化开发的有机衔接，在此过程中把握科技发展方向，抓住产业发展机会，有效、合理地利用行业资源，实现我国碳纳米管技术的跨越式发展。

（2）我国石墨烯领域发展建议

从整体情况来看，我国石墨烯产业发展还是以研发为主，规模化制备工艺还不成熟，难以实现低成本、规模化、高性能的石墨烯产品制造 ；完整的产业链尚未形成，下游仍没有一个可以实现石墨烯的规模化应用的领域 ；目前对石墨烯产品的需求仍然集中在各大院校及科研机构，所用产品也仅限于样品。因此，实现石墨烯在下游某一两个应用领域的突破是当前我国石墨烯产业化工作的重中之重。石墨烯应用于不同领域所面临的技术难题、市场需求均有不同，在国内的产业化应用目标必须依据我国工业基础，由简入繁、因势利导、有目的、有规划、分阶段，逐步推动石墨烯的商业化应用。尽管到目前为止石墨烯还没有实现大规模的产业化应用，但是石墨烯在近几年有望在部分领域实现应用突破，这些应用领域的共同特点是石墨烯不是主成分而是作为添加剂的形式，利用石墨烯非常优异的导电导热等性能，改善最终产品的相应性能。目前，这些领域对石墨烯的要求并不是很十分苛刻，本身的工艺难度也相对较小，而且中国在这些应用领域有很强的技术实力和生产基础，在国际上也有较强的市场竞争力，因此在国内更容易实现产业化，而且已经有不少公司在这方面做了大量的工作。

我国石墨烯产业发展的政策建议：

① 制定石墨烯产业发展规划，加强对产业的统筹引导

应在国家层面系统规划石墨烯产业的技术路线和产业化路线，明确石墨烯产业发展的阶段目标、重点领域、资金来源、政策体系等重大问题，确立合理的组织框架，推动材料、设备、工艺和应用齐头并进，促进上下游的协调发展。在制定产业发展规划过程中，应把握好三个方面的关键点: 一是充分发挥科研院所和创新企业的积极性，兼顾技术和市场两个方面的发展趋势，遵循创新规律和产业规律。既要考虑技术的前瞻性，又要考虑技术的应用性、集成性和可转化率；既要考虑产业发展的高端性，又要考虑产业化的可行性、规模性和经济性。二是统筹兼顾当前和长远的关系，既要准确把握国际、国内石墨烯产业发展的方向，又要选准阶段性的突破方向，实现技术引领产业发展，形成产业促进技术提高的良性循环。三是正确处理政府和市场的关系。政府扶持的重点在于初始阶段的政策引导和财税支持，要充分激发企业和市场在技术创新和产业创新中的主体作用，既要加大扶持力度，又要通过杠杆效应撬动更多的社会资源聚焦石墨烯产业。

② 加大科技创新力度，加强自主创新能力

应在国家层面设立重大科技专项，进一步加大对石墨烯技术创新的支持力度。引导国内高校投身于石墨烯研究，大力引进国外领军型创新创业人才，充分调动企业研发的积极性，注重关键、核心和前沿技术的研发。加大科技成果转化力度，突破产业化的技术、工艺和装备的瓶颈制约，不断提高石墨烯产业核心竞争力。重点打造“三大平台、一个高地”: 一是在高校建立石墨烯国家重点实验室，在基础研究上保持与世界同步水平。二是在企业建立石墨烯国家工程技术研究中心，在应用技术和工艺技术上实现重点突破。三是学习借鉴德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会和中国台湾工研院的模式，鼓励和支持发展石墨烯产业技术研究，重点聚焦产业前瞻性研究项目和系统集成项目。此外，还要建立人才高地，抢抓全球人才加速流动的机遇，以全职人才和柔性人才两种方式，面向全球招揽高端人才。

③ 坚持市场导向，促进研发与商业化并行发展

重点开展产业化前期的应用技术开发，支持和引导生产企业、研究设计机构与应用单位联合开发各种石墨烯增强复合材料、零部件及成品，扩大工业领域的应用市场。主要应在三个方面加强研发与商业化的有机融合：一是大力发展“研发机构 + 孵化器 + 加速器”的三位一体模式，实现从技术研发到成果转化的一站式服务。二是鼓励下游终端应用企业持股孵化石墨烯初创企业，通过市场需求引导技术研发的方向。三是重点支持研发机构和终端应用企业联合承担科技成果转化项目，集中研发机构与企业的创新资源，缩短技术研发与产业化的间隔时间。在未来一到两年，建议重点在三个方面形成突破: 一是利用其导电性，在触摸屏、超级电容和动力电池方面有所突破。二是利用其导热性，在散热材料方面有所突破。三是利用其相容性和耐腐蚀性，在生物医药、涂料和复合材料方面形成突破。

④ 深化科技体制改革，提高协同创新能力

坚持企业在创新中的主体作用和市场在创新资源、生产要素配置中的决定性作用，不断深化和完善“以企业为主体、市场为导向和产学研相结合”的技术创新体系，鼓励科技与人才相结合、科技与市场相结合、科技与金融相结合，促进技术、市场、人才、资金多元融合的体制机制，集聚政、产、学、研、用、资、介等各类创新资源，大大提升石墨烯产业的资源整合能力。重点在三个方面实现体制机制创新:一是探索产学研紧密结合的机制。推进企业、高校和科研院所建立优势互补、利益共享、风险共担的合作机制，实现技术链与产业链的无缝对接、双向融合和优势叠加。二是探索科技、金融紧密结合的机制。大力发展符合新兴产业特征的金融产品和服务，支持天使投资、科技支行、科技保险、科技小贷和科技保险等新型金融业态，建立风险补偿、基金扶持等配套政策，加快构建多元化的资金链，有效破解新兴产业发展的资金难题。三是探索“有形”和“无形”紧密结合的机制。在发挥企业主体作用、激发市场活力的同时，进一步强化政府的引导和服务功能，实现政府“有形之手”和市场“无形之手”的协同配合。

⑤ 建立产业技术创新联盟，抢占产业发展的主导权

石墨烯是交叉科学的产物，单一机构不可能在所有的科学领域都处于领先地位。因此，只有不同的单位组建联盟，进行技术研发合作并形成合力，才能实现产业创新。目前，石墨烯处于产业化和商业化的临界点，从战略上来说，各机构应联合起来共同推进石墨烯产业的发展。当务之急是加快推进三方面工作：一是充分发挥产业技术创新联盟的力量，加快制定石墨烯的国家标准，积极抢占石墨烯的国际市场。二是依托高校和龙头骨干企业，加快建成一批石墨烯产业的技术创新平台、技术检测平台以及知识产权服务平台。三是依托科技情报和中介服务机构，提升石墨烯产业的高端服务能力，准确把握石墨烯产业的发展趋势。

5.2我国碳基复合材料领域发展建议

根据国外碳/碳复合材料技术的发展和国内企业的生产实践，要保持和提升我国在该领域的国际竞争力，同时为我国航空、航天及军事工业发展提供材料支撑，国内仍需在以下方面进一步发展和提高。

（1）加强低成本制备工艺的开发，促进C/C复合材料向常规武器及民用领域的拓展应用，同时提高我国碳刹车盘的国际竞争力。

（2）强化致密化过程中的织构调控，确保材料性能及其稳定性。

（3）加强质量管理，保证构件性能的稳定性，C/C复合材料的性能分散性较大，需要在预制体质量控制、致密化工艺控制、后处理工艺控制、机械加工工艺控制等一系列的工艺环节中严格控制质量，降低性能分散性，保证产品质量稳定性。

（4）针对不同服役环境，进一步开发抗氧化、抗烧蚀技术，满足航空、航天等领域中苛刻服役环境对材料的性能需求。

（5）进一步提高化学气相渗透的速度，缩短生产周期，降低生产成本，使我国炭刹车材料具有更好的经济性。

（6）在刹车盘等商业应用领域，强化技术积累，促进企业技术升级，提升产品质量，缩小与美、英、德、法等传统强国的差距，提升产品国际竞争力，同时向更多机型拓展。

5.3我国膨胀石墨领域发展建议

（1）发展低硫可膨胀石墨及其制品

硫在可膨胀石墨及其制品中是一种有害元素、它对设备易造成腐蚀，且高温膨胀时易产生有毒气体，污染环境，因此对其含量有所限制，目前客户能接受的产品硫含量在 800×10-6以下，而当前多数生产企业的产品硫含量大于1000×10-6，在市场竞争的今天，质量是第一位的，因此，硫含量指标不合格的产品，客户已拒绝使用。现在一些生产企业已认识到问题的严重性，早已着手进行低硫、超低硫、无硫产品的研制来满足市场需要，但却因成本原因，影响了市场的进一步深入，也制约了该行业及相关领域的发展。

（2）发展高纯、高pH 值、低温膨胀可膨胀石墨

在一些特殊领域，要求可膨胀石墨的纯度达到99.9%，pH 值呈中性，甚至偏碱性，要求可膨胀石墨在低温（＜200℃）情况下膨胀。

（3）发展高强度可膨胀石墨制品

膨胀石墨板材的主要缺点是抗拉强度低（一般为3.5～5.5MPa）、质脆，在一些领域受到限制，目前成熟的方法是将膨胀石墨板材与长纤维或薄金属板组成复合材料，既保持了膨胀石墨板材的特点，又克服了其机械强度低的不足。

（4）由作坊式生产向自动化规模生产转变

目前可膨胀石墨及其制品的市场竞争是非常激烈的，除了产品质量的竞争外，产品价格是竞争的另一个主要因素，产品价格的高低又决定于产品成本的高低。当前，可膨胀石墨及其制品的生产企业参差不齐，部分企业甚至仍停留在作坊式手工生产上，在产品质量难以保证的情况下，产品成本也居高不下。市场杠杆决定了行业必须走自动化规模生产的路子，以稳定产品质量，降低生产成本，赢得更大的市场。

5.4我国活性炭产业发展建议

目前，世界活性炭工业生产呈现出如下特点 ：

（1）世界活性炭的工业化生产已从西方转向中国等发展中国家，这种产业的转移在21世纪中期将持续进行；

（2）全球范围内日渐严厉的环保法规使得活性炭的需求进一步增长，水处理行业一直是活性炭消费的巨大市场，同时也是最重要的增长领域 ；

（3）其它需求增长较快的领域包括气体处理市场，美国在此领域的消费量中期内将增长5%；

（4）最大的潜在活性炭应用市场是燃煤火电厂所排放气体的净化，预计美国在此领域的活性炭需求到2014年将达到42万t；

（5）由于人们对可能的生化恐怖袭击高度关注，核、细菌以及化学防护过滤器和个人防护服装对活性炭的需求也将逐步增加。

针对国外活性炭产业化的所呈现出的特点，我国活性炭产业应关注的焦点在于：

（1）扩大生产规模。

目前国内活性炭生产企业准入门槛低，普遍规模较小、技术力量薄弱、经济实力不强，只能依赖资源优势在激烈的市场竞争中求生存，不但企业自身很难有大的发展，而且也很难与国外的大型活性炭企业竞争。一般来说，工业发达国家运行良好的活性炭企业其生产规模在2万t/a以上。世界最大的2家活性炭企业美国Calgon公司和荷兰Norit公司活性炭年产量均在10万t以上，单台设备生产能力可达1.5万t/a。因此，为提高与国外大型活性炭企业的竞争能力，充分利用现代化生产设备的生产能力，必须扩大活性炭生产企业的生产规模，逐步淘汰规模小，设备落后的企业，增加万吨级活性炭企业（目前国内规模 10 万 t/a 超大型活性炭企业一家）。从而有效地改善中国活性炭市场的无序竞争现状。

（2）生产设备现代化。

随着国内活性炭生产规模的大型化发展，必将促进活性炭生产设备向大型化和现代化方向发展。目前国内已有活性炭生产企业引进国外的干法辊压造粒机（生产能力5万t/a）和耙式炉（生产能力1万t/a）。同时，配套的物料输送和仪表控制环节也向连续化、自动化方向发展。如现已成功研发 1.5万t级大型炭化炉。为推广大型活化设备多膛炉在中国的应用，煤炭科学研究总院已建成一套 50 kg/h 的小型多膛试验炉，可为不同种类活性炭的试制提供技术服务。

传统活性炭行业自动化水平低，大多需要人工操作，主要体现在物料进料、出料以及物料运输等方面，劳动强度极大，不符合现代化企业标准。因此，采用输送机（对于产生粉尘的采用密封式输送机）运输物料，采用气动或电动阀门控制进料、出料，并通过引进PLC控制系统实现设备自动控制。目前部分企业基本实现全厂自动化操作。

（3）产品多样化。

随着活性炭应用领域的不断扩大，涌现出一些技术含量高的活性炭新产品，活性炭的档次也越来越高，质量逐步提升。目前，水处理是活性炭最主要的应用领域，约占市场需求量的60%以上。压块活性炭将是未来水处理用活性炭市场，尤其是中国水处理活性炭市场的主流产品，此外，随着干法烟气净化技术的推广，活性焦也越来越受到重视。

（4）重视国内市场。

我国是活性炭生产大国，年产量高达30万t以上，但年消费仅为10万t左右。而居世界活性炭产量第2的美国年产活性炭为18万t，消费却接近20万t，可见我国活性炭产业还有很大的市场空间，随着工业的不断进步，我国活性炭产业在未来10～20年的国内市场需求还将进一步加大。

（5）节能减排。

目前，活性炭生产过程中的节能减排已经成为活性炭生产企业基本要求，企业普遍采用通过余热锅炉、烟气循环等方式节约能源，并通过二次燃烧、洗涤除尘等方式降低有毒有害气体的排放，效果十分显著。已有企业在炭化炉尾气出口增加焚烧和余热回收装置进行热量回收，单台年产 4000 t/a的炭化炉配套余热锅炉约2 t/h，同样活化设备斯列普炉尾气出口也增加焚烧和余热回收装置。通过增加这些设备，大大提高了全厂的热效率，降低单位产品能耗 10% ～20%。

2012年11月26日，宁夏颁布实施了中国第一个活性炭生产企业的地方排放标准，国家排放标准也即将发布，说明中国对活性炭产业环保标准的重视程度有所增加，将有利于提高产业的准入门槛，淘汰落后产能。宁夏地方标准要求新建活性炭厂SO2排放限值为 350 mg/m3（已建厂400 mg/m3），粉尘为50 mg/m3（已建厂 80 mg/m3）。这就要求不达标企业必须新增减排设施，如车间需增加除尘设施，不密封设备需更换成密封良好设备等;烟气中 SO2、烟尘需增加喷淋装置和脱硫设备，目前新建的大型活性炭厂均要求建有脱硫除尘设施。

（6）加强技术创新。

在国家“863”、“973”等科技计划的支持下，在我国率先实现了活性焦干法脱硫技术的产业化并开始工业推广，自主开发的煤基脱硫专用活性焦系列产品已在山西、宁夏、内蒙古等地实现产业化，产品目前已占据国内60%以上的活性焦市场份额，并出口日本、韩国。在煤炭科学研究总院的示范带动作用下，越来越多的企业认识到，科技创新对提高产品性能的重要性。企业纷纷通过与科研院所、高校联合开发，或者成立自己的研发中心，不断优化活性炭的生产工艺，提高产品性能，开发新型产品，保护和开拓活性炭的应用市场。

（7）开发活性炭下游产品，向活性炭应用技术服务方向拓展

目前，利用活性炭制成活性炭布、成型活性炭、蜂窝状活性炭块、饮用水处理用活性炭罐、空调净化光催化剂载体、血肾等，均能把活性炭的价值成倍提高。

和其它行业一样，发达国家的活性炭企业也经历了生产活性炭产品、开发下游产品，进而向特定行业直接供应使用活性炭的终端设备并提供环境突发事件应急处理、设备维修、活性炭更换与再生等专门化的服务发展历程。

我国活性炭企业如果能顺应国际上各专业市场逐渐细分的潮流，从活性炭产品生产向开发下游产品、提供专门技术产品服务领域拓展，必将真正打破行业局限、突破单一煤炭产品的框框，有不可限量的发展前景。

DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2016.01.002