基于產(chǎn)業(yè)鏈的江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究

唐藤軒，劉 媛，黃 斌

(江蘇省科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院，江蘇 南京 210042)

0 引言

先進碳材料是由傳統(tǒng)碳材料經(jīng)過一系列加工制得的具有特殊性能的材料，主要包括碳纖維、石墨烯以及碳納米管、碳碳復(fù)合材料、碳基功能材料等。先進碳材料產(chǎn)業(yè)是一個國家戰(zhàn)略性和前瞻性技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，對動力電池等新能源技術(shù)，航空航天、軌道交通等高端裝備的發(fā)展具有決定性的支撐作用[1]。

江蘇是國內(nèi)較早進行先進碳材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的省份，率先布局石墨烯、碳纖維及復(fù)合材料，綜合發(fā)展水平全國領(lǐng)先。目前，江蘇已經(jīng)形成了以“石墨烯設(shè)備研發(fā)制造—原料制備與應(yīng)用研究—產(chǎn)品生產(chǎn)—下游應(yīng)用”為代表的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈[2]，以及以“碳纖維設(shè)備制造—碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)—碳纖維復(fù)合制品—航空部件、汽車零部件等應(yīng)用產(chǎn)品”為代表的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈[2]。此外，江蘇還在碳納米材料、碳碳復(fù)合材料等其他先進碳材料領(lǐng)域進行了布局，并在常州、連云港、鎮(zhèn)江等地區(qū)形成了產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)，常州新型碳材料集群入圍國家先進制造業(yè)集群，彰顯了先進碳材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的江蘇擔(dān)當(dāng)。

1 江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展總體情況

1.1 市場規(guī)模擴大，國產(chǎn)替代加速

2021年，江蘇省先進碳材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破230億元，較上年增長約15%[3]。其中，碳纖維及復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模約180億元，石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模約50億元[3]。截至目前，江蘇石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模、高端碳纖維制備規(guī)模以及碳纖維復(fù)合織物市場占有率均位居全國首位[3]，并且隨著下游應(yīng)用市場的打開以及美日出口限制的政策影響，以新能源裝備、軌道交通、消費電子等為代表的下游行業(yè)紛紛開始采購國產(chǎn)化產(chǎn)品，江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能加速釋放，產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)循環(huán)正逐步形成。

1.2 創(chuàng)新能力增強，科技成果顯現(xiàn)

江蘇作為我國碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基地，突破了從原絲、碳化、纖維到復(fù)合材料制備的全套生產(chǎn)工藝，中復(fù)神鷹開發(fā)的SYT65碳纖維產(chǎn)品，拉伸強度6 400 MPa，拉伸模量294 GPa，部分性能已達到或超過國外同類產(chǎn)品。江蘇是國內(nèi)較早開展石墨烯研制及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的省份，全球第一條年產(chǎn)100 t石墨烯粉體生產(chǎn)線、全球第一條3萬m2CVD法石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線均在江蘇誕生，富烯科技研發(fā)的石墨烯導(dǎo)熱膜，打破了國外產(chǎn)品壟斷，成功應(yīng)用于華為多個系列的消費電子產(chǎn)品中。

1.3 企業(yè)質(zhì)態(tài)提升，集群優(yōu)勢凸顯

截至2021年年底，江蘇省已成為擁有先進碳材料企業(yè)最多的省份，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)近千家，既有為航空航天、柔性觸摸屏等高端應(yīng)用提供支撐的龍頭企業(yè)，同時也培育了一批在體育器材、功能涂料等領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Φ墓歉善髽I(yè)。江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)在常州、連云港、鎮(zhèn)江形成了明顯的集聚效應(yīng)，其中：常州從應(yīng)用端發(fā)力，加快發(fā)展輕量化復(fù)合材料；連云港以研發(fā)檢測公共服務(wù)平臺為載體，著力打造國內(nèi)高性能纖維產(chǎn)業(yè)基地；鎮(zhèn)江市通過技術(shù)+資本+產(chǎn)業(yè)鏈延伸的創(chuàng)新模式，開展碳材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，進一步拓展了區(qū)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間。

2 江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展存在的問題

江蘇先進碳材料緊跟全球碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐，取得了一系列令人矚目的成就。但與此同時，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也到達了變革的關(guān)鍵節(jié)點，制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題依舊普遍存在，并且產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展水平與國際先進水平仍存在一定差距。

2.1 產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭容^小

日本和美國作為碳纖維大國，其骨干企業(yè)的產(chǎn)能均在8 000 t/a以上，特別是行業(yè)龍頭東麗公司，其產(chǎn)能已超過了20 000 t/a[4]?，F(xiàn)階段江蘇僅恒神、中復(fù)神鷹建有千噸級的生產(chǎn)線。江蘇碳纖維產(chǎn)業(yè)總體規(guī)模仍然較小，企業(yè)的規(guī)?；?yīng)也未能凸顯。而江蘇石墨烯產(chǎn)業(yè)受制于低成本、規(guī)?；苽浼夹g(shù)尚未成熟以及下游應(yīng)用市場未完全打開，雖然近年來保持著較快的增長速度，產(chǎn)業(yè)質(zhì)態(tài)得到了穩(wěn)步提升，但是整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模依然偏小。

2.2 產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平有待提升

江蘇率先突破了T1000級碳纖維的制備技術(shù)，但與發(fā)達國家相比，T800級、T1000級的產(chǎn)品在穩(wěn)定性、均勻性、可靠性和經(jīng)濟性上仍有較大的差距，并且高強高模碳纖維、大絲束碳纖維等高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)仍為空白。石墨烯方面，江蘇省企業(yè)仍多采用氧化還原的制備方法，造成環(huán)境污染的同時，其純化過程也相對復(fù)雜，對設(shè)備要求也較高。此外，石墨烯下游應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)機理研究也不夠透徹，缺少對產(chǎn)品性能的全面考核和實際應(yīng)用的評估數(shù)據(jù)。

2.3 龍頭骨干企業(yè)帶動力弱

當(dāng)前，江蘇碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢主要集中在中游碳纖維及復(fù)合材料的制備上，而上游聚丙烯腈等原材料及設(shè)備制造企業(yè)，下游航空航天等應(yīng)用型企業(yè)相對較少，產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同創(chuàng)新能力不足。江蘇從事石墨烯研究及生產(chǎn)的企業(yè)規(guī)模較小，綜合實力較弱，多集中在一些投入小、產(chǎn)出快的領(lǐng)域，普遍采用合作研發(fā)或委托研發(fā)的模式，而發(fā)達國家涉足石墨烯的多是行業(yè)巨頭，例如三星、英特爾、巴斯夫等，其所關(guān)注的也多是可穿戴技術(shù)、生物醫(yī)藥等具有前瞻性的領(lǐng)域。

2.4 產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系尚不成熟

江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)體系較為脆弱，無論是碳纖維還是石墨烯都屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，而當(dāng)前江蘇省先進碳材料產(chǎn)業(yè)“企業(yè)+研發(fā)機構(gòu)+孵化器/創(chuàng)新中心”的發(fā)展模式仍處在探索階段，技術(shù)研發(fā)也多以材料的性能為導(dǎo)向，產(chǎn)業(yè)鏈上下游需求對接明顯不足，多數(shù)先進碳材料的研發(fā)難以滿足實際市場需求。尤其是石墨烯行業(yè)，無論是企業(yè)還是研發(fā)機構(gòu)均未找到合適的盈利模式，產(chǎn)業(yè)內(nèi)同質(zhì)化競爭嚴(yán)重，產(chǎn)品也存在良莠不齊的現(xiàn)象，產(chǎn)業(yè)生態(tài)亟待完善。

3 江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨勢

3.1 江蘇碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨勢

技術(shù)向著高端化和穩(wěn)定性的方向發(fā)展。美日等碳纖維大國持續(xù)加大投入力度開展新型碳纖維及新型碳纖維預(yù)浸料的研究，且多為高強高模的碳纖維[5]。當(dāng)前，江蘇省碳纖維產(chǎn)業(yè)缺乏核心技術(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性不足，開展高強高模碳纖維制備技術(shù)研究，實現(xiàn)高性能產(chǎn)品的穩(wěn)定化、規(guī)模化制備，是江蘇省碳纖維產(chǎn)業(yè)邁向價值鏈中高端的關(guān)鍵。

輕量化帶來的市場需求愈發(fā)增多。隨著“碳達峰、碳中和”理念的不斷深入，以新能源汽車為例，平均車質(zhì)量1.6 t的汽車如果減質(zhì)量20%，能量消耗可以減少15%[6]，下游汽車、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域的輕量化發(fā)展需求正推動碳纖維行業(yè)向著質(zhì)輕強度大的方向發(fā)展。在當(dāng)前新能源汽車動力電池等相關(guān)技術(shù)難有重大突破的情況下，碳纖維增強復(fù)合材料能有效降低汽車車身質(zhì)量的40%～60%，碳纖維將是新能源汽車實現(xiàn)輕量化發(fā)展的重要手段。

可回收利用成為重要的發(fā)展目標(biāo)。熱固性碳纖維及其復(fù)合材料面臨著生命周期的挑戰(zhàn)，國內(nèi)碳纖維市場規(guī)模超70億元，且多依賴進口，對報廢或失去使用價值的碳纖維進行回收利用，具有極高的經(jīng)濟價值，國內(nèi)相關(guān)的研究工作仍處于起步階段。江蘇開展碳纖維材料可回收性和二次利用的研究，一方面符合國家對環(huán)境治理相關(guān)要求，另一方面也可以有效降低企業(yè)的經(jīng)營成本，增強可持續(xù)發(fā)展動力，助力江蘇碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈補鏈強鏈延鏈。

3.2 江蘇石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨勢

低成本、大尺寸、高品質(zhì)的宏量制備技術(shù)成關(guān)鍵。盡管目前石墨烯的制備技術(shù)已經(jīng)有20多種，但低成本、大尺寸、高品質(zhì)的宏量制備技術(shù)仍然是世界各國的研究熱點[7]，實現(xiàn)石墨烯的高效、綠色制備，石墨烯產(chǎn)品的成本將大幅下降，產(chǎn)品質(zhì)量會得到大幅提升，產(chǎn)品的下游應(yīng)用市場也將得到進一步拓寬，市場規(guī)模也將實現(xiàn)新的跨越。

石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化體系將逐步建立。國際電工委員會(IEC)批準(zhǔn)了兩項關(guān)于石墨烯表征的新國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)，并且中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會也提出首個石墨烯國家標(biāo)準(zhǔn)。未來，隨著更多的石墨烯產(chǎn)業(yè)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)落地，江蘇石墨烯產(chǎn)業(yè)從研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗到應(yīng)用都將得到有機的聯(lián)合，產(chǎn)業(yè)發(fā)展將逐步邁向標(biāo)準(zhǔn)化體系化的時代，產(chǎn)業(yè)生態(tài)日趨成熟，為江蘇省石墨烯產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級奠定了基礎(chǔ)。

石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步拓展。未來10年，隨著石墨烯規(guī)?；苽浼夹g(shù)、粉體的分散技術(shù)、石墨烯基復(fù)合技術(shù)等制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸技術(shù)被逐個突破，石墨烯在新能源汽車、海洋工程、能源發(fā)展、智能裝備、高端裝備、環(huán)境治理、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步深入，有望成為各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域不可或缺的部分。

4 江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展路徑

4.1 強化產(chǎn)業(yè)鏈頂層設(shè)計和統(tǒng)籌部署

充分發(fā)揮江蘇省產(chǎn)業(yè)強鏈的制度優(yōu)勢，著力推動產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、價值鏈等多鏈融合。前瞻謀劃江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，厘清產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展技術(shù)長短板，引進和培育產(chǎn)業(yè)鏈重大項目。發(fā)揮各部門間政策的合力，并推動跨領(lǐng)域、多維度的創(chuàng)新合作，出臺并落實強鏈、補鏈方案及相關(guān)政策舉措，協(xié)同推進江蘇省先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈卓越提升。

4.2 提升產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)創(chuàng)新的整體效能

圍繞產(chǎn)業(yè)鏈安全穩(wěn)定、自主可控要求，深化財政資金的引導(dǎo)作用，不斷完善“揭榜掛帥”“賽馬”等項目組織機制，開展先進碳材料基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和成果轉(zhuǎn)化全鏈條部署，推動更多高性能低成本的先進碳材料應(yīng)用到航空航天、新能源、電子信息等領(lǐng)域，以市場為紐帶，不斷拓展延伸江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈條。

4.3 積極推進產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新平臺建設(shè)

高標(biāo)準(zhǔn)推進先進碳材料產(chǎn)業(yè)重大創(chuàng)新平臺建設(shè)，探索項目、基地、人才、資金一體化配置的科研組織模式，支持產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)牽頭，以市場為導(dǎo)向，跨區(qū)域、跨領(lǐng)域整合配置新型研發(fā)機構(gòu)、高校院所和行業(yè)骨干企業(yè)等相關(guān)科研力量，搭建集聚開放創(chuàng)新資源、帶動創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化、培育吸收高端人才的協(xié)同創(chuàng)新平臺。

4.4 搭建供需對接和產(chǎn)學(xué)研交流平臺

發(fā)揮先進碳材料產(chǎn)業(yè)集群促進機構(gòu)織網(wǎng)器、代言人的作用，組織開展織項目策劃、供需對接和人才招引等活動。支持龍頭企業(yè)、行業(yè)協(xié)會等通過市場化方式舉辦先進碳材料領(lǐng)域全球性和全國性大賽、會議、論壇、展覽等活動，搭建產(chǎn)學(xué)研合作交流平臺，進一步擴大江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈的影響力和競爭力。

5 結(jié)語

協(xié)同推動江蘇先進碳材料產(chǎn)業(yè)鏈卓越提升，可以有效帶動江蘇新材料產(chǎn)業(yè)逐步邁向產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈的中高端，同時也為江蘇制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力的支撐。江蘇是先進碳材料產(chǎn)業(yè)大省，聚力關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺建設(shè)和供需交流平臺搭建，著力提升先進碳材料產(chǎn)業(yè)競爭力和影響力，扛起“爭當(dāng)表率、爭做示范、走在前列”的光榮使命。