石油基炭材料將帶動(dòng)形成千億級(jí)新興產(chǎn)業(yè)鏈

宋迎迎

日前，中國(guó)科協(xié)發(fā)布2023年十大產(chǎn)業(yè)技術(shù)問(wèn)題，“石油基炭材料高端化技術(shù)如何發(fā)展”在列。作為一類由石油衍生而來(lái)的高價(jià)值材料，石油基炭材料在能源、環(huán)保、化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

“未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，石油基炭材料將發(fā)揮更加重要的作用。”中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院教授劉東接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，實(shí)現(xiàn)石油基炭材料高端化需要高校院所和企業(yè)持續(xù)不斷地探索與創(chuàng)新，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化，從原料精制、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量等方面入手，打通高端石油基炭材料的生產(chǎn)流程。

石油基炭材料是一類由石油或石油衍生物制備的炭材料，具有易石墨化、高結(jié)晶度、高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的導(dǎo)電性等特點(diǎn)。這些獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，使其在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。

如何利用石油重質(zhì)組分的高碳?xì)浔忍匦詠?lái)制備石油基炭材料，是目前該類材料研究的熱點(diǎn)。劉東告訴記者，利用熱轉(zhuǎn)化或催化轉(zhuǎn)化等工藝，可以將石油原料中的烴類和非烴類化合物轉(zhuǎn)化為高碳含量且具有特定功能或結(jié)構(gòu)特性的固體材料。他表示，石油基炭材料的特性使其在航空航天、新能源、電動(dòng)汽車、信息電子、軌道交通、機(jī)械裝備、冶金化工等多個(gè)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

“石油基炭材料具有高導(dǎo)熱導(dǎo)電性和出色的力學(xué)性能，是優(yōu)異的結(jié)構(gòu)與功能一體化材料。這是其他材料無(wú)法媲美的?！眲|介紹。

隨著科技的發(fā)展和需求的增加，石油基炭材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。在冶金和儲(chǔ)能領(lǐng)域，石油基炭材料已廣泛用于制備超高功率石墨電極和高性能鋰離子電池的負(fù)極材料；在核工業(yè)領(lǐng)域，石油基炭材料可以制備用于核反應(yīng)堆的各向同性石墨。

石油基炭材料還可制備瀝青基炭纖維和復(fù)合材料。瀝青基炭纖維具有出色的輕量高模性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、抗疲勞和耐腐蝕性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、車體制造等領(lǐng)域；石油基炭材料也常用作先進(jìn)碳/碳復(fù)合材料的增強(qiáng)體，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度等性能。

石油基炭材料正成為全球爭(zhēng)相研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。然而，如何提高其性能、降低制備成本并實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)，是當(dāng)前科研人員和有關(guān)企業(yè)等面臨的主要挑戰(zhàn)。劉東解釋說(shuō)，石油基炭材料的研發(fā)、生產(chǎn)需要大量專用設(shè)備投入，設(shè)備不斷更新就會(huì)出現(xiàn)高折舊率及相應(yīng)維護(hù)費(fèi)用。另外，石油基炭材料的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用的不確定性比較高，研發(fā)和商業(yè)化的開(kāi)銷也較大。且石油基炭材料進(jìn)入市場(chǎng)之前，需經(jīng)過(guò)理論層面的突破及應(yīng)用層面的反復(fù)驗(yàn)證。即使通過(guò)理論實(shí)驗(yàn)或示范生產(chǎn)階段，仍可能因設(shè)備、工藝等因素的限制無(wú)法進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)階段。

近年來(lái)，中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的石油基炭材料生產(chǎn)國(guó)之一，相關(guān)企業(yè)已經(jīng)超過(guò)千家，并在常州、無(wú)錫、青島和深圳等地形成了產(chǎn)業(yè)集群。歷經(jīng)多年艱苦攻關(guān)，我國(guó)在石油基炭材料的研究和應(yīng)用方面不斷涌現(xiàn)出令人矚目的創(chuàng)新成果。

比如在高功率和超高功率石墨電極材料方面，我國(guó)相關(guān)企業(yè)已經(jīng)相繼建成并投產(chǎn)了年產(chǎn)超過(guò)10萬(wàn)噸的高品質(zhì)針狀焦生產(chǎn)線，針狀焦關(guān)鍵性能指標(biāo)熱膨脹系數(shù)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平，滿足了我國(guó)高功率和超高功率石墨電極的基本需求；在高性能石油基炭纖維方面，近幾年我國(guó)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度大于2.0吉帕、模量大于600吉帕以及導(dǎo)熱率大于800瓦/米·度的高性能碳纖維國(guó)產(chǎn)化，在一定程度上解決了高性能碳纖維的自主保障問(wèn)題，使我國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后第三個(gè)掌握高性能石油基炭纖維技術(shù)全流程核心技術(shù)的國(guó)家。

石油基炭材料高端化技術(shù)的發(fā)展，將有效解決一些當(dāng)前的能源和環(huán)境問(wèn)題。劉東表示，其首先會(huì)直接影響處于上游的煉化產(chǎn)業(yè)?！笆突坎牧系母叨嘶?，不僅可推動(dòng)石油實(shí)現(xiàn)由燃料屬性向材料屬性的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)煉化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推進(jìn)煉油‘油轉(zhuǎn)特’轉(zhuǎn)型升級(jí)，還可以將碳原子固化在炭材料中，實(shí)現(xiàn)源頭減排?！眲|說(shuō)。

此外，下游的新興炭材料產(chǎn)業(yè)也將受到影響。隨著高端石油基炭材料的精細(xì)化發(fā)展，其種類和數(shù)量逐漸豐富、性能水平也將不斷提升，可滿足新能源、航空航天、冶金等領(lǐng)域的不同應(yīng)用，從而帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。“可以說(shuō)，未來(lái)石油基炭材料將帶動(dòng)形成千億級(jí)的新興產(chǎn)業(yè)鏈?！眲|表示。

實(shí)現(xiàn)石油基炭材料高端化技術(shù)的發(fā)展是一項(xiàng)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)。劉東認(rèn)為，應(yīng)以綠色低碳發(fā)展為總體原則，基于我國(guó)石油基炭材料上游產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和下游需求制定技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，組織相關(guān)高校院所與企業(yè)協(xié)同攻關(guān)。

“科研人員和企業(yè)應(yīng)持續(xù)不斷地探索和創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合，彌補(bǔ)石化企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈短板。同時(shí)要與下游應(yīng)用企業(yè)緊密聯(lián)合，推動(dòng)科技成果轉(zhuǎn)化?！眲|表示，在這個(gè)過(guò)程中，科研人員和企業(yè)要進(jìn)一步研究和改進(jìn)炭化工藝，從而提高材料的導(dǎo)電性和機(jī)械性能等。

石油基炭材料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，也離不開(kāi)政策護(hù)航。劉東建議，要健全知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度，制定嚴(yán)格的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制體系，進(jìn)一步推動(dòng)石油基炭材料高端化技術(shù)的發(fā)展和材料的廣泛應(yīng)用。