2021年，工信部將碳基材料納入“十四五”原材料工業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，并將碳化硅復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，以全面突破關(guān)鍵核心技術(shù)，攻克“卡脖子”品種，提高碳基新材料產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化。碳基復(fù)合材料設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)專門的技術(shù)。國際上認(rèn)為培養(yǎng)一個(gè)成熟的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師至少需要10年，國內(nèi)嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)計(jì)人員，大部分人不了解材料強(qiáng)度、剛度計(jì)算的工程方法，國際上通行的分析和驗(yàn)證用的“積木式”（BBA-Building Block Approach）方法，很少有人具體掌握復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、修理設(shè)計(jì)等許多具體設(shè)計(jì)技術(shù)和要領(lǐng)。 

碳基復(fù)合材料面臨“卡脖子”

目前我國亟待攻克的“卡脖子”品種有三大類：一是碳纖維及其制品，如高性能聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維、碳纖維預(yù)浸料、復(fù)合材料和碳紙等；二是特種石墨，如機(jī)械密封用石墨、抗燒蝕石墨、核石墨和高導(dǎo)熱泡沫石墨等；三是功能炭材料，如中間相碳微球、電容炭、硬炭、硅炭、石墨烯導(dǎo)熱膜和導(dǎo)電炭黑等。中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任陳成猛表示，我國碳基材料行業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比仍然存在一定差距。在基礎(chǔ)炭材料領(lǐng)域，高精尖品種大量依賴進(jìn)口，仍面臨“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，亟須提高自主創(chuàng)新能力，加強(qiáng)科技攻關(guān)。在前沿炭材料領(lǐng)域，我國處于與國際并行乃至領(lǐng)跑狀態(tài)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)正加速崛起，“如何在低成本大規(guī)模制備的基礎(chǔ)上，開拓應(yīng)用場(chǎng)景，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于搶占新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)具有重要戰(zhàn)略意義”。 

碳纖維復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的國際化差距

碳基新材料高端產(chǎn)品仍處于產(chǎn)業(yè)化初始階段，高強(qiáng)高模碳纖維、聚酰胺66等產(chǎn)品仍面臨國際貿(mào)易和技術(shù)壁壘。此外，關(guān)鍵制造裝備也處于以引進(jìn)為主、研制和仿制為輔的狀態(tài)，高端分析測(cè)試設(shè)備更是基本依賴進(jìn)口，具有工匠精神的專業(yè)工程技術(shù)人才出現(xiàn)斷層。 

碳纖維樹脂基復(fù)合材料制造工藝裝備落后，自動(dòng)化程度低，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套工藝與裝備研發(fā)能力不足。國內(nèi)碳纖維樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用以跟蹤替代為主，自主設(shè)計(jì)應(yīng)用能力較弱，自動(dòng)化成型工藝的應(yīng)用比例不足20%。復(fù)合材料設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)落后使復(fù)合材料性能離散大、減重效率和成品率低、成本高，已經(jīng)成為制約復(fù)合材料應(yīng)用的突出問題。 

近幾年，我國在碳纖維原絲的生產(chǎn)方面取得了較大的進(jìn)步，但是與國際先進(jìn)技術(shù)水平之間的差距還是很明顯的。例如，美日的碳纖維龍頭企業(yè)所采用的干噴濕紡工藝，在國內(nèi)尚未真正普及，僅中復(fù)神鷹在干噴濕紡工藝上取得了千噸級(jí)的突破。美日的原絲生產(chǎn)已經(jīng)能達(dá)到T1100高強(qiáng)度碳纖維和M60J高模量這種水平，而國產(chǎn)碳纖維企業(yè)的產(chǎn)品還集中在T300、T400這類中低端產(chǎn)品上，能夠批量化生產(chǎn)達(dá)到T700水平的比例并不多。 

國內(nèi)碳纖維樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家也存在明顯的差距。國外研制的B787、A350等大型客機(jī)復(fù)合材料用量達(dá)到了50%以上。國內(nèi)研制的ARJ21支線客機(jī)復(fù)合材料用量不足2%，正在研制的C919復(fù)合材料用量僅達(dá)10%左右，且大部分構(gòu)件主要直接從國外進(jìn)口預(yù)浸料制造生產(chǎn)，樹脂基復(fù)合材料在大型客機(jī)等民用航空領(lǐng)域難以形成規(guī)模。 

碳基復(fù)合材料研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最為薄弱，已嚴(yán)重制約我國先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展。國際上認(rèn)為培養(yǎng)一個(gè)成熟的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師至少需要10年，國內(nèi)嚴(yán)重缺乏有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員，這直接普遍影響到復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展。例如國內(nèi)很少有人真正掌握鋪層設(shè)計(jì)的原則和方法，不了解材料許用值和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的來源及用法，不知道復(fù)合材料強(qiáng)度、剛度計(jì)算的工程方法，不了解國際上通行的分析和驗(yàn)證用的“積木式”（BBA-Building Block Approach）方法，沒有具體掌握復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)、疲勞耐久性設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、環(huán)境影響及其防護(hù)設(shè)計(jì)、修理設(shè)計(jì)等許多具體設(shè)計(jì)技術(shù)和要領(lǐng)。 

設(shè)計(jì)方面還存在規(guī)范手冊(cè)和軟件開發(fā)等問題。國外十分重視有組織的制訂相應(yīng)規(guī)范，例如各大飛機(jī)公司均有自己的《復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)》，至于專門用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)分析軟件的Sizer等軟件的開發(fā)和應(yīng)用等。在應(yīng)用領(lǐng)域，如風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)，國外已大量應(yīng)用先進(jìn)復(fù)合材料，成為碳纖維應(yīng)用大戶，但國內(nèi)進(jìn)展緩慢，一個(gè)重要原因是我國葉片多是進(jìn)口，沒有原始設(shè)計(jì)產(chǎn)權(quán)，自主設(shè)計(jì)時(shí)也沒有引進(jìn)商提供的載荷數(shù)據(jù)作為參考。 

碳基復(fù)合材料成本較高，是制約其擴(kuò)大應(yīng)用發(fā)展的主要障礙之一。西方發(fā)達(dá)國家紛紛制訂低成本的復(fù)合材料發(fā)展計(jì)劃，發(fā)展低成本的復(fù)合材料綜合技術(shù)，如美國由國防部出面聯(lián)合工業(yè)界于1996年發(fā)起并執(zhí)行一個(gè)10年的低成本復(fù)合材料計(jì)劃，即CAI(Composite Afforability Initiative)計(jì)劃，并已用在F-35和B787等機(jī)型的工程應(yīng)用中，宣稱要降低總成本的50%。歐洲則繼TANGO計(jì)劃后又有ASK計(jì)劃等，目的要減輕結(jié)構(gòu)重量的30%，節(jié)省成本的30%，由多國多部門聯(lián)合執(zhí)行。 

碳纖維中低端產(chǎn)品成本居高不下，缺乏國際競(jìng)爭力。國產(chǎn)碳纖維高端產(chǎn)品缺乏，T300/T700級(jí)碳纖維滿足國防應(yīng)用需求，T800、M40、M40J和M55J已突破工程化制備技術(shù)，更高性能的T1100G碳纖維、TORAYCAM40X碳纖維還處于跟蹤研發(fā)階段；宇航級(jí)T300、T700級(jí)國產(chǎn)碳纖維價(jià)格國外在1000元人民幣/kg以內(nèi)，國內(nèi)在3000-4000元人民幣/kg，缺乏國際競(jìng)爭力，因此真正具有競(jìng)爭力和可持續(xù)健康發(fā)展的碳纖維龍頭產(chǎn)業(yè)尚未形成。 

最后，創(chuàng)新是技術(shù)發(fā)展的靈魂，事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，但在碳基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域原創(chuàng)創(chuàng)新能力不足。要能不斷開發(fā)出新的有競(jìng)爭力的適銷對(duì)路的產(chǎn)品投放市場(chǎng)獲取效益，以碳纖維復(fù)合材料自行車為例，2020年，全球碳纖維自行車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到183百萬美元，預(yù)計(jì)2026年可以達(dá)到229百萬美元，從車架、車把、車叉、座管到曲柄最后到車圈中國臺(tái)灣用27年完成復(fù)合材料化的進(jìn)程，技術(shù)含量很高，市場(chǎng)占有率全球領(lǐng)先。

高性能石墨材料技術(shù)被國外嚴(yán)格封鎖

在全球市場(chǎng)中，碳基復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)主要集中在日本、西歐、美國等地區(qū)，代表性企業(yè)主要有日本東洋碳素、日本東海、日本東麗、日本碳素、日本吳羽化學(xué)、德國西格里、德國崇德、法國美爾森、美國尤卡、美國赫氏復(fù)材、美國GrafTech等。這些企業(yè)技術(shù)水平先進(jìn)，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類較多、質(zhì)量較高，在全球市場(chǎng)中處于領(lǐng)先地位。 

一直以來，歐美日等國家在高性能石墨材料技術(shù)方面對(duì)我國實(shí)行嚴(yán)格封鎖，出口到國內(nèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品種類與數(shù)量也進(jìn)行嚴(yán)格控制，導(dǎo)致我國高性能石墨材料價(jià)格高昂且供應(yīng)量少，無法滿足高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。發(fā)展碳基復(fù)合材料行業(yè)是緩解我國高性能石墨材料供應(yīng)不足的重要手段之一，在國家政策與資本的推動(dòng)下，我國碳基復(fù)合材料行業(yè)不斷發(fā)展壯大。 

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2020-2024年碳/碳復(fù)合材料行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》顯示，現(xiàn)階段，我國代表性企業(yè)主要有南方搏云新材、煙臺(tái)魯航、甘肅郝氏、西安超碼、湖南博云新材、吉林聯(lián)科、北京金鑫等。相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量不斷增長，能夠生產(chǎn)的產(chǎn)品種類不斷增多，在一定程度上緩解了我國高性能石墨材料供應(yīng)不足的問題，也使得相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)口價(jià)格有所下降。

碳基芯片如何實(shí)現(xiàn)彎道超車 

缺芯成為科技界的一大難題，之前的芯片絕大部分采用硅基材料的集成電路技術(shù)，最新的碳基半導(dǎo)體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢(shì)，碳基技術(shù)是各國一直研發(fā)替代硅基的新技術(shù)。與國外硅基技術(shù)制造出來的芯片相比，我國碳基技術(shù)制造出來的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)，不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。碳基技術(shù)在不久的將來可以應(yīng)用于國防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。已在高端汽車剎車系統(tǒng)取得了一定的應(yīng)用，未來有望成為新一代飛機(jī)、高鐵和汽車剎車材料。 

目前我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)技術(shù)突破：第一，提純?cè)稀５诙?，將碳納米管有規(guī)則地平鋪在基板上。第三，使用碳納米管搭建pn結(jié)構(gòu)。第四，將dna完成的組裝體規(guī)則地搭建在基板上。雖然已經(jīng)能夠以很高的密度按規(guī)則鋪設(shè)碳納米管，但想要做成電路，還需光刻/電子束刻蝕來鋪設(shè)各種電極（源電極、漏電極、門電極）。硅基芯片發(fā)展幾十年，很多核心技術(shù)掌握在歐美等國家的手里，因此會(huì)受制于人。當(dāng)下的技術(shù)能力距離實(shí)現(xiàn)真正可以使用的碳基芯片還有一段距離要走，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)更是前路漫漫。 

政策助推碳基復(fù)合材料發(fā)展

附：碳基材料分類

碳基材料是指以碳為基體的材料，主要包括高性能碳基復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、石墨及石墨烯材料。碳基材料具有比重小、強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、核能、光伏、風(fēng)電、電子信息、冶金機(jī)械、軌道交通裝備、工程機(jī)械等領(lǐng)域，是超高聲速飛行器、運(yùn)載火箭、新一代戰(zhàn)機(jī)、核反應(yīng)堆等重點(diǎn)領(lǐng)域不可缺少的關(guān)鍵材料。碳基復(fù)合材料的上游分為基體、增強(qiáng)體和其他材料，其中基體包括石墨碳和碳纖維，增強(qiáng)體則有碳化硅；中游包括碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品、碳/陶復(fù)合材料產(chǎn)品；下游應(yīng)用在半導(dǎo)體、航天航空、汽車行業(yè)、光伏發(fā)電以及化工行業(yè)等。 

按照維度劃分，碳基材料可分為零維、一維、二維和三維材料。其中，零維材料有碳量子點(diǎn)、富勒烯等；一維材料有碳纖維、碳納米管、碳納米線等；二維材料有石墨烯等；三維材料也稱體材料，包含各類立體的本征或復(fù)合體系。