基于产业链的江苏先进碳材料产业发展路径研究
时间：2023-02-11 15:40:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
唐藤轩，刘 媛，黄 斌
(江苏省科学技术发展战略研究院，江苏 南京 210042)
先进碳材料是由传统碳材料经过一系列加工制得的具有特殊性能的材料，主要包括碳纤维、石墨烯以及碳纳米管、碳碳复合材料、碳基功能材料等。先进碳材料产业是一个国家战略性和前瞻性技术发展的基础，对动力电池等新能源技术，航空航天、轨道交通等高端装备的发展具有决定性的支撑作用[1]。
江苏是国内较早进行先进碳材料产业化应用的省份，率先布局石墨烯、碳纤维及复合材料，综合发展水平全国领先。目前，江苏已经形成了以“石墨烯设备研发制造—原料制备与应用研究—产品生产—下游应用”为代表的石墨烯产业链[2]，以及以“碳纤维设备制造—碳纤维复合材料生产—碳纤维复合制品—航空部件、汽车零部件等应用产品”为代表的碳纤维复合材料产业链[2]。此外，江苏还在碳纳米材料、碳碳复合材料等其他先进碳材料领域进行了布局，并在常州、连云港、镇江等地区形成了产业集聚效应，常州新型碳材料集群入围国家先进制造业集群，彰显了先进碳材料产业高质量发展的江苏担当。
1.1 市场规模扩大，国产替代加速
2021年，江苏省先进碳材料产业规模突破230亿元，较上年增长约15%[3]。其中，碳纤维及复合材料的产业规模约180亿元，石墨烯产业规模约50亿元[3]。截至目前，江苏石墨烯产业规模、高端碳纤维制备规模以及碳纤维复合织物市场占有率均位居全国首位[3]，并且随着下游应用市场的打开以及美日出口限制的政策影响，以新能源装备、轨道交通、消费电子等为代表的下游行业纷纷开始采购国产化产品，江苏先进碳材料产业产能加速释放，产业链内循环正逐步形成。
1.2 创新能力增强，科技成果显现
江苏作为我国碳纤维及复合材料产业发展的重要基地，突破了从原丝、碳化、纤维到复合材料制备的全套生产工艺，中复神鹰开发的SYT65碳纤维产品，拉伸强度6 400 MPa，拉伸模量294 GPa，部分性能已达到或超过国外同类产品。江苏是国内较早开展石墨烯研制及产业化应用的省份，全球第一条年产100 t石墨烯粉体生产线、全球第一条3万m2CVD法石墨烯透明导电薄膜生产线均在江苏诞生，富烯科技研发的石墨烯导热膜，打破了国外产品垄断，成功应用于华为多个系列的消费电子产品中。
1.3 企业质态提升，集群优势凸显
截至2021年年底，江苏省已成为拥有先进碳材料企业最多的省份，产业链上下游企业近千家，既有为航空航天、柔性触摸屏等高端应用提供支撑的龙头企业，同时也培育了一批在体育器材、功能涂料等领域极具发展潜力的骨干企业。江苏先进碳材料产业在常州、连云港、镇江形成了明显的集聚效应，其中：常州从应用端发力，加快发展轻量化复合材料；
连云港以研发检测公共服务平台为载体，着力打造国内高性能纤维产业基地；
镇江市通过技术+资本+产业链延伸的创新模式，开展碳材料产业的技术创新，进一步拓展了区域的产业发展空间。
江苏先进碳材料紧跟全球碳材料产业发展步伐，取得了一系列令人瞩目的成就。但与此同时，产业的发展也到达了变革的关键节点，制约产业发展的瓶颈问题依旧普遍存在，并且产业整体发展水平与国际先进水平仍存在一定差距。
2.1 产业规模化程度较小
日本和美国作为碳纤维大国，其骨干企业的产能均在8 000 t/a以上，特别是行业龙头东丽公司，其产能已超过了20 000 t/a[4]。现阶段江苏仅恒神、中复神鹰建有千吨级的生产线。江苏碳纤维产业总体规模仍然较小，企业的规模化效应也未能凸显。而江苏石墨烯产业受制于低成本、规模化制备技术尚未成熟以及下游应用市场未完全打开，虽然近年来保持着较快的增长速度，产业质态得到了稳步提升，但是整体产业规模依然偏小。
2.2 产业技术水平有待提升
江苏率先突破了T1000级碳纤维的制备技术，但与发达国家相比，T800级、T1000级的产品在稳定性、均匀性、可靠性和经济性上仍有较大的差距，并且高强高模碳纤维、大丝束碳纤维等高端产品的产业化技术仍为空白。石墨烯方面，江苏省企业仍多采用氧化还原的制备方法，造成环境污染的同时，其纯化过程也相对复杂，对设备要求也较高。此外，石墨烯下游应用的基础科学机理研究也不够透彻，缺少对产品性能的全面考核和实际应用的评估数据。
2.3 龙头骨干企业带动力弱
当前，江苏碳纤维产业链优势主要集中在中游碳纤维及复合材料的制备上，而上游聚丙烯腈等原材料及设备制造企业，下游航空航天等应用型企业相对较少，产业链的协同创新能力不足。江苏从事石墨烯研究及生产的企业规模较小，综合实力较弱，多集中在一些投入小、产出快的领域，普遍采用合作研发或委托研发的模式，而发达国家涉足石墨烯的多是行业巨头，例如三星、英特尔、巴斯夫等，其所关注的也多是可穿戴技术、生物医药等具有前瞻性的领域。
2.4 产业生态体系尚不成熟
江苏先进碳材料产业链生态体系较为脆弱，无论是碳纤维还是石墨烯都属于技术密集型产业，而当前江苏省先进碳材料产业“企业+研发机构+孵化器/创新中心”的发展模式仍处在探索阶段，技术研发也多以材料的性能为导向，产业链上下游需求对接明显不足，多数先进碳材料的研发难以满足实际市场需求。尤其是石墨烯行业，无论是企业还是研发机构均未找到合适的盈利模式，产业内同质化竞争严重，产品也存在良莠不齐的现象，产业生态亟待完善。
3.1 江苏碳纤维产业链发展趋势
技术向着高端化和稳定性的方向发展。美日等碳纤维大国持续加大投入力度开展新型碳纤维及新型碳纤维预浸料的研究，且多为高强高模的碳纤维[5]。当前，江苏省碳纤维产业缺乏核心技术，产品质量和稳定性不足，开展高强高模碳纤维制备技术研究，实现高性能产品的稳定化、规模化制备，是江苏省碳纤维产业迈向价值链中高端的关键。
轻量化带来的市场需求愈发增多。随着“碳达峰、碳中和”理念的不断深入，以新能源汽车为例，平均车质量1.6 t的汽车如果减质量20%，能量消耗可以减少15%[6]，下游汽车、航空航天、轨道交通等领域的轻量化发展需求正推动碳纤维行业向着质轻强度大的方向发展。在当前新能源汽车动力电池等相关技术难有重大突破的情况下，碳纤维增强复合材料能有效降低汽车车身质量的40%～60%，碳纤维将是新能源汽车实现轻量化发展的重要手段。
可回收利用成为重要的发展目标。热固性碳纤维及其复合材料面临着生命周期的挑战，国内碳纤维市场规模超70亿元，且多依赖进口，对报废或失去使用价值的碳纤维进行回收利用，具有极高的经济价值，国内相关的研究工作仍处于起步阶段。江苏开展碳纤维材料可回收性和二次利用的研究，一方面符合国家对环境治理相关要求，另一方面也可以有效降低企业的经营成本，增强可持续发展动力，助力江苏碳纤维产业链补链强链延链。
3.2 江苏石墨烯产业链发展趋势
低成本、大尺寸、高品质的宏量制备技术成关键。尽管目前石墨烯的制备技术已经有20多种，但低成本、大尺寸、高品质的宏量制备技术仍然是世界各国的研究热点[7]，实现石墨烯的高效、绿色制备，石墨烯产品的成本将大幅下降，产品质量会得到大幅提升，产品的下游应用市场也将得到进一步拓宽，市场规模也将实现新的跨越。
石墨烯标准化体系将逐步建立。国际电工委员会(IEC)批准了两项关于石墨烯表征的新国际电工委员会(IEC)标准，并且中国国家标准化管理委员会也提出首个石墨烯国家标准。未来，随着更多的石墨烯产业和技术标准落地，江苏石墨烯产业从研发、生产、检验到应用都将得到有机的联合，产业发展将逐步迈向标准化体系化的时代，产业生态日趋成熟，为江苏省石墨烯产业结构转型升级奠定了基础。
石墨烯应用领域将进一步拓展。未来10年，随着石墨烯规模化制备技术、粉体的分散技术、石墨烯基复合技术等制约产业发展的瓶颈技术被逐个突破，石墨烯在新能源汽车、海洋工程、能源发展、智能装备、高端装备、环境治理、生物医药等领域的应用将进一步深入，有望成为各个产业领域不可或缺的部分。
4.1 强化产业链顶层设计和统筹部署
充分发挥江苏省产业强链的制度优势，着力推动产业链、创新链、价值链等多链融合。前瞻谋划江苏先进碳材料产业发展方向，厘清产业链发展技术长短板，引进和培育产业链重大项目。发挥各部门间政策的合力，并推动跨领域、多维度的创新合作，出台并落实强链、补链方案及相关政策举措，协同推进江苏省先进碳材料产业链卓越提升。
4.2 提升产业链技术创新的整体效能
围绕产业链安全稳定、自主可控要求，深化财政资金的引导作用，不断完善“揭榜挂帅”“赛马”等项目组织机制，开展先进碳材料基础研究、应用研究和成果转化全链条部署，推动更多高性能低成本的先进碳材料应用到航空航天、新能源、电子信息等领域，以市场为纽带，不断拓展延伸江苏先进碳材料产业链条。
4.3 积极推进产业链协同创新平台建设
高标准推进先进碳材料产业重大创新平台建设，探索项目、基地、人才、资金一体化配置的科研组织模式，支持产业链龙头企业牵头，以市场为导向，跨区域、跨领域整合配置新型研发机构、高校院所和行业骨干企业等相关科研力量，搭建集聚开放创新资源、带动创新创业孵化、培育吸收高端人才的协同创新平台。
4.4 搭建供需对接和产学研交流平台
发挥先进碳材料产业集群促进机构织网器、代言人的作用，组织开展织项目策划、供需对接和人才招引等活动。支持龙头企业、行业协会等通过市场化方式举办先进碳材料领域全球性和全国性大赛、会议、论坛、展览等活动，搭建产学研合作交流平台，进一步扩大江苏先进碳材料产业链的影响力和竞争力。
协同推动江苏先进碳材料产业链卓越提升，可以有效带动江苏新材料产业逐步迈向产业链、价值链的中高端，同时也为江苏制造业高质量发展提供有力的支撑。江苏是先进碳材料产业大省，聚力关键核心技术攻关、产业创新平台建设和供需交流平台搭建，着力提升先进碳材料产业竞争力和影响力，扛起“争当表率、争做示范、走在前列”的光荣使命。
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