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“方寸之間”塑造“大千世界” ——關于國內石墨產業發展面臨的問題與思考

2019-11-09 13:59:52 來源:中國建材報

  ■本報記者畢德鵬

  曾幾何時石墨只是一個邊緣產業,作為工業的配角出現在人們的視野中,而今,隨著科學技術的不斷發展,石墨產業逐漸從傳統產業轉變為戰略性新興產業,石墨被譽為“黑色的金子”成為支撐高新技術發展的重要戰略資源。“寡占性”是我國石墨產業的優勢之一,我國是石墨儲量大國、生產大國、消費大國、出口大國,中國石墨產業在全球具有舉足輕重的地位。

  美國氣象學家洛倫茲用“亞馬遜雨林一只蝴蝶翅膀偶爾振動,也許兩周后就會引起美國得克薩斯州的一場龍卷風”來解釋蝴蝶效應,而今,小到僅有方寸的石墨也正在掀起這樣的變化。

  資源優勢:“聚寶盆”上的隱憂

  由于石墨新材料所具有的優異特性,有業內人士甚至認為,石墨將取代硅在電子領域的應用,人類將從“硅時代”進入“石墨時代”。

  優良的特性,加上應用領域眾多,使石墨產業擁有廣闊的發展空間。按照國家提出的2020年電動汽車數量占所有交通車輛10%的發展目標,預計僅動力電池所需的石墨負極材料將達到15萬噸,市場容量將達到500億元。在軍工和民用的應用領域,柔性石墨產品已呈現出替代傳統產品的發展趨勢,僅石墨空調葉脈板產品,市場空間就達到500億元。石墨新材料的美好發展前景不容置疑,而在人們趨之若鶩之時,石墨產業的諸多問題也凸顯出來。

  盡管中國石墨資源豐富,但是在資源利用上呈現的問題不容忽視。尤其是石墨資源的無節制開采和石墨原礦的大量出口,已使我國多處石墨礦幾近枯竭,有人甚至擔心石墨產業將步稀土的后塵。從事石墨應用研發多年的武漢理工大學資源與環境工程學院教授張凌燕認為,中國石墨儲量雖大,但是由于每年的產量占到全球產量的70%,隨著我國石墨資源的消耗,以及其他國家找礦工作的深入開展,更多的石墨礦被發現,未來我國石墨資源占全球的比例將不斷減少,屆時可能失去在石墨產業上的話語權。

  在我國大量出口石墨初級品的同時,美國、日本、韓國等國家卻早已把石墨列入國家戰略資源,進行立法保護,有的國家封存了自己的石墨礦山,嚴控開采,甚至將部分進口的石墨儲藏起來,以備將來使用,這不能不引起我們的警惕。

  我國生產的石墨制品絕大部分是初級產品,因為產能過剩,無序競爭,壓制了價格,出口產品每噸價格不及3000元,而進口的高附加值石墨產品每噸價格高達50多萬元,價格相差100多倍,這成為石墨產業慘遭口誅筆伐的“經典事例”。我國石墨產品懸殊的進出口價格,意味著石墨資源的低價流失,蒙受巨大損失。究其原因,既有國外對我國實行石墨加工技術封鎖,也有我國尚沒有攻破關鍵技術的癥結。

  內蒙古日新集團董事長張彬對中國石墨產業的現狀十分擔心。“中國石墨界如果再走低端路線,恐怕就連做苦勞力的資格都沒有了!”他認為,石墨對于工業發展的重要意義,比稀土有過之而無不及。國家層面應該更多地關注這一產業的轉型升級。

  由于我國并不掌握石墨深加工核心技術,而先進石墨加工技術被美日歐盟等少數國家壟斷,導致我國石墨資源“低出高進”,外國“以購代采”的狀態長期存在。

  石墨烯:一個概念引領的“創新運動”

  在制造大國雄心的催生下,“材料之王”行業正呈現出燥熱癥。誰是材料之王?誰的出現被稱為“徹底改變21世紀”?越來越多的答案指向石墨烯。

  石墨烯目前是世界上最薄的材料,只有一個原子的厚度,卻比最好的鋼材堅韌百倍,而且導電性、導熱性也遠超其他材料,幾乎完全透明,又有很好的彈性,其無可比擬的材料性能堪稱完美,因此被稱為“新材料之王”。可廣泛應用于半導體、新能源、柔性電子傳感器、復合材料、生物醫藥等領域。

  厚度僅為頭發絲的20萬分之一,強度是鋼的200倍,即便大角度彎曲也不會斷裂,石墨烯具有很多獨特的優良性能,這些獨特性能一旦實現產業化應用,將對多個領域帶來革命性的變革。未來,石墨烯一旦實現產業化應用技術突破,應用前景廣闊,無可限量,能撬動千億元的產業規模。

  但這一新興產業在加速發展的同時,重上游輕下游、重科研輕應用、重噱頭輕實干等“泡沫化”端倪初顯,若放任自流,恐將導致我國石墨烯產業發展“起大早、趕晚集”。

  一個產業的興起往往要經歷6個階段:技術概念期、產品導入期、市場擴張期、并購競爭期、成熟調整期、產業衰退期。目前石墨烯產業正在從技術概念期向產品導入期過渡,尚未形成完整的產業鏈。一位業內人士毫不諱言地指出,“現在石墨烯產業上中游發展火熱,下游應用一直是短板,缺乏大規模應用是制約行業發展的主要瓶頸,關鍵在于如何將實驗室的技術導入到下游的應用中。”

  目前行業還沒有形成盈利模式,市場尚處于培育階段。在研發方面需要投入大量資金,而下游應用市場尚未打開,產品銷售額低。目前國內生產和應用開發石墨烯產品的企業多為中小企業和初創企業,資金、人員和研發實力都相對較弱。因此,高技術水平、低成本制備技術和產業化應用開發,還未取得實質性突破,這也成為制約我國石墨烯產業發展的關鍵因素之一。

  當前石墨烯市場亟待規范,很多企業只是在炒概念,如行業無序發展將會導致惡性競爭,對整個行業發展產生致命危害。必須建立健全行業規范,避免惡性競爭。認為,目前石墨烯應用技術多處于中試階段,市場不確定性較大。投資者應理性投資,理性判斷行業發展趨勢,避免跟風炒作。同時應發揮政府資金的引導作用,以市場應用為導向,推動產業集群發展。

  當下,國際鼓勵發展新材料產業,石墨烯成為其有力支撐,加之其巨大的商業價值,政企高漲的投資熱情致使大批資金流向石墨烯領域,行業規模急速膨脹,“泡沫化”傾向初顯。除江蘇外,重慶、寧波、青島、德陽、河北、北京等地亦在布局石墨烯產業。重慶將石墨烯列為十大戰略性新興產業之一,寧波發布了《寧波市石墨烯技術創新與產業中長期發展規劃(2014~2023)》,目標在10年內將石墨烯產業打造成為具有千億元級產值規模的優勢與特色產業。

  部分專家認為,現下的石墨烯熱與當年的造船、光伏投資沖動如出一轍,反映出企業和政府根深蒂固的投機性。一位石墨烯企業負責人甚至直言,這固然有企業家的盲目,但更多是地方政府的GDP沖動,背后蘊藏的“泡沫化”風險不容小視。

  產業前景:“工業味精”的深度催化

  其實,石墨的應用領域十分廣泛。

  作為一種戰略性礦產資源,石墨不僅普遍應用于電極、電池、染料、墨粉等一般工業和消費領域,還廣泛用于核電、化工、航天、軍事、冶金、電子、機械等特殊工業領域。在發達國家,石墨產品已作為新材料技術的代表,得到了充分開發和研究。石墨所特有的金屬和非金屬雙重的工藝技術特性決定了石墨產品必然成為新材料工業的前沿技術之一。

  在我國,傳統產業中不乏石墨的身影。石墨的一個主要用途是生產耐火材料,包括耐火磚、坩堝,連續鑄造粉,鑄造芯,鑄模洗滌劑和耐高溫材料。近20年來,耐火材料工業中兩個重要的變化是鎂炭磚的煉鋼爐內襯中被廣泛應用,以及鋁碳磚在連續鑄造中的應用。使石墨耐火材料與煉鋼業緊密相連,全世界煉鋼業約消耗70%的耐火材料。

  在耐腐蝕材料領域,石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨,具有耐腐蝕、導熱性好、滲透率低等特點,而廣泛用于制作熱交換器、反應槽等設備。

  在原子能工業和國防工業領域,石墨具有良好的中子減速性能,最早作為減速劑用于原子反應堆中,鈾——石墨反應堆是目前應用較多的一種原子反應堆。

  在導電材料領域,石墨就是早期電氣工業中廣泛用來做電源、電刷、碳棒、水銀整流器的正極、石墨墊圈、電話零件、電視機顯像管額涂層等等。其中以石墨電極應用最廣,在冶煉各種合金鋼、鐵合金時,使用石墨電極,這時強大的電流通過電擊導入電爐的熔煉區,產生電弧,使電能轉化為熱能,溫度升高到2000攝氏度左右,從而達到熔煉或反應的目的。而隨后以石墨烯為基底的導電漿料的誕生,又將石墨導電性能無限擴大。

  在廣泛散發光和熱的背景下,石墨在新興的新能源汽車、風力發電、環境治理等行業的應用潛力巨大。

  有媒體報道稱,未來隨著石墨產業的發展,和人們對石墨性能的深度認知,將會無限擴展石墨的應用領域。

  比如固體潤滑材料。石墨層間微弱的分子鍵使石墨本身成為很好的固體潤滑材料。例如,將鉛筆中的鉛粉加到鎖眼中,鎖會很容易打開。將氟插入石墨層間,制備的氟化石墨,是最好的固體潤滑劑和防水劑,在機械制造、國防工業有著重要的應用。

  再如密封材料。利用硫酸等插層可制備膨脹石墨、生產柔性石墨紙。這種石墨紙能夠充分發揮石墨的化學穩定性、高溫穩定性,在高溫、腐蝕性強的環境中、仍然能夠起到很好的密封作用。裁剪成密封墊片等,是非常好的固體密封材料。用在防火門窗中,能起到很好的密封防火作用。

  又如環保材料和石墨儲能材料。碳石墨材料在石油廢水處理、污染水質處理、大氣污染治理和電磁污染防治中歐狂擴前景。對天然石墨進行特殊熱處理形成膨脹石墨后,有大量孔隙存在,密度很低。用作吸附材料,其吸附浮油的性能超出活性炭,可在很短時間內吸附水面浮油,治理石油廢水。這種石墨能夠重復使用,成本低、具有很好的應用前景。將碳石墨材料與樹脂和水泥復合,所得材料能夠用作防靜電材料、電磁屏蔽材料等。同時,特殊的結構特點使石墨能夠成為性能優異的儲能材料。在風能、太陽能、核能、電能等新能源領域有很大應用潛力。

  小小的一片石墨,掀起了一場場產業革命,盡管這個產業還并不完善,還有諸多的問題與隱憂,但這絲毫不能阻止中國石墨產業前進的步伐。問題是時代的聲音,同時也是倒逼產業轉型升級的重要推手,相信石墨在解決的問題過程中將會摸索出一條適合中國石墨產業發展的終極道路,讓“方寸之間”的石墨成為塑造“大千世界”的重要力量。

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