深圳前海石墨烯研究院,科研人员进行石墨烯材料产品耐火性测试。南方日报记者 肖雄 郜曈 摄

  未来十年,前沿新材料发展的控制权,将继续把持在美国、日本等发达国家手中,还是会由新的竞争者夺得?

  广东,全球材料领域的新竞争者,正向垄断上一代材料的发达国家发起冲击。

  2019年,广东前沿新材料产业营收约500亿元,规模并不大,也存在材料创新系统能力不足、创新能力相对薄弱、国外技术封锁加剧等挑战。然而,随着一个个行业“破壁者”加快行动,新的突破口或将打开:

  深圳烯湾科技自主研发碳纤维的“下一代”碳纳米管材料,在全球率先突破量产难题;全球负极材料销量“七连冠”贝特瑞集团新成立石墨烯事业部,要从多个石墨烯产业应用方向中找出“杀手级”应用;全国在建最大的纳米技术产业化基地“中国纳米谷”落地广州,21个高端项目成果陆续转化……

  “一项材料的突破,会彻底颠覆一个行业原来的生产模式、工艺,进而带来新产业的发展。”中国科学院院士、广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院(下称“广纳院”)院长赵宇亮接受南方日报记者专访时说,广东产业发达、布局完整、市场广阔,当前更要发挥优势,加速追赶成果转移转化环节,让更多前沿新材料成果撬动“万亿级”产业。

  突破国际封锁 “用下一代材料颠覆上一代”

  深圳市龙岗区大运软件小镇3号门旁,深圳烯湾科技有限公司展厅。碳纳米管纤维复合材料、高端复合材料装备、高压储氢瓶、纤维编织布、导电线、粉末……玻璃橱窗中,形态各异的碳纳米管材料、样品错落有致,几乎塞满了整个展厅。

  这是“破壁者”、烯湾科技创始人邓飞整整16年的心血。

  碳纤维被誉为21世纪的“黑色黄金”,重量轻、强度高,是航空航天领域最重要的材料之一。“但日本、美国垄断了高端碳纤维关键技术,对中国实行科技封锁。”邓飞说。

  国际技术“围堵”,刺激着更多像邓飞一样的人。

  进军前沿新材料领域前,广州方邦电子股份有限公司董事长苏陟深受材料之困。“电磁屏蔽膜材料处处受制于人,妥妥的卖方市场。”苏陟回忆,以前国外厂商优先满足欧美国家需求,有富余产能时才会供给中国,而且中国企业必须先付清货款,对方才肯发货。

  高端装备制造产业更是如此。“我们有句话,叫‘一代材料、一代装备’。”深圳前海科创石墨烯新技术研究院常务副院长潘登专注材料研发十余年,深知关键材料一旦“卡脖子”,技术迭代与装备更新就无从谈起。

  前沿新材料是未来产业发展的制高点,具有颠覆现有生产模式、引领新的万亿级产业的重大前景。石墨烯、纳米材料等“王冠上的明珠”,成为国际巨头们争夺的重点。

  身处市场、直面危机,他们敏锐嗅到,“大战”要来了,“弯道超车”的转机就在眼前。

  “一项材料的突破,会彻底颠覆一个行业原来的生产模式、工艺,进而带来新产业的发展。”赵宇亮说,以目前大规模使用的碳纤维材料为例,早期这种材料造价高、产能低,并不被人重视;但如今却普遍用在航空航天领域,造成变革性影响。

  “要突破封锁,只有跑到他们前头去,用下一代材料颠覆上一代。”邓飞改变了方向,一头扎进碳纳米管纤维复合材料产业化研究中。2016年,他与同学章胜华在深圳创立烯湾科技,在全球率先实现碳纳米管纤维产业化突破,一鸣惊人。

  扎根广东20多年,贝特瑞新材料集团股份有限公司的负极材料出货量已连续7年全球第一,正极材料出货量跻身全国前三。2018年,正负极材料业务如日中天之时,贝特瑞却耗费大量人力心血,新成立石墨烯事业部。如今,该事业部已有多个产业化应用研究项目。

  “杀手级”产业应用或将在未来3—5年出现

  “21世纪发展起来的新兴技术里,智慧城市、智慧医疗、大数据、人工智能等的底层技术,都是纳米技术在支撑。”赵宇亮认为,纳米材料是21世纪最重要的前沿新材料之一,其中碳纳米管纤维更是纳米材料中的佼佼者。

  国外科学家研究过,按照人类目前的科技,要建太空天梯,只有碳纳米管纤维能做到。烯湾科技创始人、总经理章胜华介绍,碳纳米管强度是最高强度钢的270倍,杨氏模量约为钢的5倍,但密度只有钢的1/6,可塑性极强,被称为“终极纤维”。

  然而,碳纳米管量产技术难度大、成本高,以前几乎没人相信它能走出实验室、走进工厂。目前全球有20—25个团队已在实验室制备出碳纳米管,但仅有烯湾科技实现量产。

  目前,烯湾科技正全面进入市场应用,将自主研发的碳纳米管纤维与国内低性能碳纤维“混编”,生产出媲美国外的高性能纤维材料,解决了国内瓶颈。

  国外企业开始坐不住了。过去日本企业的碳纤维出货量占全球70%,处于绝对垄断地位,但如今,他们反而“组团”来寻求交流合作。

  方邦电子的自主创新之路走了整整十年。“研制电磁屏蔽膜,花了整整两年,做了10多万次实验。”苏陟说,目前公司的电磁屏蔽膜市场占有率国内第一、全球第二,全球市场占有率25%—30%。以前,市场价每平方米400多元,公司产品上市后,单价降到200元,现在已降到60多元。

  今年底,苏陟还准备推出另一款新材料——全球最薄的铜箔,厚度只有2微米。芯片里的IC载板需要用到超薄铜箔,它担负着传输信号、数据的重要功能。

  面对应用范围极广的石墨烯,贝特瑞石墨烯事业部总经理林锦盛的创新“法宝”则是“从市场中来、到市场中去”。“所有自主开发的产品,全部来源于市场需求,我们始终与客户共同研发。”研发项目赶进度时,林锦盛和工程师们经常有一半时间泡在客户的公司。林锦盛说,石墨烯材料的“杀手级”应用可能在未来3—5年出现,希望能抓住这一时机。

  “打造全国纳米材料科技成果转化的源头”

  “从专利来看,全球石墨烯专利申请量约有60%来自中国。但大浪淘沙后会发现,一些专利含金量不高。”潘登告诉记者。

  “中国纳米材料的基础研究在世界上处于领先位置,但在应用研究和产业化方面,与国外还是有较大差距。”赵宇亮说,基础研究成果要转化成产业,中间重要一环是“转移转化”,在发达国家往往由企业主导。但在中国,很多企业尤其是中小企业没有成果转移转化的能力和人才队伍,造成基础研究与产业应用的分离。

  争夺全球前沿新材料技术制高点,广东有短板,但更有“利刃”——全产业、大市场、新应用。

  “广东产业发达、布局完整,在转移转化环节很有优势,当前更要加速追赶中间的成果转移转化环节。”赵宇亮认为。

  新型研发机构,成为连接基础研究与产业应用的绝佳“桥梁”。

  潘登来到深圳一年多,这里完善的产业链、开放的氛围、广阔的应用市场,让他对石墨烯产业应用项目孵化越来越有信心。“要走进产业,才能改造旧产业,甚至创造新产业。”潘登花了很长时间调研发现,立足深圳、面向粤港澳大湾区,研究院可以服务的中小企业至少10万家。

  在中新广州知识城,全国在建最大的纳米技术产业化基地“中国纳米谷”备受关注。“要把‘纳米谷’打造成全国纳米科技成果转化的源头。”赵宇亮所在的广纳院,深入参与纳米谷建设运营。

  “孵化的‘桥梁’建好后,前沿新材料成果就可以变为产业运用的技术了。”赵宇亮说,以广纳院为例,目前已有21个科技项目落地,其中5G滤波器、汽车电池防火隔膜材料等项目即将投入中试和产业化,解决“卡脖子”问题。

  2019年,广东前沿新材料产业营收约500亿元,产业技术水平与综合实力居全国前列。按照《行动计划》,到2025年,广东前沿新材料产业营收要翻一番,超过1000亿元,年均增长15%以上。

  ■智库观察

  广东怎样才能与前沿新材料擦出更大火花?

  新材料是国际竞争的重点领域之一,也是决定一国高端制造及国防安全的关键因素。近年全球新材料产业快速发展,石墨烯、纳米材料等前沿新材料发展空间日益打开。我国新材料产业发展迅速,近年年均复合增速超过20%,但上游关键材料、设备等仍存在诸多“卡脖子”环节,未来5—10年,国产替代需求迫切、市场巨大、进程加快。

  广东从制造迈向“智造”和“创造”,新材料应用市场广阔,但又面临国际贸易摩擦与技术封锁等挑战,对前沿新材料国产替代的需求将更加强烈。

  首先,前沿新材料国际性强、人才需求层次高,粤港澳大湾区恰是我国建立国内国际多层次、全方位和多形式技术创新的直接平台,广东用好区位优势,就能吸引更多前沿新材料的先进技术团队青睐广东。其次,前沿新材料根植的新材料产业中,广东综合实力全国领先,近年大科学装置加速布局,一大批知名科研机构加快集聚,广东发挥好转化能力突出的特点,就能让前沿新材料技术实实在在扎根在大湾区。再次,在“双循环”新发展格局机遇之下,畅通广东省内新一代电子信息、高端装备制造、智能制造等产业巨大的应用市场需求与前沿新材料勃发的产品供给之间的通道,让技术发挥价值,就能让前沿新材料产业集群在广东做大做强。

  ■行动指南

  《广东省培育前沿新材料战略性新兴产业集群行动计划(2021—2025)》指出:

  1.广东重点发展的前沿新材料产业包括智能、仿生与超材料,低维及纳米材料,高性能纤维,新型半导体材料,电子新材料及电子化学品,先进金属材料,新型复合材料,超导材料,增材制造材料,新能源材料,生物医用材料,材料先进研发、制备和检测、验证服务等领域。

  2.到2025年,前沿新材料产业营业收入超过1000亿元,年均增长达到15%以上,实现营业收入翻一番;培育产值超50亿的具有国际竞争力和品牌影响力的行业龙头5家,产值超10亿的“单项冠军”和骨干企业30家,形成典型的龙头带动效应。

  3.培育建成5个具有全球竞争力的产业基地和7个特色产业集聚区,打造国内领先、世界知名的前沿新材料产业制造高地。

  4.建成一批大科学装置、省实验室、新型研发机构等高水平创新载体,力争建成4家以上国家及技术创新中心,规上高新技术企业设立研发机构比例超过90%。

  南方日报记者 陈晓 李鹏程 黄鸿基 苏力