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美日欧韩接连行动,中国布局八年,还剩一大战略隐患

戎评 · 2021-03-11 · 来源:戎评公众号
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  2018年3月5日,世界顶级学术期刊,英国《自然》杂志(Nature)背靠背发表了两篇来自中科院天才少年曹原的石墨烯重磅论文。而在同年12月该杂志发表的年度影响全球的十大科学人物排行榜中,这位年仅22岁的少年更是力压各界泰斗,位列榜首。

  而原因是他在美国麻省理工学院攻读博士期间,发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应。

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  曹原,图片来源:自然杂志

  这个发现对科学界有多重要呢?

  众所周知,现代文明的基础是建立在电力能源的供应上,没有电力,整个人类社会脆弱得宛如婴儿。

  但自19世纪电力技术发明以来始终有一个世纪难题困扰着物理学界:即电力在传输过程中所产生的大量损耗。这不仅加剧了人类对化石能源的消耗,也对生态环境尤其是空气质量产生了巨大威胁。要知道,火电仍然是当前世界主流发电方式!

  而即使是全域一张网的中国特高压输电技术,也只是把损耗降至最低,但并不能从根本上解决问题。

  近百年来,无数物理学材料学家前赴后继的投身破局,但结果收效甚微,只给后人指明了“超导”这一条道路——1911年,荷兰物理学家昂内斯发现,当汞被冷却至-273℃时(人造最低温度,绝对零度),可以实现电子的无阻通行,从而把能源损耗降到最零,这个零电阻状态被称之为超导电性,这是人类第一次发现超导体的存在。

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  1913年诺贝尔奖获得者,海克·卡莫林·昂内斯

  不过,在后来的试验中人们发现,让材料冷却至绝对零度的成本,远远高于电力损耗的成本,没有任何经济效益(决定技术大规模运用的头号标准就是取决于是否有经济价值)。随后,全世界的科学家用尽一切办法去寻找低成本的超导材料,并在1980年将目光锁定至铜氧化物。

  但铜氧化物结构难以调整,在其达到-140℃时无法进一步降温,也就无法实现在绝对零度下的超导机制,这让全世界的物理学界倍感沮丧。

  对于当时的物理学界而言,这剩下的133℃犹如三体中的智子,锁死了人类叩开超导材料的大门,就算他们穷尽毕生之力,也无法解开铜氧化物如何冷却到绝对零度的秘密。此后三十年,物理学家们一直徘徊在对铜氧化物超导研究的黑暗中,因此在1980年~2010年之间又被称之为“电力物理学界的黑暗年代”。

  物理学家们已经在黑暗(超导研究)中,徘徊了30年,试图解开铜氧化物超导的秘密

  ——1998年诺贝尔奖得主,美国物理学界罗伯特.B.劳克林

  而曹原关于石墨烯超导性能的发现,有望在数年内成为这跨越107年世纪难题的最终解决方案。就连不少顶级物理学家都承认:如果曹原的发现能够进入产业化阶段,那人类材料学乃至整个工业将开启一个全新的纪元

  趁着这股东风,石墨烯的热度再次被炒起,国内各种打着石墨烯概念的产品层出不穷,一时之间,仿佛给人一种中国石墨烯技术已大规模运用的错觉。

  但鲜为人知的是,在这场业界狂欢之下,一场盛世危机正悄然向我们走来...

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  自然杂志封面暗示曹原发现的石墨烯“魔角”

  科技日报3月8日讯:

  两会期间,针对我国在石墨烯上游原材料石墨资源产业上的种种问题,中车株机董事长周清和在采访中表示:

  一方面,我国石墨低端产品产能过剩、市场供大于求,大量珍贵资源轻易低价流失海外;另一方面,高技术含量、高附加值的产品尚不能自主研制,需以出口产品数倍甚至数十倍的价格进口回来,这一场景不禁让人想起“稀土之痛”。

  一句“稀土之痛”的形容,足以见国内石墨产业的严重弊端性!

  所谓石墨,通常产于变质岩中,是煤或碳质岩石受到区域变质作用或岩浆侵入作用所形成的矿物。因其化学性质不活泼,具有超强的耐腐蚀性,所以被广泛运用于各个工业领域,是一项非常重要的战略级资源。

  究竟有多广泛呢?

  在拟人化的工业资源概念中,石油被称为工业的血液,铁矿石被称为工业的骨骼,天然气被称为工业的氧气,而石墨则被称为工业的蛋白质!

  从低端到中端再到高端,从传统工业到新兴工业,几乎所有的产业梯度和工业门类里都有石墨的影子。

  比如隐晶质石墨和晶质石墨粉,可用于消防员战斗服的耐火材料、铅笔;石墨乳、硅化石墨、可膨胀石墨,可用于汽车润滑剂、摩擦原件;高纯石墨、球形石墨可用于锂电池电池负极、航空航天装备及生物医疗器材的密封材料等。

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  从以上广泛的应用不难看出,石墨对现代工业文明的重要性,丝毫不亚于稀土、铁矿石等矿物质,而2004年的一次重大发现,更是把它推向了人类工业未来的希望之巅!

  早前,理论材料学界就认为,石墨因为层间作用力较弱,易于层层剥离,如果把石墨片剥离到最后一个的单层,就能得到一个只有原子层厚度(0.335纳米左右)的蜂窝状平面膜,加之石墨的化学特性,我们将得到一种人类有史以来最薄、最硬的材料。

  这就是石墨烯!

  即便把20万张石墨烯薄膜堆叠到一起,它的厚度也只有一根头发丝

  2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫,证明了这一理论的可行性,他们通过实验成功从石墨中分离出只有碳原子厚度的石墨烯,由此获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。

  石墨烯的出现对物理材料学界的意义无疑是革命性,基于材料应用对工业的重要性,不少人认为它将推动工业文明发生颠覆性的改变。

  正如材料界对它的评价:

  如果说20世纪是硅的世纪,那么,21世纪就是石墨烯的世纪。

  ——硅的发现,使人类从传统机械时代走向了ICT信息时代,其在短短五十年间所创造出的财富远超前两次工业革命加上整个农耕时代的总和!

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  安德烈.海姆

  安德烈.海姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫分离出石墨烯后,材料学界便明确了主攻方向,并发现了其超前力量赋予的更广泛用途。

  比如科学家发现石墨烯的强度是钢的100倍,是目前已经强度最高的材料。用它制成厚度越100纳米的薄膜,它随能承受的极限压力超过2吨,可用于宇宙级航天探索。

  再比如石墨烯具有超强的传导性,用3克石墨烯堆叠的材料,表面积相当于一个标准的足球场。用它制成电极材料上,大比例的蜂窝结构可以使电解液离子快速移动至石墨烯表面,再加上大面积的电荷存储,能够制造出容量超大的锂电池和电容器。

  目前,在核能小型化和安全性没能解决,而快充只是治标的情况下,石墨烯将是新能源行业唯一的治本希望

  电动汽车和智能手机的超强续航,未来都要依赖石墨烯技术的发展!

  再加上曹原在2018年发现的超导性能,石墨烯必将成为构建起未来产业的底层建筑。其应用范围包括你我所熟知的一切新兴产业,如电力能源、环保隔温、电子科技、清洁能源、生物医学、航空航天、国防军事、芯片半导体、新能源汽车等等...

  所以,分离石墨烯的上游原材料石墨,又被称之为21世纪支撑高新技术发展的战略资源。

  有鉴于此,诸多科技强国在石墨烯被发现后,便迅速制定了相关发展计划以及对石墨供应链产业的扶持政策。

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  2014年,华为CEO任正非曾在采访中表示:未来10-20年内一定会爆发一场技术革命。这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代,但是颠覆需要有继承性发展,现在芯片有极限宽度,硅的极限是七纳米,已经临近边界了,石墨已经是技术革命前沿边。

  2008年7月,美国DARPA(国防部高级计划署)启动碳电子射频应用项目,总投资超过2200万美元,用于开发实验室内超高速和低能耗的石墨烯电晶体。

  2013年,欧洲投资十亿欧元启动为期十年的石墨烯大型旗舰计划,全球知名电信设备运营商诺基亚从FET(欧盟未来与新兴组织处)获得13.5亿美元的研究经费支持,用于开发石墨烯材料。

  同年,英国投资6100万英镑在曼彻斯特大学成立国家级研究院和工程创新中心,大力推动石墨烯商业化进程。

  2014年,韩国产业通商部整合40余家科研机构和6家头部企业,打造石墨烯联盟,意在引进石墨烯技术强化韩国在全球半导体生产、智能手机等高端产业的龙头地位。

  2018年,美国政府将石墨列入战略级矿物名单,由总统特朗普下令重建国内石墨资源供应链。

  我们这边,在石墨烯技术发展上,从2012年起到2020年,已经连续八年在重要产业、科学、材料发展和国家一级项目规划文件中列入石墨烯。在石墨产业发展上,2016年,我国将用于传统工业的晶质石墨明确为战略级矿产,2019年列入工业强基工程一条龙应用计划。

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  近年来,由于石墨烯技术的发展,全球石墨资源的需求量不断上升。2012年,全球石墨探明储量7680万吨,产量为117万吨,2019年增加至2.3亿吨和167.65万吨。

  其中,中国作为石墨储量第二丰富的大国,承担了全球石墨产能的主力输出国:2019年,中国石墨总储量6300万吨,占总比例33%。其中,产量为125万吨,占总比例的74.6%,出口量为28.89万吨,占总比例的52.7%

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  虽然我国石墨供应占据了世界三分之二的江山,但所面临的处境比稀土还要糟糕,具体有三个方面:

  一是开采无序浪费和污染严重

  早前的石墨资源开采,主要以小私营企业较多,无序开采一方面加速了石墨资源外流和耗竭的速度,另一方面则对周围生态环境造成了巨大的破坏。

  2014年,石墨资源大省黑龙江的一份产业报告显示:

  我国目前约有近千家石墨企业,石墨资源滥采乱掘、采富弃贫、粗放经营、管理水平低的现象比较普遍,开采和加工呈现无序化状态。如果按照目前的开采方式和速度,最多20年,国内已探明的石墨资源将消耗殆尽,届时中国将从国外高价进口石墨,由石墨大国变成石墨贫国。

  不过好在近些年国家的强力管制,这种情况已经有所好转,但仍然存在缺乏系统性规划和选矿率低的现象。

  二是市场秩序混乱

  早期国际市场对我国石墨资源需求旺盛,产能过大。进入平稳阶段后,国外需求下降,我国石墨产品产能过剩,导致大量珍贵资源低价流入海外。

  三是产业结构失衡

  不同于稀土开采冶炼的全产业链优势,在石墨资源领域,我国仅掌握开采和部分落后的提纯及冶炼技术,这导致了中国在向世界低价供应石墨初级原材料产品时,也需要花大价钱从国外进口用于工业生产的专用级产品。

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  中国石墨资源储量约占世界33%,是第二大石墨资源国

  根据2015年地质局发布的《中国石墨资源调查报告显示》,中国既是世界上第一大石墨出口国,也是世界上第一大石墨进口国。产量的三分之一用于出口,其中80%为低附加值产品。

  以日本为例:当年,中国向日本出口低端晶质石墨产品10万吨,均价大约为925美元/吨。在日本经过专业级产品加工后,其用于电池的球化石墨进口价为10135美元/吨,溢价高达10.9倍!而被加工成用于人工心脏的瓣膜后,进口价更是直奔2万美元。

  中国石墨行业协会轮值会长、内蒙古日新集团董事长张彬在2014年的采访中曾指出:

  中国石墨界如果再走低端路线,恐怕就连做苦劳力的资格都没有了!

  如果这些问题不能得到有效解决,一旦石墨烯技术进入大规模产业化阶段,将对我国资源安全造成极大的战略隐患,我们必须要和时间赛跑。

  文章最后,戎评有话说

  2016年9月23日,在山东青岛举行的年度中国国际石墨烯创新大会上,石墨烯发现者安德烈.海姆表示:

  中国目前推出的石墨烯产品普遍呈低端化特征,没有发挥好它的真正能量。

  必须承认,虽然我国石墨烯产业化水平处于国际领先地位,但扎堆出现的石墨烯产品,多半集中于内衣、石墨烯枕头、石墨烯轮胎等工业梯度中最底层的门类。针对这类低端化且只做辅助材料的现象,不少媒体将中国的石墨烯,称之为工业味精。

  而与之形成鲜明对比的是:美国IBM公司早在2014年就推出了世界首个多极石墨烯射频接收器,传输速度是硅芯片的千倍,是当时最先进的石墨烯芯片!

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  须知,工业存在的最大现实意义,就是通过生产力技术的提高增加国民收入和维持国防安全。工业梯度不高,产业化水平再高又如何?就算你把纺织业全盘石墨烯化,对我国工业水平的进步意义也实在有限!

  你能指望一件衣服能卖出芯片的价钱吗?

  你能指望一个枕头能打败战机军舰吗?

  所以,中国的石墨烯产业必须勇登高峰,向航空航天发展、向半导体发展,向一切关乎高端制造业的行业发展。

  我们的石墨烯绝不能做工业味精,而是要做工业之魂,塑造一个全新的时代!

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