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日前，中國科協發布2023年十大產業技術問題，“石油基炭材料高端化技術如何發展”在列。作為一類由石油衍生而來的高價值材料，石油基炭材料在能源、環保、化工等領域具有廣泛的應用前景。
“未來，隨著技術的進步和應用領域的拓展，石油基炭材料將發揮更加重要的作用。”中國石油大學（華東）化學化工學院教授劉東接受科技日報記者采訪時表示，實現石油基炭材料高端化需要高校院所和企業持續不斷地探索與創新，推動科技成果轉化，從原料精制、生產工藝、產品質量等方面入手，打通高端石油基炭材料的生產流程。
應用前景廣闊但大規模生產仍面臨挑戰
石油基炭材料是一類由石油或石油衍生物制備的炭材料，具有易石墨化、高結晶度、高熱穩定性和優異的導電性等特點。這些獨特的物理化學性質，使其在諸多領域展現出巨大的應用價值。
如何利用石油重質組分的高碳氫比特性來制備石油基炭材料，是目前該類材料研究的熱點。劉東告訴記者，利用熱轉化或催化轉化等工藝，可以將石油原料中的烴類和非烴類化合物轉化為高碳含量且具有特定功能或結構特性的固體材料。他表示，石油基炭材料的特性使其在航空航天、新能源、電動汽車、信息電子、軌道交通、機械裝備、冶金化工等多個領域和產業中得到廣泛應用。
“石油基炭材料具有高導熱導電性和出色的力學性能，是優異的結構與功能一體化材料。這是其他材料無法媲美的。”劉東介紹。
隨著科技的發展和需求的增加，石油基炭材料在各個領域的應用前景將更加廣闊。在冶金和儲能領域，石油基炭材料已廣泛用于制備超高功率石墨電極和高性能鋰離子電池的負極材料；在核工業領域，石油基炭材料可以制備用于核反應堆的各向同性石墨。
石油基炭材料還可制備瀝青基炭纖維和復合材料。瀝青基炭纖維具有出色的輕量高模性能、導電導熱性能、抗疲勞和耐腐蝕性能，已經廣泛應用于航空航天、車體制造等領域；石油基炭材料也常用作先進碳/碳復合材料的增強體，提高復合材料的強度和硬度等性能。
石油基炭材料正成為全球爭相研究和開發的熱點。然而，如何提高其性能、降低制備成本并實現可持續生產，是當前科研人員和有關企業等面臨的主要挑戰。劉東解釋說，石油基炭材料的研發、生產需要大量專用設備投入，設備不斷更新就會出現高折舊率及相應維護費用。另外，石油基炭材料的研發和商業化應用的不確定性比較高，研發和商業化的開銷也較大。且石油基炭材料進入市場之前，需經過理論層面的突破及應用層面的反復驗證。即使通過理論實驗或示范生產階段，仍可能因設備、工藝等因素的限制無法進入大規模生產階段。
高端化技術發展需促產學研用深度融合
近年來，中國已經成為世界上最大的石油基炭材料生產國之一，相關企業已經超過千家，并在常州、無錫、青島和深圳等地形成了產業集群。歷經多年艱苦攻關，我國在石油基炭材料的研究和應用方面不斷涌現出令人矚目的創新成果。
比如在高功率和超高功率石墨電極材料方面，我國相關企業已經相繼建成并投產了年產超過10萬噸的高品質針狀焦生產線，針狀焦關鍵性能指標熱膨脹系數達到了國外同類產品水平，滿足了我國高功率和超高功率石墨電極的基本需求；在高性能石油基炭纖維方面，近幾年我國實現了強度大于2.0吉帕、模量大于600吉帕以及導熱率大于800瓦/米·度的高性能碳纖維國產化，在一定程度上解決了高性能碳纖維的自主保障問題，使我國成為繼日本、美國之后第三個掌握高性能石油基炭纖維技術全流程核心技術的國家。
石油基炭材料高端化技術的發展，將有效解決一些當前的能源和環境問題。劉東表示，其首先會直接影響處于上游的煉化產業。“石油基炭材料的高端化，不僅可推動石油實現由燃料屬性向材料屬性的轉變，促進煉化產品結構優化，推進煉油‘油轉特’轉型升級，還可以將碳原子固化在炭材料中，實現源頭減排。”劉東說。
此外，下游的新興炭材料產業也將受到影響。隨著高端石油基炭材料的精細化發展，其種類和數量逐漸豐富、性能水平也將不斷提升，可滿足新能源、航空航天、冶金等領域的不同應用，從而帶動整個產業鏈的發展。“可以說，未來石油基炭材料將帶動形成千億級的新興產業鏈。”劉東表示。
實現石油基炭材料高端化技術的發展是一項長期且艱巨的任務。劉東認為，應以綠色低碳發展為總體原則，基于我國石油基炭材料上游產業基礎和下游需求制定技術開發和產業發展規劃，組織相關高校院所與企業協同攻關。
“科研人員和企業應持續不斷地探索和創新，促進產學研用深度融合，彌補石化企業產業鏈短板。同時要與下游應用企業緊密聯合，推動科技成果轉化。”劉東表示，在這個過程中，科研人員和企業要進一步研究和改進炭化工藝，從而提高材料的導電性和機械性能等。
石油基炭材料產業的進步，也離不開政策護航。劉東建議，要健全知識產權保護制度，制定嚴格的產品標準和質量控制體系，進一步推動石油基炭材料高端化技術的發展和材料的廣泛應用。（記者 宋迎迎）
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