日前，中国科协发布2023年十大产业技术问题，“石油基炭材料高端化技术如何发展”在列。作为一类由石油衍生而来的高价值材料，石油基炭材料在能源、环保、化工等领域具有广泛的应用前景。
“未来，随着技术的进步和应用领域的拓展，石油基炭材料将发挥更加重要的作用。”中国石油大学化学化工学院教授刘东接受科技日报记者采访时表示，实现石油基炭材料高端化需要高校院所和企业持续不断地探索与创新，推动科技成果转化，从原料精制、生产工艺、产品质量等方面入手，打通高端石油基炭材料的生产流程。
应用前景广阔但大规模生产仍面临挑战
石油基炭材料是一类由石油或石油衍生物制备的炭材料，具有易石墨化、高结晶度、高热稳定性和优异的导电性等特点。这些独特的物理化学性质，使其在诸多领域展现出巨大的应用价值。
如何利用石油重质组分的高碳氢比特性来制备石油基炭材料，是目前该类材料研究的热点。刘东告诉记者，利用热转化或催化转化等工艺，可以将石油原料中的烃类和非烃类化合物转化为高碳含量且具有特定功能或结构特性的固体材料。他表示，石油基炭材料的特性使其在航空航天、新能源、电动汽车、信息电子、轨道交通、机械装备、冶金化工等多个领域和产业中得到广泛应用。
“石油基炭材料具有高导热导电性和出色的力学性能，是优异的结构与功能一体化材料。这是其他材料无法媲美的。”刘东介绍。
随着科技的发展和需求的增加，石油基炭材料在各个领域的应用前景将更加广阔。在冶金和储能领域，石油基炭材料已广泛用于制备超高功率石墨电极和高性能锂离子电池的负极材料；在核工业领域，石油基炭材料可以制备用于核反应堆的各向同性石墨。
石油基炭材料还可制备沥青基炭纤维和复合材料。沥青基炭纤维具有出色的轻量高模性能、导电导热性能、抗疲劳和耐腐蚀性能，已经广泛应用于航空航天、车体制造等领域；石油基炭材料也常用作先进碳/碳复合材料的增强体，提高复合材料的强度和硬度等性能。
石油基炭材料正成为全球争相研究和开发的热点。然而，如何提高其性能、降低制备成本并实现可持续生产，是当前科研人员和有关企业等面临的主要挑战。刘东解释说，石油基炭材料的研发、生产需要大量专用设备投入，设备不断更新就会出现高折旧率及相应维护费用。另外，石油基炭材料的研发和商业化应用的不确定性比较高，研发和商业化的开销也较大。且石油基炭材料进入市场之前，需经过理论层面的突破及应用层面的反复验证。即使通过理论实验或示范生产阶段，仍可能因设备、工艺等因素的限制无法进入大规模生产阶段。
高端化技术发展需促产学研用深度融合
近年来，中国已经成为世界上最大的石油基炭材料生产国之一，相关企业已经超过千家，并在常州、无锡、青岛和深圳等地形成了产业集群。历经多年艰苦攻关，我国在石油基炭材料的研究和应用方面不断涌现出令人瞩目的创新成果。
比如在高功率和超高功率石墨电极材料方面，我国相关企业已经相继建成并投产了年产超过10万吨的高品质针状焦生产线，针状焦关键性能指标热膨胀系数达到了国外同类产品水平，满足了我国高功率和超高功率石墨电极的基本需求；在高性能石油基炭纤维方面，近几年我国实现了强度大于2.0吉帕、模量大于600吉帕以及导热率大于800瓦/米·度的高性能碳纤维国产化，在一定程度上解决了高性能碳纤维的自主保障问题，使我国成为继日本、美国之后第三个掌握高性能石油基炭纤维技术全流程核心技术的国家。
石油基炭材料高端化技术的发展，将有效解决一些当前的能源和环境问题。刘东表示，其首先会直接影响处于上游的炼化产业。“石油基炭材料的高端化，不仅可推动石油实现由燃料属性向材料属性的转变，促进炼化产品结构优化，推进炼油‘油转特’转型升级，还可以将碳原子固化在炭材料中，实现源头减排。”刘东说。
此外，下游的新兴炭材料产业也将受到影响。随着高端石油基炭材料的精细化发展，其种类和数量逐渐丰富、性能水平也将不断提升，可满足新能源、航空航天、冶金等领域的不同应用，从而带动整个产业链的发展。“可以说，未来石油基炭材料将带动形成千亿级的新兴产业链。”刘东表示。
实现石油基炭材料高端化技术的发展是一项长期且艰巨的任务。刘东认为，应以绿色低碳发展为总体原则，基于我国石油基炭材料上游产业基础和下游需求制定技术开发和产业发展规划，组织相关高校院所与企业协同攻关。
“科研人员和企业应持续不断地探索和创新，促进产学研用深度融合，弥补石化企业产业链短板。同时要与下游应用企业紧密联合，推动科技成果转化。”刘东表示，在这个过程中，科研人员和企业要进一步研究和改进炭化工艺，从而提高材料的导电性和机械性能等。
石油基炭材料产业的进步，也离不开政策护航。刘东建议，要健全知识产权保护制度，制定严格的产品标准和质量控制体系，进一步推动石油基炭材料高端化技术的发展和材料的广泛应用。
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