全球工业将进入碳材料时代

发布时间：2010/11/24 6:08:40

正如考古学家用新、旧石器来划分人类史前史的两个阶段，今天我们可以用两种化学元素的交替来形容正在发生的材料革命。

　　20世纪的*后几十年是硅的时代，迎面而来的，则是碳材料的时代。

　　20世纪，无论是以硅酸盐为代表的玻璃和水泥等建筑材料，硅基的集成电路还是热闹的单晶或多晶硅的太阳能光伏部件，林林总总的表象背后是硅元素的影响。

21世纪，碳元素所主导的新兴材料体系正在显示出自身更大的发展潜力和更加富有挑战性的工业影响力。如果以全球气候变化和碳的关系去思考，低碳所代表的已经不仅仅是一种物理化学过程，其深意影响到人类社会的方面，甚至到了决定人类自身命运的高度。

　　今年11月，我国首架拥有完全自主知识产权的碳纤维轻型运动飞机“红嘴鸥”，在珠海航空产业园下线，这款飞机净重只有280公斤。在千米左右的低空空域，从珠海飞向武汉、三亚、长沙等城市，只需加上80升97号或98号汽油，轻松飞行四五个小时即可到达。在上海举办的工业博览会上，也展出了国产的碳复合材料样车。

　　不仅在中国。在航空材料领域，空客320、380，波音787均大量采用碳基复合材料作为航空器内部的结构材料，来实现飞行器自身的减重，相应的就是减少飞行过程中的油耗，实现更加绿色的飞行。

　　特别值得关注的是以宝马为代表的世界电动车制造商，对碳纤维复合材料电动车的热情。宝马公司已经宣布2012年量产碳复合材料的电动车，并投巨资在美国成立生产碳纤维的制造企业，在德国成立相应的纤维编织和成型公司。可以预见，未来主流的电动车都将大量采用碳复合材料制造。碳纤维其他的应用领域还包括风力发电的叶片等。

　　如果考虑到传统硅基材料，如水泥、玻璃以及钢铁工业从采矿到成品过程的污染和综合能耗，碳材料的优势则更加明显。

　　当然，传统材料利益链条的受益者会列举出各种反驳的理由为自己辩护，以高端飞机的发动机为例，今天以航空煤油驱动的飞机不论是涡喷还是涡扇发动机都将面新型以太阳能和其他清洁能源为代表的电动或磁驱动航空器的挑战，正如今天的汽车引擎正在被新型电机取代一样。支撑主流的飞机发动机的关键材料必然转向新一代的结构材料体系。正在到来的新一代光伏材料，也是以碳基有机光电材料如薄膜材料，利用量子效应来提高能量转换效率的。遗憾的是，由于目前主流的光伏材料因为不考虑环境代价的恶性竞争，价格过低，导致新兴光电材料迟迟不能面市，甚至被迫取消生产计划，只保留研发能力。

　　喧哗总归一时，科学的创新才是长久的。碳纤维已经开始在航空、汽车等领域取代钢铁。更有趣的是，航空器与地面汽车采用的碳纤维复合材料，尽管出于成本上的考虑，成分和加工处理工艺会略有差异，但基本的工艺流程是完全一致的，这就意味着，今天生产各种用途碳复合材料的企业，都可以具备生产低空航空器相关部件的能力。随着中国国内空域管理改革的深入，中国成为世界低空航空器生产和消费大国指日可待。

　　*后还有必要指出的是，碳纳米管的应用也是非常值得关注和投入的。以目前大量使用的触摸屏为例，现在主流的触摸屏采用稀土元素作为表面膜材料，而采用碳纳米管的制备薄膜，也表现出了良好的应用潜力。至于其他碳结构在量子通信上的潜力，则更加激动人心。

　　从工业能力的角度看，与碳元素相关的工业集群也正在孕育和成长中。美国加州的硅谷作为人类高科技企业集群的象征，曾经在过去30年中，对全球科技产生了巨大的影响。我们有理由去建设新兴的碳谷，作为对21世纪的科技新地标。我个人认为未来20年内全球“碳谷”的工业产值至少可以是现在钢铁工业、玻璃工业和造纸工业产值总和，以碳复合材料制造的建筑、家具、服装、交通工具、食物工厂以至于作为新兴药物载体、人造器官的问世，人类经济新高潮也将随之而来。

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