4月10日上午，由深圳创新发展研究院、中关村产业转型升级研究院、深圳企联等共同主办的科技创新院士报告厅第12期精彩开讲，中国科学院院士，全国政协常委，九三学社中央副主席，北京石墨烯研究院院长刘忠范做了精彩演讲。本期活动还邀请到了深圳市新材料行业协会、深圳市石墨烯协会、深圳市电池行业协会、深圳市微波通信技术应用行业协会、深圳大学管理学院等共同举办。

以下内容根据刘忠范院士演讲记录整理,经讲者审订。

新材料产业发展的底层逻辑：

石墨烯的创新实践

材料是产业的先导。我们现在常说的“卡脖子”技术其实深层次的根源是材料，材料是制约我国高科技产业发展的瓶颈之一。

如果回顾一下材料科学和材料产业发展的历史，你会发现一个很重要的现象。钢铁材料我国现在是遥遥领先的，年产量10亿吨以上。18世纪末，英国最早突破了规模化炼钢技术，从某种意义上推动其走向第一个世界级强国。

大家都知道，信息化社会的基石是硅材料，没有硅材料就没有集成电路和芯片产业。单晶硅制备技术的突破可以追溯到20世纪50年代末60年代初。尽管单晶硅的规模化制备技术是欧洲人发明的，但开花结果在美国。美国人抓住了硅材料，一跃成为超级大国。

我们再看一下碳纤维材料，碳纤维跟钢铁和硅材料还不好同日而语，但作为当今时代引领性的战略新材料，其影响力与日俱增。20世纪60年代，日本人盯上了碳纤维，经过近半个世纪的不懈努力，打造出今天的碳纤维帝国，日本三家碳纤维龙头企业的产量全球占比接近一半。

这就是材料的力量。抓住新材料，就抓住了新的发展机遇。发展新材料、开辟新赛道，是解决诸多“卡脖子”难题、实现跨越发展的关键抓手。

一、来自碳纤维产业的启示

先从碳纤维说起。碳纤维材料其实是60年前开始的竞争，现在参与竞争已经晚了一大步。我们都知道碳纤维是一种非常重要的新材料，具有轻质高强等诸多优异性质。早年的碳纤维做钓鱼竿、高尔夫球杆用，现在已成为航空航天、国防军工、石油化工、风电叶片等领域不可或缺的存在。

我们先看一下碳纤维市场的需求情况。全球碳纤维市场需求现在已达20万吨量级，并且迅速增长之中。我们再来看看全球碳纤维主要生产厂家和产能分布情况，你会注意到前五家企业占了全球62%的产能，其中日本占了3家，东丽、三菱丽阳和日本东邦，比例达47.3%，几乎占了一半，其余两家是德国西格里和美国赫氏。

我想说的是，新材料产业竞争常常需要龙头企业。进入本世纪，我国开始重视碳纤维产业，经过二十年的发展，已经形成了一定规模，但国际市场的占有率几乎为零。我国现在有很多碳纤维企业，但成规模的不多，非常零散，低端碳纤维产品居多。

说到碳纤维的时候，我们是躲不开日本东丽公司的。我对东丽公司的碳纤维发展历史特别感兴趣，东丽应该是碳纤维产业的拓荒者和领头羊，创造了近半个世纪的碳纤维材料研发历史。

1961年日本东丽成立碳纤维研发部，到了1971年实现T300（1吨/月）的规模化生产，这个过程花了十年时间。我们现在讲的T300、T800、T1000，还有M60系列产品，日本人早在上世纪80年代就完成了。

早年的碳纤维材料只能用在高尔夫球杆和钓鱼竿上面，这些初级应用带动了碳纤维产业的早期发展。因为那个时候材料的档次还不高，大家还没有找到它更好的用途。对于新材料而言，这是一个正常的发展过程，急不得。

从上世纪90年代开始，碳纤维开始在飞机上使用，例如波音777的尾翼等。真正的突破是用在波音787上，2003年东丽公司赢得了波音787的合同。波音公司要做新一代的大飞机，而“新一代”通常是从新材料入手。波音公司满世界找材料，最终选择了碳纤维。材料生产厂商和应用客户的共同努力，使得碳纤维新材料找到了其“杀手锏级”的用途。

我要强调的是，日本东丽公司花了1400多亿日元从事碳纤维新材料研发，一直处于亏损状态，直到2011年才进入稳定盈利期，前后花了50年的时间，这是一个半个世纪的坚持，实属不易。一个企业坚持做这种根本没有回报的研发，值得我们学习，更值得我们深思。

（图一 东丽公司的碳纤维发明人图谱）

日本东丽公司有一张碳纤维发明人图谱，哪个型号是谁发明、谁做出来的都展示在这张图上。这张匠人图谱我认为很了不起，我们很难做出这么一张图谱来，因为没有人真正地数十年如一日地专注做事，即便是有人做到了，也是最基层、最底层的员工，很难在企业历史上显现出来。

我们再简单回顾一下中国碳纤维发展的历史，可以概括为八个字“起个大早，赶个晚集”。其实我们早在上世纪60年代中期就开始了PAN基碳纤维研究，跟日本是差不多同步的。70年代初期，实验室已经突破连续化工艺；1974年山西煤化所开始设计我国第一条碳纤维生产线，1976年建成中试生产线，1978年拿了全国科技大会奖，后来这条中试线整体搬迁到吉林石化。

实际上，上世纪70年代的国产碳纤维与国外差别并不大，有关部门也高度重视这种新兴材料。时任国防科委主任张爱萍主持召开了“7511”会议，先后组织了二十多家科研和企事业单位联合公关。由于知识产权归属问题，各部门难以协调，最后不了了之。

知识产权算谁的？谁牵头？谁获益？这些无法回避的问题导致碳纤维新材料研发工作进展缓慢。这样的事情现在也在不断发生着，不同利益的主体一起搞创新，很难协同，最后的结局就是轰轰烈烈开始，凄凄惨惨结局。

进入21世纪，师昌绪先生呼吁要大力发展碳纤维产业，引起政府有关部门的重视并采取了有力措施。“863计划”、“973计划”相继将碳纤维列入重点研发项目。2005年我国碳纤维企业仅10家左右，合计产能占全球的1%。

2008年国企进入碳纤维行业，2010年碳纤维产能占全球高性能碳纤维总量的0.5%。2010年到2014年，产能从6445吨增至15000吨，产量从1500吨增至3700吨。2012年工信部“十二五”规划碳纤维产能1.2万吨/年，2017年达到2.6万吨，仅次于美国和日本，占比18%。

目前我国从事碳纤维复合材料研制及生产的企业近百家，产能千吨以上的有7家，分别是中复神鹰、江苏恒神、精工集团、光威复材、中安信、兰州蓝星、太钢钢科。大多数企业的碳纤维产品仍处于低端领域，普遍亏损状态。

我为什么要如此详细地讲碳纤维材料的发展历史呢？其实新材料产业、乃至高科技产业的发展历程是相似的，值得互相借鉴。那么碳纤维产业给我们的启示是什么呢？我觉得有这么几点：

一是耐心和坚持，东丽公司半个世纪的坚持最后成就了其碳纤维产业龙头老大的地位。我们如果能够坚持50年做不到才怪，问题是我们有没有这个耐心，甚至10年我们能不能坚持？

二是企业主导和领军企业，任何科技创新成果最后必须通过企业才能落地。没有企业主导，最后是落不了地的；而没有领军企业的存在，产业很难发展起来，1万个小作坊企业也比不上1个龙头企业。

三是绑定头部企业和杀手锏级的应用场景非常重要。假如没有波音公司的加持，碳纤维产业的大规模快速发展很难想象。日本东丽绑定了波音公司，为其碳纤维材料找到了强大的市场牵引。这应该是新材料产业发展的一个规律，绑定龙头企业，找到“杀手锏级”的应用场景，借力发力。

四是领头人和工匠群体，没有东丽公司不能说就没有碳纤维，但是有可能现在还处于起步阶段。所以一个领头人、一个领头组织、一个工匠群体极其重要。

我认为这四点就是新材料产业发展的共性的底层逻辑，虽然我这里讲的是碳纤维，但是我相信这是共性的东西，对石墨烯新材料产业也适用。

二、与国外相比，中国石墨烯行业的关注点不在一个频道上

下面开始讲石墨烯材料。我是做石墨烯的，不是做碳纤维的，大家千万不要误解。当然，石墨烯和碳纤维都属于石墨类的碳材料，有很多相像之处。

石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状的纯碳材料。我经常开玩笑说，我是做“高碳”材料的，因为石墨烯是纯碳材料，100%的碳。石墨烯是最薄、最轻、最强和最坚硬的材料，也是最好的导热材料和最好的导电材料。集这么多的优点于一身，可以说在元素周期表里只有碳元素的石墨烯。

如果说硅和碳纤维是20世纪的战略新兴材料的话，那么石墨烯应该可以称之为21世纪的战略新兴材料，当然它还在发展的初级阶段。

大家在高中课本里应该学过苯分子，苯分子由六个碳原子和六个氢原子构成，把苯环的氢原子拿掉后平面连接在一起就得到了石墨烯。石墨烯很软，是一种新型柔性材料。我们来看看石墨烯的能带结构，稍微难一点的知识。石墨烯的能带结构很好玩，我一直想用这个奇特的结构造一个小亭子，肯定是举世无双的创意。

当我们讲半导体材料的时候，例如大家熟知的硅材料，硅的导带和价带之间有一个空隙，1.1个电子伏特左右，称为带隙。石墨烯的导带和价带之间没有带隙，或者说带隙为零。单晶硅材料掺杂磷原子变成N型半导体，掺杂硼原子变成P型半导体。

石墨烯也可以通过掺杂来变成N型或P型半导体，所以石墨烯也是半导体材料。把两个石墨烯片堆叠在一起，可以形成双层石墨烯。这个双层石墨烯的性质跟堆叠的角度密切相关，当转角为1.1度时，人们发现了超导现象。

2018年这种魔角石墨烯的超导现象报道出来后，引起了不小的轰动。有关部门征求我的意见，是否应立即支持开展产业化研发工作，我给出了否定的意见。因为这属于基础研究范畴，还看不到任何实用前景。

石墨烯材料可以畅想的应用前景很多，但哪个能成为产业现实还不好说。石墨烯粉体材料作为锂离子电池的导电添加剂已经出现在市场上，究竟效果多大依然是一笔糊涂账。氧化石墨烯基散热膜已经用在华为手机上，效果还不错，与人工石墨散热膜有一拼。

石墨烯防腐涂料受到很多企业的青睐，国内有数千家企业在做相关工作。但是，还没有真正实现规模化的市场落地，还有很多技术问题需要攻关。石墨烯电热产品在市场上炒的很热，在医疗大健康领域做的最多，深圳是领头羊。石墨烯材料在触摸屏、传感器、电子报纸、电磁屏蔽以及超快光通信领域都有潜在的应用价值，尽管大多仍在探索之中。

我想从另一个角度强调一下石墨烯新材料的重要性。如果我们回顾一下人类文明的发展历史，你会发现碳材料这个家族是多子多孙的，石墨烯、碳纳米管、碳60、石墨等等都属于碳材料大家族的成员。碳材料大家族从诞生至今有着数千年的历史，并且一直在创生着新的产业，金刚石产业、石墨产业、炭黑产业、活性炭产业，还有现在也属于高科技产业的碳纤维产业。

那么碳材料大家族的下一个产业是什么呢？我认为它没有道理就此打住，我相信是石墨烯，我坚信是石墨烯。因此，石墨烯是碳材料家族产业树上的一颗新枝，是一个继往开来的新材料。我创作了一首诗，来表达对石墨烯产业的期待：

《石墨烯赞》

芳容初露化黑金，万千宠爱集一身。

赓续碳族红血脉，老树新枝惠黎民。

再强调一下，石墨烯值得重视，尤其值得企业家投资。

今天我讲的是新材料产业发展的底层逻辑，所以我愿意讲一点历史。石墨烯是怎么来的？石墨烯跟石墨密切相关，石墨是层状的碳材料，一层一层的石墨片是通过很弱的范德华力结合起来的，所以可以用胶带撕下来。当然，一次会撕下来很多层石墨片。如果幸运地撕下来一层，那就是石墨烯了。

其实这个材料还真是这么发现的。那么怎么知道是多少层呢？最简单的办法是拿显微镜观察，颜色越浅层数越少越薄，最后薄到看不见的时候就可能是石墨烯了。

安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫这两位学者就是靠着这种笨办法发现的石墨烯材料，所以他们获得的诺奖被大家开玩笑是胶带撕出来的。

安德烈·海姆是个调皮的学术玩家。他当年在荷兰奈梅亨大学做“青椒”老师的时候，管理着一台超导强磁铁。一次无聊的时候，他把青蛙扔进强磁场中，发现青蛙竟然能够悬浮在磁场中，为此获得了2000年度的搞笑诺贝尔奖。海姆实验室有一个“星期五晚间项目”，就是折腾一些不靠谱的东西，据说石墨烯就是这个不靠谱的项目诞生的。他也是唯一一个既拿到搞笑诺奖、十年后又拿到真正诺奖的人。

这个故事的背后隐藏着深刻的道理。那就是，从0到1的原创性基础研究突破常常是“无心载柳”的结果，源于科学家们的强烈好奇心和求知欲，很难进行“规划”和重点“攻关”。

所以从这个意义上讲，基础研究不能过于急功近利，需要培育创新性的文化土壤，打造自由宽松的文化环境，允许一些人做看似“毫无用处”的探索性工作，这是支持原始性创新的关键所在。当你问他“干嘛用”的时候，就已经偏离了基础研究的逻辑。基础研究是好奇心、是兴趣，一开始就问有啥用是做不出来真正的突破的。

当然我要说的是，大家都讲“基础研究”，其实每个人说的未必是一回事，这是一个大问题。我在全国政协常委会上也讲过，需要统一一下讨论的语言，否则就是驴唇不对马嘴了。

石墨烯这个新材料问世至今刚刚二十个年头，2004年10月22日在《Science》上发的第一篇热点文章。石墨烯这个词很早就有，只是没人把它当回事儿。2010年，两位发现者荣获诺贝尔物理学奖，石墨烯从此引起了全球范围的关注。

2013年欧盟启动“石墨烯旗舰计划”，十年投资10亿欧元，在业界影响很大。2014年石墨烯列入国家发改委、工信部等部委发布的《关键材料更新换代实施方案》，2015年曼彻斯特大学成立“国家石墨烯研究院（NGI）”，半年之后习总书记到访NGI。我去年第一次访问NGI，才知道盛名之下，其实只是一个公共的基础研究平台，而且如今石墨烯在其中占的比重并不大。

2018年底曼彻斯特大学又成立了石墨烯工程创新中心（NEIC）。北京石墨烯研究院（BGI）是北京市支持成立的新型研发机构，2018年10月25日揭牌至今，已有6个年头。2020年底欧盟正式批准“欧洲地平线计划”，石墨烯为首批支持项目。

2021年，北京石墨烯研究院发明的超级蒙烯材料在我国尖端武器上正式使用，这是石墨烯材料在军工领域的第一个“杀手锏级”应用。这就是石墨烯材料的大致发展简史，应该说才刚刚开始。

中国的石墨烯热，现在渐渐冷下来了，但是数据一直很强势。这是一年前从企查查上面搜到的，竟然有小7万家石墨烯企业。我在想的是，硅材料已经大半个世纪的历史了，有那么多的硅材料企业吗？

据不完全统计，中国现在有60个石墨烯产业园、113个石墨烯研究院、17个石墨烯创新中心，还有17个石墨烯产业联盟。咱们深圳南山也有石墨烯产业园，揭牌的时候我也去了。这些石墨烯相关组织，全世界加在一起也没我们多。

我们再看一下石墨烯专利申请情况，中国占了全球的72%，数量达9.2万件，而排名第二的美国只有9千多一点，是我们的十分之一。我在思考一个问题，我们为什么搞那么多的专利，真的有用吗？

还有石墨烯论文数量，全球总发表了石墨烯相关论文35万余篇，我们拥有26万余篇，占比74.5%，排名第二的美国是4.7万篇，比我们少得多。还是同一个问题，我们为什么发那么多论文，值得深思。

大家可能会说，谁让你们科学家那么用功啊？不要怪科学家，怪我们的评价体制，当今的学术评价体制就是，鼓励大家玩命发文章，这样可以得到诸多好处，尽管这种好处似乎只对自己有用。

我最近经常拿这些数据说事儿。我认为，统计数据永远反映不了真实情况，说明不了我们世界领先。

国内石墨烯行业关注的热点是什么呢？我经常讲是“三大件”，新能源、大健康和电热产品、涂料，占比超过80%。其中新能源占了一半，大健康电热产品占了23%，涂料占了8%。

（图二 国内石墨烯行业的关注热点）

与欧洲、美国、日本和韩国相比，我们关注的不在一个频道上。我经常被问到，中国的石墨烯产业处于什么水平？我无法正面回答，因为根本不在一个频道上，没法比较。他们关注的事不是我们关注的，而我们关注的事也不是他们关注的东西。国外