石化行业亟须布局未来材料产业

  [中国石化报?2024-08-07]
  阅读提示:党的二十届三中全会审议通过的《中共中央关于进一步全面深化改革、推进中国式现代化的决定》明确提出，“建立未来产业投入增长机制”“引导新兴产业健康有序发展”。今年初，工业和信息化部等7部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》（简称《实施意见》），提出重点推进未来制造、未来信息、未来材料、未来能源、未来空间和未来健康六大方向产业发展。未来材料在传统产业升级和未来产业培育中具有重要地位和影响。石化行业作为材料的重要供应行业，亟须在未来材料的产业、产品、技术和投资上进行具有创新性和接续性的战略布局。
  本版文字由中国石化集团经济技术研究院有限公司窦悦珊提供
  （素材源自人民网、生态环境部官网等）
  什么是未来材料？
  石化行业需要加快布局未来材料发展
  新一轮科技变革助推全球积极布局未来材料，发展未来材料将直接关系一个国家未来较长时期的产业链供应链安全，以及科技和产业的全球竞争力。因此，发展未来材料是我国把握新一轮科技革命和产业变革机遇的关键，是培育新质生产力的战略选择，也是国家重大战略需求和人民美好生活的需要。
  国外石化企业正积极入局未来产业，抢占竞争制高点。随着产业技术的快速升级和传统石化行业竞争压力的不断加大，行业内包括巴斯夫等石化企业，近年来都已着手下一代产业技术和材料的布局。例如，2023年，德国巴斯夫与长三角物理研究中心合作研发固态电池技术，布局新一代具有颠覆性的未来电池技术和固态电解质材料；美国3M公司成功研制出具有引领性的生物材料胶原人工皮肤，布局高端医疗领域，有望在人形机器人上应用；日本住友化学入局新型显示领域，攻关以蓝色荧光材料为代表的OLED（有机发光二极管）发光材料，在未来显示领域争取一席之地。
  国内石化行业缺少未来材料布局作为战略接续。近年来，我国石化行业在化工新材料、高端材料领域积极布局，但目前的材料发展模式主要以跟随式研发和投资为主，且正向大宗化快速发展，如果以10~15年产业化周期计算，投产时将有近半产品失去高端化材料的超额利润，我国石化行业亟须在未来材料领域超前布局，实现接续发展。
  对石化行业发展未来材料的建议
  全球科技和产业竞争格局加速重塑，前瞻预判前沿技术和颠覆性技术、谋划布局未来材料发展成为打造国家竞争新优势的关键。石化行业亟须关注未来材料在未来产业中的发展潜力，研究相关技术现状与未来发展要求、研究基础、面临问题等，侧重于与我国石化行业现有产业、技术、产品衔接，并合理布局，提出适合我国石化行业发展的未来材料与技术。同时，重视市场接续问题，从我国石化行业具有优势研究基础的材料与技术中，挖掘有潜力向未来材料进行升级替代的材料与技术。二者相互结合、相互补充，实现向中高端市场要空间、向未来市场要增量，加快提升市场竞争力，抓住石化行业的新一轮市场机遇期。
  建议一着眼能源革命和石化转型，先聚焦于短期迫切关注的交通电气化技术要求和绿色低碳化生态要求，再延伸至中长期的交通出行低空化，要积极布局固态电解质、超轻碳纤维预浸料等未来材料和固态电池、动力电池回收、仿生合成橡胶等技术。
  截至2023年，我国新能源汽车产销量占全球比重超60%，已成为全球新能源汽车发展大国。在新能源革命的推动下，具有潜在颠覆性应用的新材料涌现。电池作为新能源汽车的“心脏”，其技术更迭对新能源汽车的发展至关重要。全固态电池采用全新的固态电解质，摒弃了传统锂离子电池中的液态电解质，这一变革能显著提高电池的能量密度与安全性，引领未来电池技术的发展方向，其中颠覆性技术的核心在于固态电解质的研发，包括氧化物基、硫化物基和卤化物基等。除了固态电池，有机-无机杂化钙钛矿材料作为太阳能电池的吸光材料，因消耗的资源更少，在超薄及柔性能源领域有着广阔的应用前景。多电子体系电池已被应用于传统的锂离子电池和其他新型二次电池领域，锂空气电池和锂硫电池有望实现比当前锂离子电池高2~10倍的能量密度突破。随着储存与运输高密度气体燃料的新材料、先进生物质废物转化为能源等技术的发展，有望突破气体燃料应用部署的技术障碍，有效降低中型和重型气体燃料车的成本。
  随着新能源汽车产业的爆发式增长，动力电池将迎来大规模“退役潮”，要重点做好退役电池无损检测、资源高值化利用、先进工艺推广等工作，攻克梯次利用和拆解利用回收技术，这将使我国在全球关键矿产和绿色转型的竞争中具有关键优势。与此同时，我国也是全球最大的动力电池产销市场，供应链优势明显，未来电池回收市场规模增量空间巨大。
  伴随我国汽车保有量的快速增长，地面交通拥堵问题日益严重，利用低空资源探索空中交通新模式成为未来先进高效航空装备发展的方向，电动垂直起降航空器便是其中之一。为满足其轻量化要求，机体结构采用超轻碳纤维预浸料，且碳纤维在机体结构的应用重量占比达80%，这对先进碳纤维复合材料的生产合成技术提出了非常高的要求。此外，围绕下一代大飞机发展，亟须突破天然橡胶这一原材料对高端航空轮胎发展的制约。中国科学院长春应用化学研究所通过模仿天然烟片橡胶的精细结构，在合成橡胶分子链上以特殊的方法嵌入蛋白质和磷脂，攻克了连续聚合工艺和工程技术，制备出了批量化仿生合成橡胶，实现了仿生橡胶合成技术的重要突破，标志着将天然橡胶从农产品变成工业品。未来，还将致力于不断升级仿生合成橡胶技术，推进仿生合成橡胶材料国产化。
  建议二着眼于科技革命和产业变革，从以半导体为人工智能的发展基础，到量子信息、类脑智能等深度赋能，再到脑机接口、人形机器人等应用终端，要积极布局环境友好型电子特气、柔性基材、“活体皮肤”等未来材料和量子技术、（柔性）电极技术等。
  半导体作为人工智能时代的核心基础材料，高效支撑人工智能的场景应用。半导体关键材料包括光刻胶、清洗和刻蚀试剂等，是我国被“卡脖子”的材料之一。在光刻胶领域亟须攻克活性单体的分子设计和构效关系、配方对光刻加工精度的影响这两个关键技术，突破14纳米节点以下工艺；贯穿晶圆制造始终的电子特气，参与清洗、刻蚀等环节，不仅技术壁垒高，且普遍存在大气寿命长、全球暖化潜势高等问题。其中，电子级碳酰氟具有零消耗臭氧潜能值、低全球变暖潜能值、低大气寿命等优点，4N级羰基硫可代替难以降解并具有温室效应的氟化物蚀刻气，均属于工业和信息化部发布的《中国制造2025》十大重点发展领域技术路线图提出的关键材料。受制于制备和纯化技术，目前，我国布局企业数量少，行业发展相对缓慢，尚未实现以上环境友好型电子特气的大规模工业化生产，未来将有较大的进步空间。
  此外，随着硅基集成电路技术向摩尔定律极限发展，新型半导体材料与硅材料的结合将有利于突破硅的极限，更好地兼顾硅基集成电路的经济成本优势。绝缘体上硅、硅基化合物半导体、新型相变材料、阻变材料、自旋电子材料、宽禁带碳化硅、氮化镓、超宽禁带半导体氧化镓、金刚石等是目前成熟硅基集成电路和砷化镓基半导体功率器件的重要补充和未来的发展方向。碳纳米管将成为后摩尔时代颇具潜力的新型半导体材料，可在短期实现碳基传感技术等高性能、中集成度的应用，在长期实现碳基射频电子、特种芯片，甚至超大规模碳基数字集成电路等高性能、高集成度的应用。
  人工智能的发展将深度赋能未来信息。2024年全国“两会”上，“量子技术”成为热词。量子信息技术可分为量子计算、量子通信和量子精密测量三大分支，目前我国在量子通信上处于领先地位，包括下一代移动通信、卫星互联网和量子计算等技术。其中，随着6G等更为先进的移动通信技术发展，将提高对材料电磁屏蔽能力、传输速率等的要求，带动新型导电橡胶、涂料、覆铜板树脂等材料的市场需求。
  量子等计算机技术的创新突破，也将加速类脑智能、大模型等智能产业的发展，推动人工智能技术赋能新型医疗服务，研发人形机器人、脑机接口等高端医疗装备，建立超大规模新型智算中心。作为生物智能与机器智能融合的关键性技术，脑机接口可以在大脑与外部设备之间建立直接的信息通道，实现“意念”控制。其中，柔性电极的微型化、柔性化和高通量特性可解决传统硬质电极在应用中的电极移位、免疫反应剧烈等问题，如蚕丝蛋白与MEMS（微机电系统）电极结合的多模态电极、基于光刻技术的人工合成高分子组织支架电极等。除了对电极本身材料与技术的要求，脑机接口配套的系统和元器件集成同样至关重要，从局部场电位信号采集到神经元信号的升级，整个脑机接口技术都在不断演进。
  而人形机器人作为未来产业的先锋之一，有望继计算机、智能手机、新能源汽车之后，成为下一个颠覆性的科技产品。为呈现更加真实的人造皮肤，已有的硅橡胶材料、乙烯基材料和聚氨酯将被一类新型“活体皮肤”取代，即用胶原蛋白和人真皮成纤维细胞结合角质形成细胞的人类皮肤细胞覆盖表面，塑造皮肤组织。这种“活体皮肤”的厚度与人类皮肤相当，会像正常皮肤一样起皱，具有足够的强度、弹性、防水性及自我修复能力。此外，为满足加快行走速度和提高灵活性等需求，轻量化材料PEEK（聚醚醚酮）将替代金属材料用于制造“人体骨骼”、高性能塑料零件等，对整体平衡及全身控制起到关键作用。随着人工智能、机器学习等技术的不断发展，人形机器人的智能化水平将不断提高，应用场景将会不断拓展，整体市场规模将呈现指数级增长，将对未来材料的发展提出更高的要求。