院士报告厅｜刘忠范：石墨烯等新材料产业发展的底层逻辑

材料是产业的先导。我们常说的“卡脖子”技术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。

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。

中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范

4月10日，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期开讲，中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范以“新材料产业发展的底层逻辑：石墨烯的创新实践”为题发表演讲。

刘忠范院士认为，新材料产业的发展，要绑定龙头企业，找到“杀手锏级”的应用场景，借力发力。现状是科学家做科学家的事，产业界做产业界的事，中间没人管，导致技术创新链条中断。因此，要解决好技术创新链条不完整的问题，重点布局链接基础研究阶段和产业化阶段的中间环节，即材料工程化和规模化中试环节。

以下内容根据刘忠范院士演讲记录整理,经讲者审订。

一、来自碳纤维产业的启示

碳纤维材料是60年前开始的竞争，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特性。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。

目前，全球碳纤维市场需求已达20万吨量级，且在迅速增长之中。全球碳纤维前五家企业占了全球62%的产能，其中日本占了3家，东丽、三菱丽阳和东邦，比例达47.3%，其余两家是德国西格里和美国赫氏。

日本东丽公司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。

从1990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。半个世纪的坚持，实属不易。值得我们学习，更值得我们深思。

中国碳纤维的发展，可以概括为八个字：“起个大早，赶个晚集”。其实我们早在1960年代中期就开始了PAN基碳纤维的研究，跟日本差不多同步。1970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，1970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攻关。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，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。大多数企业的碳纤维产品仍处于低端领域，普遍处于亏损状态。

碳纤维产业给我们的启示是什么？

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。

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，这些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

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。

从0到1的原创性基础研究突破常常是“无心栽柳”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，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。

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。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9000多件，是我们的十分之一。我们为什么搞那么多专利，真的有用吗？

再看论文数量，全球发表石墨烯相关论文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。中国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。

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？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1 国内石墨烯行业的关注热点

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，与欧洲、美国、日本和韩国相比，根本不在一个频道上，没法比较。国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发，而我们大多关注能立即赚到钱的实用性产品。

韩国在石墨烯领域是一匹黑马，其特点是以三星公司为核心，形成了一个石墨烯网络，大学、科研院所都围绕三星公司开展石墨烯新材料研发工作。很多石墨烯器件相关的核心专利都在三星公司，我们申请的很多专利没多大意义，企业关注的是实用价值，而大学教授关注的是数量而已。这说明任何一个产业要想走得远，龙头企业特别重要，光靠科学家折腾是搞不定的，因为科学家通常做不了企业。

中国的石墨烯新材料产业存在诸多挑战。我们的小作坊式石墨烯企业占了90%以上，缺少龙头领军企业，可持续发展能力很弱。2019年，我率领20人的调研组花了半年时间走遍全国14个省29个城市，实地考察了上百家石墨烯企业，这些企业都是精挑细选具有代表性的。我们发现了很多问题，令人忧心。一个普遍存在的问题是同质化现象非常严重，大炼钢铁式的低水平恶性竞争导致有限资源的高度分散和浪费。在研发目标的选择上，急功近利，只关心现在，不关心未来。在石墨烯领域，科技与经济的两张皮现象十分严重，一大批科研人员搞文章，还有更多的企业家们做产业，缺少实质性的产学研协同创新。

不可否认，来自各级政府、各个部门的过度碎片化的政策引导，是造成一窝蜂建设石墨烯产业园区和全民造烯运动的重要原因，也是造成产能过剩的根本原因。产业还没真正发展，我们的产能已经过剩了，这是一个现实问题。这种无序竞争很大程度上弱化了我国庞大的市场优势。

 “国家意志”和“市场意志”有效协同，应该是我国石墨烯产业健康发展的关键，没有国家意志就没有长远布局，我们现在的企业有长远布局的不多，华为是个特例。与此同时，没有市场意志就会背离市场规律，导致市场无序竞争的乱象。事实上，“国家意志”和“市场意志”是两只无形的大手，在高科技产业发展过程中发挥着至关重要的作用。今年的政府工作报告提出要“促进有效市场和有为政府更好结合”，这一点极为重要。“有效市场”也来自“有为政府”，希望尽快落到实处。

三、一个新材料要想站住脚，必须找到一个“杀手锏级”应用

一个新的材料、新的技术走进市场，通常经历技术萌芽期、期望顶峰、泡沫谷底期、爬坡期、稳定应用期等五个阶段，石墨烯也不例外。实际上，科学家在实验室里捣鼓的东西绝大多数走不完这条道，仅仅是实验室里的“实验样品”而已。

从实验室里的样品变成规模化的产品，再到市场化的商品，这条路很长，也是个大浪淘沙的过程。

图2 从高德纳技术成熟度曲线看新兴石墨烯产业

图3 石墨烯产业的卡脖子技术

石墨烯新材料产业我认为是八个字：前途无量，任重道远。这个产业还存在很多“卡脖子”的问题，比如低成本的规模化制备技术现在还没有解决，也没有那么容易解决。批量剥离转移也是个大问题。石墨烯薄膜通常高温生长在金属催化剂表面，使用时通常需要剥离转移到目标衬底上。这是一个巨大的技术挑战，因为涉及的是单层原子厚度的剥离和转移技术。

尤其需要指出的是，石墨烯尚未找到真正的“杀手锏级”用途，我们现在所有的尝试还处于当年碳纤维做钓鱼竿的阶段。石墨烯产业之路很长，急不得。

我一直认为，“卡脖子”技术是熬出来的，绝不是临时抱佛脚砸钱突击出来的，需要数十年如一日的不懈努力和持续的资源投入。“卡脖子”问题既是过去时，也是现在时和未来时，如果不改变急功近利的群众运动式的做法以及“物美价廉”的传统思维方式，我们在石墨烯等硬科技领域还会不断出现“卡脖子”问题。

我特别喜欢比尔·盖茨讲过的一句话，他说“我们总是高估今后一两年内将要发生的变革，也总是低估未来十年将要发生的变革”。很多人对石墨烯就是这种态度，总以为一两年就能赚大钱，一拥而上。明知道十年后肯定赚大钱，也很少有人坚持。我们的企业不等，我们的政府也不等，这是我们的传统思维方式，改起来不容易。

2022年，我国石墨烯粉体的产能2.2万吨，薄膜产能540万平方米。粉体的利用率7%左右，薄膜的利用率0.23%左右，已经处于产能过剩状态。必须强调的是，石墨烯材料制造业尚有巨大的提升空间，今天的石墨烯还不能支撑起石墨烯产业的大厦。中国石墨烯新材料产业需要像东丽公司那样的领军企业，需要舍我其谁、志存高远的担当者，需要一大批追求极致的“匠人”。其实何止石墨烯，硬科技产业都应该这样。

四、如何破解科技和经济“两张皮”难题？

我是2008年进入石墨烯领域的。此前，做了十年的碳纳米管研究。2018年创建北京石墨烯研究院（BGI），BGI是北京市支持成立的新型研发机构，开工之初，手中没有一分钱，我以个人名义从首都发展集团借款4750万元，当年年底经费到账后，就还清了这笔借款，还多还了100万元利息。

尽管遭遇三年新冠疫情，BGI在过去五年多来取得了飞速发展。目前拥有两栋大楼，一栋是研发大楼，一栋是公司产业化大楼；员工规模已达410余人，成为全球最大规模的石墨烯新材料研发与产业化队伍。2017年12月26日，注册成立北京石墨烯研究院有限公司，一手是研究院，一手是有限公司，一体两翼，一对一孵化，这是我们的制度设计。需要强调的是，我们既拥有基础研究团队，又拥有工艺研发团队，还有市场落地团队和专业化管理团队，因此是一个真正意义上的复合型团队。

我在北大做了31年教授，深知大学科研团队的局限性。通常情况下，大学和科研院所的研究团队（课题组）通常由导师、助手和单一专业背景的研究生和博士后组成，规模是几个人到几十人不等。老实讲，这种研究团队能做的事情是有限的，比较适合于兴趣导向的发散性基础研究，可能折腾出诺贝尔奖来。但是，你想让这样的团队去攻关“卡脖子”技术和推动产业化落地几乎是不可能的，一方面人员构成过于单一，另一方面体量也远远不够。

BGI的追求目标是什么呢？一是向全球市场提供最具竞争力的石墨烯材料，另一个是向市场提供最好的石墨烯制备装备和规模化生产线。一手抓材料，一手抓装备，这是我们的核心发展战略，也是BGI的核心竞争力。

我发表了数百篇学术论文，没有BGI这个平台，很难对石墨烯产业有实质性贡献。发文章不应该是目的，应该是研究的副产品。把发文章变成追求的目标，别的变成副产品，完全是本末倒置。

图4 创新链条布局

我们经常讲技术创新链条，从实验室阶段到中试阶段再到产业化阶段，一般分为9级。BGI重点布局链接基础研究阶段和产业化阶段的中间环节，即材料工程化和规模化中试环节。技术创新链条的不完整是产生“卡脖子”问题的深层次原因，表现为科技与经济的“两张皮”，科学家做科学家的事，产业界做产业界的事，中间没人管，导致技术创新链条是断的。

为什么会出现这个问题？一是我们现行人才评价体制让科技工作者满足于发表学术论文，没有动力把科研成果推向中试和产业化。二是实验室里的科研成果很难被企业接住。我发表了数百篇石墨烯论文，但企业很难接得住，因为缺少工程化和规模化的环节。绝大多数企业没有能力和意愿填补这个空白。如果不重视解决这个问题，我们建再多的研发平台也没用。

BGI独创的蒙烯玻璃纤维材料实现了规模化产业落地，石墨烯TOC分离膜、石墨烯电镜载网陆续推向市场。我可以自信地讲，BGI是引领全球的石墨烯材料研发和产业孵化基地。

为了探索石墨烯材料的“杀手锏级”用途，BGI建立了“未来实验室”，架起链接“材料”与“市场”的桥梁。BGI未来实验室有三大板块：电热技术实验室、散热技术实验室和电磁技术实验室。这三大板块是我对石墨烯产业发展的预判，与当前市场上炒作的方向不完全一致。

第一，石墨烯是优异的新型电热转换材料，拥有电热转换效率高、升温速度快、柔性、透明等诸多优势。事实上，石墨烯电暖画和保暖衣，还有诸多石墨烯大健康产品都属于石墨烯电热技术产品，也是进入市场最早的石墨烯产品。

第二，石墨烯拥有已知最高的热导率，是非常好的导热散热材料，石墨烯导热散热技术拥有巨大的市场潜力。石墨烯散热膜已经用在华为手机上。

第三，石墨烯也是优良的电磁功能材料，在轻量化导线、电磁屏蔽等诸多方面有着广阔的应用前景。

基于上述原因，BGI未来实验室重点布局了这三大板块，客户需求导向，逆向材料研发。我们特别强调绑定用户，共同研发，实践证明这是行之有效的好办法。

五、政府不能离科学前沿太近，否则会带来巨大的决策风险

我们不能满足于建立一堆研发平台。没有企业的介入和市场化机制，这些研发平台只能产生一大堆文章和专利、无数的“自嗨式”创新突破以及众多小作坊式的公司。不经过市场竞争的洗礼，任何创新性成果都无法真正转化落地和创造市场价值。

图5 产学研协同创新的两种不同模式

产学研协同创新的最佳模式是什么？我总结了两种截然不同的协同创新模式：一个是一台机器运转的模式，一个是多台机器协调运转的模式。

一台机器运转模式就是通常的企业模式。例如华为，有自己的科学家、工程师和企业家，这些人是一条绳上的蚂蚱，拥有完全一致的追求目标和利益导向。多台机器协调运转模式常见于政府主导的各种协同创新平台，在政策和利益诱惑下，大学和科研院所的众多科学家、企业家和投资商等不同的利益主体共建共享一个创新平台，以期实现产学研协同创新。

显而易见，后者需要一个强有力的协调机制，让众多的机器协同运转起来，难度可想而知。毋庸置疑，一台机器运转的企业模式是最高效的产学研协同创新模式。

所以，弘扬“企业家精神”，充分尊重和信任企业家，培育公平竞争的市场文化，让千千万万个企业成长起来，是推动高科技成果转化和繁荣市场经济的不二法宝。

我们不能过度模糊科学、技术和产业的边界。

科学是天马行空，需要的是自由宽松的环境土壤，应该交给学术共同体。从某种意义上讲，政府不能离科学前沿太近，否则会带来巨大的决策风险，同时严重破坏学术生态。

技术是一招鲜，需要耐心和长时间的积淀，应该交给企业家。应重视培育“隐形冠军企业”，而不是万金油型的“杂货摊企业”。我们需要培育出众多的“华为”，这样“卡脖子”问题就自然解决了。产业和市场需要敢吃螃蟹的创新生态和公平竞争的文化土壤，所以一切政策的导向必须以繁荣市场为准则，这是有为政府必须承担的重任。市场、技术、科学不是一回事，各有各的特点、责任和规律，不能过度混淆。

另外，我们不能混淆和无视原始创新、技术创新和产品创新的差异。像手机、星链都是产品创新，是已有技术的集大成者，并非原始创新。这些创新性产品通常始于一个大胆甚至疯狂的想法，马斯克、乔布斯这样的技术偏执狂才能创造出这种东西来。这里需要的是追求极致的工匠精神，并非从0到1的原始创新。

从原始创新到产品创新存在着巨大鸿沟，时间跨度长达数十年甚至是上百年，直通车没有成功的先例，也不符合市场和产业发展规律，我们需要冷静地思考这个问题。相对论是爱因斯坦一百多年前创立的，现在的GPS定位都需要相对论理论，但是从那个时候就开始抓起，自然是不现实的事情。我认为，技术创新链不能布局太长，否则很难走下去。

（整理者：林美丹。本文经刘忠范院士审订。）