作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/10 22:50:06
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跨越石墨烯材料理想与现实之间的鸿沟

 

A3尺寸石墨烯薄膜、4/6英寸石墨烯单晶晶圆、蒙烯玻璃纤维布、石墨烯电暖画、石墨烯轮胎……

在北京石墨烯研究院的展厅里陈列着很多“宝贝”,当记者准备上前摸一块类似黑色幕布的材料时,北京石墨烯研究院公司副总裁孟艳芳提醒道:“小心扎手!”

孟艳芳介绍,这是蒙烯玻璃纤维布,结合了石墨烯和玻纤材料的性能优势,其升温度极快,10秒钟可以达到数百摄氏度,具有极高的电热转换效率,已经成功应用到我国某尖端装备上。

中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范曾说过:“石墨烯材料理想与现实之间有一道鸿沟,需要花大气力去弥补、去跨越。”如今,他带领的团队是如何弥补和跨越这道鸿沟的呢?

解决风电叶片结冰难题

再回到本文开头那块黑色的幕布,其主要成分是石墨烯玻璃纤维,又称蒙烯玻纤。据了解,今年3月14日,使用了该材料的除冰叶片样机吊装成功。

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使用蒙烯玻纤材料的除冰叶片样机吊装成功。 BGI供图


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叶片上的黑色材料是蒙烯玻纤。 BGI供图

小身材、多用途。蒙烯玻纤是北京石墨烯研究院及北京石墨烯研究院有限公司(简称BGI)研发生产的一款长效、轻质、柔性的新型功能材料,该材料的研究始于2017年,2021年在特种领域取得成功应用,如今又在新能源领域首次落地试验。

近年来,我国陆续出台了多项政策,鼓励风力发电行业发展与技术创新。然而,如何有效解决风电叶片结冰问题,是困扰业界多年的一个难题。行业既有的解决方案存在有效期短、除冰效果不佳、能耗过大、容易招雷击等问题。

2022年6月,BGI成立孵烯玻碳事业部,着力推进蒙烯玻纤材料的市场化,探索新的应用场景,解决行业痛点。

“我们的蒙烯玻纤材料可以解决此难题,但说服客户使用材料很关键。”北京石墨烯研究院有限公司总裁许莉告诉《中国科学报》,在半年多的时间里,BGI团队对材料进行了全面的性能测试和试验。

BGI团队在常州完成材料的力学性能测试,在湖南进行横向对比测试和低温环境测试,在北京完成了叶片仿真计算,在西安进行全尺寸叶片12米叶尖段的制作并进行雷击测试,在济南进行电极加工,在河南考察电极加工设备,在河北进行复材板件制作并进行了叶片铺覆工艺的摸索等。

“让客户接受新材料太不容易了!”亲身参与其中的许莉感叹道,“我们的团队针对风电客户对材料的需求不断优化,一次一次地尝试,一点一点地改进后,终于开发出可以交付的、让客户满意的产品。”

刘忠范告诉《中国科学报》:“蒙烯玻纤在特种领域的应用帮助我们团队在市场上建立了良好的口碑,也促成了很多新的合作。”

摸清石墨烯成果转化“堵点”

刘忠范和石墨烯最早打交道可以追述到2008年,他带领团队踏入石墨烯领域开展基础研究工作。

在研究中,刘忠范意识到,前沿新材料研发投入大、周期长、落地难,是科技成果转化的重点难点。“成果转化不是一个教授凭一己之力可以完成的。”

与此同时,北京市开始布局石墨烯产业,北京市科委组织石墨烯领域专家编制了《北京市石墨烯科技创新专项(2016年-2025年)》。2016年,北京市科委组建石墨烯科技创新专家委员会,聘请刘忠范为组长,成立北京石墨烯研究院被提上议事日程。2018年10月,北京石墨烯研究院正式挂牌运行,刘忠范亲任院长。

为了解国内石墨烯产业现状,刘忠范于2019年牵头启动“石墨烯产业发展战略研究调研”,历时5个月,历经14个省市、28座城市,实地走访了上百家单位,行程12000多公里。“此次调研,我们基本摸清了石墨烯产业发展需求及成果转化‘堵点’。”刘忠范说。

北京石墨烯研究院在发展过程中也得到了北京市独立科技专项的支持。《中国科学报》从北京市科委、中关村管委会获悉,该专项成立于2018年,并在2021年按照“包干制”的方式进行试点,让科研人员得以持续、稳定地开展研究工作,是保障北京石墨烯研究院发展的“生命线”。

北京新材料和新能源科技发展中心副主任周航见证了北京石墨烯研究院的筹建和发展,他告诉《中国科学报》:“北京石墨烯研究院是北京市唯一一家专项“包干制”试点单位,并已连续2轮支持。2023年3月,研究院首轮‘包干制’项目通过专家验收。”,综合绩效评价优秀。

周航介绍,“包干制”专项以成果为导向,赋予研究院更高的研究自主权、经费使用权,让研究院可自行制定优势方向,持续深耕,也让科研人员摆脱“写本子、做预算”的枷锁,专注于科技攻关,加速技术成果产出与工程化进程。

北京石墨烯研究院成立之初还同步成立了北京石墨烯研究院有限公司。“公司的成立将推进研究院技术对接市场,引导技术攻关‘有的放矢’,加速成果转化与产业化。”刘忠范说。

如今,北京石墨烯产业研究院研发的A3尺寸通用石墨烯薄膜、A3尺寸超洁净石墨烯薄膜、4英寸石墨烯单晶晶圆、6英寸石墨烯单晶晶圆、蒙烯玻璃纤维等一批产品正在陆续进入市场。

许莉介绍,依托BGI强大的技术研发能力与成果积累,带动公司2022年实现全年营收6000余万元,较2021年提升超过5倍。

让科学家与企业家共乘一条船

在北京石墨烯研究院办公区的醒目位置,有一块展板上写着“研发代工”,这也是刘忠范带领的北京石墨烯研究院围绕体制机制开展的一项重要尝试。

刘忠范告诉《中国科学报》:“我们希望用‘研发代工’来解决企业研究能力不足、科研机构成果转化效率低、以及科技与经济‘两张皮’的难题。”

他解释道,与传统加工制造领域的代工生产不同,“研发代工”是专业研究机构给企业“打工”做研发,针对企业的需求,组建专门的研究团队,开展“定制化”的研发工作。

按照刘忠范提出的“研发代工”理念,企业把研发工作建在专业研究机构里,由专业人员负责研发中心的运行。企业负责提供稳定的研发经费支持,研发成果由双方共同持有,并优先落地到代工企业,合作双方按约定的比例分享成果转化带来的利益。

如今,北京石墨烯研究院已陆续成立“神州轮胎研发代工中心”“利特纳米研发代工中心”等多个企业研发代工中心,正在加速推进石墨烯新材料与传统产业的融合。

刘忠范认为,“研发代工”模式让科学家与企业家共乘一条船,将科研人员的研究工作与企业需求紧密结合,实现利益共享。既避免了科研人员“闭门造车”、研究成果不接地气的问题,也规避了“教授办企业”存在的高风险性。

 
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