石墨烯材料技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化影響

通俗上講，石墨烯是單原子層的石墨，以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的二維碳材料，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，是目前已知最薄的一種材料。石墨烯是碳同素異形體的一種形式，同為碳材料的還有金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨等（見圖 1）。

圖 1 石墨烯等碳材料的結(jié)構(gòu)圖

  在實(shí)際應(yīng)用中，將石墨烯優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)的前提是發(fā)展大規(guī)模、低成本、結(jié)構(gòu)與性能可調(diào)控的石墨烯批量化制備技術(shù)。因此，制備技術(shù)是石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的核心技術(shù)。

  目前國(guó)際上已公布的石墨烯制備方法主要有機(jī)械剝離法、氧化還原法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉淀法（CVD 法）、高溫裂解法、液相剝離法和插層剝離法等。表１對(duì)以上各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了對(duì)比。

表 1 常見石墨烯材料制備方法的對(duì)比

石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯因?yàn)榧嘀貎?yōu)異性質(zhì)于一身，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。總體而言，其應(yīng)用可分為兩類（見表 2）：利用石墨烯來(lái)改變或增強(qiáng)基體的性質(zhì)歸類為石墨烯作為輔材的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐（圖 2）；利用石墨烯材料本身性質(zhì)，歸類為石墨烯材料作為主材的產(chǎn)業(yè)實(shí)踐（圖 3、4）。

圖 2 石墨烯材料作為輔材的典型應(yīng)用領(lǐng)域：鋰離子電池/超級(jí)電容（左上）、

功能橡塑材料（右上）、功能纖維/織物（左下）、功能涂料/涂層（右下）

圖 3 石墨烯材料作為主材在柔性電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用：柔性顯示（左上）、

柔性傳感器（右上）、柔性電熱膜（下）

圖 4 石墨烯材料作為主材在高頻電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用：高頻晶體管（左上）、

太赫茲器件（右上）、激光器（下）

表 2 石墨烯材料典型應(yīng)用領(lǐng)域

石墨烯市場(chǎng)應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化前景

  （1） 產(chǎn)業(yè)化概況

石墨烯及其相關(guān)材料對(duì)市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)的影響主要體現(xiàn)在兩大領(lǐng)域。一是能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，以及新型功能輕質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域，石墨烯及其材料將有可能集成到新型飛機(jī)、大巴、電動(dòng)汽車等交通運(yùn)輸系統(tǒng)之中；二是信息領(lǐng)域，石墨烯材料憑借其特殊的電學(xué)和光學(xué)性能，有望用于新型信息處理和通訊系統(tǒng)。目前來(lái)看，第一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的石墨烯的價(jià)值正逐步顯現(xiàn)并開始獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，比其在微電子芯片等高端領(lǐng)域可能會(huì)走得更快。

目前，市場(chǎng)已經(jīng)形成了石墨烯粉體和石墨烯薄膜兩種較為成熟的制備體系，石墨烯材料的總體品質(zhì)在不斷上升。石墨烯材料已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究邁向工業(yè)化發(fā)展，石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。“十三五”期間，石墨烯產(chǎn)業(yè)將逐步形成電動(dòng)汽車鋰電池用石墨烯基電極材料、海洋工程用石墨烯基防腐涂料、柔性電子用石墨烯薄膜和光電領(lǐng)域用石墨烯基高性能熱界面材料四大類產(chǎn)業(yè)，全行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望突破千億元。

（2） 市場(chǎng)規(guī)模與產(chǎn)業(yè)化預(yù)測(cè)

Gartner 技術(shù)成熟度曲線對(duì)石墨烯這一新興產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了描繪，如圖 5 所示。石墨烯現(xiàn)階段處于圖中關(guān)注度的峰值區(qū)域，參照硅材料產(chǎn)業(yè)的成熟周期為 20 年來(lái)推斷，石墨烯產(chǎn)業(yè)化完全發(fā)展成熟還需要 5-10 年，即 2020 年后。

圖 5 石墨烯產(chǎn)業(yè)的 Gartner 技術(shù)成熟度曲線

中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到 2020 年，石墨烯產(chǎn)業(yè)化規(guī)模將取得突破，全球石墨烯材料市場(chǎng)將達(dá) 1000 億元，分布在新能源、電子信息、復(fù)合材料、節(jié)能環(huán)保、熱管理、生物醫(yī)藥等各領(lǐng)域。

   綜合石墨烯技術(shù)發(fā)展水平與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，以及全球各國(guó)對(duì)于石墨烯應(yīng)用趨勢(shì)預(yù)測(cè)，石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展大致可分為如下三個(gè)階段。

未來(lái) 10 年內(nèi)，石墨烯主要作為改性材料來(lái)提高傳統(tǒng)材料與功能器件的性能，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括動(dòng)力電池/超級(jí)電容、防腐涂料、改性化纖、改性橡塑材料和導(dǎo)熱散熱材料等，其價(jià)值在于支撐傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。

未來(lái) 10～20 年，石墨烯將在柔性電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)l(fā)揮關(guān)鍵作用，在柔性顯示、柔性傳感、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域催生變革性技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到 2030 年，石墨烯相關(guān)材料和技術(shù)將可以直接轉(zhuǎn)換成為消費(fèi)品，走到消費(fèi)者身邊。

未來(lái) 20 年之后，石墨烯作為下一代高頻晶體管核心材料的技術(shù)將走向成熟，由此在電子信息技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)顛覆性技術(shù)革命。

石墨烯產(chǎn)業(yè)化瓶頸

石墨烯產(chǎn)業(yè)化瓶頸一是技術(shù)問(wèn)題，制備兼具高質(zhì)量、低成本、過(guò)程綠色的石墨烯材料仍存在技術(shù)挑戰(zhàn)；二是成本問(wèn)題，石墨烯應(yīng)用拓展的成本高、周期長(zhǎng)，制約了石墨烯材料應(yīng)用的快速推進(jìn)；三是市場(chǎng)問(wèn)題，石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈到目前為止仍未實(shí)現(xiàn)貫通和整合。

石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展建議

  為推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，真正體現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值，需重點(diǎn)突破石墨烯材料的標(biāo)準(zhǔn)化和低成本化，采取一條龍的模式將材料生產(chǎn)、應(yīng)用開發(fā)、終端應(yīng)用等環(huán)節(jié)串起來(lái)，積極推動(dòng)石墨烯材料示范應(yīng)用，構(gòu)建應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，加強(qiáng)石墨烯標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，搭建產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)。具體而言，有以下四條產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。

開展重大工程牽引推動(dòng)

通過(guò)政府政策引導(dǎo)，圍繞我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全重大需求，整合創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化等資源，抓住重點(diǎn)，實(shí)施多項(xiàng)重大工程，開發(fā)一批標(biāo)志性、牽引推動(dòng)作用強(qiáng)的重點(diǎn)產(chǎn)品和代表工藝，提升自主開發(fā)設(shè)計(jì)水平和系統(tǒng)集成能力。在新能源汽車、海洋工程、新一代信息技術(shù)、和國(guó)防軍工等重點(diǎn)領(lǐng)域突破一批共性關(guān)鍵技術(shù)和工程化、產(chǎn)業(yè)化瓶頸，提高石墨烯創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)材料行業(yè)整體綜合實(shí)力發(fā)展，搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。例如實(shí)施石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化工程、超級(jí)計(jì)算機(jī)工程、可穿戴智能設(shè)備工程、儲(chǔ)能工程、高效新能源工程等。

在重點(diǎn)行業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用示范

堅(jiān)持石墨烯發(fā)展全國(guó)一盤棋和分行業(yè)指導(dǎo)相結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃，整合資源，合理布局，明確石墨烯發(fā)展大方向。鼓勵(lì)全民創(chuàng)新，引導(dǎo)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，扎實(shí)提高基礎(chǔ)科學(xué)理論水平，促進(jìn)各行業(yè)深度發(fā)展，總結(jié)積累產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，加快推動(dòng)石墨烯應(yīng)用整體水平提升，開展重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用示范工作。例如利用石墨烯及相關(guān)材料，制作生物傳感器，化學(xué)傳感器，功能涂層和界面，高能量轉(zhuǎn)換效率電極、高容量電池、電容、儲(chǔ)能設(shè)備，納米流體，納米諧振器，半導(dǎo)體器件，射頻用無(wú)源組件，柔性電子器件和系統(tǒng)等。

產(chǎn)學(xué)研用需協(xié)同推進(jìn)

產(chǎn)學(xué)研用多渠道協(xié)同推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，通過(guò)生產(chǎn)單位、學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)和用戶等相互配合，集中各自優(yōu)勢(shì)資源，形成研究、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用一體化高效系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)業(yè)鏈從實(shí)驗(yàn)成果到實(shí)際應(yīng)用的整體效率，降低轉(zhuǎn)化成本。建立石墨烯上游生產(chǎn)企業(yè)，包括石墨礦企、設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，和下游應(yīng)用企業(yè)，包括電子、電池、生物醫(yī)藥、航空航天企業(yè)等與高校、研究院所等科研機(jī)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟等。提煉共性技術(shù)，加強(qiáng)石墨烯公共技術(shù)服務(wù)，降低石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的時(shí)間、資金、技術(shù)、工藝、設(shè)備、人才等成本，為聯(lián)盟單位提供一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量的起點(diǎn)和合作渠道。目前，我國(guó)已成立了中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和京津冀石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟兩家聯(lián)盟單位。

利用創(chuàng)新平臺(tái)集聚發(fā)展

完善國(guó)家石墨烯創(chuàng)新體系建設(shè)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，加快建立以創(chuàng)新中心為核心載體、以公共服務(wù)平臺(tái)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心為支撐的石墨烯創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。建立以市場(chǎng)為主導(dǎo)的創(chuàng)新和應(yīng)用方向選擇機(jī)制以及鼓勵(lì)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)、利益共享機(jī)制。建立石墨烯創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園區(qū)和基地，引進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化孵化器和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化加速器。利用地方人才、資源、資金等優(yōu)勢(shì)發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群，集聚新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)，加速石墨烯創(chuàng)新和應(yīng)用突破及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。建設(shè)一批促進(jìn)石墨烯協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的公共服務(wù)平臺(tái)，規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開展技術(shù)研發(fā)、技術(shù)評(píng)價(jià)、技術(shù)交易、檢驗(yàn)檢測(cè)、質(zhì)量認(rèn)證、人才培訓(xùn)等專業(yè)化服務(wù)，提高科技成果轉(zhuǎn)化效率和推廣應(yīng)用速度。

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