石墨烯調(diào)研報(bào)告

1、石墨烯將引發(fā)全球應(yīng)用材料的新變革【內(nèi)容提要】從2010年10月初兩位英國科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后，石墨烯在我國成為熱點(diǎn)詞匯，各地科研院所爭相研究，企業(yè)爭相投資，連地方政府也考慮將其產(chǎn)業(yè)化。石墨烯成為爭取國家資金支持最熱的項(xiàng)目，似乎石墨烯時(shí)代已經(jīng)到來，世界將由石墨烯應(yīng)用而發(fā)生重大改變。本文在全面分析石墨烯全球技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展的同時(shí)，對到底如何正確認(rèn)識(shí)石墨烯，石墨烯行業(yè)的整體輪廓如何，石墨烯產(chǎn)業(yè)化的道路到底還有多遠(yuǎn)，我國石墨烯過熱的根源是什么等做出了基本判斷，并提出了發(fā)展我國石墨烯技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的切實(shí)建議。【關(guān)鍵詞】 石墨烯 進(jìn)展 研究石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)平面薄膜材料

2、，由于具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、極輕薄等。石墨烯將有助于其他新材料領(lǐng)域的交叉突破，其高效能源和高輕超強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)能源消費(fèi)方式和軍事領(lǐng)域的重大變革，新一代光電石墨烯信息材料使能源消耗成倍降低，其柔性顯示材料使人類的生產(chǎn)和生活方式發(fā)生改變。一、改變世界的石墨烯石墨烯在電子器件、光學(xué)器件、柔性電子、輕型大功率功能器件、高效率電池等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，有望對電子信息等多個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。世界主要國家認(rèn)識(shí)到石墨烯的重要戰(zhàn)略意義，著力推進(jìn)石墨烯技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。石墨烯在軍事領(lǐng)域有重大應(yīng)用。石墨烯是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，石墨烯和其他金屬材料形成復(fù)合材料，能夠廣泛應(yīng)用于超輕防彈衣，超薄超輕

3、型飛機(jī)材料等。石墨烯在軍事能源領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠大幅度提升戰(zhàn)場能源的轉(zhuǎn)換效率。多層石墨烯片不僅是鋰空氣電池的理想設(shè)計(jì)，也可以應(yīng)用于如超級(jí)電容器、電磁炮等潛在的軍事領(lǐng)域。石墨烯能夠?yàn)樾畔㈩I(lǐng)域帶來重大變革。碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計(jì)算機(jī)獲得更高的速度，石墨烯將成為硅的替代品，制造超微型極大規(guī)模集成電路，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)微型計(jì)算機(jī)，對現(xiàn)有信息產(chǎn)業(yè)格局和信息空間競爭帶來新的沖擊。石墨烯將改變?nèi)藗兊纳罘绞??？烧郫B的顯示設(shè)備可使人們的學(xué)習(xí)、閱讀和交友方式發(fā)生變革；超級(jí)耐候抗菌服裝將會(huì)顛覆人們的穿著習(xí)慣、超輕型建筑使城市建設(shè)更加便捷和低成本、超輕型汽車更節(jié)能、醫(yī)療材料的應(yīng)用帶來醫(yī)學(xué)技術(shù)的變革。制

4、備原理簡單但成本過高成為廣泛應(yīng)用的障礙。生產(chǎn)出石墨烯并不困難，石墨烯生產(chǎn)技術(shù)是公開的，普通物理化學(xué)老師都能將其生產(chǎn)出來，難的是怎么批量化生產(chǎn)。石墨烯單層價(jià)格達(dá)到每克2000元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黃金價(jià)格。目前申請石墨烯制備專利眾多，但這些專利只表示可以生產(chǎn)出來石墨烯，或者找到某種方法或技術(shù)，但如何大幅度降低成本，使產(chǎn)業(yè)鏈下端能夠廣泛應(yīng)用成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。二、全球石墨烯研發(fā)競爭激烈（一）美國基礎(chǔ)研究和應(yīng)用材料研發(fā)全球領(lǐng)先政府大力支持基礎(chǔ)性研究。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)、美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)等都拿出大量資金，主要支持大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)展開石墨烯基電子材料和符合超強(qiáng)度材料性能的基礎(chǔ)研究，支

5、持表征石墨烯基電子材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和性能特征研究，加強(qiáng)對石墨烯基超級(jí)電容器中電化學(xué)性能的基本認(rèn)識(shí)；調(diào)查離子液體作為石墨烯基超級(jí)電容器電解液的相容性，開發(fā)新型超級(jí)電容器電池組裝工藝和電池測試方法等基礎(chǔ)性研究。到2013年6月，美國政府用以支持石墨烯基礎(chǔ)性研究的資金已超過2500萬美元。商業(yè)資金資助產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。美國商業(yè)資金非?？粗厥┪磥淼膽?yīng)用成效，商業(yè)資金更重點(diǎn)關(guān)注開發(fā)下一代體積更小、運(yùn)算速度更快的電子器件，以及石墨烯在太赫茲和新型量子器件中的應(yīng)用等。例如，美國俄亥俄州研究商業(yè)化資助項(xiàng)目資助美國納米技術(shù)儀器公司開展應(yīng)用于鋰離子電池的納米石墨烯復(fù)合電極的商業(yè)化生產(chǎn)研究；美國結(jié)構(gòu)材料工業(yè)公司200

6、9年11月獲得NSF小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目資助，開發(fā)以石墨烯為基質(zhì)的高靈敏度NOx探測器。企業(yè)加大對石墨烯未來市場的投入。IBM、美國超微設(shè)備公司AMD）等公司都大力投資石墨烯信息材料領(lǐng)域，以圖將來在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域競爭中搶占制高點(diǎn)。英特爾公司認(rèn)為石墨烯是一種很有前景的材料，他們正在和大學(xué)進(jìn)行合作研究。石墨烯技術(shù)公司、國家納米材料公司等在石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目上有較大投入?；A(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)世界領(lǐng)先。美國在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，如石墨烯的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、制備方法以及納米材料研究等領(lǐng)域有較強(qiáng)的實(shí)力；在產(chǎn)業(yè)化方面，其優(yōu)勢主要在石墨烯的制備、能源領(lǐng)域應(yīng)用、平板顯示技術(shù)、石墨烯納米材料及石墨烯復(fù)合材料等領(lǐng)域。最新進(jìn)展。

7、2013年4月，IBM展示其最新研制的體積最小、運(yùn)算速度最快石墨烯晶體管，這是承接的美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的任務(wù)。美國科學(xué)家2013年5月研發(fā)出一種以石墨烯技術(shù)為基礎(chǔ)的“超級(jí)電容器”，其充電速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通電池，用其為一部iPhone手機(jī)充滿電僅需5秒鐘。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯將大幅減小金屬材料間的摩擦系數(shù)和磨損率，如石墨烯潤滑劑得到廣泛應(yīng)用，僅節(jié)能一項(xiàng)就能每年為美國減少24.6億度電能的損失。（二）歐盟統(tǒng)籌石墨烯項(xiàng)目發(fā)展石墨烯成為歐盟面向未來的重大研究計(jì)劃。2013年1月，歐盟委員會(huì)宣布將石墨烯和人腦工程兩大科技入選“未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，并分別設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，每項(xiàng)計(jì)

8、劃將在未來10年內(nèi)分別獲得10億歐元的經(jīng)費(fèi)。歐盟FP7框架計(jì)劃、歐洲研究理事會(huì)、歐洲科學(xué)基金會(huì)等都將石墨烯納入重點(diǎn)支持項(xiàng)目。參加石墨烯研究的機(jī)構(gòu)包括德國AMO有限公司、意大利大學(xué)納米電子研究組、英國劍橋大學(xué)半導(dǎo)體物理組、法國原子能機(jī)構(gòu)、意法半導(dǎo)體公司、愛爾蘭科克大學(xué)納米研究所等歐洲著名研究機(jī)構(gòu)。歐盟各國積極推進(jìn)。英國是最早發(fā)現(xiàn)石墨烯的國家，2013年3月，英國政府表示，將于2015年前，投資6100萬英鎊建立國家石墨烯研究所（NGI），意在推動(dòng)石墨烯在未來幾十年里從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。德國科學(xué)基金會(huì)開展了提高對石墨烯性能的理解和操控研究，以建立新型的石墨烯基復(fù)合材料和產(chǎn)品型前沿研究項(xiàng)目。法

9、國國家科學(xué)研究中心將石墨烯納入2103年重要研究支持項(xiàng)目，重點(diǎn)支持石墨烯制備和納米材料領(lǐng)域。研究特點(diǎn)和最新進(jìn)展。歐洲在石墨烯領(lǐng)域的研究主要聚焦石墨烯復(fù)合材料研發(fā)上，形成了國家支撐基礎(chǔ)研究、企業(yè)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程、跨國聯(lián)動(dòng)、優(yōu)勢互補(bǔ)的研究和產(chǎn)業(yè)化模式?；诜▏鳶OLEIL同步加速器X射線等實(shí)驗(yàn)的研究成果，2013年4月，法、美科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功研制出一種用于生產(chǎn)石墨烯納米帶半導(dǎo)體的方法。該技術(shù)可高效、可控地制備石墨烯半導(dǎo)體，為石墨烯規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)帶來可能，同時(shí)也使新一代高密度集成電路的制備不再遙不可及。（三）日本重點(diǎn)突破石墨烯極大規(guī)模集成電路技術(shù)政府有重點(diǎn)地支持石墨烯研發(fā)。日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)自2007年開始

10、一直對石墨烯項(xiàng)目進(jìn)行支持，到2013年，累計(jì)支持資金已超過12億日元。支持重點(diǎn)主要是開發(fā)“石墨烯硅”材料工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)先進(jìn)極大規(guī)模集成的器件技術(shù)。研究特點(diǎn)和最新進(jìn)展。日本從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化，都瞄準(zhǔn)石墨烯在未來電子元器件方面的應(yīng)用，試圖搶占石墨烯在極大規(guī)模集成電路領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。2013年1月，日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所與昭和電工開發(fā)出量產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超潔凈石墨烯片技術(shù)，為生產(chǎn)極大規(guī)模集成電路打下了基礎(chǔ)。（四）韓國欲憑石墨烯搶占信息產(chǎn)業(yè)高地政府大力支持石墨烯產(chǎn)業(yè)化。近年來，韓國政府大力支持本國機(jī)構(gòu)開展石墨烯產(chǎn)業(yè)化相關(guān)研究。20072009年間，韓國教育科學(xué)技術(shù)部等部門累計(jì)資助了90項(xiàng)石墨

11、烯產(chǎn)業(yè)化研究，經(jīng)費(fèi)達(dá)到1870萬美元。20122018年間，韓國知識(shí)經(jīng)濟(jì)部將向石墨烯產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域提供2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)研發(fā)，1.26億美元用于相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。企業(yè)重點(diǎn)突破石墨烯信息材料產(chǎn)業(yè)化。韓國信息領(lǐng)域跨國公司如三星、大宇、韓國高級(jí)科技儀器公司、韓國科技儀器公司、等都加大了在石墨烯信息材料領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化的投入。2013年3月，韓國三星公司的研究人員制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏。三、我國石墨烯發(fā)展較快（一）政府支持力度較大新材料是國家重點(diǎn)支持的創(chuàng)新領(lǐng)域，在國家重大科學(xué)研究計(jì)劃（如973、863、自然科學(xué)基金、產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金）中都安排了較大的資金

12、額度用以支持石墨烯的基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，并產(chǎn)生出了一批世界領(lǐng)先的科研成果。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)胡平安課題組在國家自然科學(xué)基金委和“973”項(xiàng)目的支持下，最終研發(fā)出了基于類石墨烯硫化鎵超薄片的新型剛性及柔性光電器件等。（二）基礎(chǔ)研究和世界基本保持同步中國科學(xué)院、天津大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等成為我國石墨烯基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的排頭兵，部分成績達(dá)到世界先進(jìn)水平。如中科院研究員劉兆平找到新的石墨烯制備技術(shù)，為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；哈工大研制出以石墨烯色變傳感器，能夠快速檢測多項(xiàng)有害物質(zhì)；中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院研發(fā)出全球首片15英寸單層石墨烯，還制備出了英寸的石墨烯觸摸屏，成為全球最接近產(chǎn)業(yè)

13、化的研究項(xiàng)目。（三）產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度較快自2012年初，石墨烯在我國成為熱點(diǎn)詞匯，各地科研院所爭相研究，企業(yè)爭相投資，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、石墨烯技術(shù)轉(zhuǎn)移服務(wù)平臺(tái)相繼成立，許多地方政府也將其產(chǎn)業(yè)化納入新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要措施，常州、無錫、雞西等城市成立石墨烯產(chǎn)業(yè)園。許多涉及到石墨產(chǎn)業(yè)的企業(yè)，如中國寶安、方大碳素、新華錦等也都宣布加入到石墨烯產(chǎn)業(yè)化行列。四、對我國石墨烯熱的冷思考（一）原始性創(chuàng)新數(shù)量大、質(zhì)量相對較低在原始創(chuàng)新專利數(shù)量上，我國和美國遙遙領(lǐng)先。截至2013年5月，全球石墨烯專利和專利申請累計(jì)達(dá)到9218件，其中中國2260件，美國1920件。但我國石墨烯專利平均被引次數(shù)很低，

14、專利保護(hù)力度和強(qiáng)度也落后于美歐日韓。（二）短時(shí)間內(nèi)石墨烯無法形成產(chǎn)業(yè)化從全球范圍看，石墨烯目前還處在研發(fā)階段，各國對于這個(gè)新興材料還處于一個(gè)專利布局期，尚還沒有出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化動(dòng)向，規(guī)模化供應(yīng)和需求均沒有形成，在5-10年內(nèi)無法形成產(chǎn)業(yè)化。從國內(nèi)市場來看，工業(yè)化制備石墨烯的技術(shù)工藝還很不成熟，對石墨烯的拓展性應(yīng)用，特別是微片石墨烯添加劑的研究還處于起步階段，從研發(fā)到應(yīng)用的時(shí)間需要810年，要達(dá)到成熟的產(chǎn)業(yè)規(guī)模需要更長時(shí)間,行業(yè)仍在實(shí)驗(yàn)室單品試產(chǎn)摸索階段。從企業(yè)看，各上市公司發(fā)布的相關(guān)石墨烯的公告中可以看出，沒有一家公司成功量產(chǎn)石墨烯,除了科研院校的實(shí)驗(yàn)使用外，企業(yè)多數(shù)是處于小試或者中試階段，并沒有形

15、成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)發(fā)展。還沒有達(dá)到一致性的品質(zhì)，而且成品面積都非常小，不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。（三）部分企業(yè)炒作石墨烯概念爭取國家政策支持近期，因?yàn)閲鴥?nèi)創(chuàng)新整體市場的疲軟，新材料板塊的個(gè)股多處于橫盤整理階段，而新材料中的石墨烯概念，憑借其獨(dú)特性，成為市場為數(shù)不多的亮點(diǎn)之一。部分企業(yè)借機(jī)炒作未來的行業(yè)產(chǎn)值有望達(dá)到數(shù)萬億元，留給了投資者較大的預(yù)期空間。在此基礎(chǔ)上，大量原來專注于石墨生產(chǎn)的企業(yè)宣稱自己開發(fā)出了石墨烯，借此得到了政府土地、資金等大力支持，而石墨烯的產(chǎn)業(yè)化問題一時(shí)不能解決。五、政策建議（一）加大對基礎(chǔ)研究的投入建議我國在國家和地方層面出臺(tái)支持石墨烯研究發(fā)展的專項(xiàng)計(jì)劃和資金，重點(diǎn)支持石墨烯制備工藝、

16、石墨烯復(fù)合材料、石墨烯納米材料等領(lǐng)域的共性和基礎(chǔ)性技術(shù)研究，支持石墨烯技術(shù)推廣和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，重點(diǎn)支持低成本石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目。（二）加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈的整體布局我國石墨礦儲(chǔ)量占世界總量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，石墨是我國少有的具有國際競爭優(yōu)勢的礦產(chǎn)之一。目前進(jìn)行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數(shù)中小企業(yè)，研究力量比較分散。要盡快實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，必須通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，建立一條完整的涵蓋石墨烯研發(fā)、規(guī)?；a(chǎn)、下游應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的技術(shù)路線和公共科技服務(wù)平臺(tái)和測試平臺(tái)，通過全行業(yè)的共同努力，共同突破關(guān)鍵的技術(shù)難題以及在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，并不斷提高技術(shù)水平和管理水平。（三）加強(qiáng)國際、國內(nèi)合作石墨烯研究的熱點(diǎn)區(qū)域在歐洲和美國。法國國家科研中心在石墨烯的研究過程中，非常重視和美國佐治亞理工學(xué)院、捷克科學(xué)院等國外科技機(jī)構(gòu)的交流與合作，荷蘭內(nèi)梅亨大學(xué)的相關(guān)研究工作很多也是與英國曼徹斯特大學(xué)共同開展的。我國的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)與國外同行開展了一系列的合作，隨著石墨烯研究的進(jìn)一步深入，在深層次物理及化學(xué)性質(zhì)的