石墨烯材料技術發展及產業化影響

通俗上講，石墨烯是單原子層的石墨，以苯環結構（六角形蜂巢結構）周期性緊密堆積的碳原子構成的二維碳材料，結構非常穩定，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構圖

  在實際應用中，將石墨烯優勢發揮出來的前提是發展大規模、低成本、結構與性能可調控的石墨烯批量化制備技術。因此，制備技術是石墨烯材料產業化進程中的核心技術。

  目前國際上已公布的石墨烯制備方法主要有機械剝離法、氧化還原法、外延生長法、化學氣相沉淀法（CVD 法）、高溫裂解法、液相剝離法和插層剝離法等。表１對以上各種方法的優缺點及其應用領域進行了對比。

表 1 常見石墨烯材料制備方法的對比

石墨烯的應用領域

石墨烯因為集多重優異性質于一身，其應用領域十分廣泛。總體而言，其應用可分為兩類（見表 2）：利用石墨烯來改變或增強基體的性質歸類為石墨烯作為輔材的產業實踐（圖 2）；利用石墨烯材料本身性質，歸類為石墨烯材料作為主材的產業實踐（圖 3、4）。

圖 2 石墨烯材料作為輔材的典型應用領域：鋰離子電池/超級電容（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域的應用：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域的應用：高頻晶體管（左上）、

太赫茲器件（右上）、激光器（下）

表 2 石墨烯材料典型應用領域

石墨烯市場應用與產業化前景

  （1） 產業化概況

石墨烯及其相關材料對市場與產業的影響主要體現在兩大領域。一是能源存儲與轉換，以及新型功能輕質復合材料領域，石墨烯及其材料將有可能集成到新型飛機、大巴、電動汽車等交通運輸系統之中；二是信息領域，石墨烯材料憑借其特殊的電學和光學性能，有望用于新型信息處理和通訊系統。目前來看，第一個領域內的石墨烯的價值正逐步顯現并開始獲得市場的認可，比其在微電子芯片等高端領域可能會走得更快。

目前，市場已經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在不斷上升。石墨烯材料已經從實驗室研究邁向工業化發展，石墨烯產業呈現出良好的發展態勢。“十三五”期間，石墨烯產業將逐步形成電動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域用石墨烯基高性能熱界面材料四大類產業，全行業產業規模有望突破千億元。

（2） 市場規模與產業化預測

Gartner 技術成熟度曲線對石墨烯這一新興產業進行了描繪，如圖 5 所示。石墨烯現階段處于圖中關注度的峰值區域，參照硅材料產業的成熟周期為 20 年來推斷，石墨烯產業化完全發展成熟還需要 5-10 年，即 2020 年后。

圖 5 石墨烯產業的 Gartner 技術成熟度曲線

中國石墨烯產業聯盟預計，到 2020 年，石墨烯產業化規模將取得突破，全球石墨烯材料市場將達 1000 億元，分布在新能源、電子信息、復合材料、節能環保、熱管理、生物醫藥等各領域。

   綜合石墨烯技術發展水平與產業現狀，以及全球各國對于石墨烯應用趨勢預測，石墨烯材料的產業化發展大致可分為如下三個階段。

未來 10 年內，石墨烯主要作為改性材料來提高傳統材料與功能器件的性能，主要應用領域包括動力電池/超級電容、防腐涂料、改性化纖、改性橡塑材料和導熱散熱材料等，其價值在于支撐傳統產業升級換代。

未來 10～20 年，石墨烯將在柔性電子產業領域將發揮關鍵作用，在柔性顯示、柔性傳感、可穿戴設備等領域催生變革性技術和新興產業，預計到 2030 年，石墨烯相關材料和技術將可以直接轉換成為消費品，走到消費者身邊。

未來 20 年之后，石墨烯作為下一代高頻晶體管核心材料的技術將走向成熟，由此在電子信息技術領域引發顛覆性技術革命。

石墨烯產業化瓶頸

石墨烯產業化瓶頸一是技術問題，制備兼具高質量、低成本、過程綠色的石墨烯材料仍存在技術挑戰；二是成本問題，石墨烯應用拓展的成本高、周期長，制約了石墨烯材料應用的快速推進；三是市場問題，石墨烯產業鏈到目前為止仍未實現貫通和整合。

石墨烯產業化發展建議

  為推動石墨烯產業的進一步發展，真正體現其應用價值，需重點突破石墨烯材料的標準化和低成本化，采取一條龍的模式將材料生產、應用開發、終端應用等環節串起來，積極推動石墨烯材料示范應用，構建應用產業鏈，加強石墨烯標準體系建設，搭建產業創新平臺。具體而言，有以下四條產業發展建議。

開展重大工程牽引推動

通過政府政策引導，圍繞我國經濟社會發展和國家安全重大需求，整合創新、產業化等資源，抓住重點，實施多項重大工程，開發一批標志性、牽引推動作用強的重點產品和代表工藝，提升自主開發設計水平和系統集成能力。在新能源汽車、海洋工程、新一代信息技術、和國防軍工等重點領域突破一批共性關鍵技術和工程化、產業化瓶頸，提高石墨烯創新、產業化能力和國際競爭力，帶動材料行業整體綜合實力發展，搶占國際競爭制高點。例如實施石墨烯標準化工程、超級計算機工程、可穿戴智能設備工程、儲能工程、高效新能源工程等。

在重點行業中進行應用示范

堅持石墨烯發展全國一盤棋和分行業指導相結合，統籌規劃，整合資源，合理布局，明確石墨烯發展大方向。鼓勵全民創新，引導創新成果轉化，扎實提高基礎科學理論水平，促進各行業深度發展，總結積累產業化經驗，加快推動石墨烯應用整體水平提升，開展重點行業的應用示范工作。例如利用石墨烯及相關材料，制作生物傳感器，化學傳感器，功能涂層和界面，高能量轉換效率電極、高容量電池、電容、儲能設備，納米流體，納米諧振器，半導體器件，射頻用無源組件，柔性電子器件和系統等。

產學研用需協同推進

產學研用多渠道協同推進石墨烯產業化進程，通過生產單位、學校、科研機構和用戶等相互配合，集中各自優勢資源，形成研究、開發、生產、應用一體化高效系統，在運行過程中發揮綜合優勢，提高產業鏈從實驗成果到實際應用的整體效率，降低轉化成本。建立石墨烯上游生產企業，包括石墨礦企、設備生產企業，和下游應用企業，包括電子、電池、生物醫藥、航空航天企業等與高校、研究院所等科研機構的產業聯盟、技術創新聯盟等。提煉共性技術，加強石墨烯公共技術服務，降低石墨烯產業化進程中的時間、資金、技術、工藝、設備、人才等成本，為聯盟單位提供一個高標準高質量的起點和合作渠道。目前，我國已成立了中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟和京津冀石墨烯產業聯盟兩家聯盟單位。

利用創新平臺集聚發展

完善國家石墨烯創新體系建設，加強頂層設計，加快建立以創新中心為核心載體、以公共服務平臺和應用產業數據中心為支撐的石墨烯創新網絡。建立以市場為主導的創新和應用方向選擇機制以及鼓勵創新的風險分擔、利益共享機制。建立石墨烯創新產業園區和基地，引進科技成果轉化孵化器和技術產業化加速器。利用地方人才、資源、資金等優勢發展產業集群，集聚新興產業，發揮產業集聚效應，加速石墨烯創新和應用突破及產業化進程。建設一批促進石墨烯協同創新和產業化的公共服務平臺，規范行業標準，開展技術研發、技術評價、技術交易、檢驗檢測、質量認證、人才培訓等專業化服務，提高科技成果轉化效率和推廣應用速度。

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