石墨烯調(diào)研報告資料

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)家因為發(fā)現(xiàn)石墨烯而獲得諾貝 爾物理學(xué)獎后，石墨烯在我國成為熱點詞匯，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目， 似乎石墨烯時代已經(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，對到底如何正確認(rèn)識石墨烯，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)的切實建議?！娟P(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

2、結(jié)構(gòu)平面薄膜材料， 由于具有高導(dǎo)電性、高強度、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結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)能源 消費方式和軍事領(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 多個高技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。世界主要國家認(rèn)識到石墨烯的重 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 度最大的材料，石墨烯和其他金屬材料形成復(fù)合材

3、料，能夠廣泛 應(yīng)用于超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。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，也可以應(yīng)用于如超級電容器、 電磁炮等潛在的軍事領(lǐng)域。石墨烯能夠為信息領(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算機獲得更高的速度，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)未來的超級微型 計算機，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罘绞健?可折疊的顯示設(shè)備可使人們 的學(xué)習(xí)、閱讀和交友方式發(fā)生變革；超級耐候抗菌服裝將會顛覆 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

4、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)。石墨烯單層價格達(dá)到每 克 2000 元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黃金價格。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。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 。美國國防部高級研究計劃署 (DARPA) 、美國國家科學(xué)基金會 (NSF)

5、等都拿出大量資金，主要 支持大學(xué)和研究機構(gòu)展開石墨烯基電子材料和符合超強度材料性 能的基礎(chǔ)研究，支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， 加強對石墨烯基超級電容器中電化學(xué)性能的基本認(rèn)識； 調(diào)查離子液體作為石墨烯基超級電容器電解液的相容性，開發(fā)新 型超級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)化項目。 美國商業(yè)資金非?？粗厥┪?來的應(yīng)用成效，商業(yè)資金更重點關(guān)注開發(fā)下一代體積更小、運算 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

6、研究商業(yè)化資助項目資助美國納米 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 2009 年 11 月獲得 NSF 小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項目資助，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。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

7、性、導(dǎo)熱性、制備方法以及納米材料研究等領(lǐng)域有 較強的實力；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。 2013 年 4 月， IBM 展示其最新研制的體積最小、 運算速度最快石墨烯晶體管，這是承接的美國國防部高級研究計 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 手機充滿電僅需 5 秒鐘。美國阿貢國家實驗室科學(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)能一項就能每

8、年為美國減少 24.6 億度電能的損失。（二）歐盟統(tǒng)籌石墨烯項目發(fā)展 石墨烯成為歐盟面向未來的重大研究計劃。 2013 年 1 月，歐 盟委員會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)項目”，并分別設(shè)立專項研發(fā)計劃， 每項計劃將在未來 10 年內(nèi) 分別獲得 10 億歐元的經(jīng)費。歐盟 FP7 框架計劃、歐洲研究理事 會、歐洲科學(xué)基金會等都將石墨烯納入重點支持項目。參加石墨 烯研究的機構(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構(gòu)。歐盟各國積極推進(jìn)。 英國是最早發(fā)現(xiàn)石墨烯

9、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 ），意在推動石墨烯在未來幾十年里從實驗 室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場。德國科學(xué)基金會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 沿研究項目。法國國家科學(xué)研究中心將石墨烯納入 2103 年重要 研究支持項目，重點支持石墨烯制備和納米材料領(lǐng)域。研究特點和最新進(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、優(yōu)勢互補的研究和產(chǎn)業(yè)化模式?；诜▏鳶OLEIL 同步加速器 X 射線等實驗

10、的研究成果， 2013 年 4 月，法、 美科學(xué)團(tuán)隊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)?；?工業(yè)生產(chǎn)帶來可能，同時也使新一代高密度集成電路的制備不再 遙不可及。（三）日本重點突破石墨烯極大規(guī)模集成電路技術(shù) 政府有重點地支持石墨烯研發(fā)。 日本學(xué)術(shù)振興機構(gòu)自 2007 年開始一直對石墨烯項目進(jìn)行支持，到 2013 年，累計支持資金 已超過 12 億日元。支持重點主要是開發(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

11、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 國機構(gòu)開展石墨烯產(chǎn)業(yè)化相關(guān)研究。 2007 2009 年間，韓國教 育科學(xué)技術(shù)部等部門累計資助了 90 項石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究， 經(jīng)費達(dá) 到 1870 萬美元。 2012 2018 年間， 韓國知識經(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

12、關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。企業(yè)重點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 新材料是國家重點支持的創(chuàng)新領(lǐng)域，在國家重大科學(xué)研究計 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 ”項目的支持下，

13、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 7英寸的石墨烯觸摸 屏，成為全球最接近產(chǎn)業(yè)化的研究項目。（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詞匯，各地科研院所爭相研究，企業(yè)爭相投資，中國石墨烯

14、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， 專利保護(hù)力度和強度也落后于美歐日韓。（二）短時間內(nèi)石墨烯無法形成產(chǎn)業(yè)化從全球范圍看 ，石墨烯

15、目前還處在研發(fā)階段，各國對于這個 新興材料還處于一個專利布局期，尚還沒有出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化動向，規(guī) ?；?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)用的時間需要 810 年，要達(dá)到成熟的產(chǎn) 業(yè)規(guī)模需要更長時間 ,行業(yè)仍在實驗室單品試產(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 ,除了科研院校的實驗使用外，企業(yè)多數(shù)是處于小試或者中試階段，并沒有形成規(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

16、，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，因為國內(nèi)創(chuàng)新整體市場的疲軟，新材料板塊的個股多 處于橫盤整理階段，而新材料中的石墨烯概念，憑借其獨特性， 成為市場為數(shù)不多的亮點之一。部分企業(yè)借機炒作未來的行業(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支持石墨烯研究發(fā)展的專項 計劃和資金，重點支持石墨烯制備工藝、石墨烯復(fù)合材料、石墨 烯納米材料等領(lǐng)域的共

17、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)化項目，重點支持低成本石墨烯產(chǎn)業(yè)化項目和產(chǎn)業(yè)服務(wù) 平臺項目。（二）加強產(chǎn)業(yè)鏈的整體布局我國石墨礦儲量占世界總量的 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)平臺和測試 平臺，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）加強國際、國內(nèi)合作石墨烯研究的熱點區(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