石墨烯产业化处于发展初期阶段

发布时间：2014/9/25 0:04:23

石墨烯从发现至今，产业化得到了快速的发展，尤其是石墨烯研究获得诺贝尔奖之后，产业化发展呈现加速的态势。但总的来讲，石墨烯产业化仍处在发展的初期，特别是石墨烯整个产业链未实现疏通和整合。在整个石墨烯产业链中，存在制约石墨烯产业化发展的几大瓶颈，包括石墨烯制法、转移技术、打通下游应用等诸多问题。要真正实现石墨烯的产业化，必须在这些方面取得进一步的突破。

石墨烯--*开发潜力的新材料

独特的结构

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯此前一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈？海姆和康斯坦丁？诺沃肖洛夫，用一种简单的机械剥离法成功地分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

*的性能

石墨烯是已知的世界上*坚硬的纳米材料。石墨烯是人类已知强度*高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上*好的钢铁还要高上100倍。据科学家们测算，要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么它将能承受大约两吨重的物品。

石墨烯是世界上导电性*好的材料。石墨烯电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。常温下其电子迁移率达到20万cm2/V??s，是硅的100倍，是被认为载流子迁移率*大的锑化锢（7.7万cm2/V？s）的2倍多。石墨烯的电阻率只有约10-6Ω??cm，比铜或银更低，为世上电阻率*小的材料。石墨烯可耐受1亿～2亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右。

石墨烯是世界上导热性*好的材料。石墨烯导热系数高达5300W/m??K，高于碳纳米管和金刚石，更远高于常用的散热材料铜（401W/m??K）以及*好的导热金属银（420W/m??K）。

石墨烯是世界上*薄*轻的材料。石墨烯是单碳原子层，厚度仅0.34nm，比表面积达到2630m2/g。除此之外，石墨烯还具备高透光率（几乎完全透明，只吸收2.3%的光），高性能传感，高吸附强过滤，常温可实现无散射传输等优良而独特的性能。

广阔的应用前景

石墨烯独特的结构带来了优越的性能，科研人员发现，从小到纳米级的微电子晶体管至大到万千米级的宇宙电梯石墨烯都有着巨大的应用潜力。

石墨烯在以下几个具体领域的应用发展比较清晰。

电子领域：1.柔性屏、可穿戴设备。石墨烯几乎完全透明，导电性能*，而且碳原子的连接十分柔韧，可以用于制作透明导电膜，柔性材料，应用于柔性电容触摸屏、OLED面板、柔性LCD面板等。2.作为芯片材料，替代硅。石墨烯电子迁移速度极快（室温下可达20万cm2/V？s，是硅的100倍），可以制作速度达THz级别的晶体管，因此可用来替代硅，作为新一代超级计算机的芯片材料。

能源领域：1.作为电极负极材料。石墨烯理论比容量可达780mAh/g，为常用的石墨电极的2倍多，用石墨烯作为锂电池负极材料将极大提高电池能量密度。石墨烯可使电容器电容容量将呈倍数增长，且能量密度大幅增加，因此石墨烯可用于超级电容器的制造。2.作为太阳能电池的透明导电膜。石墨烯厚度很薄，载流子迁移率很高且具备全光线透过性。是太阳能电池导电膜的理想材料。

散热材料领域：石墨烯的高导热率（导热系数5300W/m？K），是常用导热材料铜的13倍多，且远高于石墨。是手机、计算机芯片、LED照明设备的理想散热材料。

生物医学领域：由于石墨烯的可修饰化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子闸极结构等特色，可用于药物载体、细菌侦测、快速电子DNA定序科技等。

环保领域：石墨烯及其复合材料有较强的吸附性与过滤性，在海水淡化、污水处理方面有着巨大的应用价值。

产业化处在发展初期，有待进一步突破

石墨烯标准尚需进一步规范

石墨烯的层数应不超过10层。目前石墨烯的研究和应用开发正在迅猛发展，但各石墨烯研究单位和企业在石墨烯的定义、性能、制备方法、检测表征方法等行业技术核心问题上尚未形成共识，这对石墨烯产业的发展乃至上下游企业间的交流造成了不可忽视的影响。事实上，现在全世界对石墨烯也没有一个明确的定义。研究表明，从电学性质上讲，两层与三层、乃至十层的碳原子也具有各自特殊性质，目前10层以内的说法逐渐被学术界认可。

石墨烯微片的层数为10～300层。从中国石墨烯联盟标准化委员会发布的石墨烯标准来看，严格意义上只有不多于10个原子层才能称之为石墨烯。而事实上如今市场上大量的原子层数达到数十层甚至几百层的产品也与石墨烯关联，称作石墨烯微片。

层数不同、形态不同，石墨烯具体应用领域有所不同。性质上，层数越少越接近石墨烯，层数越多越向石墨靠近。就中国而言，总体来看，目前批量生产石墨烯的方式主要是两种：一种是利用化学气相沉积在金属表面生长出单层率很高，面积很大的石墨烯薄膜材料，又可细分为单晶薄膜和多晶薄膜；一种是将天然石墨通过物理或者化学的方法粉碎，形成石墨烯粉体。石墨烯的层数不同、形态不同，石墨烯具体应用领域有所不同，相应的各领域产业化进度也不相同。

石墨烯各领域产业化进度不一。石墨烯各类材料中单晶薄膜可以用于晶体管、集成电路等电子领域，这个领域的发展有待于石墨烯带隙问题的解决，产业化还较为遥远。而多晶薄膜用于替代ITO玻璃，制造触摸屏、柔性屏、显示屏和太阳能电池等的透明电极，随着石墨烯导电膜良率的提升有望在10年内实现产业化。石墨烯粉体包括石墨烯微片可广泛应用于能源、导电、导热、印刷涂料等领域，目前虽然已经有了一些相关产品，但要实现产业化生产还需进一步提升石墨烯粉体的纯度。另外，功能化的石墨烯在生物医学、环境领域等也有巨大的应用价值，但仍处在实验室阶段。

从石墨烯专利技术看石墨烯产业化阶段

一种技术的生命周期通常由萌芽（产生）、成长（发展）、成熟、瓶颈（衰退）几个阶段构成。通过分析一种技术的专利申请数量及专利申请人数量的年度变化趋势，可以分析该技术处于生命周期的何种阶段，进而可为研发、生产、投资等提供决策参考。

技术生命周期显示石墨烯相关技术进入成熟期、产业化开启。从技术生命周期主要阶段简介和石墨烯专利技术周期图来看，2008年之前石墨烯专利在申请很少，可以认为是石墨烯专利技术萌芽阶段；2009～2012年，石墨烯专利在申请数量以及申请人数量上都大幅上升，可以认为石墨烯专利技术开发进入成长阶段；从2012年到2013年的数据来看，石墨烯专利技术数量平稳增长，增速较之前大幅放缓，预计今后几年数量将会保持稳定的增长，可以认为从2013年开始石墨烯相关技术开始进入成熟阶段。技术成熟意味着产业化的开始，目前，已经有部分企业在石墨烯应用的一些领域开始了产业化开发。

石墨烯产业化处在发展初期，放量还需突破几大瓶颈

石墨烯产业化已经开启，但要真正实现产业化的规模化放量生产，还需突破石墨烯产业链中的四大瓶颈。

瓶颈一：大面积高质量石墨烯薄膜、高纯度石墨烯粉体的生产方法尚不成熟。目前，个别企业已经实现了一定数量的手机石墨烯触摸屏生产，但良率还不高。用于大型LCD、OLED的大面积透明导电膜的品质更不能保证。相对于目前采用的多晶薄膜，单晶生长制备的石墨烯薄膜质量更高，但目前单晶薄膜制法研究还处于实验室阶段，因而要实现更稳定更大面积的石墨烯制备尚需时日。石墨烯粉体产品的纯度也有待提高，超声、爆炸等粉体制备方法还需改进。

瓶颈二：在石墨烯薄膜产业链上，转移仍是一大问题。当在生长基底上生长出石墨烯后，完美的转移到pet、玻璃等产品基底还很难，导致该步的成本较高，制约了石墨烯薄膜的进一步产业化应用。

瓶颈三：石墨烯带隙问题，透明导电膜良率问题，添加、改性、催化等实际性能与理论差异问题。石墨烯的一大应用领域是替代硅，制作新一代的晶体管或集成电路，然而零带隙使得石墨烯晶体管不能实现电流开关的逻辑运算，虽然研究中已经实现了打开带隙，但真正解决预测至少还需10年的时间。石墨烯粉体由于自身纯度问题对其他材料的改性导致的导热、导电的性能提升并没有显著优势。而石墨烯与金属材料的接触点电阻过高的问题也没有解决，直接制约了石墨烯在锂电池、复合导电材料方面的产业化进程。

瓶颈四：下游蓝海未全面打开，石墨烯替代已成熟产品陷入苦战。目前除小部分石墨烯产品有一定的实际应用市场外，其他更多更大的应用领域并未打开，一些石墨烯生产厂商生产的石墨烯仅供给到科研院校、企业研究院等用于石墨烯研究。下游需求的不明确和疲软影响了石墨烯的产业化发展。石墨烯目前替代已成熟产品也比较困难。比如，石墨烯替代ITO这样的成熟产品，在良率上没有保证，成本上也处于劣势。

石墨烯制法：产业化进一步发展的关键。能否突破石墨烯的制法瓶颈对石墨烯整个产业化发展*为关键，石墨烯的制法处于石墨烯产业链的中端，是整合上下游产业链的关键。石墨烯的制法决定了石墨烯能否将自身的完美优点发挥出来，也决定了石墨烯产业化能否*终实现突破，创造一个市值达万亿级的新兴产业。

国外石墨烯产业发展情况

全球积极布局石墨烯研究和产业化

石墨烯自初次被发现就被赋予“神奇材料”、“材料之王”等美誉。由于石墨烯在能源、材料等各大领域都具有巨大的应用潜力，世界各国对石墨烯都给予了很高的关注，并积极组织财力人力进行石墨烯

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