作為一種新型碳材料，石墨烯自發(fā)現(xiàn)之日起就受到了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。石墨烯具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性高、韌度和強度高等突出的物理化學(xué)性質(zhì)，被譽為“新材料之王”，已經(jīng)應(yīng)用在電子、儲能、復(fù)合材料、航空航天等諸多領(lǐng)域。在我國制造業(yè)由大變強的進程中，發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，對帶動相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步，提升創(chuàng)新能力，加快制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，搶占制造業(yè)新一輪競爭制高點，激活潛在消費等，都有著重要意義。

 

    石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈簡介

 

    整體的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈分為上、中、下游。上游主要是制備石墨烯的原料產(chǎn)業(yè)，中游主要是各類石墨烯產(chǎn)品，下游是石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域如半導(dǎo)體、電子器件、環(huán)保領(lǐng)域、醫(yī)藥生物及散熱領(lǐng)域等。

    截至目前，全球有數(shù)千家公司涉足石墨烯相關(guān)的研究和開發(fā)，其中包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學(xué)、通用、杜邦、施樂、三星、洛克希德·馬丁、波音、索尼、華為等科技巨頭。2017年中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布的《2017全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》顯示：預(yù)計到2020年，石墨烯全球市場價值將達到1000億元。而從全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌鲆?guī)模及往年年復(fù)合增長率來看，未來石墨烯有望達到萬億元級產(chǎn)能規(guī)模，特別是未來5~10年，隨著石墨烯應(yīng)用市場的不斷拓展，石墨烯原材料與下游應(yīng)用產(chǎn)品將持續(xù)展現(xiàn)出巨大的市場前景，在眾多領(lǐng)域產(chǎn)生令人期待的經(jīng)濟價值。

 

    石墨烯材料發(fā)展的現(xiàn)狀

 

    2009年后，全球石墨烯技術(shù)專利申請量迅速增長，其中中國是全球石墨烯技術(shù)專利申請量最大的國家，累計申請量達24942件，公開22418件，增長了59.46%（截至2015年9月專利公開量為14098件），與美國同為第一梯隊國家。韓國和日本為第二梯隊國家。德國、英國、法國和俄羅斯也有一定量的專利申請?zhí)岢觯瑸榈谌蓐爣摇Ｔ谑┘夹g(shù)專利申請方面，中國和美國處于引領(lǐng)地位。

    國際石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀

 

    目前國際上從事石墨烯產(chǎn)業(yè)研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本等，各國發(fā)展?fàn)顩r不同。

    英國：作為石墨烯的“誕生地”，英國在石墨烯的基礎(chǔ)研發(fā)方面居于全球領(lǐng)先地位，但從事商業(yè)開發(fā)的石墨烯企業(yè)較少，因此在石墨烯應(yīng)用方面并非其強項。為加快英國石墨烯產(chǎn)業(yè)的研發(fā)及應(yīng)用，英國政府也投入巨資加快石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)布局主要圍繞曼徹斯特大學(xué)進行，先后在曼徹斯特大學(xué)成立了國家石墨烯研究院及石墨烯工程創(chuàng)新中心，以加速石墨烯的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)。

    美國：美國對石墨烯的研究投入較早，石墨烯產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進程相對較快，其產(chǎn)業(yè)布局也呈現(xiàn)多元化，產(chǎn)業(yè)鏈相對比較完整，基本覆蓋了從制備及應(yīng)用研究 — 石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn) — 下游應(yīng)用整個環(huán)節(jié)。不僅擁有IBM、英特爾、波音等眾多研發(fā)實力強勁的大型企業(yè)，還誕生了眾多小型石墨烯企業(yè)。美國國防部、國家自然科學(xué)基金也投入巨資，重點在石墨烯晶體管、能量存儲、超級電容器等領(lǐng)域支持石墨烯產(chǎn)業(yè)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。

    歐盟：歐盟的石墨烯研究起步早且系統(tǒng)性強，并將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，資金支持力度大，基礎(chǔ)研究扎實。但是，由于涉足下游應(yīng)用的企業(yè)較少，產(chǎn)業(yè)化進程推進較慢。石墨烯旗艦研究項目是歐盟選定的首批技術(shù)旗艦項目之一，總投資10億歐元，該項目核心內(nèi)容是提出了13個重點研發(fā)領(lǐng)域，主要包括標(biāo)準(zhǔn)化、生物傳感器與生物界面、薄膜技術(shù)、面向能源應(yīng)用的催化劑、面向復(fù)合材料和能源應(yīng)用的功能材料、功能涂層和界面、GRM與半導(dǎo)體器件的集成、新的層狀材料與異質(zhì)結(jié)構(gòu)、面向射頻應(yīng)用的無源組件、硅光子學(xué)集成、石墨烯及相關(guān)二維晶體和雜化系統(tǒng)的原型研究、更新石墨烯及相關(guān)二維晶體和雜化系統(tǒng)的科技路線圖、開放性課題等。

    目前歐盟約有50余家公司開展石墨烯的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化以及應(yīng)用的推進，不僅包括諾基亞、巴斯夫、拜耳等工業(yè)巨頭，還有眾多小型專業(yè)化石墨烯企業(yè)。產(chǎn)業(yè)分布主要集中在德國、法國、西班牙等地。

    韓國：韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密，在基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展較為均衡，整體發(fā)展速度較快。從政府層面，韓國政府通過提供資金支持、整合研究力量等多方面加大支持力度；從研究層面，韓國成均館、韓國科學(xué)技術(shù)院等均在石墨烯研究方面擁有較強實力；從企業(yè)層面，主要以韓國三星集團和LG公司為主，其中韓國三星集團投入巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，為韓國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支撐。同時韓國十分注重保護和申請石墨烯專利，目前專利量居全球第三，僅次于美國和中國，遠高于歐洲其他國家。

    日本：日本依托其良好的碳材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，是全球最先進行石墨烯研究的國家之一，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合較為緊密，整體發(fā)展較為全面。包括日本東北大學(xué)、東京大學(xué)、名古屋大學(xué)等在內(nèi)的多所大學(xué)，以及日立、索尼、東芝等眾多企業(yè)都投入大量資金和人力從事石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)，研究重點主要集中在石墨烯薄膜、新能源電池、半導(dǎo)體、復(fù)合材料、導(dǎo)電材料等應(yīng)用領(lǐng)域。

    國內(nèi)石墨烯發(fā)展現(xiàn)狀

 

    從專利數(shù)量上來看，我國國內(nèi)石墨烯領(lǐng)域?qū)＠暾埩恐饕性陂L三角地區(qū)，其中江蘇的申請量居于首位（4102件），廣東（2537件）和北京（2333件）次之，而東北和西部地區(qū)的專利申請量較低。

    從產(chǎn)業(yè)集聚度來看，國內(nèi)目前的石墨烯公司大多分布在東部沿海一帶，尤其是長三角、珠三角、京津冀魯聚合區(qū)。其中，江蘇作為國內(nèi)較早發(fā)展石墨烯的省份，已形成“1＋1＋4”的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新格局，即以江蘇省石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟為產(chǎn)學(xué)研合作載體，以江南石墨烯研究院、江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院石墨烯材料研究所等為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地，在常州、無錫、泰州、南京四市形成石墨烯產(chǎn)業(yè)集群縱橫相連的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新布局。浙江省寧波市作為國內(nèi)最早開展石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的地區(qū)之一，已在石墨烯技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面具備了顯著的先發(fā)優(yōu)勢、深厚基礎(chǔ)和良好環(huán)境，在石墨烯微片和石墨烯薄膜的制備及應(yīng)用領(lǐng)域均有多項突破，形成全鏈條發(fā)展模式。

    2015年12月，京津冀石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京成立，旨在整合三地資源，加速推進低成本石墨烯及裝備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，形成京津冀戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高地。2016年該地區(qū)石墨烯相關(guān)企業(yè)數(shù)量超過200家，其中形成石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè)數(shù)量達到60余家。

    珠三角地區(qū)以深圳為核心，有著全國最好的石墨烯應(yīng)用市場，在能源、新材料、電子信息、可穿戴設(shè)備、電動汽車等諸多領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)集群發(fā)達。深圳市政府非常重視石墨烯產(chǎn)業(yè)，一直在積極推進石墨烯科技研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。目前已培育和引進了10余個具有國際影響力的研發(fā)團隊，建設(shè)了10余家相關(guān)科研創(chuàng)新載體，培育了20余家石墨烯相關(guān)的企業(yè)。

    山東地區(qū)的石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中在青島和濟寧兩地。經(jīng)過幾年的發(fā)展，山東省已初步形成從石墨烯原材料、設(shè)備到應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)鏈雛形。

    石墨烯材料的研發(fā)難題

 

    高質(zhì)量低成本的規(guī)模化制備難題

 

    經(jīng)過長期的自主研發(fā)，我國石墨烯生產(chǎn)技術(shù)、工藝裝備和產(chǎn)品質(zhì)量均取得重大突破，但是石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)成熟度依然較低，普遍存在不同批次石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、性質(zhì)差異性大等問題。雖然噸級以上的石墨烯粉體生產(chǎn)線已經(jīng)建成，但是普遍存在質(zhì)量低、制備過程污染等問題，無法體現(xiàn)石墨烯的各種優(yōu)異性能，嚴(yán)重阻礙了石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用。石墨烯粉體方面，目前商業(yè)化的石墨烯產(chǎn)品普遍存在尺寸和層數(shù)不均勻、單層石墨烯含量低、比表面積遠低于理論值、沒有分級等質(zhì)量不穩(wěn)定和成本高等問題；石墨烯薄膜方面，現(xiàn)有產(chǎn)品存在無法避免的因生長過程導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷和因轉(zhuǎn)移過程導(dǎo)致的表面污染，普遍電阻較高，無法應(yīng)用在本應(yīng)適合匹配其優(yōu)異電學(xué)性能的領(lǐng)域，如電子器件、半導(dǎo)體工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域。這些問題的存在既是下游應(yīng)用突破不暢、殺手锏級應(yīng)用沒有出現(xiàn)的原因，也導(dǎo)致石墨烯材料生產(chǎn)企業(yè)空有產(chǎn)能，沒有產(chǎn)量。

    石墨烯應(yīng)用中的難題

 

    石墨烯應(yīng)用中也存在一系列難題，包括涂料、復(fù)合材料、導(dǎo)電油墨等。

 

    功能涂料

 

    石墨烯獨特的片層結(jié)構(gòu)和性能使得它在功能涂層方面展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景。然而，石墨烯與水、有機溶劑以及聚合物的相容性較差，改性過程及操作條件復(fù)雜，限制了其在工業(yè)涂層中的應(yīng)用。因此，目前急需對石墨烯功能化改性方法進行創(chuàng)新，對石墨烯在涂層材料中的作用機理進行深入研究，為實現(xiàn)石墨烯復(fù)合功能涂層的大規(guī)模應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

    復(fù)合材料

 

    石墨烯具有較高的楊氏模量和本征強度，可以利用調(diào)控石墨烯的界面性質(zhì)，如親疏水性，用于提高聚合物材料的力學(xué)性能及耐磨性能等。但是目前石墨烯應(yīng)用在復(fù)合材料領(lǐng)域的最大問題是，結(jié)構(gòu)完整的石墨烯表面不含有任何基團，表面能較低、呈惰性狀態(tài)，與其他介質(zhì)的相互作用較弱。并且石墨烯片層之間存在較強的范德華力，導(dǎo)致片層極易堆疊團聚而難以分散開來，很難溶解于溶劑中，更難與其他有機或無機材料均勻地復(fù)合。因此，石墨烯應(yīng)用在復(fù)合材料領(lǐng)域未來的發(fā)展方向是針對不同復(fù)合材料基材體系對石墨烯的特定表面性能要求，通過共價鍵功能化調(diào)控石墨烯表面不同官能團獲得特定表面性質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品，解決石墨烯在復(fù)合材料中的分散性和界面相容性問題，實現(xiàn)石墨烯在基體中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效發(fā)揮石墨烯的優(yōu)異性能。

    導(dǎo)電油墨

 

    與目前普遍采用的金屬（金、銀、銅）導(dǎo)電填料相比，石墨烯導(dǎo)電填料性能更加穩(wěn)定，不易氧化，附著力較強，在導(dǎo)電方面，石墨烯填料具有較大的優(yōu)勢。國外石墨烯導(dǎo)電油墨處于實驗研發(fā)階段，正在進行產(chǎn)業(yè)化布局。目前石墨烯導(dǎo)電油墨的電性能介于銀漿和碳漿方阻值之間，只能滿足較低電導(dǎo)率領(lǐng)域。長遠發(fā)展方向是獲得更高導(dǎo)電性的石墨烯導(dǎo)電油墨，兼顧石墨烯的柔韌性，以滿足柔性屏幕、柔性印刷電路板等電子元器件的要求。

    能量儲存與轉(zhuǎn)換

 

    石墨烯因具有極大的比表面積、卓越的導(dǎo)電性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，且力學(xué)性能優(yōu)異，在鋰離子電池、鋰—硫電池等能源存儲與轉(zhuǎn)化方面應(yīng)用前景巨大。美國西北大學(xué)的研究人員利用自組裝的方法制備了FeF3/石墨烯正極材料，該材料經(jīng)100次循環(huán)仍有260mAh·g-1的比容量，是商業(yè)化正極材料的2倍。他們采用抽慮方法制備了硅/多孔石墨烯薄膜負極材料，該材料經(jīng)200次循環(huán)仍有1500mAh·g-1的容量。但是由于石墨烯的比表面積大，鋰鹽電解質(zhì)在石墨烯表面會形成鈍化薄膜（SEI膜），消耗高達30%～50%的首次放電容量，致使首次循環(huán)庫倫效率較低。此外，目前石墨烯制備技術(shù)存在產(chǎn)品單層少、尺寸小且分布不均、難以穩(wěn)定批量生產(chǎn)以及性能難以精確控制等瓶頸問題，離商業(yè)化推廣還有相當(dāng)大的距離。因此，未來的發(fā)展方向主要是構(gòu)建結(jié)構(gòu)高度有序的石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，表面均勻分布孔徑均一的納米孔，各層緊密接觸以提高正負極材料的容量、功率以及循環(huán)壽命。

    半導(dǎo)體

 

    石墨烯的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能遠超硅和其他傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，隨著集成電路制造技術(shù)的不斷改進，由硅制成的晶體管大小正接近極限（15nm甚至10nm以下），而石墨烯有望取代硅成為新一代電子元器件材料。目前石墨烯薄膜應(yīng)用在半導(dǎo)體信息產(chǎn)業(yè)最大的問題是，大面積的石墨烯薄膜是零禁帶材料，以此作為溝道的晶體管很難被關(guān)斷，石墨烯晶體管獲得較高的開關(guān)比率一直難以實現(xiàn)。

    未來，石墨烯的破題方向主要是研發(fā)通過摻雜取代晶格結(jié)構(gòu)中的碳原子、構(gòu)建多維納米結(jié)構(gòu)或形成異質(zhì)結(jié)等方法，克服零禁帶問題，以實現(xiàn)高的開關(guān)比。

    石墨烯在下游市場的應(yīng)用主要包括新能源、大健康、電子信息、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、化工、航空航天等七大應(yīng)用領(lǐng)域。

    新能源

 

    碳材料是最早被商業(yè)化的鋰離子電池負極材料，如今已得到廣泛的應(yīng)用，如石墨化碳材料、炭微球材料等。石墨烯作為碳材料的一員，以其特有的結(jié)構(gòu)、較高的比表面積、特異的電子傳導(dǎo)方式而受到研究者的關(guān)注。將石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池可以解決傳統(tǒng)鋰電池能量密度和功率密度難以兼得的問題，可以作為石墨烯復(fù)合正負極材料、鋰電池正負極材料的導(dǎo)電添加劑，全方位提升鋰離子電池的性能。同時，石墨烯二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu)以及其優(yōu)異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導(dǎo)電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。

    大健康

 

    由于石墨烯具有質(zhì)量輕、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高強度等優(yōu)點，在導(dǎo)熱材料方面有巨大的發(fā)展空間。以石墨烯電加熱不僅加熱速度快，電熱輻射轉(zhuǎn)換效率高，而且石墨烯加熱膜是整個面加熱，溫度均勻分布。最重要的是，會產(chǎn)生遠紅外輻射，具有良好的醫(yī)療、理療作用。石墨烯在大健康領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在智能穿戴、智能家居及理療護具等產(chǎn)品，石墨烯發(fā)熱技術(shù)帶來了健康環(huán)保、安全智能、無塵靜音等優(yōu)勢。

    從目前石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域來看，大健康領(lǐng)域是石墨烯產(chǎn)業(yè)化最早的領(lǐng)域之一，2017年石墨烯在大健康領(lǐng)域的市場規(guī)模達到5億元，一些企業(yè)已經(jīng)推出了石墨烯護頸、護腰、發(fā)熱服、眼罩等產(chǎn)品，并在市場上銷售。2018年在平昌冬奧會上，72名演員身穿烯旺科技開發(fā)的石墨烯智能發(fā)熱服飾精彩亮相。在保證服飾輕薄與舒適的條件下，該服飾能在-20℃的低溫條件下加熱到50℃，并持續(xù)4小時。

    電子信息

 

    隨著電子工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的電子電器正在朝著體積小、能量密度高的方向發(fā)展，并且這種發(fā)展趨勢越來越猛烈。隨著電子產(chǎn)品的工作頻率急劇增加，由電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量也會迅速積累和增加，如果不能及時地將熱量傳導(dǎo)出去，也會使電子元件的工作溫度急劇升高。這不僅影響設(shè)備的正常工作效率，而且也會使其使用壽命大大縮短，因此迫切需要開發(fā)高導(dǎo)熱性能的界面導(dǎo)熱材料。單層石墨烯的導(dǎo)熱率可高達5300W/mK，當(dāng)層數(shù)增加到2 - 4層，熱導(dǎo)率降低到2800W/mK-1300 W/mK，但依舊遠高于銅（Cu）的熱導(dǎo)率（398 W/mK），是導(dǎo)熱性能最好的材料。因此，石墨烯可作為理想的電子元器件導(dǎo)熱材料。

    同時，石墨烯天線將成為（繼銀漿天線之后的）印刷電子技術(shù)工藝在RFID（射頻識別技術(shù)）應(yīng)用上的又一代表性作品，現(xiàn)階段鋁蝕刻天線制程包括了金屬貼合、光阻印刷、金屬蝕刻等制程，其流程繁雜、成本偏高且不環(huán)保。在印刷天線油墨方面，依成分包括了銀漿、鋁漿、銅漿與碳漿，其中以金屬漿料印刷所得天線效果最好。然而目前鋁、銅金屬漿需高溫脫氧燒結(jié)才能展現(xiàn)導(dǎo)電性，使得天線底材漿受限制，而傳統(tǒng)碳漿導(dǎo)電性未達天線應(yīng)用的電阻要求。且銀漿天線的制程繁瑣、價格昂貴，其導(dǎo)電性能會因彎折而降低，使得目前在市場上利用印刷方式來制作RFID天線方式仍無法大規(guī)模生產(chǎn)并取代目前的鋁蝕刻天線。而采用石墨烯導(dǎo)電漿料制作天線，其制程環(huán)保簡單且無污染，價格便宜且質(zhì)量輕，適合各種無線天線的印制，在市場上無論從性能還是價格方面來說，都具備十足的競爭力。

    2 節(jié)能環(huán)保

 

    石墨烯是最堅硬的材料之一，且具有巨大的比表面積和極佳的導(dǎo)電性等眾多優(yōu)異性能，使其在環(huán)保領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景及巨大的潛在市場價值。石墨烯在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域主要應(yīng)用在海水淡化、污水處理、大氣治理、電能替代、LED散熱等方向。

    在國家對煤改電政策的大力推廣下，石墨烯電熱膜產(chǎn)業(yè)也初具規(guī)模，常州二維碳素開發(fā)了一款石墨烯高溫阻燃型電加熱膜，能廣泛應(yīng)用于家用取暖、中醫(yī)理療、醫(yī)療加熱、溫度管理等領(lǐng)域，該產(chǎn)品將耐高溫性能提升到180℃，電熱轉(zhuǎn)化率99%以上，使用壽命提升至30000小時以上，同時具有發(fā)熱均勻度高、10秒速熱等特點，有效解決了現(xiàn)有電加熱產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率低、性能衰退、局部高溫等行業(yè)瓶頸問題。

    生物醫(yī)藥

 

    石墨烯原材料價格低廉、容易得到，制備方法簡單，被認(rèn)為是極具應(yīng)用價值的新型材料。石墨烯與多糖等物質(zhì)合成的復(fù)合材料，與細胞高度相容，可用作細胞生長支架；石墨烯衍生物表面含有大量的含氧基團，比表面積大，能促進干細胞的黏附、增殖和分化等，通過進一步結(jié)構(gòu)化功能修飾，可用于骨組織工程領(lǐng)域；基于石墨烯材料的生物傳感器可用于測定血清樣品中的葡萄糖含量、細菌分析、DNA和蛋白質(zhì)檢測等；經(jīng)過功能化的石墨烯還可作為載體，將藥物運送至靶細胞，提高治療效果和效率；石墨烯較碳納米管具有更大表面積、更小毒性、更低價格，并且其光熱治療作用更優(yōu)，石墨烯或?qū)⒊蔀榘┌Y光熱治療的替代材料。

    化工

 

    石墨烯在化工領(lǐng)域的潛在應(yīng)用主要集中在橡膠、塑料、防腐涂料以及潤滑油、潤滑脂等領(lǐng)域。如涂料方面，石墨烯具有二維層狀結(jié)構(gòu)和大的比表面積以及對水、氧和氯離子等的阻隔特性，在防腐涂料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯防腐涂料具有以下優(yōu)點：石墨烯重防腐涂料能夠在化工重污染氣體、復(fù)雜海洋環(huán)境等苛刻條件下，實現(xiàn)更長的防腐壽命；石墨烯的加入大大降低了鋅粉的用量，在鋅粉含量減小70%的前提下，耐鹽霧性能仍是環(huán)氧富鋅涂料的4倍以上，滿足了涂裝材料輕量化的發(fā)展需求；石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性實現(xiàn)了重防腐涂料的功能化。

    此外，石墨烯作為新興的材料，在潤滑油/脂中的應(yīng)用方興未艾，此前的超細石墨粉（或二硫化鉬粉、聚四氟乙烯粉等）作為填料常出現(xiàn)在潤滑脂中，用于改善潤滑脂的潤滑性能，而石墨烯作為新材料想要在傳統(tǒng)的潤滑劑中起到特殊功效，在潤滑和防銹兩個方面將有所突破。研究發(fā)現(xiàn)納米材料具有易燒結(jié)、熔點低等特性，因此以其為基礎(chǔ)制取的新型極壓抗磨劑作用機理并不是傳統(tǒng)的在兩摩擦副表面形成一層低剪切強度的物理化學(xué)膜，使摩擦磨損發(fā)生在生成的保護膜之間，而是將單一的滑動摩擦改變?yōu)榛瑒优c滾動的復(fù)合摩擦，通過改變摩擦方式達到減小摩擦的目的。

    航空航天

 

    隨著航天航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對復(fù)合材料的性能提出了更高的要求，因此需要研發(fā)更高性能的新型復(fù)合材料，由于石墨烯具有高強度、高導(dǎo)熱、抗電磁干擾等性能，可用于航空航天材料中，提升航天航空材料性能，有潛力改變我國航空航天材料主要依賴于進口的局面。目前石墨烯在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括大型微波暗室用吸波材料、飛行器與武器平臺隱身、輕質(zhì)復(fù)合材料、抗雷達干擾線纜、航空航天熱管理系統(tǒng)、飛機輪胎、雷達電磁屏蔽等領(lǐng)域。

    產(chǎn)業(yè)支撐作用顯現(xiàn)

 

    中國石墨烯產(chǎn)業(yè)主要集中在提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面，目前石墨烯對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級的帶動作用日益顯著，尤其是在涂料、輕量化材料、橡膠輪胎、LED散熱材料等方向的應(yīng)用有突破性進展，石墨烯以“工業(yè)味精”的形式添加到各種傳統(tǒng)材料以提升傳統(tǒng)材料的性能。青島瑞利特新材料科技有限公司研制的抗甲醛和殺菌智能內(nèi)墻涂料已經(jīng)投入市場。該智能內(nèi)墻涂料采用具有甲醛分解性能的石墨烯納米復(fù)合材料，結(jié)合光催化的原理，通過吸收可見光光能達到分解空氣中游離甲醛的目的，并且具有抗菌效果。東旭光電發(fā)布石墨烯散熱大功率LED模組，相比傳統(tǒng)LED燈具，它的節(jié)能效率提升20%，散熱器體積減少3/4，重量減少2/3。

    石墨烯在新興產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用主要是在新能源、電子信息、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，充分發(fā)揮石墨烯高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、高強度等優(yōu)異性能，“烯”的作用越來越顯著，2017年石墨烯在新能源和電子信息領(lǐng)域的市場規(guī)模分別為40億和1億元。南京百杰騰物聯(lián)科技有限公司利用石墨烯體系導(dǎo)電油墨的特性，做出防偽、防撕、無法重復(fù)使用的RFID標(biāo)簽，在文件安全、食品安全、各種防偽管理應(yīng)用上開創(chuàng)了有別于金屬刻蝕標(biāo)簽的新應(yīng)用，為物聯(lián)網(wǎng)等各種應(yīng)用場景所需天線提供了整體系統(tǒng)方案。超威電源將石墨烯鉛基合金首次應(yīng)用于鉛酸蓄電池的正極板柵，成功生產(chǎn)出新型耐高低溫高能量黑金石墨烯電池，使用壽命提高了90%以上，截至2017年底該電池累計銷售量突破2000萬只，銷售額達30億元。

    區(qū)域集聚初步成形

 

    得益于政策的支持和石墨烯極為廣闊的應(yīng)用范圍與前景。中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出多點開花，集聚初現(xiàn)的特點。東部沿海地區(qū)起步早，政策支持力度大，產(chǎn)業(yè)化進程領(lǐng)先其他地區(qū)，據(jù)CGIA Research統(tǒng)計，東部沿海地區(qū)集中了70%以上的企業(yè)，集聚效應(yīng)初步顯現(xiàn)。隨著石墨烯上下游產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成形，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范逐步完善，現(xiàn)在初步形成三個集聚區(qū)，包括長三角石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，珠三角石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)和山東石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

    石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展整體呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢將更偏向石墨烯綠色、高質(zhì)量、規(guī)?；苽?，多級次多功能組裝集成，未來產(chǎn)業(yè)資源將進一步整合，應(yīng)用在新能源、生物醫(yī)藥、電子信息、航空航天等領(lǐng)域繼續(xù)深化。

    附：國內(nèi)外石墨烯的研發(fā)和生產(chǎn)近況

 

    在國家和地方政府的引導(dǎo)和支持下，我國的GP研發(fā)、生產(chǎn)和國際合作等成現(xiàn)了百花齊放的局面。

    福建出臺全國首部省級GP專項規(guī)劃——《福建省石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2017—2025年）》。該規(guī)劃提出，到2020年建成較完善的GP材料研發(fā)、制備、應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系，到2025年福建省GP及其相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)值突破500億元。

    值得驕傲的是，鴻納（東莞）新材料科技有限公司投產(chǎn)了2條萬噸級各為水性和油性的GP漿料生產(chǎn)線，每年可產(chǎn)3 000t的GP粉體，平均為1～2層，這是全球最大生產(chǎn)線，標(biāo)志著我國GP產(chǎn)業(yè)已開始進入騰飛期。產(chǎn)品主要應(yīng)用于防腐、功能涂料、復(fù)合材料和鋰離子電池（LIB）部件等。

    寧波墨西科技有限公司建成了500t/a的GP生產(chǎn)線，并正式投產(chǎn)，產(chǎn)品通過了專家的驗收。

    德陽烯碳科技有限公司是2014年才成立的GP研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，注冊資本1.6億元，現(xiàn)已獲9項專利，正申請31項，目前擁有30t/a的GP生產(chǎn)線，其產(chǎn)品有高阻隔GP及其在防腐涂料、散熱涂料等重點產(chǎn)品等。

    恒力盛泰（廈門）石墨烯科技有限公司成立后致力于GP發(fā)展，計劃于2017年建成300t/a的單層GP（SLGP）產(chǎn)品。

    天津大學(xué)通過熱水剝離法研制出氟化GP新產(chǎn)品，可用于LIB正極材料，比能量比采用氟化碳高近30%。

    宜興環(huán)?？萍脊I(yè)園與俄羅斯科學(xué)院、莫斯科國立大學(xué)一起，在南京工業(yè)大學(xué)2011協(xié)同創(chuàng)新中心宜興GP新材料產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，合作共建聯(lián)合應(yīng)用中心。

    東旭光電與西班牙加泰羅尼亞納米科學(xué)和納米技術(shù)研究所于2016年簽署了《戰(zhàn)略框架合作協(xié)議》，將共同研發(fā)包括GP和CNT在內(nèi)的新型納米材料。

    在GP的專利申請方面，2015年我國的石墨烯專利申請數(shù)已達2 200余項，占世界的1/3，而今這一比例已上升至46%。這預(yù)示了我國的科技創(chuàng)新步伐在加快，今后有望引領(lǐng)世界GP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前我國GP標(biāo)準(zhǔn)制定工作已正式起動，這將有利于GP產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

    我國臺灣成功大學(xué)的研發(fā)人員找到了GP性能的可控途徑，是通過改變電化學(xué)鱗片剝離過程的工藝參數(shù)達成的，可根據(jù)需要生產(chǎn)單層至數(shù)百納米疊層的GP，其尺寸可以從12nm至幾十微米可任意控制，這是重要的研發(fā)成果。

    國外方面，歐洲有“石墨烯旗艦計劃”，啟動歐洲最大的開創(chuàng)性研究，投入1 000億歐元，共有142合伙人參與，旨在通過實驗室研究、設(shè)計把石墨烯最大限度推向全球巿場。西班牙光子科學(xué)研究院（ICFO）研究了GP在光電子設(shè)備的應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)包括光傳感器和圖像系統(tǒng)，由紅外線操作，以及光數(shù)據(jù)傳輸，可比原產(chǎn)品實現(xiàn)輕量化和更精準(zhǔn)，并進而制備可穿戴的電子產(chǎn)品。比利時布路塞爾Virje大學(xué)（VUB）通過在光子設(shè)備中注入GP，即在硅片波導(dǎo)上置入GP圖案，就可提高硅的性能和光轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)用于調(diào)光器和光探測器中。

    石墨烯產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用挑戰(zhàn)

 

    雖然石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了令人驚嘆的成果，但是，從石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段來看，仍處于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化“前夜”，整體上還存在著亟待解決的一些問題：

    關(guān)鍵技術(shù)有待突破

 

    經(jīng)過多年的自主研發(fā)，石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)、工藝裝備和產(chǎn)品質(zhì)量均取得重大突破，但是石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)成熟度依然較低，普遍存在不同批次石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、性質(zhì)差異性大的問題。

    石墨烯粉體方面，目前商業(yè)化的石墨烯產(chǎn)品普遍存在尺寸和層數(shù)不均勻、單層石墨烯含量低、比表面積遠低于理論值、沒有分級、成本高等問題，無法真正體現(xiàn)石墨烯的各種優(yōu)異性能；結(jié)構(gòu)完整的石墨烯表面不含有任何基團，與其他介質(zhì)的相互作用較弱，很難分散于溶劑中，更難與其他有機或無機材料均勻地復(fù)合。

    石墨烯薄膜方面，現(xiàn)有產(chǎn)品存在無法避免的因生長過程導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷和因轉(zhuǎn)移過程導(dǎo)致的表面污染，普遍電阻較高，無法應(yīng)用在本應(yīng)適合匹配其優(yōu)異電學(xué)性能的領(lǐng)域。

    從前瞻技術(shù)來看，我國的石墨烯技術(shù)專利多數(shù)為本土專利申請，國外專利技術(shù)布局相對薄弱，極少數(shù)能被國外專利引用，專利質(zhì)量總體不高，缺乏基礎(chǔ)核心專利。

    在電子信息、生物醫(yī)藥、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域方面，基本上已經(jīng)被美、歐、韓、日所壟斷。特別是我國石墨烯企業(yè)基本上以小微企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)為主，資金投入?yún)T乏、研發(fā)實力薄弱、市場開拓能力不強，在破解石墨烯技術(shù)瓶頸、推進石墨烯材料應(yīng)用、擴大石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面捉襟見肘。如果沒有良好的技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)和成果轉(zhuǎn)移擴散機制，必將導(dǎo)致長期發(fā)展乏力。

    應(yīng)用市場有待拓展

 

    石墨烯從發(fā)現(xiàn)至今僅有10多年時間，是一種比較“年輕”的材料。從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，石墨烯主要是實現(xiàn)了初步應(yīng)用，大多數(shù)產(chǎn)品屬于利用石墨烯與原有材料相結(jié)合提升產(chǎn)品性能，技術(shù)門檻相對來說比較低，同質(zhì)化情況比較嚴(yán)重。石墨烯下游應(yīng)用產(chǎn)品雖然已經(jīng)初步產(chǎn)業(yè)化，但是真正意義上的“殺手級”應(yīng)用仍未誕生。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的專利雖然眾多，但是超過四分之三的專利來自于學(xué)術(shù)機構(gòu)，企業(yè)在石墨烯研發(fā)方面的參與度還有待進一步提高，高價值專利不多，技術(shù)與市場之間的供需還不匹配，技術(shù)研發(fā)、轉(zhuǎn)移擴散和首次商業(yè)化鏈條還有待打通。

    標(biāo)準(zhǔn)體系有待建設(shè)

 

    石墨烯標(biāo)準(zhǔn)體系方面，目前石墨烯及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)日益成為資本市場中炙手可熱的概念，但是缺少石墨烯材料分類、術(shù)語、檢測方法等國家標(biāo)準(zhǔn)，以及石墨烯產(chǎn)品的團體標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，致使市場上石墨烯相關(guān)產(chǎn)品魚目混珠，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。很多企業(yè)根本不具備石墨烯規(guī)模化的生產(chǎn)能力，借助石墨烯概念過度炒作，嚴(yán)重影響了石墨烯產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，因此我國亟待建立石墨烯標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)范石墨烯行業(yè)發(fā)展。

    未來，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)重點關(guān)注以下幾個方面：

    一是大力加強石墨烯創(chuàng)新能力和創(chuàng)新體系建設(shè)，重點培養(yǎng)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新人才，借助各地石墨烯創(chuàng)新中心及石墨烯研究院的平臺，進行頂層設(shè)計和攻克共性關(guān)鍵技術(shù)，將面向應(yīng)用的石墨烯材料穩(wěn)定制備、分散技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)列入重大攻關(guān)項目，支持石墨烯上下游企業(yè)、科研單位等聯(lián)合攻關(guān)，根據(jù)本地石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點和優(yōu)勢，選擇重點應(yīng)用突破，尤其在芯片、微電子等高端應(yīng)用領(lǐng)域。

    二是積極推動下游應(yīng)用技術(shù)突破，根據(jù)石墨烯材料的應(yīng)用難度、下游可承受能力、潛在應(yīng)用規(guī)模、本地優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)等因素，選擇一批產(chǎn)業(yè)化前景好、技術(shù)較為成熟、量大面廣的石墨烯產(chǎn)品開展下游應(yīng)用對接，形成應(yīng)用示范。

    三是聯(lián)合優(yōu)勢企業(yè)、科研院所等，根據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及下游應(yīng)用情況，選擇一批較為成熟的石墨烯及其應(yīng)用產(chǎn)品，從產(chǎn)品定義、性能、石墨烯存在形式及用量等多方面制定一批國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，完善石墨烯標(biāo)準(zhǔn)體系。研究制定石墨烯行業(yè)規(guī)范，從產(chǎn)業(yè)布局、生產(chǎn)工藝與裝備、清潔生產(chǎn)、質(zhì)量管理等方面對石墨烯行業(yè)提出準(zhǔn)入門檻，防止低水平重復(fù)建設(shè)，加強環(huán)境保護。

    四是設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，采用政策性支持與社會資本共同參與的模式，支持關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

 

 

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