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“新材料之王”石墨烯产业发展现状如何

来源 : 高智 2018-11-28 14:31

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"新材料之王"石墨烯(Graphene)是由碳原子以sp²杂化轨道组成的一种六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

它具有轻薄、强硬、超导热、超导电、透明的优良特性:厚度为1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯;一层碳原子结构的石墨烯强度大约是钢的200倍左右;导热性能较好的材料热导率W/(m·K),金刚石2000,铜400,而单层石墨烯理论上可以达到5300;电子在石墨烯的速度甚至可达到光速的1/300;单层石墨烯的透光率约为97.7%,吸光率仅为2.3%。

当然,不仅仅只局限于此,石墨烯还具有其他优异的应用性能,被认为是一种未来革命性材料。英国曼彻斯特大学的两名科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功从石墨中剥离出石墨烯,2010年共同获得诺贝尔物理学奖。

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石墨烯主要应用领域

因此,石墨烯被广泛应用于电子器件、功能材料、军事国防、环保、生物医药、能源等领域。目前,市场上比较成熟的产品包括电热膜、防腐涂料、导电剂、柔性屏等。本文对我国石墨烯产业发展现状做了梳理。

研发现状:石墨烯制备技术取得突破

表1 国内主要研究机构研究方向及成果

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(来源:中关村石墨烯产业联盟)

目前,我国石墨烯的研究仍然以高校和科研院所为主,包括北京大学、清华大学、中科院金属所、中科院宁波材料所等,主要研究方向为石墨烯的高效绿色制备,以及石墨烯在细分功能领域的应用拓展。

关于石墨烯的文章发表和专利申请总数量我国已经跃居世界第一,但是质量堪忧。与此相对应的工业化现状是:高产能低品质,缺少稳定的工艺和装备。

国内的石墨烯薄膜总产能已经走在世界前列。但大多是多晶薄膜,畴区尺寸和缺陷密度分布较广,等级规格各异,标号规则不一,品质参差不齐。

市场现状:底子好,发展快,潜力大

中国是世界第二大石墨资源国,已查明资源储量2.6亿吨,资源总量估计为18.7亿吨,石墨的基础储量占世界总储量的33%左右,主要分布在黑龙江、内蒙古和山东等省。

石墨烯生产企业的数量逐年增多,发展很快。目前,产业化聚集区域主要有四个:长三角、珠三角、京津冀和山东地区。据统计,我国工商注册的涉及石墨烯业务的企业已达两千多家,其中,实际从事石墨烯业务企业的仅有200多家。

中国经济信息社发布的《2016-2017年中国石墨烯发展年度报告》显示:2016年,全球石墨烯市场总体规模为755万美元,2017年,大约2000万美元。2016年我国石墨烯市场总规模突破40亿元,是2015年市场规模的十倍。已形成新能源、大健康、复合材料、节能环保、石墨烯原料、石墨烯设备六大市场。中国石墨烯产业技术创新战略联盟预测我国石墨烯市场规模将继续扩大,2017年会突破100亿元。

技术应用现状:

低端领域初具规模,高端领域有待突破

表2 国内主要生产企业应用成果

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(来源:《河南化工》)

从表2中可以看出,国内部分石墨烯生产厂商如宁波墨西、第六元素、二维碳素已经实现了石墨烯粉体和薄膜的规模化生产。据初步统计,目前我国石墨烯粉体的产能为3450吨/年,石墨烯薄膜的产能105万平米/年,但由于石墨烯的工业化产品质量有待提高,仅能应用在涂料、添加剂、触摸屏等低端领域。

单晶石墨烯薄膜制备比普通多晶态石墨烯薄膜制备困难程度提升很多,目前技术只能做到毫米级大小的单晶石墨烯,与可应用的晶圆级尺寸仍有很大的距离,高速电子器件、光电探测器等都需要大面积高质量的石墨烯单晶,所以在高端领域的应用发展相对乏力。

相关政策法规:

明确石墨烯发展路径,推动产业化应用

表3 近年来石墨烯相关政策法规

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(来源:科技部、工信部、发改委)

从政策发布时间上看,我国对石墨烯材料的密切关注及高度重视开始于2015年,陆续出台的意见规划明确了石墨烯作为战略新兴产业的发展路径,积极推动石墨烯产业化发展,细化石墨烯材料重点应用领域的技术分支。

其间,各地区根据资源禀赋,纷纷建立石墨烯研发创新基地和产业发展平台。在这种浪潮的影响下,石墨烯受到资本市场高度追捧,国内曾经一度出现了石墨烯概念过热的情况。总之,石墨烯产业整体发展形势向好。

未来前景:

或别具一格或普世大众或变革世界

在政策法规和资本市场的双重加持下,石墨烯的产业化发展有三种可能:

1.像碳纤维一样,由于其优异的力学性能可以增强复合材料,在某个领域成为不可替代的核心材料。

2.可能像塑料一样普及,产品轻、性价比高、需求量大改变人类的生活习惯。

3.像硅一样,孕育了微电子工业,使人类步入电子信息时代,给人类的生活带来巨大的变革。

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