文/史冬梅 何大方 張雷
（科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心；江南石墨烯研究院；鋼鐵研究總院）

        石墨烯具有導(dǎo)電性高、韌度高、強(qiáng)度高、比表面積大等突出的性質(zhì)，在半導(dǎo)體、航空航天、能源、環(huán)境等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著石墨烯制備與應(yīng)用技術(shù)的不斷完善，石墨烯對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)換代和高端制造業(yè)的發(fā)展都將產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。本文對(duì)石墨烯國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國(guó)進(jìn)一步研究重點(diǎn)與對(duì)策建議。
一、關(guān)于石墨烯材料
        1. 定義與內(nèi)涵
        石墨烯是緊密堆積成二維六方蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)單層碳原子。單層石墨烯厚度僅為0.35納米，是目前已知最輕最薄的材料，它在室溫下的電子遷移率為2×105 cm2·V-1·s-1，是光速的1/300，理論比表面積達(dá)2630 m2·g-1，全波段光吸收只有2.3%，導(dǎo)熱率高達(dá)5000W·m-1·K-1，楊氏模量超過(guò)1100GPa，抗拉強(qiáng)度超過(guò)130GPa，且韌性非常好。
        2. 主要作用與意義
        石墨烯具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、導(dǎo)電性高、韌度高、強(qiáng)度高、比表面積超大等突出的物理化學(xué)性質(zhì)，在半導(dǎo)體、光伏、能源、航空航天、國(guó)防軍工、新一代顯示器等領(lǐng)域都將帶來(lái)革命性的技術(shù)變革，一旦量產(chǎn)必將會(huì)成為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的產(chǎn)業(yè)，將會(huì)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要組成部分。發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)對(duì)帶動(dòng)制造業(yè)相關(guān)下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提升創(chuàng)新能力，加快轉(zhuǎn)型升級(jí)，搶占新一輪競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，都有著重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。
二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
        由于石墨烯的重要特性和巨大應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)等80多個(gè)國(guó)家皆將石墨烯材料的發(fā)展提高到戰(zhàn)略高度，相繼投入數(shù)十億美元用于石墨烯材料的研究和開發(fā)。歐盟委員會(huì)將石墨烯列為僅有的兩個(gè)“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一。美國(guó)將石墨烯視為支撐未來(lái)科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。各國(guó)企業(yè)也積極進(jìn)行石墨烯產(chǎn)業(yè)的布局，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有近300家公司涉足石墨烯相關(guān)的研究和開發(fā)，其中包括IBM、杜邦、洛克希德·馬丁、波音、三星、陶氏化學(xué)、索尼等科技巨頭。
        1. 石墨烯規(guī)模化制備技術(shù)
        迄今為止，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化已取得了重要進(jìn)展。國(guó)外的CVD Equipment Corporation、Graphene Nanochem PLC、Vorbrck Materials、XG Sciences等公司實(shí)現(xiàn)了石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)。雖然噸級(jí)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(guò)程污染等問(wèn)題，無(wú)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。
        石墨烯薄膜產(chǎn)品存在因生長(zhǎng)過(guò)程導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)缺陷和因轉(zhuǎn)移過(guò)程導(dǎo)致的表面污染，普遍電阻較高，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)銦錫氧化物透明導(dǎo)電膜，無(wú)法體現(xiàn)其優(yōu)異的電學(xué)性能，從而未在電子器件、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
        2. 石墨烯應(yīng)用在功能化器件
        在太陽(yáng)能電池方向，石墨烯可能是替代銦錫氧化物的理想之選。
        美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員在柔性石墨烯片上涂覆納米線，生產(chǎn)出低成本、透明以及柔韌性佳的太陽(yáng)能電池，能夠在窗戶、屋頂以及其他物體的表面使用。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)研究人員通過(guò)對(duì)石墨烯材料進(jìn)行摻雜處理，獲得的石墨烯太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)8.6%。
        在柔性顯示方向，韓國(guó)三星和成均館大學(xué)聯(lián)合研發(fā)出40英寸的石墨烯觸摸屏面板；與首爾大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出石墨烯觸摸屏幕，并將安裝到三星電子的“Galaxy智能型手機(jī)”。
        3. 石墨烯應(yīng)用在功能涂層
        石墨烯具有特殊的片層共軛結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性能，可以利用石墨烯制備出同時(shí)具有物理防腐和化學(xué)防腐性能的防腐涂層。
        美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員將改性的石墨烯加入到聚氨酯涂層中，發(fā)現(xiàn)0.5wt%的添加量就能得到導(dǎo)電聚氨酯涂層，3.0wt%的添加量可將抗拉強(qiáng)度提升10倍。韓國(guó)濟(jì)州大學(xué)研究人員將氧化石墨烯加入醇酸樹脂制備了一種新型的納米涂料，能夠抑制細(xì)菌在其表面生長(zhǎng)。
        4. 石墨烯應(yīng)用在結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料
        石墨烯具有較高的楊氏模量和本征強(qiáng)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。
        美國(guó)辛辛那提大學(xué)研究人員研究了石墨烯/聚酰亞胺復(fù)合材料的橡膠態(tài)高彈模量, 發(fā)現(xiàn)石墨烯含量為28vol%時(shí)，復(fù)合材料橡膠態(tài)高彈區(qū)的模量增加了4000倍；美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院研究人員研究了石墨烯/聚四氟乙烯復(fù)合材料的潤(rùn)滑性能，發(fā)現(xiàn)10wt%的石墨烯添加量，使得復(fù)合材料的穩(wěn)態(tài)磨損率降低了75%。
        結(jié)構(gòu)完整的石墨烯表面能較低，與其他介質(zhì)的相互作用較弱，很難與其他有機(jī)或無(wú)機(jī)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(lái)的發(fā)展方向是，通過(guò)共價(jià)鍵功能化，獲得特定表面性質(zhì)的石墨烯產(chǎn)品，解決石墨烯在復(fù)合材料中的分散和界面相容性問(wèn)題。
        5. 石墨烯應(yīng)用在導(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(qiáng)，在導(dǎo)電方面，石墨烯填料具有較大的優(yōu)勢(shì)。
        國(guó)外石墨烯導(dǎo)電油墨處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化布局。2016年6月劍橋大學(xué)的研究員成功制備了高性能的水性石墨烯導(dǎo)電油墨，可以任意通過(guò)噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、彈性印刷、刀式涂布等成膜方法印刷在電子器件上，不同厚度的電阻僅為~30/ @2m、~10/ @25m，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他導(dǎo)電油墨體系的工業(yè)生產(chǎn)成本。
        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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展方向是以獲得更高導(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。
        6. 石墨烯應(yīng)用在半導(dǎo)體信息產(chǎn)業(yè)
        石墨烯的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)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(jìn)，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。
        2008年，Meric等人首次實(shí)現(xiàn)石墨烯晶體管的運(yùn)行速度達(dá)到14.7GHz；2010年IBM的研究人員將石墨烯晶體管的截止頻率提高到100GHz；2012年石墨烯晶體管的截止頻率已達(dá)到350GHz，已遠(yuǎn)超同等條件下的硅基晶體管。
        石墨烯是零禁帶材料，以此作為溝道的晶體管很難被關(guān)斷，因此，石墨烯晶體管獲得較高的開關(guān)比率一直難以實(shí)現(xiàn)。未來(lái)的發(fā)展方向主要是研發(fā)通過(guò)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(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)高的開關(guān)比。
        7. 石墨烯應(yīng)用在能量?jī)?chǔ)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、化學(xué)穩(wěn)定性好，以及力學(xué)性能優(yōu)異，在鋰離子電池、鋰-硫電池等能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化方面應(yīng)用前景巨大。
        美國(guó)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(fù)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(huì)形成鈍化薄膜（SEI膜），消耗高達(dá)30%～50%的首次放電容量，致使首次循環(huán)庫(kù)倫效率較低。未來(lái)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(fù)極材料的容量、功率以及循環(huán)壽命。
三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平
        我國(guó)政府高度重視石墨烯發(fā)展，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和科技部聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》中明確提出支持石墨烯實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用。工信部專門印發(fā)了《加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》。習(xí)近平主席在參觀英國(guó)國(guó)家石墨烯研究院時(shí)提出：“中英兩國(guó)在石墨烯研究領(lǐng)域完全可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。
        我國(guó)石墨烯研發(fā)起步相對(duì)較晚，但2010年后發(fā)展迅速，整體接近國(guó)外先進(jìn)水平，部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了領(lǐng)先。在基礎(chǔ)科研方面，全球石墨烯研究論文超過(guò)12萬(wàn)篇，中國(guó)占有40%，排名第一；全球?qū)＠暾?qǐng)總量為49229件，中國(guó)專利申請(qǐng)量為23953件，占比48.65%，排名第一。
        在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面，各級(jí)政府也在積極加快產(chǎn)業(yè)化步伐，石墨烯薄膜和粉體已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，下游應(yīng)用正穩(wěn)步推進(jìn)。全國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)已形成江蘇常州、浙江寧波、北京等城市為首的格局。國(guó)內(nèi)江南石墨烯研究院、常州二維碳素、寧波墨西等企業(yè)成為石墨烯產(chǎn)業(yè)的開拓者。
        1. 石墨烯規(guī)?；苽浼夹g(shù)
        2014年5月，常州二維碳素科技有限公司宣布其第一條年產(chǎn)3萬(wàn)平方米石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；2014年5月28日，寧波墨希公司推出了平均厚度3納米的石墨烯微粉材料，售價(jià)僅為1元/克；2016年5月，山西煤化所完成了低成本高品質(zhì)石墨烯的噸級(jí)工程化放大，中試技術(shù)通過(guò)省科技廳鑒定，形成10噸級(jí)成套工藝技術(shù)。
        2. 石墨烯應(yīng)用在功能化器件
        香港理工大學(xué)的研究人員將鈣鈦礦石墨烯太陽(yáng)能電池電源轉(zhuǎn)換效率提高到12%，超越標(biāo)準(zhǔn)的透明太陽(yáng)能電池，它的每瓦電力成本低于0.5元，意味著生產(chǎn)成本比硅太陽(yáng)能電池成本低了50%以上；浙江大學(xué)的研究人員將石墨烯太陽(yáng)能電池的效率提高到18.5%，這是目前國(guó)際上獲得的最高轉(zhuǎn)化效率的石墨烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池。
        3. 石墨烯應(yīng)用在功能涂層
        我國(guó)在石墨烯功能涂層領(lǐng)域布局較早，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。常州第六元素材料科技股份有限公司設(shè)計(jì)的石墨烯防腐涂料耐鹽霧時(shí)間達(dá)3000小時(shí)以上，超出傳統(tǒng)防腐涂料性能5倍以上，并于去年通過(guò)了工信部的國(guó)家技術(shù)認(rèn)定；濟(jì)寧利特納米技術(shù)有限責(zé)任公司將石墨烯加入到丙烯酸鋅樹脂中，制備了防污防腐涂料，耐鹽霧時(shí)間超過(guò)1000小時(shí)，公司已完成2000噸石墨烯防腐涂料生產(chǎn)線的建設(shè)。
        4. 石墨烯應(yīng)用在結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料
        我國(guó)在石墨烯基復(fù)合材料的研究已處于國(guó)際領(lǐng)先水平，主要集中在對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度、導(dǎo)電和導(dǎo)熱方面的研究。上海交通大學(xué)的研究人員將功能化氧化石墨烯原位聚合成石墨烯/聚酰亞胺納米復(fù)合材料，在保持材料穩(wěn)定性基礎(chǔ)上將彈模量提高了86.4%。清華大學(xué)、大連應(yīng)化所、南開大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也均致力于此方面的研究。
        5. 石墨烯應(yīng)用在導(dǎo)電油墨
        我國(guó)在石墨烯導(dǎo)電油墨產(chǎn)業(yè)化方向與國(guó)際同步。山西煤化所成功制備出性能優(yōu)異的水性石墨烯導(dǎo)電油墨，電阻僅為~20/ @15m。青島瑞利特新材料科技有限公司建成了國(guó)內(nèi)首條30噸/年的石墨烯導(dǎo)電油墨生產(chǎn)線。
        6. 石墨烯應(yīng)用在半導(dǎo)體信息產(chǎn)業(yè)
        在半導(dǎo)體信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然存在一定的差距。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院成功制備出7英寸的柔性石墨烯觸摸屏。中科院微電子所制備出了具有極高振蕩頻率的石墨烯射頻器件。山東大學(xué)在2英寸SiC襯底上生長(zhǎng)出大面積石墨烯，進(jìn)一步推進(jìn)石墨烯半導(dǎo)體器件的發(fā)展。
        7. 石墨烯應(yīng)用在能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換
        我國(guó)石墨烯應(yīng)用在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域已經(jīng)成功趕超其他國(guó)家，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。2016年7月8日，東旭光電推出了世界首款石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品—“烯王”。該產(chǎn)品與普通電池相比不僅可在滿足5C條件下，實(shí)現(xiàn)15分鐘內(nèi)快速充放電，而且可在－30~80℃環(huán)境下工作，循環(huán)壽命更高達(dá)3500次左右。
四、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)與對(duì)策建議
        1. 發(fā)展重點(diǎn)
        “十三五”前期發(fā)展重點(diǎn)集中于石墨烯原材料的批次穩(wěn)定和可控制備，在能源、復(fù)合材料、環(huán)境等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化延伸，逐步形成產(chǎn)業(yè)集群；“十三五”后期發(fā)展重點(diǎn)集中于石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的延伸及對(duì)不同領(lǐng)域的引領(lǐng)作用，全面拓展石墨烯在能源、復(fù)合材料、環(huán)境領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)集群。逐漸拓展石墨烯在電子薄膜、電子器件等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并在基礎(chǔ)材料領(lǐng)域的研發(fā)取得世界領(lǐng)先地位。
        同時(shí)，石墨烯粉體具有成本低、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能優(yōu)異的特點(diǎn)，有望短期內(nèi)在能源、環(huán)境和復(fù)合材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，應(yīng)該加強(qiáng)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究。
        石墨烯薄膜具有高質(zhì)量、少缺陷和卓越的導(dǎo)電性能，在半導(dǎo)體、新一代顯示器等領(lǐng)域呈現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景，應(yīng)重點(diǎn)攻克。
        2. 對(duì)策與建議
        為了更有效地促進(jìn)我國(guó)石墨烯技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建議進(jìn)一步采取以下對(duì)策：
        首先，加強(qiáng)統(tǒng)籌。在國(guó)家層面上將石墨烯產(chǎn)業(yè)歸口在一個(gè)部門管理，組織專家進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)不同地區(qū)優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)石墨烯企業(yè)并購(gòu)重組，提高石墨烯產(chǎn)業(yè)集中度；政府部門應(yīng)完善公共研發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)化與交流等平臺(tái)，聯(lián)合企業(yè)、院所建立產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)合作和權(quán)益共享的石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究平臺(tái)，避免低水平重復(fù)建設(shè)和市場(chǎng)的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)。
        其次，在石墨烯技術(shù)與應(yīng)用方面，由于石墨烯應(yīng)用在電子領(lǐng)域還處在實(shí)驗(yàn)階段，最快可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域包括能源、環(huán)境和復(fù)合材料等領(lǐng)域。因此，建議“十三五”期間，由中央政府主導(dǎo)，結(jié)合地方政府，聯(lián)合科研院所和企業(yè)，集中力量，通過(guò)發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研各方創(chuàng)新資源和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)石墨烯在這些領(lǐng)域的重大突破。
        同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步推出產(chǎn)學(xué)研合作。目前，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)正處于商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期，政府部門應(yīng)引導(dǎo)企業(yè)攜手高校、院所，通過(guò)“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合，充分發(fā)揮高校、科研院所與企業(yè)在基礎(chǔ)研究和工程化生產(chǎn)方面的各自優(yōu)勢(shì)，協(xié)同攻克石墨烯產(chǎn)業(yè)化中的關(guān)鍵技術(shù)。

本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”（編號(hào)：ZLY2015072）研究成果之一。感謝南京工業(yè)大學(xué)暴寧鐘教授的支持。

本文特約編輯：姜念云