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石墨烯材料新时代兴起 抓住石墨烯发展的重大机遇
作者:匿名    来源: 来源网络    点击数:13    更新时间:2015-10-09 12:14:26    

 

在当今的中国与世界,关于石墨烯可能引发的材料革命乃至新技术革命讨论非常热烈。最近,我到北京、上海、广州、深圳、江苏、浙江、黑龙江、山东、陕 西和中科院、清华大学等地方和研究机构对石墨烯进行了调研。石墨烯具有非常大的发展潜力和应用前景,我们必须统筹规划,精心布局,紧紧抓住石墨烯研发和产 业化所带来的重大发展机遇,努力掌握未来科技竞争的制高点。

正在兴起的石墨烯材料新时代

石墨烯的发现虽然仅10年左右,却引发了席卷全球的一波又一波的研究开发浪潮。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的二维晶体,具有神奇的电子传输、 导电、导热和机械等特征。2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,在实验室成功地从石墨中剥离出了石墨烯,证明了石墨烯 可以单独存在,因此荣获2010年诺贝尔物理学奖,从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球研究热潮。将石墨烯用于超级电容器、透明电极、锂离子电池、传 感器、功能涂料和聚合物纳米复合材料等方面的应用前景,开辟了石墨烯材料的新时代。

正如有学者所言,19世纪是铁器的时代,20世纪是硅的时代,21世纪是碳的时代。碳是自然界分布最普遍的元素之一,是构成地球上一切生命体最重要 的元素。碳材料的特性几乎涵盖地球上所有物质的性质。先进碳材料具有新型结构和优异的物理化学性能,是对未来发展具有重大和决定意义的新材料。

新材料产业作为战略性新兴产业的重点之一,也是未来高新技术产业发展的基石和先导,是我国成为世界制造业强国的重要基础。石墨烯作为先进碳材料,它 是当今发现的世界上最优质的材料。它有以下特点:最薄,0.35nm,被称为现今世界最薄的材料;比表面积最大,2620m2/g;最硬,刚度优于金刚 石,是人类已知强度最高的物质,比钢铁硬100倍;最抗拉,可弹性拉伸20%;热导率最高,5300W/m.k;最高迁移率200,000cm2 /v.s@300k;高透光性,透光率为97.7%/单层;高载流能力:电流密度比铜高6个数量级;最奇特的是,石墨烯是二维量子材料,线性能带色散关 系,载流子有效质量为零,能在温室下观察到量子霍尔效应;还具有室温弹道输运特性。

石墨烯具有超薄、超轻、超高强度、超强导电性、优异的室温导热和透光性,几乎完全透明,结构稳定,应用非常广泛,发展前景巨大,是推动战略高技术发展的关键材料。

石墨烯具有无限广阔的应用前景,虽然现在还是潜在阶段,普遍应用与产业化还没有打开局面,但是从科学预测的角度来看,已经成为不可忽视的重点领域。 比如,它可替代和解决传统锂电池充电速度慢、蓄电能力差、寿命短、污染等弊端,可解决电动汽车发展的关键难题,使新能源电动汽车蓬勃发展。再比如可以替代 硅,制造未来新一代超级计算机;替代ITO透明导电薄膜,应用于触摸屏、柔性显示、太阳能电池等电子工业领域;还可应用于海水淡化、可降解塑料、散热膜、 防腐涂层、生物材料、复合材料、平板电脑、手表日历、移动电话、光电探测器、石墨烯纸、石墨烯布以及航天军工、超轻防弹衣、超薄超轻飞机、超薄折叠手机、 甚至有想象力的天空电梯等。石墨烯创造的需求,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。从全球发展趋势来看,谁都不愿意丧失石墨烯发展带来的 重大机遇。

石墨烯是未来高技术产业竞争的战略制高点

近年来,特别是2007年后,无论是石墨烯研究、论文发表以及研发与产业化,在中国和世界都进入了快速增长期。论文和专利年增幅都超过70%,特别 是2009年—2012年,国际专利申请量增幅100%以上,迄今为止全球发表论文已超过3.4万篇,仅2013年就超过1万篇。全球专利申请超过 4000件。值得一提的是,近几年我国在石墨烯领域发表的论文和专利申请,都居世界第一。截止到2012年底,我国共发表国际论文6308篇,美国排第二 位,发表5709篇。我国论文引频次数共90403次,而美国论文被引频次数达132991次。我国申请专利1471件,美国申请专利1130件。说明我 国在石墨烯领域的科技基础积累、研发以及高技术发展方面已具有一定的实力。

石墨烯是世界高技术发展的战略制高点,引起世界各国的高度关注,尤其是在研发方面竞争激烈。2008年—2010年,欧盟发布了石墨烯基纳米电子器 件项目,并于2013年宣布将石墨烯列入“未来新兴旗舰技术项目”,将在今后10年研发资助10亿欧元,将石墨烯发展提升至战略高度。英国政府也重视石墨 烯研究,在曼彻斯特大学建立国家石墨烯研究所,推进石墨烯材料的商业化进程。2011年,英国政府在《促进增长的创新与发展战略》中把石墨烯作为国家今后 四个重点发展方向之一。投入5000万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究。同年,英国自然科学研究院委员会、英国技术战略委员会投入约1000万英镑, 建立一个以新兴技术探索和市场开发为核心的创新中心,致力于石墨烯技术的探索、开发及应用。2012年底,英国政府又追加2150万英镑资助石墨烯的商业 化探索研究。韩国政府投入研发费用14亿美元,把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一。2007年—2009年,韩国教育科学部门累计资助了90个相关 项目,经费1870万美元。2012年—2018年,韩国原知识经济部预计将向石墨烯提供2.5亿美元的资助,1.24亿美元用于技术研发,其余用作商业 化研究。2013年,韩国产业通商资源部宣布在未来6年内,投入4230万美元,帮助企业实现石墨烯的应用产品和相关技术商业化。2006年—2011 年,美国国家自然科学基金(NSF)关于石墨烯的资助项目有200项,包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目。2008年,美国国 防部高级研究计划署(DARPA)投资2200万美元研发超高速和低耗能的石墨烯晶体管。同时,至少有10多家公司在研发与产业化方面取得了新的拓展。日 本学术振兴机构(JST)从2007年起开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助。德国于2009年由科学基金会(DFG)开展石墨烯新兴前沿研究项目。

各国政府纷纷重视和关注石墨烯的同时,企业也敏锐地抓住时机,表现出对石墨烯的极大兴趣,投入到石墨烯研发和产业化的竞争中。美国在纳米电子器件、 高频电子器件方面研发力度大,已研发出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,大大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,可广泛用于石墨烯夜视镜、相机 等小型数码设备。加州大学伯克利分校研制出石墨调制器,可实现超快数据通讯。美国沃贝克材料公司推出导电油墨,性能好,价格低,并得到美国环保署批准。美 国辉锐科技公司研发并制造出大面积柔性触控屏。IBM、三星公司重点研发在高速晶体管上的应用。三星、诺基亚重点研发石墨烯在柔性显示方面的应用。美国卡 博特公司、韩国浦项公司在石墨烯电容器、电池方面取得重要进展。韩国三星不久前宣称将石墨烯成功应用于触摸平板显示器,制造出多层石墨烯等材料组成的透明 可弯曲显示屏,可广泛应用于移动设备。索尼公司成功合成大面积长120米、宽230米石墨烯薄膜。IBM、巴斯夫和索尼等均投入巨额资金,化工医药巨头拜 耳、飞机发动机巨头英国罗罗公司也加强了对石墨烯的研发,力图迅速占领石墨烯产业的制高点。

我国石墨烯研发和产业化的现状及政策建议

我国石墨烯领域研发起步较晚,但发展较快,有潜在优势和后发优势。2013年7月13日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。同时,江苏、浙江、 深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新,纷纷建立了产业技术联盟,促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。 2013年中科院重庆研究院研制出15英寸的单层石墨烯。2013年2月,无锡格菲电子薄膜科技公司研发出石墨烯电容式融屏手机。常州第六元素公司年产 100吨粉体,宁波墨西科技公司年产300吨石墨烯粉体。2013年5月,常州二维碳素科技公司、无锡格菲电子薄膜科技公司、深圳合力光电传感公司联合江 南石墨烯研究院在常州投产3万平方米石墨烯薄膜生产线。常州二维碳素科技公司研究出手机电容式触摸屏,盐城纳新天地科技有限公司2013年在盐城建设石墨 烯产业集群,率先研究成功单层石墨烯改性材料,并与南车集团合作用于高铁。深圳贝特瑞新能源材料股份有限公司、无锡和青岛产业基地、中科院纳米中心、中科 院微系统所、清华大学、华东理工大学、北京化工大学等都在石墨烯研发与产业化上做了大量的攻关,力求取得突破性的进展。

2010年,江苏常州市委市政府决定投资5000万,成立江南石墨烯科技产业园,引进8个研发团队,其中5个为海归研发团队,建了11个专业研究室 和分析测试中心,培养了7家企业,市值达到20亿元。2011年开始连续3年举办石墨烯发展高层论坛,努力建设产学研金一体化的石墨烯研究中心和新型创新 产业集群,力争成为国际化的石墨烯产业发展先导区。

纵观中国与世界,石墨烯产业化与材料革命正处于突破的前夜。虽然目前石墨烯的应用还没有大规模投入市场,也有风险和不确定性,但未来的发展潜力和威 力巨大。中国绝不可以丧失这次发展机遇,同时也要防止走弯路,浪费资源、人力和物力。我们要审时度势,制定科学正确理性的发展政策与措施。

一是抓住机遇,有所作为。目前我们与发达国家处于同一起跑阶段,要抓住机遇,在推进产业化方面尽快有所作为。在世界石墨烯材料革命竞争中,率先创新,引领发展,实现由“跟跑者”向“领跑者”的跨越。

二是制定规划,重点支持。建议有关方面认真调研,制定石墨烯研发和产业化发展规划。在国家层面设立创新专项,给予重点支持,以企业为主体,产学研协同创新,推动跨越式发展。

三是防止利用石墨烯炒作。石墨烯可以代替石油,一旦突破将对我国产生巨大的效益,而且降低了石油在国际战略中的地位,对增强我国能源战略安全具有重 大意义。但是,目前市场中已经出现了利用投资者的预期在股市里炒作圈钱的行为,给投资者造成损失,也影响到石墨烯产业的健康发展,对此需要予以重视并制定 相应的对策。

四是制定正确的技术路线和技术标准。石墨烯发展很快,各方面都纷纷加入到研发和产业化之中。但是,有些企业在发展石墨烯过程中缺乏科学方法和正确的 技术路线,盲目发展者可能会走弯路,造成不必要的损失和混乱。建议有关部门组织制定国家石墨烯健康发展的技术政策。同时,要制定技术标准,将技术研发优势 转化为行业标准优势,掌握石墨烯发展的话语权。

五是保护国家石墨烯战略资源。我国是石墨资源大国,近些年大量原料以3000元/吨的价格出口国外,甚至被某些国家进口存入海底。有些企业将石墨资 源浸泡式粗加工,以10000元/吨左右的价格出售,导致严重的资源利用浪费。建议政府部门采取有效的对策和措施,这么重要的战略资源,千万不能重蹈稀土 的覆辙。(据中国科技网  张景安 作者系中国高新技术产业开发区协会理事长)

 

 

 

 

 

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