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先進碳材料石墨烯,未來科技競爭的制高點
2014年09月05日 發布 分類:行業要聞 點擊量:3281
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      在當今的中國與世界,關于石墨烯可能引發的材料革命乃至新技術革命討論非常熱烈。最近,我到北京、上海、廣州、深圳、江蘇、浙江、黑龍江、山東、陜西和中科院、清華大學等地方和研究機構對石墨烯進行了調研。石墨烯具有非常大的發展潛力和應用前景,我們必須統籌規劃,精心布局,緊緊抓住石墨烯研發和產業化所帶來的重大發展機遇,努力掌握未來科技競爭的制高點。


      正在興起的石墨烯材料新時代


      石墨烯的發現雖然僅10年左右,卻引發了席卷全球的一波又一波的研究開發浪潮。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積而成的二維晶體,具有神奇的電子傳輸、導電、導熱和機械等特征。2004年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,在實驗室成功地從石墨中剝離出了石墨烯,證明了石墨烯可以單獨存在,因此榮獲2010年諾貝爾物理學獎,從而掀起了石墨烯制備、改性和應用的全球研究熱潮。將石墨烯用于超級電容器、透明電極、鋰離子電池、傳感器、功能涂料和聚合物納米復合材料等方面的應用前景,開辟了石墨烯材料的新時代。


      正如有學者所言,19世紀是鐵器的時代,20世紀是硅的時代,21世紀是碳的時代。碳是自然界分布最普遍的元素之一,是構成地球上一切生命體最重要的元素。碳材料的特性幾乎涵蓋地球上所有物質的性質。先進碳材料具有新型結構和優異的物理化學性能,是對未來發展具有重大和決定意義的新材料。


      新材料產業作為戰略性新興產業的重點之一,也是未來高新技術產業發展的基石和先導,是我國成為世界制造業強國的重要基礎。石墨烯作為先進碳材料,它是當今發現的世界上最優質的材料。它有以下特點:最薄,0.35nm,被稱為現今世界最薄的材料;比表面積最大,2620m2/g;最硬,剛度優于金剛石,是人類已知強度最高的物質,比鋼鐵硬100倍;最抗拉,可彈性拉伸20%;熱導率最高,5300W/m.k;最高遷移率200,000cm2/[email protected];高透光性,透光率為97.7%/單層;高載流能力:電流密度比銅高6個數量級;最奇特的是,石墨烯是二維量子材料,線性能帶色散關系,載流子有效質量為零,能在溫室下觀察到量子霍爾效應;還具有室溫彈道輸運特性。


      石墨烯具有超薄、超輕、超高強度、超強導電性、優異的室溫導熱和透光性,幾乎完全透明,結構穩定,應用非常廣泛,發展前景巨大,是推動戰略高技術發展的關鍵材料。


      石墨烯具有無限廣闊的應用前景,雖然現在還是潛在階段,普遍應用與產業化還沒有打開局面,但是從科學預測的角度來看,已經成為不可忽視的重點領域。比如,它可替代和解決傳統鋰電池充電速度慢、蓄電能力差、壽命短、污染等弊端,可解決電動汽車發展的關鍵難題,使新能源電動汽車蓬勃發展。再比如可以替代硅,制造未來新一代超級計算機;替代ITO透明導電薄膜,應用于觸摸屏、柔性顯示、太陽能電池等電子工業領域;還可應用于海水淡化、可降解塑料、散熱膜、防腐涂層、生物材料、復合材料、平板電腦、手表日歷、移動電話、光電探測器、石墨烯紙、石墨烯布以及航天軍工、超輕防彈衣、超薄超輕飛機、超薄折疊手機、甚至有想象力的天空電梯等。石墨烯創造的需求,極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。從全球發展趨勢來看,誰都不愿意喪失石墨烯發展帶來的重大機遇。


      石墨烯是未來高技術產業競爭的戰略制高點


      近年來,特別是2007年后,無論是石墨烯研究、論文發表以及研發與產業化,在中國和世界都進入了快速增長期。論文和專利年增幅都超過70%,特別是2009年—2012年,國際專利申請量增幅100%以上,迄今為止全球發表論文已超過3.4萬篇,僅2013年就超過1萬篇。全球專利申請超過4000件。值得一提的是,近幾年我國在石墨烯領域發表的論文和專利申請,都居世界第一。截止到2012年底,我國共發表國際論文6308篇,美國排第二位,發表5709篇。我國論文引頻次數共90403次,而美國論文被引頻次數達132991次。我國申請專利1471件,美國申請專利1130件。說明我國在石墨烯領域的科技基礎積累、研發以及高技術發展方面已具有一定的實力。


      石墨烯是世界高技術發展的戰略制高點,引起世界各國的高度關注,尤其是在研發方面競爭激烈。2008年—2010年,歐盟發布了石墨烯基納米電子器件項目,并于2013年宣布將石墨烯列入“未來新興旗艦技術項目”,將在今后10年研發資助10億歐元,將石墨烯發展提升至戰略高度。英國政府也重視石墨烯研究,在曼徹斯特大學建立國家石墨烯研究所,推進石墨烯材料的商業化進程。2011年,英國政府在《促進增長的創新與發展戰略》中把石墨烯作為國家今后四個重點發展方向之一。投入5000萬英鎊支持石墨烯研發和商業化應用研究。同年,英國自然科學研究院委員會、英國技術戰略委員會投入約1000萬英鎊,建立一個以新興技術探索和市場開發為核心的創新中心,致力于石墨烯技術的探索、開發及應用。2012年底,英國政府又追加2150萬英鎊資助石墨烯的商業化探索研究。韓國政府投入研發費用14億美元,把石墨烯材料及產品定為未來革新產業之一。2007年—2009年,韓國教育科學部門累計資助了90個相關項目,經費1870萬美元。2012年—2018年,韓國原知識經濟部預計將向石墨烯提供2.5億美元的資助,1.24億美元用于技術研發,其余用作商業化研究。2013年,韓國產業通商資源部宣布在未來6年內,投入4230萬美元,幫助企業實現石墨烯的應用產品和相關技術商業化。2006年—2011年,美國國家自然科學基金(NSF)關于石墨烯的資助項目有200項,包括石墨烯超級電容器應用、石墨烯連續和大規模納米制造等項目。2008年,美國國防部高級研究計劃署(DARPA)投資2200萬美元研發超高速和低耗能的石墨烯晶體管。同時,至少有10多家公司在研發與產業化方面取得了新的拓展。日本學術振興機構(JST)從2007年起開始對石墨烯硅材料、器件的技術進行資助。德國于2009年由科學基金會(DFG)開展石墨烯新興前沿研究項目。


      各國政府紛紛重視和關注石墨烯的同時,企業也敏銳地抓住時機,表現出對石墨烯的極大興趣,投入到石墨烯研發和產業化的競爭中。美國在納米電子器件、高頻電子器件方面研發力度大,已研發出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板,大大降低制造透明可變形太陽能電池的成本,可廣泛用于石墨烯夜視鏡、相機等小型數碼設備。加州大學伯克利分校研制出石墨調制器,可實現超快數據通訊。美國沃貝克材料公司推出導電油墨,性能好,價格低,并得到美國環保署批準。美國輝銳科技公司研發并制造出大面積柔性觸控屏。IBM、三星公司重點研發在高速晶體管上的應用。三星、諾基亞重點研發石墨烯在柔性顯示方面的應用。美國卡博特公司、韓國浦項公司在石墨烯電容器、電池方面取得重要進展。韓國三星不久前宣稱將石墨烯成功應用于觸摸平板顯示器,制造出多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏,可廣泛應用于移動設備。索尼公司成功合成大面積長120米、寬230米石墨烯薄膜。IBM、巴斯夫和索尼等均投入巨額資金,化工醫藥巨頭拜耳、飛機發動機巨頭英國羅羅公司也加強了對石墨烯的研發,力圖迅速占領石墨烯產業的制高點。


      我國石墨烯研發和產業化的現狀及政策建議


      我國石墨烯領域研發起步較晚,但發展較快,有潛在優勢和后發優勢。2013年7月13日,中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟成立。同時,江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江與中科院等機構以多種形式協同創新,紛紛建立了產業技術聯盟,促進了創新資源優化組合和創新產業化進程。2013年中科院重慶研究院研制出15英寸的單層石墨烯。2013年2月,無錫格菲電子薄膜科技公司研發出石墨烯電容式融屏手機。常州第六元素公司年產100噸粉體,寧波墨西科技公司年產300噸石墨烯粉體。2013年5月,常州二維碳素科技公司、無錫格菲電子薄膜科技公司、深圳合力光電傳感公司聯合江南石墨烯研究院在常州投產3萬平方米石墨烯薄膜生產線。常州二維碳素科技公司研究出手機電容式觸摸屏,鹽城納新天地科技有限公司2013年在鹽城建設石墨烯產業集群,率先研究成功單層石墨烯改性材料,并與南車集團合作用于高鐵。深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司、無錫和青島產業基地、中科院納米中心、中科院微系統所、清華大學、華東理工大學、北京化工大學等都在石墨烯研發與產業化上做了大量的攻關,力求取得突破性的進展。


     2010年,江蘇常州市委市政府決定投資5000萬,成立江南石墨烯科技產業園,引進8個研發團隊,其中5個為海歸研發團隊,建了11個專業研究室和分析測試中心,培養了7家企業,市值達到20億元。2011年開始連續3年舉辦石墨烯發展高層論壇,努力建設產學研金一體化的石墨烯研究中心和新型創新產業集群,力爭成為國際化的石墨烯產業發展先導區。


      縱觀中國與世界,石墨烯產業化與材料革命正處于突破的前夜。雖然目前石墨烯的應用還沒有大規模投入市場,也有風險和不確定性,但未來的發展潛力和威力巨大。中國絕不可以喪失這次發展機遇,同時也要防止走彎路,浪費資源、人力和物力。我們要審時度勢,制定科學正確理性的發展政策與措施。


      一是抓住機遇,有所作為。目前我們與發達國家處于同一起跑階段,要抓住機遇,在推進產業化方面盡快有所作為。在世界石墨烯材料革命競爭中,率先創新,引領發展,實現由“跟跑者”向“領跑者”的跨越。


      二是制定規劃,重點支持。建議有關方面認真調研,制定石墨烯研發和產業化發展規劃。在國家層面設立創新專項,給予重點支持,以企業為主體,產學研協同創新,推動跨越式發展。


      三是防止利用石墨烯炒作。石墨烯可以代替石油,一旦突破將對我國產生巨大的效益,而且降低了石油在國際戰略中的地位,對增強我國能源戰略安全具有重大意義。但是,目前市場中已經出現了利用投資者的預期在股市里炒作圈錢的行為,給投資者造成損失,也影響到石墨烯產業的健康發展,對此需要予以重視并制定相應的對策。


      四是制定正確的技術路線和技術標準。石墨烯發展很快,各方面都紛紛加入到研發和產業化之中。但是,有些企業在發展石墨烯過程中缺乏科學方法和正確的技術路線,盲目發展者可能會走彎路,造成不必要的損失和混亂。建議有關部門組織制定國家石墨烯健康發展的技術政策。同時,要制定技術標準,將技術研發優勢轉化為行業標準優勢,掌握石墨烯發展的話語權。


      五是保護國家石墨烯戰略資源。我國是石墨資源大國,近些年大量原料以3000元/噸的價格出口國外,甚至被某些國家進口存入海底。有些企業將石墨資源浸泡式粗加工,以10000元/噸左右的價格出售,導致嚴重的資源利用浪費。建議政府部門采取有效的對策和措施,這么重要的戰略資源,千萬不能重蹈稀土的覆轍。

(作者:張景安 /來源:科技日報)


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