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“万能材料”石墨烯“破局”之路

发布日期:2014-11-07

OFweek显示网讯:被誉为“万能材料”的石墨烯,在电子、航天军工、新能源、新材料等领域有着潜在的巨大应用空间,近年颇受学界、政府、资本的重视与追捧。

2004年,石墨烯首次从石墨中分离得到。十年来,发达国家对于石墨烯研究的支持力度不断增强。据科技部消息,近期,英国将投资6000万英镑成立石墨烯工程创新中心(GEIC)。而在此之前,英国已投资6100万英镑创建国家石墨烯研究院。

中国对石墨烯技术的投入也不菲。2007-2012年,中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计资助经费达到3.30亿元,科技部和中国科学院对石墨烯的累计资助经费分别达到了5915 万元和4605万元。

地方政府对石墨烯产业的兴趣也日渐升温,宁波、常州、无锡、青岛、重庆等地纷纷设立石墨烯产业园区。宁波市政府设立3年共9000万元财政资金,支持石墨烯产业初期发展。

石墨烯问世已十年,梳理当前国内石墨烯产业前景及产业化过程存在的问题,21世纪宏观研究院认为,其产业化之路仍停留在导入阶段,未实现量产,主要难点在于制备技术局限、应用领域需求未开。

前景:颠覆硅时代?

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,是世界上已知最薄、最坚硬的纳米材料,加上出众的韧性、导电性及导热性,石墨烯在复合材料、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、生物医药等多个领域具有广阔的发展空间。就现状来看,最有望在触摸屏、柔性电子器件等领域取得突破。

由于石墨烯应用领域广泛,一旦实现产业化,下游应用领域已有的产业规模基础将带动石墨烯产业快速增长,全面开花。据2012年Graphene Live会议预测:到2018年全球石墨烯规模约329亿美元,其中能源存储领域约122亿美元,柔性透明电极、柔性导线打印领域约83亿美元,散热管领域约64亿美元,太阳能薄膜领域约46亿美元,生物医药、催化剂领域约14亿美元。算上全产业链市场规模,未来石墨烯有望达到万亿级产能规模。

华为创始人任正非在接受媒体采访时曾声称,这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代。

石墨烯有望打破半导体产业流传的摩尔定律,即芯片的集成度每18个月至2年提高一倍,即加工线宽缩小一半。目前通用材料硅的加工极限一般为10纳米线宽,而石墨烯尺寸更小,且导电性能更好,电子迁移率更高。由于集成电路的技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志之一,发展石墨烯产业在国家战略层面的意义重大。

目前在石墨烯研究领域,新兴经济体与发达国家同处起跑阶段。从专利申请数量来看,中国还具有相当的科技创新优势。一旦抓住机遇,我国有望在石墨烯的产业化进程方面领先他国,甚至主导这场技术革命,有利于我国从制造大国转型制造强国。中国知识产权网(CNIPR)数据显示,截至2014年7月,中国有关石墨烯专利申请数量为5442,处于世界首位,是第2名美国申请数量(2196)的近2.5倍。

现状:产业化“攻坚”缓慢

目前石墨烯制备还无法实现达到产业化要求的大规模量产。制备方法的局限导致石墨烯层数增加、内部缺陷的累积,石墨烯的各种优异性能将无法体现,因而实现高质量、大规模的石墨烯生产是石墨烯产业化的基石。

当前石墨烯制备有四种主流方法:微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法和氧化石墨还原法。其中CVD法被认为是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。该方法的生产原料为广泛存在的碳氢化合物(甲烷、乙醇等)。三星已运用CVD法成功获得对角长度为30英寸的单层石墨烯。

不过,目前CVD法制备出的石墨烯厚度难以控制,良品率无法保证。此外,CVD法虽然原料廉价,但设备价格高昂(价格在30-100多万美元/台之间),对于一个尚在产业化初期的领域来说是一大笔成本。

21世纪宏观研究院认为,石墨烯的“产业化困境”在于,一方面,因为受制于制备过程中的高成本和低质量,石墨烯目前未实现量产;另一方面,产业链下游的应用领域还未实现突破,尚未产生规模化需求。

当前我国石墨烯产品主要在科研单位及企业研发部门中“自产自销”。科研单位与企业对接不畅,研发机构与下游企业缺乏沟通,石墨烯研发重基础科学而轻实用技术,导致石墨烯的应用领域市场需求未开,没有一个领域可以实现石墨烯的规模化应用。

石墨烯产业化“破局”之路

按照硅材料产业的成熟周期为20年来推断,石墨烯产业化成熟大约还要5-10年,接下来10年如何“破局”格外关键。

政策利好对于产业化进程无疑将是“强心剂”,而其重点应在于政策引导与财税支持。工信部发布的《新材料产业“十二五”重点产品目录》收录了400种重点产品,但没有石墨烯。不过,石墨烯材料仍有望加入“十三五”新材料的规划之中。除了政策指引,政府可以通过成立产业基金、财税支持等方式激发企业和市场的积极性,撬动更多社会资本投资石墨烯产业。

同时,也需要警惕资本市场非理性繁荣,加强产业规范引导。石墨烯日益成为资本市场中炙手可热的概念,但目前十余家石墨烯概念股上市公司中主营业务为石墨烯的可谓寥寥无几。“石墨烯粉体”更是常常被拿来与石墨烯相提并论。事实上,石墨烯粉体是从膨胀石墨、氧化石墨的技术路线发展而来,是石墨微片的升级产品,层数大于10层碳原子层。

而根据由中国石墨烯标准化委员会发布,于2014年起实施的中国石墨烯第1号标准“石墨烯材料的名词术语与定义”,石墨烯材料泛指与石墨烯相关的、不多于10个碳原子层的二维碳材料。

产业链上游企业的鱼目混珠不但容易引发资本市场的虚假繁荣,还将削弱应用企业对于国产石墨烯质量的信任。这方面亟需政府与行业协会加强发挥行业标准规范和正向引导。

21世纪宏观研究院认为,处在商业化临界点的石墨烯产业,应当充分整合产业链上下游资源,重视研发成果的技术转移,研发应与市场需求匹配。由于石墨烯有望最早在触摸屏等应用领域取得突破,一旦成功对接石墨烯研发和移动终端应用企业,石墨烯有望迎来巨大市场需求缺口。

“一分钟充电”、“弯曲触摸屏”等概念让人对石墨烯的应用前景充满信心。在产业化进程中,应加强应用企业与研发机构的互动,推动商业化。通过政府与行业协会的引导,鼓励下游应用企业持股石墨烯研发企业,真正用需求拉动供给。同时,加强产学研一体化,鼓励研发机构与应用企业共同探索技术转移问题,缩短技术转移周期。

文章来源:21世纪经济报道

 
 
 
 
 
 
 
 
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