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石墨烯材料技术发展及产业化影响

黑金
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楼主 发表于:2018-12-19 10:25:27
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通俗上讲,石墨烯是单原子层的石墨,以苯环结构(六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的二维碳材料,结构非常稳定,是目前已知最薄的一种材料。石墨烯是碳同素异形体的一种形式,同为碳材料的还有金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨等(见图 1)。


图 1 石墨烯等碳材料的结构图


   在实际应用中,将石墨烯优势发挥出来的前提是发展大规模、低成本、结构
与性能可调控的石墨烯批量化制备技术。因此,制备技术是石墨烯材料产业化进程中的核心技术。


   目前国际上已公布的石墨烯制备方法主要有机械剥离法、氧化还原法、外延
生长法、化学气相沉淀法(CVD 法)、高温裂解法、液相剥离法和插层剥离法等。表1对以上各种方法的优缺点及其应用领域进行了对比。



表 1 常见石墨烯材料制备方法的对比


石墨烯的应用领域

石墨烯因为集多重优异性质于一身,其应用领域十分广泛。总体而言,其应用可分为两类(见表 2):利用石墨烯来改变或增强基体的性质归类为石墨烯作为辅材的产业实践(图 2);利用石墨烯材料本身性质,归类为石墨烯材料作为主材的产业实践(图 3、4)。


图 2 石墨烯材料作为辅材的典型应用领域:锂离子电池/超级电容(左上)、

功能橡塑材料(右上)、功能纤维/织物(左下)、功能涂料/涂层(右下)


图 3 石墨烯材料作为主材在柔性电子器件领域的应用:柔性显示(左上)、

柔性传感器(右上)、柔性电热膜(下)

图 4 石墨烯材料作为主材在高频电子器件领域的应用:高频晶体管(左上)、

太赫兹器件(右上)、激光器(下)


表 2 石墨烯材料典型应用领域


石墨烯市场应用与产业化前景


   (1) 产业化概况

石墨烯及其相关材料对市场与产业的影响主要体现在两大领域。一是能源存储与转换,以及新型功能轻质复合材料领域,石墨烯及其材料将有可能集成到新型飞机、大巴、电动汽车等交通运输系统之中;二是信息领域,石墨烯材料凭借其特殊的电学和光学性能,有望用于新型信息处理和通讯系统。目前来看,第一个领域内的石墨烯的价值正逐步显现并开始获得市场的认可,比其在微电子芯片等高端领域可能会走得更快。

目前,市场已经形成了石墨烯粉体和石墨烯薄膜两种较为成熟的制备体系,石墨烯材料的总体品质在不断上升。石墨烯材料已经从实验室研究迈向工业化发展,石墨烯产业呈现出良好的发展态势。“十三五”期间,石墨烯产业将逐步形成电动汽车锂电池用石墨烯基电极材料、海洋工程用石墨烯基防腐涂料、柔性电子用石墨烯薄膜和光电领域用石墨烯基高性能热界面材料四大类产业,全行业产业规模有望突破千亿元。

(2) 市场规模与产业化预测

Gartner 技术成熟度曲线对石墨烯这一新兴产业进行了描绘,如图 5 所示。石墨烯现阶段处于图中关注度的峰值区域,参照硅材料产业的成熟周期为 20 年来推断,石墨烯产业化完全发展成熟还需要 5-10 年,即 2020 年后。


图 5 石墨烯产业的 Gartner 技术成熟度曲线



中国石墨烯产业联盟预计,到 2020 年,石墨烯产业化规模将取得突破,全球石墨烯材料市场将达 1000 亿元,分布在新能源、电子信息、复合材料、节能环保、热管理、生物医药等各领域。

    综合石墨烯技术发展水平与产业现状,以及全球各国对于石墨烯应用趋势预测,石墨烯材料的产业化发展大致可分为如下三个阶段。

未来 10 年内,石墨烯主要作为改性材料来提高传统材料与功能器件的性能,主要应用领域包括动力电池/超级电容、防腐涂料、改性化纤、改性橡塑材料和导热散热材料等,其价值在于支撑传统产业升级换代。


未来 10~20 年,石墨烯将在柔性电子产业领域将发挥关键作用,在柔性显示、柔性传感、可穿戴设备等领域催生变革性技术和新兴产业,预计到 2030 年,石墨烯相关材料和技术将可以直接转换成为消费品,走到消费者身边。

未来 20 年之后,石墨烯作为下一代高频晶体管核心材料的技术将走向成熟,由此在电子信息技术领域引发颠覆性技术革命。

石墨烯产业化瓶颈

石墨烯产业化瓶颈一是技术问题,制备兼具高质量、低成本、过程绿色的石墨烯材料仍存在技术挑战;二是成本问题,石墨烯应用拓展的成本高、周期长,制约了石墨烯材料应用的快速推进;三是市场问题,石墨烯产业链到目前为止仍未实现贯通和整合。

石墨烯产业化发展建议


   为推动石墨烯产业的进一步发展,真正体现其应用价值,需重点突破石墨烯
材料的标准化和低成本化,采取一条龙的模式将材料生产、应用开发、终端应用等环节串起来,积极推动石墨烯材料示范应用,构建应用产业链,加强石墨烯标准体系建设,搭建产业创新平台。具体而言,有以下四条产业发展建议。

开展重大工程牵引推动

通过政府政策引导,围绕我国经济社会发展和国家安全重大需求,整合创新、产业化等资源,抓住重点,实施多项重大工程,开发一批标志性、牵引推动作用强的重点产品和代表工艺,提升自主开发设计水平和系统集成能力。在新能源汽车、海洋工程、新一代信息技术、和国防军工等重点领域突破一批共性关键技术和工程化、产业化瓶颈,提高石墨烯创新、产业化能力和国际竞争力,带动材料行业整体综合实力发展,抢占国际竞争制高点。例如实施石墨烯标准化工程、超级计算机工程、可穿戴智能设备工程、储能工程、高效新能源工程等。

在重点行业中进行应用示范

坚持石墨烯发展全国一盘棋和分行业指导相结合,统筹规划,整合资源,合理布局,明确石墨烯发展大方向。鼓励全民创新,引导创新成果转化,扎实提高基础科学理论水平,促进各行业深度发展,总结积累产业化经验,加快推动石墨烯应用整体水平提升,开展重点行业的应用示范工作。例如利用石墨烯及相关材料,制作生物传感器,化学传感器,功能涂层和界面,高能量转换效率电极、高容量电池、电容、储能设备,纳米流体,纳米谐振器,半导体器件,射频用无源组件,柔性电子器件和系统等。

产学研用需协同推进

产学研用多渠道协同推进石墨烯产业化进程,通过生产单位、学校、科研机构和用户等相互配合,集中各自优势资源,形成研究、开发、生产、应用一体化高效系统,在运行过程中发挥综合优势,提高产业链从实验成果到实际应用的整体效率,降低转化成本。建立石墨烯上游生产企业,包括石墨矿企、设备生产企业,和下游应用企业,包括电子、电池、生物医药、航空航天企业等与高校、研究院所等科研机构的产业联盟、技术创新联盟等。提炼共性技术,加强石墨烯公共技术服务,降低石墨烯产业化进程中的时间、资金、技术、工艺、设备、人才等成本,为联盟单位提供一个高标准高质量的起点和合作渠道。目前,我国已成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟和京津冀石墨烯产业联盟两家联盟单位。

 利用创新平台集聚发展

完善国家石墨烯创新体系建设,加强顶层设计,加快建立以创新中心为核心载体、以公共服务平台和应用产业数据中心为支撑的石墨烯创新网络。建立以市场为主导的创新和应用方向选择机制以及鼓励创新的风险分担、利益共享机制。建立石墨烯创新产业园区和基地,引进科技成果转化孵化器和技术产业化加速器。利用地方人才、资源、资金等优势发展产业集群,集聚新兴产业,发挥产业集聚效应,加速石墨烯创新和应用突破及产业化进程。建设一批促进石墨烯协同创新和产业化的公共服务平台,规范行业标准,开展技术研发、技术评价、技术交易、检验检测、质量认证、人才培训等专业化服务,提高科技成果转化效率和推广应用速度。

文章节选自:石墨烯材料技术发展及产业化影响简析

作者:孙棕檀(中国航天系统科学与工程研究院)



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