超硬材料網(wǎng)

　　石墨烯是人類發(fā)現(xiàn)的第一種由單層原子構(gòu)成的材料，也是目前已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，幾乎完全透明。由于其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管，被業(yè)界視為將引領(lǐng)多項產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵材料，在移動設備、航天航空、新能源電池等領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景。

       自2004年面世以來，石墨烯技術(shù)專利申請量就呈井噴之勢，專利布局日趨成熟。2012年，全球石墨烯專利申請數(shù)量達1829件，同比增長100%。

       在得到高校和科研機構(gòu)青睞的同時，石墨烯也獲得了政府政策資金的大力支持。2013年，歐盟將石墨烯選入未來新興旗艦技術(shù)項目，計劃未來十年投入10億歐元打造石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈;韓國政府投入42.3萬美元成立石墨烯聯(lián)盟;中國也投入2.1億元推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化。

       但目前中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程面臨研發(fā)成果缺產(chǎn)業(yè)化平臺、高端應用缺技術(shù)、低端應用缺市場三重挑戰(zhàn)。

       石墨烯產(chǎn)業(yè)的虛假繁榮

       石墨烯自誕生之日起就受到資本市場追捧，甚至被認為將替代硅材料，從而開啟全新的微電子時代。

       這背后一方面源于石墨烯自身優(yōu)越的性能，另一方面是資本逐利的本質(zhì)使然。但實際上，中國現(xiàn)有的石墨烯產(chǎn)業(yè)化呈兩極分化現(xiàn)象，以石墨烯粉末為原料的低端產(chǎn)品，如功能涂料、復合材料、電極材料和結(jié)構(gòu)增強型材料等，雖然部分已初步產(chǎn)業(yè)化，但規(guī)模小、技術(shù)含量與附加值均比較低。以石墨烯薄膜為原料的高端產(chǎn)品，比如微電子材料和顯示屏薄膜材料等，或處于實驗室階段，或處于中試階段，短時間內(nèi)均不能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

       目前，國內(nèi)能夠量產(chǎn)的石墨烯項目，大多并非真正的石墨烯，而是石墨烯粉體，一種不具備石墨烯薄膜優(yōu)良理化性能的“類石墨烯”，并不具備前者最好的導電和導熱性、最堅硬的強度等特質(zhì)，一般只作為添加劑用于功能涂料、復合材料、散熱材料、電池等領(lǐng)域。

       另一個現(xiàn)實的問題是，現(xiàn)階段下，石墨烯投資與回報還難以成正比。石墨烯產(chǎn)業(yè)化背后的研發(fā)成本、生產(chǎn)成本、人力成本以及資源成本都很高。

       例如，僅有寧波墨西科技可以將石墨烯粉末售價控制在每克一元錢，一臺生產(chǎn)石墨烯薄膜的化學氣相沉積法生產(chǎn)儀器售價高達數(shù)百萬。對于復合材料、功能涂料和結(jié)構(gòu)增強型材料等產(chǎn)值規(guī)模較小的領(lǐng)域，如果使用石墨烯，就可能存在投資與回報不匹配的現(xiàn)象。

       資本市場將石墨烯過度渲染為引領(lǐng)第三次產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵材料，卻未對當前應用石墨烯的低投資回報率問題給予重視甚至有意回避，導致現(xiàn)階段石墨烯的產(chǎn)業(yè)地位被夸大。

       產(chǎn)業(yè)化三大短板

       制約中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程的因素主要包括三個方面：

       其一，研發(fā)成果缺產(chǎn)業(yè)化平臺。現(xiàn)階段，中國石墨烯的研發(fā)主體為高校和研究機構(gòu)，研發(fā)偏重于基礎(chǔ)科學而非實用技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化主體則是企業(yè)，它更強調(diào)市場應用。高校、科研機構(gòu)與企業(yè)之間缺乏合作溝通，企業(yè)和企業(yè)之間因為利益競爭，也不可能通過合作共促石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程，因此研發(fā)主體和產(chǎn)業(yè)化主體之間，以及產(chǎn)業(yè)化主體內(nèi)部均呈現(xiàn)出封閉式的“自產(chǎn)自銷”現(xiàn)象，導致石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進程緩慢，潛在市場需求不能充分挖掘。

       在石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程發(fā)展較快的美國和韓國，其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主體都以企業(yè)為主，各企業(yè)的研發(fā)部門通過建立聯(lián)盟實現(xiàn)技術(shù)共享，企業(yè)既掌握核心技術(shù)，又洞悉市場需求，從而可有效推動石墨烯的研發(fā)進程、研發(fā)成果轉(zhuǎn)化進程和產(chǎn)業(yè)化進程。中國亟需建立連接研發(fā)主體和產(chǎn)業(yè)化主體的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換平臺，推動研發(fā)成果向產(chǎn)業(yè)化應用轉(zhuǎn)化。

       其二，高端應用缺技術(shù)。實際上，能夠體現(xiàn)石墨烯核心價值、打造萬億級產(chǎn)業(yè)鏈的應用領(lǐng)域是半導體和微電子產(chǎn)業(yè)，屬于石墨烯的高端應用領(lǐng)域，同時也是對石墨烯生產(chǎn)工藝要求最高、尚不能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域。

       目前中國能夠克服高端石墨烯產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)瓶頸并掌握石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)的單位還微乎其微。中科院重慶研究院制備出的國內(nèi)首片15英寸單層石墨烯，以及中科院上海微系統(tǒng)所信息功能材料國家重點實驗室用化學氣相沉積法制備出的鍺襯底單層石墨烯等研發(fā)成果，都因生產(chǎn)工藝不成熟導致生產(chǎn)成本高昂，也就無法實現(xiàn)低成本和規(guī)模化生產(chǎn)。

       常州二維碳素科技有限公司2013年投產(chǎn)的年產(chǎn)3萬平方米的全球最大規(guī)模石墨烯透明導電薄膜生產(chǎn)線，也因未克服生產(chǎn)大尺寸單晶石墨烯薄膜的技術(shù)瓶頸，以及高昂的化學氣相沉積法的生產(chǎn)成本，導致下游生產(chǎn)商缺乏購買積極性。華為和中興等目標客戶普遍持觀望態(tài)度，并沒有將石墨烯透明導電薄膜正式應用于其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中，因此也就無法形成規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)鏈。

       其三，低端應用缺市場。對于石墨烯的低端應用，最大瓶頸仍在于缺市場，下游應用市場發(fā)展緩慢制約了石墨烯的推廣應用。

       目前，還沒有一個應用領(lǐng)域可以實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化生產(chǎn)。以動力電池用石墨烯為例，寧波于2012年建成全球首條年產(chǎn)300噸的石墨烯生產(chǎn)線，并可以實現(xiàn)電動汽車用高容量鋰離子電池和高性能磷酸鐵鋰動力電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。但是，受我國現(xiàn)有電動車的配套服務、基礎(chǔ)裝置等不健全影響，該產(chǎn)業(yè)鏈至今尚未完全市場化。

       此外，石墨烯散熱器件是另一個技術(shù)門檻低、產(chǎn)業(yè)化前景好的應用領(lǐng)域，但由于石墨烯只有幾個原子厚，無法用于大型器件的散熱，因此下游產(chǎn)業(yè)化市場只能被局限在微小器件的散熱配件中。現(xiàn)階段，一個年產(chǎn)量400公斤的石墨烯生產(chǎn)商，平均每年只能賣出200公斤，需求主要來自高校和研究機構(gòu)，且采購量多以克計，不足以支撐石墨烯的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

       高端升級技術(shù)低端加快應用

       中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化之路不可能一蹴而就，需要逐步推進。從宏觀上而言，要搭建政產(chǎn)學研用互促合作的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)換平臺。

       一是加強“政產(chǎn)學研用”合作創(chuàng)新體系建設，提升產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力和核心競爭力。出臺扶植石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策，加強政策引導，營造良好的發(fā)展環(huán)境;整合高校和研發(fā)機構(gòu)等創(chuàng)新資源，加強技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)，推動石墨烯重點關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破;鼓勵企業(yè)創(chuàng)新，加強企業(yè)與高校、科研機構(gòu)的緊密合作，成立企業(yè)技術(shù)中心，搭建產(chǎn)學研合作平臺，形成以企業(yè)為主體、產(chǎn)學研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。

       二是鼓勵地方創(chuàng)立石墨烯專業(yè)園區(qū)，建設完善的公共服務平臺，發(fā)揮專業(yè)園區(qū)在產(chǎn)學研合作中的載體作用，進而形成產(chǎn)業(yè)孵化培育體系，推動科研成果的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

       具體部署中，一方面，穩(wěn)步進行高端應用領(lǐng)域的技術(shù)升級。可以從三個方向突進，一要推動單層石墨烯薄膜的研發(fā)進程，實現(xiàn)高純度和無夾雜單層石墨烯的可控微操作，滿足下游半導體和微電子產(chǎn)業(yè)的研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)要求，推動半導體和微電子產(chǎn)業(yè)的改革升級，為即將到來的“后摩爾時代”進行研發(fā)和產(chǎn)業(yè)儲備。

       二需推動石墨烯薄膜生產(chǎn)設備的研發(fā)進程，降低化學氣相生產(chǎn)法的生產(chǎn)成本，突破技術(shù)瓶頸實現(xiàn)石墨烯薄膜的連續(xù)化和規(guī)模化生產(chǎn)。

       三則搭建薄膜領(lǐng)域研發(fā)主體和產(chǎn)業(yè)化主體的合作平臺，有針對性地穩(wěn)步推進下游廠商所需的石墨烯透明導電薄膜的研發(fā)進程，突破大尺寸石墨烯薄膜的生產(chǎn)瓶頸，調(diào)動下游廠商促進石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化的積極性。

       另一方面，合理加快低端應用領(lǐng)域的市場化進程。石墨烯電極領(lǐng)域要拓市場，重點要突破下游廠商所需石墨烯電極生產(chǎn)瓶頸，加快重點產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程。提高電動汽車和電動公交車等的市場認知度和接受度，建立健全電動車的配套裝置設施，搭建平坦暢通的石墨烯粉末-石墨烯電極-超級電容(或鋰離子電池)的產(chǎn)業(yè)化通道。

       同時，石墨烯粉末應用領(lǐng)域要重規(guī)劃。合理規(guī)劃現(xiàn)有產(chǎn)能和發(fā)展路徑，避免重復碳纖維和稀土產(chǎn)業(yè)那樣的盲目發(fā)展、產(chǎn)能過剩、淘汰落后的“三步走”老路。

       還有要進一步加快石墨烯粉末的產(chǎn)業(yè)化進程，加快相關(guān)企業(yè)從中試到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化速度，淘汰小批量小作坊式的生產(chǎn)工藝，形成大規(guī)模生產(chǎn)，進一步降低生產(chǎn)成本，形成價格優(yōu)勢，刺激下游企業(yè)的購買和應用欲望。

       對于功能涂料、散熱材料、復合材料等領(lǐng)域要重升級。應加強與科研機構(gòu)、高校的合作，加快技術(shù)升級進程，克服低投資回報率的障礙;搭建生產(chǎn)廠商、下游廠商和研發(fā)機構(gòu)的合作橋梁，聚焦重點產(chǎn)品，完善重點產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，刺激重點產(chǎn)品的市場需求，加快重點產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程，努力打造石墨烯市場化的產(chǎn)業(yè)鏈。