石墨烯调研报告资料

石墨烯将引发全球应用材料的新变革

【内容提要】从2010年10月初两位英国科学家因为发现石墨烯而获得诺贝尔物理学奖后，石墨烯在我国成为热点词汇，各地科研院所争相研究，企业争相投资，连地方政府也考虑将其产业化。石墨烯成为争取国家资金支持最热的项目，似乎石墨烯时代已经到来，世界将由石墨烯应用而发生重大改变。本文在全面分析石墨烯全球技术和产业进展的同时，对到底如何正确认识石墨烯，石墨烯行业的整体轮廓如何，石墨烯产业化的道路到底还有多远，我国石墨烯过热的根源是什么等做出了基本判断，并提出了发展我国石墨烯技术和产业的切实建议。

【关键词】石墨烯进展研究

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构平面薄膜材料，由于具有高导电性、高强度、极轻薄等。石墨烯将有助于其他新材料领域的交叉突破，其高效能源和高轻超强结构能够促进能源消费方式和军事领域的重大变革，新一代光电石墨烯信息材料使能源消耗成倍降低，其柔性显示材料使人类的生产和生活方式发生改变。

一、改变世界的石墨烯

石墨烯在电子器件、光学器件、柔性电子、轻型大功率功能器件、高效率电池等领域具有重要应用前景，有望对电子信息等多个高技术产业产生重大影响。世界主要国家认识到石墨烯的重要战略意义，着力推进石墨烯技术研发和产业化进程。

石墨烯在军事领域有重大应用。石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，石墨烯和其他金属材料形成复合材料，能够广泛应用于超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。石墨烯在军事能源领域的应用，能够大幅度提升战场能源的转换效率。多层石墨烯片不仅是锂空气电池的理想设计，也可以应用于如超级电容器、电磁炮等潜在的军事领域。

石墨烯能够为信息领域带来重大变革。碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度，石墨烯将成为硅的替代品，制造超微型极大规模集成电路，用来生产未来的超级微型计算机，对现有信息产业格局和信息空间竞争带来新的冲击。

石墨烯将改变人们的生活方式。可折叠的显示设备可使人们

的学习、阅读和交友方式发生变革；超级耐候抗菌服装将会颠覆人们的穿着习惯、超轻型建筑使城市建设更加便捷和低成本、超轻型汽车更节能、医疗材料的应用带来医学技术的变革。

制备原理简单但成本过高成为广泛应用的障碍。生产出石墨烯并不困难，石墨烯生产技术是公开的，普通物理化学老师都能将其生产出来，难的是怎么批量化生产。石墨烯单层价格达到每克2000元，远远高于黄金价格。目前申请石墨烯制备专利众多，但这些专利只表示可以生产出来石墨烯，或者找到某种方法或技术，但如何大幅度降低成本，使产业链下端能够广泛应用成为各国关注的焦点。

二、全球石墨烯研发竞争激烈

（一）美国基础研究和应用材料研发全球领先

政府大力支持基础性研究。美国国防部高级研究计划署(DARPA)、美国国家科学基金会(NSF)等都拿出大量资金，主要支持大学和研究机构展开石墨烯基电子材料和符合超强度材料性能的基础研究，支持表征石墨烯基电子材料的形态、结构和性能特征研究，加强对石墨烯基超级电容器中电化学性能的基本认识；调查离子液体作为石墨烯基超级电容器电解液的相容性，开发新型超级电容器电池组装工艺和电池测试方法等基础性研究。到2013年6月，美国政府用以支持石墨烯基础性研究的资金已超过2500万美元。

商业资金资助产业化项目。美国商业资金非常看重石墨烯未

来的应用成效，商业资金更重点关注开发下一代体积更小、运算速度更快的电子器件，以及石墨烯在太赫兹和新型量子器件中的应用等。例如，美国俄亥俄州研究商业化资助项目资助美国纳米技术仪器公司开展应用于锂离子电池的纳米石墨烯复合电极的商业化生产研究；美国结构材料工业公司2009年11月获得NSF 小型企业技术转移项目资助，开发以石墨烯为基质的高灵敏度NOx探测器。

企业加大对石墨烯未来市场的投入。IBM、美国超微设备公司AMD）等公司都大力投资石墨烯信息材料领域，以图将来在信息产业领域竞争中抢占制高点。英特尔公司认为石墨烯是一种很有前景的材料，他们正在和大学进行合作研究。石墨烯技术公司、国家纳米材料公司等在石墨烯产业化项目上有较大投入。

基础研究和产业化技术世界领先。美国在基础研究领域，如石墨烯的导电性、导热性、制备方法以及纳米材料研究等领域有较强的实力；在产业化方面，其优势主要在石墨烯的制备、能源领域应用、平板显示技术、石墨烯纳米材料及石墨烯复合材料等领域。

最新进展。2013年4月，IBM展示其最新研制的体积最小、运算速度最快石墨烯晶体管，这是承接的美国国防部高级研究计划局的任务。美国科学家2013年5月研发出一种以石墨烯技术为基础的“超级电容器”，其充电速率远远高于普通电池，用其为一部iPhone手机充满电仅需5秒钟。美国阿贡国家实验室科学家

研究发现，石墨烯将大幅减小金属材料间的摩擦系数和磨损率，如石墨烯润滑剂得到广泛应用，仅节能一项就能每年为美国减少24.6亿度电能的损失。

（二）欧盟统筹石墨烯项目发展

石墨烯成为欧盟面向未来的重大研究计划。2013年1月，欧盟委员会宣布将石墨烯和人脑工程两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”，并分别设立专项研发计划，每项计划将在未来10年内分别获得10亿欧元的经费。欧盟FP7框架计划、欧洲研究理事会、欧洲科学基金会等都将石墨烯纳入重点支持项目。参加石墨烯研究的机构包括德国AMO有限公司、意大利大学纳米电子研究组、英国剑桥大学半导体物理组、法国原子能机构、意法半导体公司、爱尔兰科克大学纳米研究所等欧洲著名研究机构。

欧盟各国积极推进。英国是最早发现石墨烯的国家，2013年3月，英国政府表示，将于2015年前，投资6100万英镑建立国家石墨烯研究所（NGI），意在推动石墨烯在未来几十年里从实验室进入生产线和市场。德国科学基金会开展了提高对石墨烯性能的理解和操控研究，以建立新型的石墨烯基复合材料和产品型前沿研究项目。法国国家科学研究中心将石墨烯纳入2103年重要研究支持项目，重点支持石墨烯制备和纳米材料领域。

研究特点和最新进展。欧洲在石墨烯领域的研究主要聚焦石墨烯复合材料研发上，形成了国家支撑基础研究、企业促进产业化进程、跨国联动、优势互补的研究和产业化模式。基于法国

SOLEIL同步加速器X射线等实验的研究成果，2013年4月，法、美科学团队成功研制出一种用于生产石墨烯纳米带半导体的方法。该技术可高效、可控地制备石墨烯半导体，为石墨烯规模化工业生产带来可能，同时也使新一代高密度集成电路的制备不再遥不可及。

（三）日本重点突破石墨烯极大规模集成电路技术

政府有重点地支持石墨烯研发。日本学术振兴机构自2007年开始一直对石墨烯项目进行支持，到2013年，累计支持资金已超过12亿日元。支持重点主要是开发“石墨烯硅”材料工艺技术，并在此基础上开发先进极大规模集成的器件技术。

研究特点和最新进展。日本从基础研究到产业化，都瞄准石墨烯在未来电子元器件方面的应用，试图抢占石墨烯在极大规模集成电路领域的领导地位。2013年1月，日本东北大学多元物质科学研究所与昭和电工开发出量产优质超洁净石墨烯片技术，为生产极大规模集成电路打下了基础。

（四）韩国欲凭石墨烯抢占信息产业高地

政府大力支持石墨烯产业化。近年来，韩国政府大力支持本国机构开展石墨烯产业化相关研究。2007－2009年间，韩国教育科学技术部等部门累计资助了90项石墨烯产业化研究，经费达到1870万美元。2012－2018年间，韩国知识经济部将向石墨烯产业化领域提供2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于石墨烯产业化基础研发，1.26亿美元用于相关产品产业化。

企业重点突破石墨烯信息材料产业化。韩国信息领域跨国公司如三星、大宇、韩国高级科技仪器公司、韩国科技仪器公司、等都加大了在石墨烯信息材料领域产业化的投入。2013年3月，韩国三星公司的研究人员制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏。

三、我国石墨烯发展较快

（一）政府支持力度较大

新材料是国家重点支持的创新领域，在国家重大科学研究计划（如973、863、自然科学基金、产业发展基金）中都安排了较大的资金额度用以支持石墨烯的基础技术研发和产业化，并产生出了一批世界领先的科研成果。如哈尔滨工业大学胡平安课题组在国家自然科学基金委和“973”项目的支持下，最终研发出了基于类石墨烯硫化镓超薄片的新型刚性及柔性光电器件等。

（二）基础研究和世界基本保持同步

中国科学院、天津大学、清华大学、浙江大学、上海交通大学等成为我国石墨烯基础研究领域的排头兵，部分成绩达到世界先进水平。如中科院研究员刘兆平找到新的石墨烯制备技术，为产业化发展奠定了基础；哈工大研制出以石墨烯色变传感器，能够快速检测多项有害物质；中科院重庆绿色智能技术研究院研发出全球首片15英寸单层石墨烯，还制备出了７英寸的石墨烯触摸屏，成为全球最接近产业化的研究项目。

（三）产业化推进速度较快

自2012年初，石墨烯在我国成为热点词汇，各地科研院所争相研究，企业争相投资，中国石墨烯产业技术创新战略联盟、石墨烯技术转移服务平台相继成立，许多地方政府也将其产业化纳入新材料产业发展的重要措施，常州、无锡、鸡西等城市成立石墨烯产业园。许多涉及到石墨产业的企业，如中国宝安、方大碳素、新华锦等也都宣布加入到石墨烯产业化行列。

四、对我国石墨烯热的冷思考

（一）原始性创新数量大、质量相对较低

在原始创新专利数量上，我国和美国遥遥领先。截至2013年5月，全球石墨烯专利和专利申请累计达到9218件，其中中国2260件，美国1920件。但我国石墨烯专利平均被引次数很低，专利保护力度和强度也落后于美欧日韩。

（二）短时间内石墨烯无法形成产业化

从全球范围看，石墨烯目前还处在研发阶段，各国对于这个新兴材料还处于一个专利布局期，尚还没有出现产业化动向，规模化供应和需求均没有形成，在5-10年内无法形成产业化。

从国内市场来看，工业化制备石墨烯的技术工艺还很不成熟，对石墨烯的拓展性应用，特别是微片石墨烯添加剂的研究还处于起步阶段，从研发到应用的时间需要8－10年，要达到成熟的产业规模需要更长时间,行业仍在实验室单品试产摸索阶段。

从企业看，各上市公司发布的相关石墨烯的公告中可以看出，没有一家公司成功量产石墨烯,除了科研院校的实验使用外，企业

多数是处于小试或者中试阶段，并没有形成规模性产业发展。还没有达到一致性的品质，而且成品面积都非常小，不能适应工业化应用。

（三）部分企业炒作石墨烯概念争取国家政策支持

近期，因为国内创新整体市场的疲软，新材料板块的个股多处于横盘整理阶段，而新材料中的石墨烯概念，凭借其独特性，成为市场为数不多的亮点之一。部分企业借机炒作未来的行业产值有望达到数万亿元，留给了投资者较大的预期空间。在此基础上，大量原来专注于石墨生产的企业宣称自己开发出了石墨烯，借此得到了政府土地、资金等大力支持，而石墨烯的产业化问题一时不能解决。

五、政策建议

（一）加大对基础研究的投入

建议我国在国家和地方层面出台支持石墨烯研究发展的专项计划和资金，重点支持石墨烯制备工艺、石墨烯复合材料、石墨烯纳米材料等领域的共性和基础性技术研究，支持石墨烯技术推广和产业化项目，重点支持低成本石墨烯产业化项目和产业服务平台项目。

（二）加强产业链的整体布局

我国石墨矿储量占世界总量的75%，生产量占世界总产量的72%，石墨是我国少有的具有国际竞争优势的矿产之一。目前进行石墨烯研究的主要是高校院所等研究单位和少数中小企业，研

究力量比较分散。要尽快实现石墨烯产业化，必须通过技术创新和产学研协作，建立一条完整的涵盖石墨烯研发、规模化生产、下游应用等全产业链环节的技术路线和公共科技服务平台和测试平台，通过全行业的共同努力，共同突破关键的技术难题以及在应用领域实现突破，并不断提高技术水平和管理水平。

（三）加强国际、国内合作

石墨烯研究的热点区域在欧洲和美国。法国国家科研中心在石墨烯的研究过程中，非常重视和美国佐治亚理工学院、捷克科学院等国外科技机构的交流与合作，荷兰内梅亨大学的相关研究工作很多也是与英国曼彻斯特大学共同开展的。我国的研究机构已经与国外同行开展了一系列的合作，随着石墨烯研究的进一步深入，在深层次物理及化学性质的理论解释以及更普适的制备合成方法探究，需要动员多方的科研团体进行更广泛的合作沟通，这也是高效利用各方人力、物力资源的有效手段之一。

（四）警惕通过炒作石墨烯来获取项目支持的行为

国内从事石墨烯研究的机构主要为各大科研院校及一些石墨产品生产企业，只能小量生产石墨烯样品，并没有规模化生产的能力。在所有石墨烯概念上市公司中，有关石墨烯的数据多数是概念性的东西，并且研发实力相对薄弱。国内相关上市公司主要都是在炒作概念，参与炒作的资金主要是以私募为主。应建立石墨烯项目专家组评价机制，正确评价石墨烯项目，避免石墨烯项目盲目上马。