2004年，兩位俄裔英籍科學(xué)家將石墨烯成功從石墨中分離。石墨烯集合世界上最優(yōu)質(zhì)的各種材料品質(zhì)于一身，如果說(shuō)20世紀(jì)是硅的世紀(jì)，神奇的石墨烯則是21世紀(jì)新材料的寵兒。
石墨烯用途非常廣泛，是一種被科學(xué)家寄于厚望的新型材料。在制造業(yè)，它不僅被運(yùn)用在半導(dǎo)體芯片、光子傳感器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域，而且在柔性觸摸屏方面上，石墨烯也有相當(dāng)大的用途。
日前，一種可以隨意卷曲也不會(huì)影響使用效果的觸摸屏在重慶研制成功。中科院重慶綠色智能技術(shù)研究院表示，他們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了15英寸單層石墨烯的制備，并成功地將石墨烯透明電極應(yīng)用于電阻觸摸屏上，制備出7英寸石墨烯觸摸屏。該研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心副主任史浩飛表示，目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位。
據(jù)了解，觸摸屏是目前最簡(jiǎn)單、自然的一種人機(jī)交互方式，賦予了多媒體嶄新的面貌。透明電極作為觸摸屏的核心組成部分，成為當(dāng)前的重要研究領(lǐng)域之一。目前，市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品采用的材料為氧化銦錫，不僅價(jià)格高，而且易碎。新興的石墨烯觸摸屏，具有原材料獲取方便、制造成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，優(yōu)異的柔韌性更使其具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
史浩飛表示，廣州、深圳等地的風(fēng)投機(jī)構(gòu)已對(duì)石墨烯產(chǎn)生了濃厚的興趣，正在與中科院重慶研究院洽談合作。研究人員也正積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的設(shè)備改造，預(yù)計(jì)年內(nèi)達(dá)到批量生產(chǎn)的能力。2015年后，市場(chǎng)上有望見(jiàn)到能夠卷曲的觸摸屏產(chǎn)品。
石墨烯是目前世界上已知的最薄的材料，幾乎完全透明，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。
為推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟日前在京成立。該聯(lián)盟由清華大學(xué)、中科院金屬研究所、北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國(guó)內(nèi)從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機(jī)構(gòu)。聯(lián)盟成員包括6所高校、4家中科院研究所、17家企業(yè)，基本囊括了國(guó)內(nèi)石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主流單位。
作為一種新型的納米材料，石墨烯以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它是目前人類(lèi)已知強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、導(dǎo)電性最佳的材料。
分析認(rèn)為，首先，石墨烯如果取代硅，有望讓計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度快數(shù)百倍。其次，石墨烯有望引發(fā)觸摸屏和顯示器產(chǎn)品的革命，制造出可折疊、伸縮的顯示器件。再其次，石墨烯可以推動(dòng)超級(jí)電容器發(fā)展，使得同等體積的電容擴(kuò)充5倍以上的容量。此外，石墨烯因超強(qiáng)的光轉(zhuǎn)換能力，可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度，也有望被用于制造紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、超堅(jiān)韌的防彈衣和“太空電梯”的纜線，在這些領(lǐng)域?qū)⒁l(fā)革命性的突破。
作為一種技術(shù)含量極高的碳材料，石墨烯在觸控屏、半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、光器件、航天、軍工、LED、激光等領(lǐng)域都將帶來(lái)一次材料革命。由于售價(jià)高昂，石墨烯目前尚未產(chǎn)業(yè)化。有分析認(rèn)為，作為一種理想的替代型材料，石墨烯一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化其產(chǎn)值至少在萬(wàn)億以上。
中國(guó)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯
中國(guó)具有發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚的條件。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)石墨礦儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的75%，生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國(guó)少有的幾種具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的礦產(chǎn)之一。
論壇上，各科研單位專(zhuān)家和企業(yè)代表認(rèn)為，石墨烯在我國(guó)的應(yīng)用前景十分廣闊，現(xiàn)在行業(yè)正處于從技術(shù)向商業(yè)演變的關(guān)鍵時(shí)期。但從實(shí)際情況來(lái)看，成本和工藝問(wèn)題的存在使得石墨烯短期內(nèi)無(wú)法形成真正的商業(yè)規(guī)模，在應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，鋰電池和環(huán)保涂層材料有望是國(guó)內(nèi)石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域未來(lái)的一大突破口。
石墨烯的制成需要有尖端的制備工藝，目前業(yè)內(nèi)主要有四種制備方法，分別是機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、氧化石墨還原法和氣相沉積法(CVD)。前三種的原材料均為石墨，CVD法原材料則為甲烷居多。由于制造成本相對(duì)較低，目前業(yè)內(nèi)多采用機(jī)械剝離法和氧化石墨還原法制造石墨烯。
中科院寧波材料所石墨烯研究團(tuán)隊(duì)研究員周旭峰表示，目前國(guó)內(nèi)對(duì)石墨烯的應(yīng)用前景頗為看好，多個(gè)領(lǐng)域都準(zhǔn)備躍躍欲試。但從實(shí)際情況來(lái)看，制造工藝不穩(wěn)定和成本居高不下，仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化最需要解決的問(wèn)題，從制造工藝來(lái)看，目前業(yè)內(nèi)的四種方法均有各自的優(yōu)勢(shì)和缺陷，產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。周旭峰認(rèn)為，由于產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)較短，環(huán)保和儲(chǔ)能領(lǐng)域有望成為率先實(shí)現(xiàn)石墨烯商用。
在相關(guān)政策扶持方面，工信部原材料司副司長(zhǎng)高云虎表示，在編制新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃的時(shí)候，石墨烯還沒(méi)有目前這樣熱門(mén)，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景也并不明朗，因此在規(guī)劃文本、產(chǎn)品目錄中沒(méi)有把石墨烯作為主要重點(diǎn)，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的突破，下一步會(huì)統(tǒng)籌研究并予以考慮。
產(chǎn)業(yè)化難題待破
業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指出，石墨烯目前整體主要還處在研發(fā)階段，制備石墨烯的技術(shù)工藝還不太成熟，而且成品面積相對(duì)較小，不能適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用。各國(guó)對(duì)于這個(gè)新興材料還處于一個(gè)專(zhuān)利布局期，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也還沒(méi)有形成。我國(guó)在石墨烯基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)十分突出。
有關(guān)研究顯示，截至2012年底，我國(guó)發(fā)表的石墨烯論文數(shù)量已經(jīng)超過(guò)美國(guó)，名列世界首位，而且部分團(tuán)隊(duì)的研究成果受到了世界各國(guó)的高度重視，被引用達(dá)數(shù)千次之多。飛速發(fā)展的還有我國(guó)的石墨烯專(zhuān)利數(shù)量，無(wú)論從專(zhuān)利受理數(shù)量，還是優(yōu)先權(quán)專(zhuān)利數(shù)量來(lái)看，我國(guó)都是僅次于美國(guó)的世界第二大國(guó)。這意味著，一方面我國(guó)企業(yè)高度重視石墨烯技術(shù)開(kāi)發(fā)并積極申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù)，另一方面也表明世界其他國(guó)家對(duì)我國(guó)石墨烯市場(chǎng)相當(dāng)關(guān)注。
然而，在石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路上存在諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，一方面尚未具備規(guī)模化生產(chǎn)能力，產(chǎn)品成本高；另一方面石墨烯還未真正形成下游的應(yīng)用和需求。因此現(xiàn)在既要盡可能降低成本實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，又要盡快在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)突破。目前進(jìn)行石墨烯研究的主要是高校院所等研究單位和少數(shù)中小企業(yè)，研究力量比較分散，要盡快實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，必須通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研協(xié)作，建立一條完整的涵蓋石墨烯研發(fā)、規(guī)模化身材干旱、下游應(yīng)用等全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)的技術(shù)路線和公共科技服務(wù)平臺(tái)和測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)全行業(yè)的共同努力，共同突破關(guān)鍵的技術(shù)難題以及在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，并不斷提高技術(shù)水平和管理水平。
石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的組建宗旨是為了整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源；以推進(jìn)低成本石墨烯及裝備的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，建立上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等資源共享機(jī)制；建立與政府溝通的渠道及人才培養(yǎng)、國(guó)際合作的平臺(tái)；推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)、質(zhì)量檢測(cè)體系的建立，促進(jìn)成員單位的自身發(fā)展，提升低成本石墨烯的整體競(jìng)爭(zhēng)力，從而達(dá)到推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目的。
石墨烯作為ITO導(dǎo)電膜的替代性材料曾被觸摸屏行業(yè)高度關(guān)注。石墨烯技術(shù)可以使得顯示屏具有柔性，但由于手機(jī)等智能終端的產(chǎn)業(yè)鏈太長(zhǎng)，產(chǎn)品的成形需要電路板、機(jī)身材料等整個(gè)供應(yīng)鏈的配合。理論上講這些東西在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但要商用還需要一定的時(shí)間，不僅因?yàn)槌杀倦x譜，良率問(wèn)題也很不樂(lè)觀。業(yè)內(nèi)人士表示，三星電子前期在這方面投入了大量的研發(fā)資源，原計(jì)劃在今年要推出一款類(lèi)似的概念。
石墨烯離產(chǎn)業(yè)化還有多遠(yuǎn)？
“一年之前，我不敢說(shuō)我的單層石墨烯已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，但現(xiàn)在敢說(shuō)了。”上海交通大學(xué)郭守武教授在臺(tái)下對(duì)記者如是說(shuō)。
就在之前半小時(shí)，郭教授團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)成果在臺(tái)上展示PPT時(shí)，受到了臺(tái)下企業(yè)界的追問(wèn)，“我要5公斤，你能給我嗎？”“簽了合同，幾天就能給你。”“價(jià)格多少？”“我成本是0.5元/克，但這是郭老師幾年心血，他肯定不會(huì)以這個(gè)價(jià)賣(mài)給你。”
在國(guó)際上，單層石墨烯售價(jià)是2000元/克。
同樣是石墨烯制備者，中科院寧波材料所劉兆平受到同行的追問(wèn)，“你9塊錢(qián)太貴了，你能做到1元/克嗎？”“當(dāng)然可以。”“一兩毛錢(qián)呢？”“這是商業(yè)秘密。”
劉兆平團(tuán)隊(duì)多層石墨烯(比單層制備更容易，成本更低)技術(shù)已經(jīng)賣(mài)給了華南家族控股股東南江集團(tuán)的兄弟單位。據(jù)悉，該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目預(yù)計(jì)于11月投產(chǎn)，是全球首條30噸石墨烯生產(chǎn)線。
對(duì)于該項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化前景，劉兆平稱“關(guān)鍵看下游。”
中科院金屬所與金路集團(tuán)簽訂了技術(shù)合作協(xié)議。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人任文才告訴記者，去年該項(xiàng)目已經(jīng)完成了中試，隨時(shí)可以工業(yè)化，“關(guān)鍵看下游市場(chǎng)。”
石墨烯下游應(yīng)用廣泛，如鋰電池、涂料、LED等。下游應(yīng)用市場(chǎng)若沒(méi)有成熟，制備就難以量產(chǎn)。一家深圳公司2010年就開(kāi)始賣(mài)石墨烯，但苦于應(yīng)用市場(chǎng)沒(méi)有起來(lái)，銷(xiāo)量一直做不起來(lái)。
不過(guò)，石墨烯下游應(yīng)用在部分領(lǐng)域可能率先突破。南京科孚納米技術(shù)有限公司蕭小月總經(jīng)理透露，一位做散熱復(fù)合材料的海外客戶已經(jīng)提出計(jì)劃，希望逐月實(shí)現(xiàn)每月四噸的供貨需求。
劉兆平認(rèn)為，鋰電池、LED將有望成為國(guó)內(nèi)最先利用石墨烯的下游行業(yè)。
不過(guò)，北京一企業(yè)試用了多家科研單位試驗(yàn)室石墨烯產(chǎn)品，他認(rèn)為，上游石墨烯品質(zhì)并不穩(wěn)定。
石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈雖然沒(méi)有成熟，但投資熱潮已經(jīng)顯現(xiàn)，劉兆平作為較早掌握該技術(shù)的科研人員對(duì)此感觸很深，他用“太狂熱了”來(lái)形容。