石墨烯：引领产业革命的超级材料

上图 为可弯折的石墨烯触摸屏和我国首批量产的石墨烯手机。(资料图片)

中图 石墨烯图片。(资料图片)

下图 用石墨烯制作的口罩。(资料图片)

近日，中国航发航材院、中国航发集团公司和北京市政府共同出资10亿元，联合发起设立全国有控股公司——北京石墨烯技术研究院有限公司，积极创建石墨烯产业创新中心。秉持着“全球第一的石墨烯复合技术研究及产业孵化中心”的建设目标，该公司立志通过1至2年的发展成为代表国家形象、有国际引领作用的新材料研发中心。

从导电材料到电磁再到纤维，跨越26个领域的石墨烯，以其独特的应用特性，掀起了一场席卷全球的新技术新产业革命，引发巨大关注。那么，石墨烯到底是什么?为什么会被称为“超级材料”?

“改变21世纪”的神奇材料

石墨烯是一种从石墨中剥离出来，由碳原子构成的单层片状结构新材料，厚度仅为一个碳原子，是目前已知的世界上最薄的材料。石墨烯是六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，强度是钢的100多倍。它是已知材料中电子传导速率最快的，具有97.7%的透光率，并具有优良的热导率。通俗地讲，目前在自然界中，石墨烯这种材料最薄、最结实、导电性极好，在工业领域中几乎无所不能。可以说，“超级材料”这一称号对于石墨烯是名副其实。

2004年，英国曼彻斯特大学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫领导的研究小组利用微机械剥离方法首次获得了石墨烯。2010年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯方面的开创性实验，获得诺贝尔物理学奖。

中国航发航材院院长戴圣龙介绍说，“石墨烯产品具有颗粒状和薄膜状两种形态，由于诸多独特而卓越的性质，石墨烯在电子器件、高灵敏度传感器和高性能储能器件、航空航天、生物医学、触摸面板等多方面具备巨大的潜在市场和应用前景”。

举例来说，“薄得像纸一样的透明手机”“一分钟充完电的电池”“能拎起两吨重物的手提袋”“像衬衣一样的防弹衣”……这些科幻片里才出现的物品，都可以通过石墨烯的运用来实现。利用石墨烯高柔韧性、高灵敏性等特点，还可提升智能手机触控屏的性能。今后，手机、电脑的显示屏或将超薄、超轻、可弯曲……

在汽车领域，通过添加石墨烯材料制成的超强复合材料可作为车体材料，确保汽车在强度不变甚至更高的基础上，重量大幅减轻，从而提高车辆行程;利用石墨烯良好的导电性、散热性和材质坚固性，还可研发石墨烯导静电轮胎，避免普通轮胎与地面摩擦产生的静电，从而避免装有易爆等危险品的车辆发生爆炸。

石墨烯具有许多独特的特性，根据这些特性，科研工作者为这种神奇的材料起了许多亲切的名字：比如，由于石墨烯具有与雪花类似的六角结构，航材院科研工作者给它取名叫“黑雪花”。由于石墨烯价格昂贵，价格为黄金的15倍，它又被称为“黑黄金”。石墨烯还是史上最轻的固体物质，被科研工作者称为“碳海绵”。由于添加到传统材料中，能够极大提升原有材料性能，石墨烯又被称为“工业味精”。

关注引领未来的核心技术

石墨烯堪称当前全球最热的全新材料，世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向，以期在由石墨烯引发的新一轮产业革命中占据主动和先机。而我国本身就有生产石墨烯的独特优势。据统计，我国石墨矿储量约占世界总储量的75%，生产量约占世界总产量的70%，我国石墨烯企业已超过百家。

目前，中国在石墨烯产业化方面走在世界前列。从专利申请情况来看，根据日前国际权威机构公布的数据，截至2016年9月30日，中国石墨烯专利占全世界绝大多数比例，达68.2%，之后是美国、日本和韩国。

在产业化领域，我国也涌现出一批典型企业：京东方在研发石墨烯光电器件方面取得阶段性成果;爱家科技发明的三维体系石墨烯材料在远红外线转化功率上比传统碳系材料提高30%;名朔科技研发的石墨烯新型散热材料已在北京通州区得到示范应用。

中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授刘忠范说，“未来的石墨烯产业将是建立在石墨烯材料的‘撒手锏’级的应用基础之上，而不是作为‘万金油’式的添加剂”。当前市场上的一些产品，包括服饰、涂料、复合材料、吸附、润滑产品以及石墨烯锂电池、智能手环、石墨烯手机触摸屏等，代表着我国目前研发石墨烯的主体产品，应该说在国际上处于第一方队。但与国外相比，我们关注的点却不太一样。在最新的世界移动通信大会上可以看到，国际上关注的是石墨烯超级汽车、物联网传感器、可穿戴设备与健康管理、数据通信、能源技术以及复合材料等前沿领域。

“他们关注的是未来。未来的石墨烯产业肯定会是一块大蛋糕，我们能切到多少，取决于现在关心什么、关注什么。我们的确不能仅仅关注今天的产品，要关注引领未来的核心技术，这点非常重要。”刘忠范表示。

政企携手占领创新制高点

2016年4月份，备受业界关注的《石墨烯材料的术语、定义及代号》国家标准(征求意见稿)正式公布，这标志着我国首个石墨烯国家标准制定取得重要进展。国家政策已指明了石墨烯产业的发展路线——要把石墨烯产业打造成先导产业。

近两年来，中国的石墨烯产业园区以及石墨烯基地在各地开花，各种各样所谓的“石墨烯”产品不断推出。同时，资本市场也在热炒石墨烯概念股。

对此，刘忠范表示，“目前，中国石墨烯产业发展出现了‘一拥而上’的现象，企业小而分散，产业集中度成为大问题。比如，国外做石墨烯的很多是大型企业，而在中国，基本上都是一些小型的初创企业”。刘忠范对此表示担忧，“目前，石墨烯产业处于产业化初级阶段，刚露出一点端倪，‘群众运动’式的发展方式并不能有效带动石墨烯产业的发展。如果中国不改变当前石墨烯产业的发展方式，未来，石墨烯领域的核心产业很有可能会被国外占领。石墨烯产业的发展要有国家意志，国内的大企业尤其是央企要有战略布局”。

对于新近成立的北京石墨烯技术研究院有限公司，北京市经济和信息化委员会委员姜广智介绍说，未来，北京石墨烯产业创新中心将引导开展石墨烯前沿技术、石墨烯应用技术和石墨烯产业技术发展，发挥地方政府产业引领示范和国家科研院所的技术优势，使北京成为全球石墨烯创新网络的关键枢纽、石墨烯军民融合的示范区、国家石墨烯高端产业的主引擎和主力军。

对此，刘忠范表示，确实应该建设数个面向未来石墨烯产业的高端研发机构，集中投入稳定支持。政府要明确决策定位，着重布局未来石墨烯产业核心技术，将中低端产品放手交给市场和企业。政府要抓住未来的布局，对于市场和企业都能做的事情，其实政府只需要布局环境就可以了。

“我不怀疑石墨烯产业化的前景，但这条路绝对没那么简单，不是3至5个月即可完成，而是布满荆棘的一条路，需要耐心和坚持。没有好的石墨烯材料就没有产业的未来，因此，我们坚定信心，要做最好的石墨烯材料。”刘忠范说。