劉彥紅

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京，100846）

我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑

劉彥紅

（中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京，100846）

石墨烯在世界掀起了一股研究熱潮，被譽(yù)為改變未來的新材料，未來十年是石墨烯從實(shí)驗(yàn)室步入應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。本文通過闡述石墨烯產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義，分析石墨烯在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化路徑，分析發(fā)達(dá)國(guó)家和國(guó)際名企對(duì)發(fā)展石墨烯的態(tài)度，石墨烯產(chǎn)業(yè)在我國(guó)政策中的地位以及我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)當(dāng)前面臨的問題。并在分析石墨烯特性和各領(lǐng)域中應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上，設(shè)想了四條我國(guó)發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)的主要路徑，分別是重大工程牽引推動(dòng)，重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用示范，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同推進(jìn)和創(chuàng)新平臺(tái)集聚發(fā)展1. 本文原稿寫成于2016年1月，發(fā)表于中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院內(nèi)部刊物《原材料工業(yè)研究》2016年第1期。。

石墨烯產(chǎn)業(yè)；路徑

工業(yè)經(jīng)濟(jì)論壇 URL： http//www.iereview.com.cn DOI： 10.11970/j.issn.2095-7866.2016.05.008

引言

石墨烯是目前最薄也最堅(jiān)硬的納米材料，集透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高等多種優(yōu)異性能于一身，是主導(dǎo)未來高科技競(jìng)爭(zhēng)的超級(jí)材料［1］，被稱為“黑金”，可極大推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和升級(jí)換代，市場(chǎng)前景廣闊，有望催生千億元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

一、背景和意義

由于硅材料本身限制，計(jì)算機(jī)、芯片或電子器件的開發(fā)速度再難遵守摩爾定律，性能提升速度減慢。石墨烯中電子運(yùn)行幾乎無阻礙，運(yùn)行速度是硅的數(shù)倍，為打破這一瓶頸帶來可能。加之智能化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、可穿戴裝備的興起，對(duì)高速計(jì)算機(jī)、高效能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)、柔性電子的需求迫在眉睫，石墨烯可在這些領(lǐng)域發(fā)揮決定性的作用，這預(yù)示著全球科技發(fā)展將從過去的硅時(shí)代邁入以石墨烯等碳材料為代表的碳時(shí)代［2］。

石墨烯問世之后，美國(guó)、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛從國(guó)家戰(zhàn)略高度開始部署石墨烯研究和發(fā)展規(guī)劃，投入數(shù)十億美元支持石墨烯研究和商業(yè)化。三星電子、IBM、諾基亞、陶氏化學(xué)、通用、施樂公司、拜爾、巴斯夫等跨國(guó)集團(tuán)，也都瞄準(zhǔn)石墨烯市場(chǎng)，積極推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究。

中國(guó)是石墨資源大國(guó)，也是石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國(guó)家之一。繼《中國(guó)制造 2025》、《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》等國(guó)家戰(zhàn)略性文件將石墨烯納入重要的前沿性新材料之后，工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委和科技部又聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，助推石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，引領(lǐng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。

二、我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題

我國(guó)具備發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)的先天條件，石墨礦儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的近75%，年產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%，是我國(guó)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的礦產(chǎn)之一，但是目前國(guó)內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚面臨一些問題。

石墨烯產(chǎn)業(yè)化在基礎(chǔ)科學(xué)、設(shè)備制造、應(yīng)用技術(shù)上存在技術(shù)瓶頸：石墨烯生產(chǎn)工藝主要是氧化還原法生產(chǎn)氧化石墨烯粉體和石墨烯粉體，耗酸耗水，治污成本高，生產(chǎn)出來的石墨烯結(jié)構(gòu)已遭到較大破壞，導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性受損，作為添加材料應(yīng)用于油墨、涂料、復(fù)合材料，影響不大，但是很難滿足晶體管、硅光子器件集成、傳感器、納米電機(jī)械系統(tǒng)、高頻電子等領(lǐng)域在納米級(jí)別對(duì)石墨烯單體材料完整性和一致性的高要求；我國(guó)也可以用CVD法量產(chǎn)石墨烯薄膜，但是德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的CVD設(shè)備性能普遍較國(guó)內(nèi)同類設(shè)備穩(wěn)定性高，得到的石墨烯薄膜缺陷少，過程可控性強(qiáng)，也阻礙了其在柔性電子領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，進(jìn)口設(shè)備也加大了產(chǎn)業(yè)化本身的成本；在石墨烯高端應(yīng)用技術(shù)開發(fā)上，我國(guó)較國(guó)外有相當(dāng)差距，取得成果的研究領(lǐng)域多限于混合添加或改性石墨烯材料于電極、涂料、復(fù)合材料等，對(duì)于石墨烯晶體管等微納電子器件的研究較少［3］。

另外我國(guó)當(dāng)代基礎(chǔ)科學(xué)積累時(shí)間短，底子薄，在數(shù)學(xué)模擬、大數(shù)據(jù)、機(jī)械、物理、化學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究水平有差距，創(chuàng)新能力弱。并且我國(guó)石墨烯企業(yè)多是處于創(chuàng)業(yè)成長(zhǎng)期的中小型企業(yè)，缺乏產(chǎn)業(yè)鏈整體帶動(dòng)作用突出的龍頭企業(yè)。

石墨烯是開啟未來的產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，其產(chǎn)業(yè)化過程，也是檢驗(yàn)和提升我國(guó)綜合科技實(shí)力的過程。在研究國(guó)內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，提出石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策建議：保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)促進(jìn)公共平臺(tái)成果落地、加強(qiáng)人才培養(yǎng)夯實(shí)綜合科技基礎(chǔ)、鼓勵(lì)引入民間資本發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，并就我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展設(shè)想四條主要路徑［4］。

三、我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的四條主要路徑

（一）路徑一：重大工程牽引推動(dòng)

通過政府政策引導(dǎo)，圍繞我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全重大需求，整合創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化等資源，抓住重點(diǎn)，實(shí)施多項(xiàng)重大工程，開發(fā)一批標(biāo)志性、牽引推動(dòng)作用強(qiáng)的重點(diǎn)產(chǎn)品和代表工藝，提升自主開發(fā)設(shè)計(jì)水平和系統(tǒng)集成能力。突破石墨烯晶體管、石墨烯電極、石墨烯芯片、石墨烯光電子器件、石墨烯高頻器件、石墨烯激光器件等關(guān)鍵核心部件、關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成工藝，突破共性關(guān)鍵技術(shù)和工程化、產(chǎn)業(yè)化瓶頸，提高石墨烯創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)材料行業(yè)整體綜合實(shí)力發(fā)展，搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。

實(shí)施石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化工程，為擴(kuò)大石墨烯及相關(guān)材料產(chǎn)品市場(chǎng)，對(duì)石墨烯及相關(guān)材料的技術(shù)評(píng)估和分類進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以確保其在不同應(yīng)用市場(chǎng)中質(zhì)量的一致性和可重復(fù)性。

實(shí)施超級(jí)計(jì)算機(jī)工程，突破石墨烯晶體管、顯示材料、高頻電子器件、電子芯片和高頻電路集成核心技術(shù)，進(jìn)一步增加高頻電子器件工作頻率，減小熱損耗和器件體積，增大高頻電路集成度，開發(fā)新型納米電子器件和高清多維顯示技術(shù)。

實(shí)施可穿戴智能設(shè)備工程，突破柔性石墨烯電極、柔性石墨烯觸摸屏、石墨烯生物傳感器、石墨烯化學(xué)傳感器、石墨烯微型超級(jí)電容等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其在智能手表、智能手環(huán)、智能眼鏡、智能服飾等上的應(yīng)用，減輕可穿戴智能裝備重量，增加其人體學(xué)適配性和智能性。

實(shí)施儲(chǔ)能工程，突破石墨烯超級(jí)電容器、石墨烯高壓電纜等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能量傳輸系統(tǒng)，風(fēng)能、光伏發(fā)電能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)以及城鎮(zhèn)居民的自備電和家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，提高能量存儲(chǔ)效率，減少傳輸過程中的能量損失。

實(shí)施高效新能源工程，突破石墨烯鋰離子電池電極、石墨烯透明導(dǎo)電膜、石墨烯透光膜、石墨烯儲(chǔ)氫、甲烷材料等核心技術(shù)，提高電池材料能量密度，增加電池續(xù)航里程，縮短充電時(shí)間，提高循環(huán)壽命，替代ITO，實(shí)現(xiàn)新一代高效新能源電池和轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽(yáng)能電池。

實(shí)施軍工裝備換代工程，突破石墨烯光電子傳感器、石墨烯激光器、石墨烯輕質(zhì)復(fù)合材料［5］、石墨烯高強(qiáng)高韌紡織材料等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在軍用遠(yuǎn)程探測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、激光武器系統(tǒng)、軍用飛機(jī)、軍用裝甲防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，升級(jí)我國(guó)現(xiàn)代國(guó)防裝備，增強(qiáng)軍事實(shí)力和國(guó)際影響力。

（二）路徑二：重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用示范

堅(jiān)持石墨烯發(fā)展全國(guó)一盤棋和分行業(yè)指導(dǎo)相結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃，整合資源，合理布局，明確石墨烯發(fā)展大方向。鼓勵(lì)全民創(chuàng)新，引導(dǎo)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，扎實(shí)提高基礎(chǔ)科學(xué)理論水平，促進(jìn)各行業(yè)深度發(fā)展，總結(jié)積累產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，加快推動(dòng)石墨烯應(yīng)用整體水平提升，開展重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用示范工作。

第一，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，緣于對(duì)分子間相互作用極其敏感，并在理論上可實(shí)現(xiàn)單分子檢測(cè)，石墨烯及相關(guān)材料是制作生物傳感器的理想材料，特別是用于開發(fā)生物系統(tǒng)的界面?zhèn)鞲衅?。傳感技術(shù)與生物學(xué)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級(jí)的細(xì)胞表面動(dòng)力學(xué)研究，并創(chuàng)造出新型器件，以開發(fā)基于石墨烯及相關(guān)材料的醫(yī)用新技術(shù)。

第二，化學(xué)領(lǐng)域，因石墨烯及其相關(guān)材料對(duì)分子間相互作用敏感，是制備化學(xué)傳感器的理想材料，可用于化學(xué)分析，環(huán)境監(jiān)測(cè)等；另外，石墨烯及其相關(guān)材料可達(dá)到只有原子厚度，且具有優(yōu)良的力、熱、電性能，對(duì)腐蝕介質(zhì)抗?jié)B性好，與基材表面附著力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性高，可防止嚴(yán)酷環(huán)境下的電磁損害，在海洋工程防腐，如船舶、海上風(fēng)電等等防腐，或其他高性能、輕質(zhì)技術(shù)應(yīng)用的功能涂層和界面領(lǐng)域中，均有理想應(yīng)用前景。

第三，能源領(lǐng)域，一方面替代昂貴鉑金屬催化劑，延長(zhǎng)電源設(shè)備壽命；另一方面因?yàn)槭┑母咻d流子遷移率和優(yōu)異的力學(xué)性能，可提供更好的網(wǎng)絡(luò)，承受充放電過程中很大的體積變化，維持有效的電子收集和運(yùn)輸狀態(tài)，為增加能量轉(zhuǎn)換效率提供可行解決方法，所以石墨烯及其相關(guān)材料可應(yīng)用于復(fù)合材料和能源方面的功能材料，制備高能量轉(zhuǎn)換效率電極、高容量電池、電容、儲(chǔ)能設(shè)備等。

第四，納米器件領(lǐng)域，石墨烯力學(xué)強(qiáng)度高，可作為最終薄膜，應(yīng)用于很多工業(yè)工藝的核心領(lǐng)域，如海水淡化、水過濾等。石墨烯膜對(duì)微型電子信號(hào)敏感，可實(shí)現(xiàn)從納米流體到納米諧振器的制造，非常適合應(yīng)用于納米電機(jī)械系統(tǒng)，也可用作投射電鏡成像和高頻電子產(chǎn)品等。

第五，電子領(lǐng)域，以其為抓手率先突破石墨烯高端應(yīng)用。一、通過石墨烯及其相關(guān)材料與基于硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦等傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的集成，提升混合系統(tǒng)性能，制備石墨烯升級(jí)版電子器件。二、通過石墨烯及其相關(guān)材料膜的轉(zhuǎn)移與鍵合，實(shí)現(xiàn)其在半導(dǎo)體平臺(tái)上的后端集成，借助與半導(dǎo)體器件間的界面設(shè)計(jì)，發(fā)揮集兩種材料功能于一體的集成器件工作潛力。三、通過石墨烯及其相關(guān)材料設(shè)計(jì)新的層狀材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，用于功能電子和光電、能帶結(jié)構(gòu)材料。四、通過石墨烯及其相關(guān)材料開發(fā)射頻用無源組件，如測(cè)試天線、電子互連、熱擴(kuò)散層、過濾器和微機(jī)電系統(tǒng)等無源組件，以及自混合天線、可用開關(guān)控制的屏障、光學(xué)透明器件等新型微波天線與器件，拓展其在高頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用。五、通過開發(fā)集成石墨烯及其相關(guān)材料與硅波導(dǎo)、無源光路，拓展硅光子學(xué)集成技術(shù)，應(yīng)用于下一代計(jì)算與通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的CMOS硅制造產(chǎn)線對(duì)此類晶片的規(guī)模集成。六、通過研究石墨烯柔性電子器件和系統(tǒng)，如柔性傳感器、柔性射頻電子和無線連接方案、柔性無源電子技術(shù)、柔性電子學(xué)系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)等，拓展其在柔性電子學(xué)以及可穿戴裝備方面的應(yīng)用。七、通過石墨烯電子和光電子組件結(jié)合，研究石墨烯及二維材料光學(xué)行為和光電響應(yīng)理論，開拓石墨烯光子學(xué)和光電子學(xué)應(yīng)用。

（三）路徑三：產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同推進(jìn)

產(chǎn)學(xué)研用多渠道協(xié)同推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，通過生產(chǎn)單位、學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)和用戶等相互配合，集中各自優(yōu)勢(shì)資源，形成研究、開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用一體化的高效系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)業(yè)鏈從實(shí)驗(yàn)成果到實(shí)際應(yīng)用的整體效率，降低轉(zhuǎn)化成本。建立石墨烯上游生產(chǎn)企業(yè)，包括石墨礦企、石墨烯生產(chǎn)設(shè)備CVD等設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，和下游應(yīng)用企業(yè)，包括電子企業(yè)、電池企業(yè)、生物醫(yī)藥企業(yè)、航空航天企業(yè)等與高校、研究院所等科研機(jī)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟等。提煉共性技術(shù)，加強(qiáng)石墨烯公共技術(shù)服務(wù)，降低石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的時(shí)間、資金、技術(shù)、工藝、設(shè)備、人才等成本，為聯(lián)盟單位提供一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量的起點(diǎn)和合作渠道。目前，我國(guó)已成立了中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和京津冀石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟兩家聯(lián)盟單位。

（四） 路徑四：創(chuàng)新平臺(tái)集聚發(fā)展

完善國(guó)家石墨烯創(chuàng)新體系建設(shè)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，加快建立以創(chuàng)新中心為核心載體、以公共服務(wù)平臺(tái)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心為支撐的石墨烯創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。建立以市場(chǎng)為主導(dǎo)的創(chuàng)新和應(yīng)用方向選擇機(jī)制以及鼓勵(lì)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)、利益共享機(jī)制。建立石墨烯創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園區(qū)和基地，引進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化孵化器和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化加速器。利用地方人才、資源、資金等優(yōu)勢(shì)發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群，集聚新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)，加速石墨烯創(chuàng)新和應(yīng)用突破及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。建設(shè)一批促進(jìn)石墨烯協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的公共服務(wù)平臺(tái)，規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開展技術(shù)研發(fā)、技術(shù)評(píng)價(jià)、技術(shù)交易、檢驗(yàn)檢測(cè)、質(zhì)量認(rèn)證、人才培訓(xùn)等專業(yè)化服務(wù)，提高科技成果轉(zhuǎn)化效率和推廣應(yīng)用速度。

［1］吳娟霞，徐華，張錦.拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用［J］.化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，72：301-318.

［2］梁彤祥，劉娟，王晨.石墨烯的電子結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用進(jìn)展［J］.材料工程，2014，6：89-96.

［3］呂偉，鄭曉雨，康飛宇.2014石墨烯高峰論壇順利召開［J］.新型炭材料，2014，29（4）：1-2.

［4］張鵬，雷家騙.基于科學(xué)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式研究［J］.科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2015，36（9）：40-53.

［5］匡達(dá)，胡文彬.石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2013，28（3）：235-246.

The Path of Chinese Graphene Industry Development

Yanhong Liu
（China Center for Information Industry Development， Beijing， 100846， China）

Graphene known as a kind of new material which maybe change the future， sets off the related research upsurge in the world. It's a critical period for the application of graphene from the laboratory research， and in order to explore the path of graphene industrialization in China， some research has been done. This paper presents the significance of the development of graphene industry， the attitude of developed countries and international famous enterprises to it， the status of graphene industry in China Policy and the challenges of Chinese graphene industry. On the basis of analyzing the property of graphene and application in various fields， prospects four main paths for the development of graphene industry in China. It's major projects traction， key industries application demonstration， industry-university-research institution-customer coordinated promotion， and innovation platform agglomeration development.

Graphene Industry； the Path of Industry Development

T-19

A

2095-7866 （2016） 05-538-05

劉彥紅（1984-），女，河北省衡水市人，材料科學(xué)與工程專業(yè)工學(xué)碩士，中級(jí)工程師，主要從事稀土、新材料、鋰電材料、石墨烯、醫(yī)藥等領(lǐng)域研究工作。