石墨烯产业发展现状及展望
发布时间:2018-08-08 09:56:43

石墨烯产业发展现状及展望


石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体,主要制备来源是石墨与甲烷。石墨烯是一种有着高强韧性的超薄材料,断裂强度较大,超过钢材的200倍;弹性较好,拉伸幅度超过20%,导电性优异。2004年,英国曼侧斯特大学盖姆教授和诺沃肖洛夫教授从原生石墨中成功制备单层晶体石墨烯,证实了石墨烯可以在自然环境中存在,两人也因此发现获得了2010年诺贝尔物理学奖。


一、石墨烯的全球产业化


近年来,美国、欧洲、日本、韩国等国家对石墨烯投人了大量人力财力,石墨烯相关扶持政策与产业化研究也提上议程。2013年1月,欧盟委员会将石墨烯列为未来新兴技术的支柱材料之一,拿出10亿欧元专项资金资助石墨烯制备与应用研究工作。美国国家自然科学基金会资助了超过500项有关石墨烯的研究,重点包括石墨烯制备、石墨烯复合材料生产、存储器件开发和石墨烯生物传感器等方向。美国国防部与国防高级研究计划署也开展了多项石墨烯研究项目,以开发更轻更小、更快和更高频的电子器件为核心目的。


以英国为例,作为石墨烯的诞生国,英国在石墨烯研究成果产业化上却历经迷途。2016年3月《星期日泰晤士报》发表专文,指责全球最大石墨烯生产商之一的BGT公司和“国家石墨烯研究院”存在利益输出,曼大一些研究人员对此表示强烈反对,虽在技术、管理以及资金方面,曼大有着其得天独厚的优势,但无奈推动产品应用市场化就变得捉襟见肘,曼大国家石墨烯研究院更遭到了国会“是否很好保护了知识产权”的质疑。


英国从事石墨烯商业开发的公司并不多,其本土企业更缺乏对石墨烯商业化的兴趣,伦敦大学的大卫·普莱斯直言“英国不会成为石墨烯的工业基地”,因此英国无法借助本土企业将石墨烯从研究室推向市场。


二、中国石墨烯的产业化


1.中国石墨烯产业化地位


我国石墨的储量、产量及出口量均居世界之首,其中石墨产量约占世界总产量的45%,在石墨烯的产业化进程中拥有一定优势。石墨烯研究刚刚起步之时,我国就重视对石墨烯研发的资金支持。尤其是“十二五”期间,我国石墨烯材料及应用在技术研发、生产工艺等方面取得了重要突破,各领域应用效果逐步显现,石墨烯产业化步伐明显加快。


目前为止我国拥有全球超过1/3的石墨烯研发专利,在石墨烯制备、性能研发等方面走在了世界前列。2016年7月12日在江苏常州发布的《新华(常州)全球石墨烯指数报告》显示,2015年,中国已超越美国、韩国,在全球石墨烯产业综合发展实力榜上居首位。


全球石墨烯指数评价结果显示(图1),2015年样本国家石墨烯产业综合发展水平前3的国家为别为:中国、美国和韩国。其中中国处在相对领先的位置,美国、韩国紧随其后;德国、日本、澳大利亚和新加坡处在第2梯队;英国、印度、加拿大和法国位于第3梯队;俄罗斯、西班牙和意大利处于第4梯队。


640.webp.jpg

图1 全球石墨烯指数评价结果


2.产业化主要模式


(1)江苏(常州)模式


我国地方政府对石墨烯产业极为重视,一批石墨烯产业园纷纷涌现,以江苏最为典型。2011年5月,常州市委、市政府共同出资5000万元建设全球第一家专业从事石墨烯研发和产业化的新型研发机构一一江南石墨烯研究院,同期启动常州市石墨烯科技产业园建设。其“研究院+孵化(加速)器+产业园”的产业创新链条让石墨烯产业在江南落地生根,产研结合的建设理念为江苏的石墨烯产业发展深深地打牢了地基。


江苏(常州)模式具有以下六大特点:技术人才主要来自国外;得到天使投资的支持;政府建设公共服务平台;建立专业的孵化器;主要技术及管理团队控股;独立上市。


由于石墨烯材料应用日益广泛,逐渐受到社会各界的广泛关注,石墨烯应用研发的热潮涌现。“全国石墨烯看江苏、江苏石墨烯看常州”已成为业内共识,2015年常州石墨烯产业规模达到12亿元,2016年江苏省石墨烯产业技术创新战略联盟获批科技部“科技服务业试点单位”。


(2)学院(科学院)模式


学院(科学院)模式如图2所示,以南江集团为代表的学院(科学院)模式具有以下五大特征:技术来源于科学院;上市公司(母公司)管理;研究单位获得大量成果转化的收入;与资本运作紧密结合;主要技术骨干缺乏积极性。


640.webp (1).jpg

图2 学院(科学院)模式


(3)大学模式


《全球石墨烯产业专利分析报告(2016)》报告显示,中国是全球石墨烯技术专利申请量最大的国家;美国、韩国和日本紧随其后,也是石墨烯技术的主要原创国。高校和科研机构是我国研究开发石墨烯材料及应用的主体。数据显示,在所有国家中,中国申请的石墨烯专利数量最多,已超过2200项,占全世界的1/3;美国、韩国和日本紧随其后,也是石墨烯技术的主要原创国。根据国家知识产权局数据统计,2005年至今全国申请石墨烯专利的单位来看(图3所示),专利申请量除了第一名的海洋王照明科技股份有限公司,其余前十名均为高校和科研院所,高校和科研机构成为了我国研究开发石墨烯材料及应用的主体。


640.webp (2).jpg

图3 中国石墨烯申请专利排名


大学模式具有以下3大特征:技术来源于大学教授;以技术入股的方式参加;辅以技术咨询、顾问方式。


三、石墨烯发热膜的应用


目前,中国石墨烯产业化的两大应用分别为石墨烯粉末涂料和石墨烯发热膜。粉末涂料由于门槛相对较低,鉴别难度高,市场较为混乱;而石墨烯发热膜,拥有单层石墨烯的明显特征,具有透明、轻薄、柔软可折叠等特性,也是实现大规模石墨烯民用的核心基础。


1.发热膜基本原理


从石墨烯的能带结构可知,单层石墨烯在电场为零时,导电载流子浓度为零,称狄拉克点。在距离狄拉克点较远的地方,石墨烯中只有单一的载流子。负栅压使石墨烯成为电子导电,最终使器件的电阻率发生从几千欧到几百欧姆的变化。在实验中可以测量电阻率(或电导率)和霍尔系数来证实栅压对石墨烯载流子的调节作用。在狄拉克点附近,石墨烯中载流子逐渐由电子(或空穴)过渡到空穴(或电子),霍尔系数在此处改变符号(电子为正,空穴为负),此时载流子的浓度最小,电阻率最大。根据石墨烯此种特性为基础,开发了温度可控、可调节的石墨烯发热膜,其工作原理如图4所示。


640.webp (3).jpg

图4 发热膜工作原理示意图

(Graphene film:石墨烯膜;PET:聚酯;Ag:银;power supply DC:直流电源)


2.发热膜优异性能


由于石墨烯本身是二维及柔性、透明、结构稳定,其低电阻率,可耐受极高的饱和电流,交、直流通用;其低电压变生高热量,3V电源即可加温至100℃以上,轻松实现低品位能源到高品位应用的转化;具有高饱和电流、高导热系数,单位面积功率高,具有发热快、传热快、发热均匀的特性;石墨烯膜是百分之百的碳,碳产生远红外辐射,有良好的医疗、理疗作用。因此,石墨烯非常适合应用在加热膜领域,石墨烯透明发热膜利用石墨烯优良的加热性能和远红外光波,实现了日常保暖和健康理疗的双重功效。通过石墨烯优异的电热转化等性能,实现了快速保暖驱寒,而石墨烯加热发射的6~15μm远红外光波,能有效激活身体细胞核酸蛋白质等生物分子,改善血液循环,增强新陈代谢,具有良好的消炎、镇痛等健康理疗效果。从不同尺寸发热膜的红外线成像图(图5)可以看出,石墨烯发热片上每个点的温度都非常均匀,点温度在极小范围内波动。


640.webp (4).jpg

图5 不同尺寸发热膜的红外线成像图


3.远红外的功效


石墨烯发热膜发热释放出来的远红外波长与人体波长接近,集中在5.6~15μm之间,该区间的远红外波长被誉为人体的生命之光,红外线光波具有改善血液循环、改善循环系统、激活生物分子活性、护肤美容、提高免疫功能、消炎镇痛、改善关节疼痛、增强新陈代谢、调节自律神经等十大功效。


4.发热膜的应用领域


由于石墨烯发热膜具有低电压高热量、安全轻薄便利等特性,石墨烯发热膜可广泛用于智能可穿戴领域、家庭智能取暖领域、家纺居家用品领域以及军工领域。


目前中国石墨烯产业化已经走在世界前列,而要继续保持领先地位,关键在于民用市场的普及,要得到大众消费者的认可,只有越来越多的石墨烯民用消费品走进民用市场,中上游石墨烯的制备才有生存和发展的动力。


石墨烯从工业领域走向民用市场,市场的范围和交易的价值都已不断扩大,石墨烯带来新的行业标准以及法律、法规等制度环境,也必须随之不断完善,这些完善除了企业家、行业协会的努力,更需要政府制定出台相关的产业政策、行业标准,可喜的是,最近出台的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》已经石墨烯行业标准建设纳入规划。


相信随着中国相关政策、行业标准的不断完善,资本、技术的不断投入突破,未来几年,中国石墨烯产业化将加速发展。


稿件来源: 新材料产业
相关阅读:
发布
验证码: