戰略性新型材料石墨烯管理科學與工程布局研究
——以石墨烯為例

曹 寅

（天津大學管理與經濟學部，天津 300072)

目前，隨著科技水平與社會經濟的穩步提升，加快了對新材料產業升級、管理布局的研究與改革。戰略性新材料能夠與生物技術、信息科學等先進性產業有機融合，表現出結構一體化、功能智能化的改革趨勢。如果沒有戰略性材料的創新支持，就無法形成先進的新材料產業，并直接限制戰略性新興產業的可持續性發展。石墨烯作為極具市場需求與應用前景的戰略性新材料，相應的管理科學與工程布局對其產業化發展有著重要作用。在不斷完善管理與布局的基礎上，通過相關文獻數據的分析，評價戰略性新材料石墨烯在行業領域內的趨勢、競爭態勢并進行整體性了解，進一步推動石墨烯行業制定相應的戰略性決策。

1 戰略性新型材料石墨烯及其技術研究現狀

1.1 年度分布特征

將與石墨烯材料有關的文獻進行數據檢索，能夠得出石墨烯材料有關文獻在一年中的變化情況。通過資料可知，石墨烯年度文獻的分布呈現出不斷上升的狀態，2011年后，更是直接步入快速發展的階段。盡管中外研究文獻的數量都處于增長趨勢，但是中文文獻數量的增長趨勢與國際相比較慢。

首先，在對外文數據的分布解析中得知，中外文獻的平臺數量都是持續上漲的，但是在較長周期的延伸下，數據差距開始擴大，外文文獻的平臺數量增速較快，為進一步分析文獻增長態勢，更加具體地對區域性文獻數量展開研究。從資料中可知，中文文獻的數量與其他國家相比，具有明顯的數量優勢，中文發文總量在外文平臺中約占40%。基于國際交流的角度，石墨烯的發現國是英國，英國的石墨烯材料中心度達到了0.23，而中國的是0.11，中心度說明我國對石墨烯材料的研究水平較為理想，但是關于石墨烯材料的管理科學與工程研究主要以外文的形式來呈現，在一定程度上可能會出現向外流動的現象。因此，為實現現階段中文戰略性新材料的有效發展，應重點關注相關文獻的數據轉換[1]。

1.2 研究機構分布特征

基于對上千機構的論文分析，對國際領域發表文獻的機構中，中國占有約50%，其中更屬中國科學院的研究影響力更大，排在中國科學院后面的是新加坡的南洋理工大學與清華大學。其中，我國天津、福州、南京等部分地區的理工類大學也都排在靠前的位置。基于中心度而言，美國麻省理工學院、中國科學院與中國科技大學、賓州州立大學的學術交流非常深入，其中，麻省理工學院具有較為突出的突變權重，在研究交流中起到了帶頭作用。

通過表1專利申請人數量的排名表來看，復旦大學在專利申請方面具有突出的表現；在國際領域中，蘇州納諾科技有限公司與吉林大學有一定的推動作用；在國內對于石墨烯材料的研究中，江蘇大學與濟南大學具有更強的權威性。從整體的數量上而言，專利審批通過數量最多的國家是中國，以此可以看出，石墨烯作為戰略性新材料在我國的管理科學與工程中有著十分重要的地位，且獲得了較高的實質性重視[2]。

表1 以石墨烯材料專利申請人及數量排名Table 1 Is ranked by patent applicants and number of graphene materials

2 戰略性新型材料石墨烯及其技術發展方向

2.1 關鍵詞聚類

管理科學與工程能夠在一定程度上反映出材料或行業在之后長期的發展過程中的角度，通過文本聚類進行具象化的態勢分析，預判發展方向。通過關鍵詞文本聚類，獲得出現頻次較高的關鍵詞，明確相應的研究重點。標準的專利信息格式是國際專利分類號，即IPC，利用IPC，得出戰略性新材料石墨烯的研究重點。將相關文獻導入專門用于文獻分析的軟件中，確定關鍵詞，展開共現分析；通過pathfinder算法，設定Keyword為搜索節點，展開可視化分析[3]。

2.2 國內外平臺相關文獻研究熱點

在共現與可視化的分析中，關鍵詞的出現次數與研究程度直接決定了節點表現出的大小，節點越大，其研究熱度越高，關鍵詞中節點較大的是石墨烯薄膜、氧化石墨烯、石墨烯納米粒子等。進一步展開關鍵詞的管理科學與工程分析可知，國內的研究熱點為氧化石墨烯、電容器、鋰離子電池、復合材料等。通過中介中心性衡量，將重要性數值進行具象化呈現。依照節點所匹配的頻次、年份以及中介中心性，展開節點信息分析。目前，國際與國內所表現出的研究熱點與形態基本一致，但國內的轉化起步較晚。基于關鍵詞的中心度而言，多孔碳、鋰離子電池、電極等元素在國際領域更為熱門；殼聚糖、吸附等技術元素在國內更加熱門[4]。

進一步檢測研究石墨烯行業領域中的異常情況，需要通過對相關的膨脹詞進行管理科學與工程領域研究，實現突變性的明確。通過節點密度的分析，判斷關鍵詞的突變時長與層次，此方法能夠更加準確有效地預測出材料、技術、行業的發展趨勢與突變領域。依照突變詞的權重展開順序排列，國內外的突變詞的頻次與權重見表2。

表2 突變詞數據的頻次與權重Table 2 Frequency and weight of mutation word data

結合上述相關文獻數據的分析，可知：

首先，基于熱點的集聚狀態而言，當下，國外的相關管理科學與工程發展更加成熟，我國可以有效利用國際中的研究進行成果轉化；在政策的積極指引下，保證戰略性新材料的優化配置與可持續性管理發展，不斷深化石墨烯材料在替代材料中的功能性研究，并逐步建成產業化規模[5]。

其次，基于熱點的分布而言，國際與國內平臺都十分重視氧化石墨烯、電極以及納米材料的研究，從中心度也可以觀察出技術的重視程度，在中文研究中，電極與納米材料的中心度為0.39；在外文研究中心，中心度分別是0.45與0.11，這就表明我國正在不斷強化這兩種材料技術的成果轉化。此外，我國更加重視復合材料、物理性能以及光催化等方面的研究。綜合研究熱點的應用特征，可以得出，對于微觀層面的研究較多，雖然尚未形成系統化的戰略性新興材料產業規模，但是正在不斷地深入挖掘新材料的管理科學價值與工程發展潛力。

最后，基于管理科學與工程分布而言，國際平臺更加具備關注度，其研究前沿的熱點是石墨烯、二硫化鉬以及還原氧化石墨烯；國內平臺的突變時間較晚，研究前沿的熱點是石墨烯、分子動力學以及氧化石墨。在國家明確指出石墨烯的戰略性材料研發地位后，工程分部逐漸向國內平臺進行轉移。

2.3 IPC數據分布

根據專利數據的IPC分類頻次，展開戰略性新材料的布局分析，相關小類統計數據如圖1所示，將各小類與相應的技術范疇展現于表3中。在IPC小類特征的基礎上，明確石墨烯管理與工程的技術構成。

圖1 國際石墨烯材料IPC數據分析Fig. 1 IPC data analysis of international graphene materials

作為戰略性新型材料，石墨烯在國際上的專利申請類別狀況如圖1所示，以上十個類別中的專利數在整體數量中約占57%，前五位的類別專利數量遠超其他類別的專利數量，約占整體的40%。這就說明石墨烯材料在配料技術、電力資源、半導體技術、化合物組合物等方面的研究較為重要。此外，根據IPC類別的應用特征可以得出，石墨烯材料還在電容器、物理化工、涂料、納米技術等方面有較為廣泛的應用[6]。

表3 石墨烯材料領域重要IPC小類的應用領域Table 3 Application fields of important IPC subclasses in graphene materials field

石墨烯材料在國內的專利申請類別狀況如圖2所示。其中排名前十的專利數量約占整體的60%，而H01M、H01L以及C08K的專利申請數量更加具有明顯的優勢。這說明以化學能轉換電能的設備、半導體元件、高分子有機物/無機物的核心技術，關注熱點與研究層次比其他技術更具深度[7]。

圖2 國內石墨烯材料IPC數據分析Fig. 2 IPC data analysis of domestic graphene materials

將國際與國內的IPC小類進行分析可知，種類與專利排序基本相同。其中C08K在國際領域較為熱門，H01M在國內的領域較為熱門。但基本上可以說國際與國內領域在戰略性新型材料的研究方向上是一致的，并根據三階IPC分類將專利內容劃分為四部分。第一部分包括催化劑、納米結構、復合材料的制備與應用；第二部分包括塑料、橡膠、復合膠體材料、涂料、高聚纖維、非金屬元素化合物、著色漿料及固體的制備與應用；第三部分包括鋰電池設備、電極材料、半導體元件、信號及能量探測器的轉化研究，石墨烯材料發光、儲能集成技術、電容器的制備與系統研究；第四部分主要針對設備與技術的檢測與分析研究，國際的研究方向側重于塑料、橡膠以及復合膠體的制備與研究上，而國內的研究方向側重于鋰電池設備、電極材料的制備與研究上[8]。

3 石墨烯材料工程聚類研究

通過文獻的管理分析與工程布局研究，能夠得知國際與國內對石墨烯戰略性新型材料的研究熱點主要集中于以下工程行業中。

3.1 儲能工程

電容器、鋰電池、電極等設儲能裝備都能通過石墨烯材料進行性能升級。石墨烯材料經過改性后，以物理或化學的手段對電池材料進行改進，可以有效提升電池的實際應用強度。將改進后的電池與電容器進行融合，可以擴大電容量，進一步增強電極的作用。同時，電池儲能的韌性與靈活性均進一步得到提升[9]。

3.2 傳感器及半導體工程

石墨烯材料分支下的石墨烯薄膜能夠在傳感器、半導體產品、微電子器件、觸摸屏等設備的制備中提供先進性的材料支撐。石墨烯材料本身就具備韌性強、質量輕的特點，可以完成自由的導熱導電任務，結合石墨烯薄膜與半導體的基礎上， 提升芯片的靈敏度與可靠性，能夠有效提升新一代觸屏電子的使用性能。

3.3 新材料工程

石墨烯材料所制備出的石墨烯粉可以應用于船舶、海上設備中的防腐涂料以及導電油墨、電磁屏蔽中的電學材料，此外，還能應用于塑料、橡膠等功能性增強材料的應用中。根據石墨烯的導電特征，將二網格狀的石墨烯結構進行性能改進；將石墨烯材料與導熱片、涂料進行有機技術融合，不僅提供了更加更具潛能的工程價值，還給戰略性新型材料帶來市場發展空間。

3.4 生物醫藥工程

基于石墨烯材料的網格狀結構，能夠實現有效的外物隔離，同時，又具備良好的生物融合的特點。因此，石墨烯材料在藥物、微生物、微分子測量等生物醫藥領域具有較好的開發前景。具體而言，以石墨烯材料為基礎的生物醫藥設備、傳感器能夠對血液檢查、元素含量檢測等工作創造更加準確、可靠的設備保障[10]。

4 結語

基于全球科技與戰略性材料的競爭，發展目標就是通過合理的投入創造較大的效益，這就需要對戰略性材料的制備與開發進行有效的管理與工程布局分析，使自身具備的科研技術水平處于先進水平，并獲得相應的先知權。石墨烯材料作為戰略性新型材料，通過科學化的管理與布局分析，得出實證研究結果：具有最高效用的工程布局是鋰電池、電極材料、塑料、橡膠、半導體以及傳感器行業。