石墨烯產業化：蓄勢待發

吳志剛

6年前，當人們聽到石墨烯三個字的時候幾乎是一臉茫然的，不知道它到底是干什么的。如今，提到石墨烯，大多都知道是一款神奇的碳材料，有時候還甚至在問，現在到底火不火了？香不香了？如果把時光倒流6年，2015年被稱為中國石墨烯元年。彼時石墨烯材料在中國“紅的發紫”，石墨烯概念被眾多企業熱捧，該材料被認為可以代替晶體硅，應用于移動設備、航空航天、新能源及電池領域等。6年后的今天，中國石墨烯發展已走向產業化發展的道路，不過也仍在產業化的道路上破解著一個又一個研發難題。前途是光明的，道路是曲折的，石墨烯產業化前景可期，也更需要社會各界的共同努力。

材料之王

石墨烯是一種由碳原子以sp雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。具有高導電性、高強度和超輕薄等特性，在電子、光學、磁學、生物醫學、催化、儲能和傳感器等領域具有巨大的應用潛力，被認為是一種未來革命性的材料。

石墨烯原本就存在于自然界，只是難以剝離出單層結構。1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡可能就是幾層石墨烯——它是由一層碳原子以六角形蜂巢結構周期性緊密堆積構成的二維碳材料。

石墨烯具有很多神奇性能，因此號稱“新材料之王”：它是最薄的材料，因為它僅有一個原子層;它是強度最大的材料，理論上強度比鋼強韌200倍;它是導電性最好的材料，電導率是銀的1.6倍;它是導熱性最好的材料，熱導率是銅的13倍。

由于石墨烯的電子移動速度極快，又輕又薄又結實，機械強度特別高，再加上它是透明、電阻率極低、良好的導體，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件、甚至芯片;也適合用來制造透明觸控（可折疊的）屏幕或光板、甚至太陽能電池;并可用來做汽車或航空的材料;在軍事上的用途更廣，比如防彈衣，又比如航母彈射器管道中的潤滑層（現在都是用特種潤滑油，當滑塊高速運動時，會摩擦產生高溫，潤滑油會變質、甚至蒸發，以致磨損滑塊）。

在北京市科協主辦、九三學社北京市委特別支持的第667期“首都科學講堂”上，中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范介紹，石墨烯是強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，可以彎曲，又具備超強導熱性與導電性，這讓它的應用前景十分廣闊——它可以做觸摸屏，因為它是透明導電薄膜;也可以用作超快集成電路，因為它里面的電子跑得非常快，室溫下電子遷移率超過硅材料10倍;它是輕質高強材料，在航空航天領域具有非常廣闊的應用前景;它的電磁屏蔽性質，也可以被利用制作隱形飛機、隱身材料。

人們很早就發現了石墨，但沒有發現石墨烯。這是因為，早在70多年前的理論研究表明，完美的二維結構晶體無法在非絕對零度的環境中穩定存在。

自兩位英國科學家在2004年發現石墨烯并獲得2010年的諾貝爾物理獎開始，人們對石墨烯的關注和研究就再也沒有停止。石墨烯被發現之初，如何將石墨烯這種特殊性能應用化以及如何量產成為待解決的難題。

迅猛發展

2010年10月5日，英國曼徹斯特大學人工制備石墨烯成果獲得了諾貝爾物理學獎，世界對這一神奇材料無不發出驚嘆，石墨烯消息在全球四處飛揚。至此，全球石墨烯產業一發不可收拾，進入迅猛發展期。2015年上半年，石墨烯概念股不斷暴漲，《自然》和《科學》期刊連續刊登研究石墨烯工業制備技術文獻，全國納米技術標準化技術委員會就石墨烯材料的認證標準多次進行探討。

中潤超油（北京）科技發展有限公司董事長劉瑋向全球首發《先進石墨烯潤滑材料節能降碳研究報告》

近年來，中國石墨烯產業發展如火如荼，呈現蓬勃發展態勢。據國家新材料產業發展專家咨詢委員會委員、石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春介紹，中國目前已經成為石墨烯專利大國，專利申請量占全球78.18%;石墨烯生產大國，粉體產能1.46萬噸，薄膜產能740萬平方米;石墨烯產業化大國，2020年市場規模為140億元，2025年市場規模預計達到1000億元。全國范圍內，已成立石墨烯產業園37個，石墨烯研究院98家，石墨烯產業創新中心12個，地方聯盟13個。長三角、珠三角、京津冀等石墨烯產業集聚區已經形成。

中國經濟信息社出版的《2018-2019中國石墨烯發展年度報告》顯示，我國石墨烯產業前景廣闊，產業規模持續增長。據中信證券統計，2018年我國石墨烯產業規模約為111億元，較2017年的41億元同比增長58%。2018年以來，石墨烯粉體和薄膜的生產規模進一步擴大。粉體方面，常州第六元素、青島昊鑫、寧波墨西等多家企業已擁有國內領先的石墨烯粉體生產線。薄膜方面，長沙暖宇新材料科技公司年產量100萬平方米的石墨烯膜生產線已開建，建成后將成為國內第二大石墨烯膜生產線。

在李義春看來，目前石墨烯產業發展已進入了深水區。石墨烯從實驗室到市場端的跨越之路并非一帆風順，而隨著投資逐步回歸理性、市場競爭日趨激烈，行業進入調整洗牌階段，一批真正打磨產品、具有工匠精神的石墨烯企業逐漸顯露出來。長三角區域已成為推動我國石墨烯產業發展的龍頭集聚區，中國也成為了推動世界石墨烯產業發展的重要力量。

中潤超油（北京）科技發展有限公司董事長劉瑋表示，石墨烯是改變世界的新材料，未來可能很多東西都離不開它，中國在石墨烯領域論文數量占世界一半以上，有好的產業基礎、資金基礎、人才基礎，中國的市場很大，又是制造業大國，有很多民營企業參與到石墨烯產業當中來。雖然中國在芯片、生物醫藥等領域跟發達國家有一定差距，但在石墨烯復合材料應用上，中國已經具有較為明顯的優勢，尤其是北京石墨烯產業創新中心具有較強的技術優勢。

石墨烯產業的發展離不開石墨烯創新企業的努力。中關村豐臺園企業北京碳世紀科技有限公司是研發石墨烯最早的一批企業之一，創始人閆立群從10余年前開始組建石墨烯技術研發團隊。到2013年，北京懷柔雁棲開發區500平米的實驗室和10余名技術人員的日夜研發奮戰是碳世紀最早的雛形。閆立群講述了當時團隊的最大困難，沒有人做過這件事，根本不知道借鑒誰。當時石墨烯的價格約2000元人民幣/克，在材料制備上，各類科研文獻還停留在機械制備法，即用透明膠帶在石墨上一點點剝離而成。碳世紀團隊采用的氧化還原法宏量制備根本找不到任何借鑒。閆立群說，“當時甭管是氧化實驗裝置的尺寸、規模，還是一根輸送液體的試管材料、直徑以及焊接的高度，都無法在任何教材或報告上找到。諺語說只要功夫深，鐵杵磨成針，碳世紀就這樣一遍一遍的試驗，一次一次的記錄每次數值，為了確定制備石墨烯的液體管的高度就試了200多次。

中國科技館展出的碳世紀石墨烯光致電推動現象演示展品

馮冠平是深圳烯旺科技董事長，被稱為中國石墨烯奠基人，他創辦的烯旺科技，創造性地將石墨烯應用到發熱領域，發明了純石墨烯發熱膜并實現了量產。正是有了這個基礎，烯旺科技隨即將其應用在智能穿戴領域，從此開辟了石墨烯應用化的先河。此后，石墨烯這個21世紀的新型材料開始變得接地氣起來，逐步應用到智能家紡、美容、能量房等領域，真正地飛入尋常百姓家，拉近了科技材料與消費者之間的距離。

去偽存真

發展數年，石墨烯產業化得以快速發展，在國家戰略的大力支持和資本投入下，石墨烯下游應用有望實現產業化突破。不過，業內人士也指出，面對石墨烯行業魚龍混雜的現狀，需要去偽存真、挖掘真正的石墨烯標的。

在電商平臺搜索石墨烯，會出現大量有關石墨烯的產品，了解產品詳情會發現，有“進口石墨烯魚竿”采用的材料其實是高碳纖維，而自稱“石墨烯熱暖絨保暖褲”的產品，卻不含絲毫石墨烯成分。石墨烯電采暖設備在技術應用上符合京津冀煤改電清潔能源取暖的需求，但有的廠家使用碳晶甚至電阻絲等作為發熱材料，稱是石墨烯電采暖產品，消費者難辨真假。

賽迪研究院的報告指出，“十四五”規劃的開局之年，石墨烯領域也將更加注重科技創新和高質量發展，科技創新成果將會不斷涌現，在散熱、大健康和醫療領域的應用也有望繼續拓展，將進一步促進和推動我國石墨烯產業的應用發展和產業化進程。同時，石墨烯行業還存在關鍵技術未突破，下游應用企業參與度偏低，標準、檢測體系不完善，產品魚龍混雜等問題。這就需要充分發揮各地石墨烯制造業創新中心、科研院所和高等院校等的創新力量，制定石墨烯產業技術創新目錄和技術突破路線圖，組織優勢力量開展重大項目和重點應用的技術攻關，對石墨烯材料規模化制備、清潔生產等關鍵技術和成套設備加強攻關，加快關鍵技術成果的轉化。圍繞新一代信息技術、新能源汽車、高端裝備等新興產業領域發展需求，堅持需求引導，開展石墨烯前沿性和戰略性方向、核心技術、專利和產品的布局，培育未來市場。盡快研究制定石墨烯技術成熟度路線圖，對重點企業技術成熟度、經營狀況、產品銷售等進行評估，科學評判其產業化發展階段和發展前景。同時，繼續深化石墨烯對傳統產業轉型升級的推動作用，從傳統產品改性入手，選擇目前技術較為成熟、量大面廣以及下游用戶認可度偏高的石墨烯散熱材料、增強復合材料、儲能材料等產品開展應用示范，充分利用首批次保險補償機制等相關政策，降低下游用戶使用風險，有效激活石墨烯下游應用市場需求，推動大規模產業化應用。圍繞新一代信息技術、新能源汽車、5G、高端裝備等新興產業領域發展需求，堅持需求引導，開展石墨烯前沿性和戰略性方向、核心技術、專利和產品的布局，培育未來市場。

對于石墨烯產業來說，制備決定未來，材料是產業基石

目前，石墨烯領域均在推動著石墨烯產業發展及標準化制定等工作。北京石墨烯研究院是其中之一。研究院位于中關村科學城北區中關村智谷中心，這里背靠西山陽臺山自然風景區，毗鄰翠湖濕地，依山傍水，環境優美。致力于打造引領世界的石墨烯新材料研發高地和創新創業基地，瞄準未來石墨烯產業，全方位開展石墨烯基礎研究和產業化核心技術研發是北京石墨烯研究院的發展目標和努力的方向。自成立以來，研究院全方位布局石墨烯新材料的近中遠期前沿技術研發及產業化，積極探索石墨烯產業的基石和核心競爭力。

在北京石墨烯研究院一樓大廳墻上有這樣一行字格外醒目，“踐行工匠精神，融通政產學研，打造石墨烯產業核心競爭力”。10月23日-24日，由北京石墨烯研究院主辦的北京石墨烯論壇2021在北京稻香湖景酒店召開。500余位國內外石墨烯領域專家學者、產業界人士、相關政府部門代表等齊聚一堂，共同交流石墨烯前沿技術和產業最新進展，共謀石墨烯產業未來。其中，在測量與標準論壇上，CSTM/FC00/TC04石墨烯技術委員會正式成立。來自國家石墨烯材料產業計量測試中心、國家石墨烯產品質量檢驗檢測中心的6位中心主任進行了專家對話，共同探討如何加快推動石墨烯測量與標準體系建設與區域合作，從而助力石墨烯產業健康發展。

劉忠范表示，“一個新技術和新材料，通常大家愿意用技術成熟度曲線描述，一般有技術萌芽期、期望頂峰期、泡沫谷底期、爬坡期和穩定應用期。對于石墨烯來說，最早追溯到2004年底左右。炒作高峰期在2015年、2016年左右，那時石墨烯是無所不能的樣子。但是現在大家漸漸趨于冷靜，對于真正做石墨烯的人來說特別擔心大家過度期待，過度期待最后可能變成過度失望，對于新材料產業尤其要有耐心，對于石墨烯產業來說制備決定未來，材料是產業基石。”

十三屆全國政協常委、中國科學院院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范

研發代工

石墨烯新材料是石墨烯產業發展的基石，如何避免閉門造成，突破“卡脖子”技術，北京石墨烯研究院從成立之初就積極探索產學研融合發展新模式，直接對接特定企業的產業需求，開展定制化的技術研發，為企業進行“研發代工”，這些技術研發成果為“研發代工”伙伴所專有，其核心追求是“做真正有用的東西”，解決未來石墨烯產業可能存在的“卡脖子”技術。

《“十三五”國家科技創新規劃》提出，要培育面向市場的新型研發機構，希望通過戰略性科技創新領軍人才領銜，采取與國際接軌的治理模式和運行機制，協同多方資源，開展基礎前沿研究和共性關鍵技術研發，通過產學研合作，提升產業競爭力。

劉忠范認為，科技與經濟“兩張皮”的問題是阻礙創新驅動發展的瓶頸。一方面，高校和科研院所產生了大量的科研論文和專利，難以轉化;另一方面，企業自身研發實力不足，迫切需要科技創新突破技術瓶頸。“我們希望能在關鍵核心技術領域取得突破，解決諸多“卡脖子”問題，做出一些別人沒有的東西，提升企業和產業的競爭力。

“新型研發機構一定要針對現存問題，把產學研能夠真正有效結合起來。”劉忠范表示，新型研發機構的目的，不是純粹做基礎研究，也不是簡單地為特定企業服務。“新型研發機構應該是一個平臺，體現國家為解決經濟科技‘兩張皮所作的戰略布局和重大舉措。”

在這樣的模式下，研究人員有了清晰明確的技術需求牽引和市場目標，避免了當前高校和科研院所的研究人員“閉門造車”、研究成果不接地氣而很難落地的現實問題。對于代工企業而言，從此就有了真正的研發團隊和研發力量，確保企業自身的核心競爭力和可持續發展能力。“這種產學研協同創新模式還有助于改變以盲目追求發表論文為導向的當前科技評價體制，引導廣大科研人員從事真正有價值的研究，讓國家不斷增長的科技研發投入能夠真正開花結果。”

以“粉體石墨烯規模化生產的研發代工合作”為例，北京石墨烯研究院的代工伙伴擁有百噸級的石墨烯生產線，在已有制備技術的基礎上，成立專門研發團隊，對接企業的技術升級需求，立即形成了產學研協同創新團隊，共同打造引領世界的石墨烯粉體材料生產基地。

“這種結合的優勢明顯，我們不需要從零開始投資建設石墨烯生產線，而企業也不需要養一個專門的研發團隊，實現優勢互補、協同發展，”劉忠范說。

研發代工模式是一個全新的、適合中國國情的產學研結合模式，一方面解決了企業研發能力低的問題，同時也能解決教授直接辦企業的“怪圈兒”。

2019年底，北京石墨烯研究院石墨烯薄膜生產示范中心正式建成，全面開啟石墨烯薄膜材料產業化進程。研究院成立產業發展部，負責推動石墨烯材料及裝備的產業化之路。其自主研發的超級石墨烯玻璃、第三代+半導體照明技術、烯碳光纖、超潔凈石墨烯薄膜制備技術以及四英寸無褶皺單晶石墨烯晶圓制備技術都得到石墨烯同行們的廣泛認可。其中，超級石墨烯玻璃賦予了傳統玻璃所不具備的導電、導熱、生物相容性等諸多優異特性，將大幅拓展玻璃應用領域，全面推動玻璃產業轉型升級;烯碳光纖將成為傳統光纖領域的變革性技術，有望在電光調制器、超快激光器、光纖探測器和傳感器以及光纖通訊領域得到重要應用;將石墨烯作為第三代半導體材料的外延生長緩沖層，顯著降低半導體薄膜的缺陷濃度，有望成為下一代半導體照明核心技術。

助力雙碳

石墨烯作為新材料之王，在實現碳中和的主要技術方向中有巨大的應用潛力，石墨烯產品在客觀上有助于我國雙碳目標的實現。9月7日，2021年服貿會石墨烯新材料助力“雙碳目標”國際論壇在北京石墨烯技術研究院召開，論壇由北京市經濟和信息化局主辦，中國工業節能與清潔生產協會、國際綠色經濟協會、北京先進碳材料產業促進會、北京石墨烯技術研究院有限公司聯合主辦，通過線上線下結合方式，連線英國、意大利、新加坡等海外分會場，國際著名專家學者“云端”相會，圍繞“科技賦能助力實現碳中和目標，節能低碳打造內外經濟雙循環”分享觀點，交流互動。

論壇上，國家氣候變化專家委員會主任、科技部原副部長、原國務院參事劉燕華指出，石墨烯新材料產業是近十年來備受關注的新興產業，從目前情況來看，石墨烯用作建筑材料的添加劑，可以助力綠色建筑，石墨烯用于電池材料可以增加儲能，用于地暖可以增進節能，用于服裝可以更加保暖，用作高排放的替代性產品，可以減少碳排放。

劉燕華表示，碳達峰、碳中和目標，是轉變經濟結構、產業結構、提質增效的社會經濟大轉型的必要途徑，降低空氣中二氧化碳的含量，主要有三種解決辦法，包括減排、碳匯、CCUS（碳捕獲、利用與封存）。石墨烯復合材料有助于造福于經濟、社會的碳利用技術發展，是人類智慧的產物。

論壇上，中潤超油（北京）科技發展有限公司向全球首發《先進石墨烯潤滑材料節能降碳研究報告》，展示了“華墨”石墨烯潤滑材料在風電、建材、工程機械、交通運輸等領域的節能降碳實際驗證數據。眾多實際使用數據表明，華墨石墨烯潤滑油除符合目前高端潤滑油全部標準外，還具有極壓抗磨、易散熱、自修復、節能降碳等獨特功能。根據2020年公開數據統計，如果全國家庭轎車、客運、貨運、礦山卡車、工程施工機械全部使用華墨石墨烯潤滑材料，則每年可節省4000萬噸燃油，減少碳排放1.6億噸，相當于75個300兆瓦火力發電站一年碳排放總量，而若利用這些減碳排指標可發2000億度電，能滿足3億人口一年用電需求。

作為本屆服貿會重要成果之一，中潤超油（北京）科技發展有限公司向全球首發《先進石墨烯潤滑材料節能降碳科技成果研究報告》，并發布了“華墨”石墨烯潤滑材料在風電、建材、工程機械、交通運輸等領域節能降碳實踐數據。該項技術來自北京石墨烯技術研究院，是在中國航發北京航空材料研究院科研團隊多年攻關基礎上形成的產業應用技術，具有國際領先水平，中潤超油科研團隊完成了石墨烯潤滑油產品開發，北京中石油潤滑油有限公司負責生產。華墨石墨烯潤滑油除了具備目前高端潤滑油所有指標外，更凸顯了石墨烯極壓抗磨、散熱、自修復、節能降碳等獨特功效。

為了滿足新新材料規范發展需求，積極解決“卡脖子技術”難題，北京市計量檢測科學研究院（國家石墨烯材料產業計量測試中心）、北京石墨烯技術研究院、北京先進碳材料產業促進會、中國石油蘭州潤滑油研究開發中心、中潤超油（北京）科技發展有限公司、北京創新愛尚家科技股份有限公司在論壇上舉行了《先進石墨烯潤滑材料、石墨烯熱管理材料標準編制》啟動儀式，這將填補石墨烯潤滑材料與熱管理材料有關標準的空白，對規范行業發展和新技術應用落地起著至關重要的作用。

石油產品中的重要品類，潤滑油具有技術含量高、產品附加值高等特點，對保持生產效率、調節設備控制狀況意義重大，在機械制造與使用領域不可或缺;而原料成本、量產能力、標準認證、應用場景等是石墨烯領域的發展要點，源源拓進的技術研發成果讓石墨烯在關鍵領域的應用有了更多可能，石墨烯潤滑油即是其中一例。

石墨烯發現者之一、諾貝爾物理學獎獲得者康斯坦丁·諾沃肖洛夫介紹，將石墨烯加入到車身材料中，可以提高它的噪音吸收水平;將石墨烯加入輪胎材料，可以提高輪胎的強度，取代之前的炭黑材料;石墨烯在潤滑劑方面的發展相當迅速，目前已經有成熟的產品;石墨烯可以應用到電子領域，目前華為的高端機型已經開始使用石墨烯導熱膜來幫助屏幕散熱;應用到生物制劑方面，石墨烯還可以幫助藥物的吸收。

中潤超油（北京）科技發展有限公司與北京石墨烯技術研究院合作，依托中國航空發動機集團北京航空材料研究院成熟的石墨烯改性潤滑材料技術，結合研發團隊在潤滑油領域多年的技術積累，進行科技創新，成功研發并生產出華墨牌石墨烯潤滑油系列產品。經國家相關機構檢測，華墨潤滑油在抗磨減摩、抗氧化、抗揮發等性能方面遠超傳統潤滑油。

劉瑋表示，中潤超油推出的華墨牌石墨烯潤滑油產品，展示了其在業界優異的科技創新能力，該款綠色潤滑新品可幫助相關企業降本增效，踐行綠色發展承諾，揭開了中國潤滑油產品的新篇章，為構建低碳節能社會注入發展新動能。產品質量好、市場認可度高、客群穩定增長，中潤超油作為在石墨烯新材料科技領域的標桿企業，由華墨互聯對其石墨烯潤滑油系列產品的成功線上推廣，必將更好助力“雙碳”目標達成與數字經濟發展。

在談到目前石墨烯產業的發展形勢時，劉瑋表示，“目前最大的制約因素就是市場，好東西要讓更多的人知道，目前市場的接受度有待提升，畢竟這是個新產品，需要去不斷驗證，我們國家對石墨烯產業出臺了很多支持政策，相信隨著技術的發展，人們對石墨烯產品的認可度會不斷提高。”

北京綠能嘉業新能源有限公司董事長王敏認為，做石墨烯產業要深扎下來，找到行業痛點，石墨烯在碳達峰、碳中和方面會發揮很大的作用，但我們要找到新材料真正的應用場景。在產業應用方面，要有“產業+”的整體思維，可以將新材料、人工智能、5G等加進去，形成一個整體的解決方案。

對于石墨烯的前景未來，行業人士信心滿滿，不過也深知要走很長一條路。劉忠范表示，“作為北京國際科技創新中心的一部分，我們愿意和科創中心一起成長，做一個有實力、有擔當的新型研發機構，共同推進中國高精尖產業的發展，全力推動未來石墨烯產業發展，也為中關村科學城北區的發展也做出我們的貢獻。”劉瑋也期待，公司的潤滑油產品一定能夠助推雙碳目標早日實現。