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我国石墨烯产业应用与发展态势

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摘要:石墨烯作为近年来备受关注的新型材料,其用途非常广泛,在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。随着石墨烯应用在新领域内不断开发,其应用市场规模不断扩大,发展态势良好。石墨烯在下游市场的应用主要表现在新能源、大健康、电子信息、节能环保、生
关键词:石墨烯天线  RFID  

中国石墨烯产业技术创新战略联盟在2017年发布的团体标准T-CGIA001-2017“石墨烯材料的术语、定义和代号”中提到:石墨烯材料是由石墨烯单独或堆垛而成、层数不超过10层的碳纳米材料。石墨烯是人类已知强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。单层的石墨烯是由一层密集的碳六元环构成,它的厚度为0.335 nm左右,是目前为止最薄的二维纳米碳材料。由于其结构的独特性,石墨烯的各类性质也非常优异。

石墨烯作为近年来备受关注的新型材料,其用途非常广泛,在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。随着石墨烯应用在新领域内不断开发,其应用市场规模不断扩大,发展态势良好。石墨烯在下游市场的应用主要表现在新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等七大应用领域。

我国政府高度重视石墨烯产业发展,发布了一系列相关政策进行系统布局,并将石墨烯列入我国“十三五规划”的165项重大工程。相关政策的实施对推动技术创新、支撑战略性新兴产业发展、加快走中国特色新型工业化道路具有重要战略意义。

近年,石墨烯产业发展势头迅猛,中国石墨烯产业应用领跑国际,上市公司表现抢眼,企业合作动作连连,产业格局初具雏形;企业合力打通终端渠道,应用市场遍地开花,石墨烯技术逐步“走近生活”;国家层面的政策引导、系统规划明显加速,产学研合作贯通产业链条,品牌竞争格局即将形成。石墨烯作为新材料产业的先导,在带动传统制造业转型升级,培育新兴产业增长点,推动大众创业、万众创新的作用越来越显著。

研发成果数量稳步增长

2004年,英国曼彻斯特大学科学家Andre Geim和Konstantin Novoselov在实验室中成功将石墨烯从石墨中分离出来,并因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。2010年以后,石墨烯材料引发了全球范围内的研究热潮,石墨烯相关专利、论文数量迅速增加,至今热度不减。

通过对石墨烯中国专利、论文进行检索,共检索到石墨烯中国专利申请43988件,论文累计发表6万余篇,总体而言,我国石墨烯专利论文数量呈指数增长趋势。从专利论文趋势图可以看出,我国石墨烯专利的申请与受理始于本世纪初,从2009年开始,我国石墨烯专利申请数量一直处于快速增长态势。中国政府、科研机构以及相关企业近年来对石墨烯相关技术一直保持高度的重视,国内石墨烯研发的高潮持续不减。2016年石墨烯专利申请数量已达到12420件,2017年专利申请量略有减少为11430件。目前,石墨烯专利申请技术方向主要集中在:以石墨为原料制备石墨烯的技术及工艺;石墨烯在储能、涂料、传感器等领域的应用:CVD制备石墨烯及其转移技术。

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目前,我国石墨烯专利TOP 20的申请人中有16个来自高校和科研院所,4个来自企业。申请量前五位的申请人为:浙江大学(434件)、海洋王(424件)、深圳海洋王(404件)、清华大学(362件)、哈尔滨工业大学(330件)。海洋王、京东方、成都新柯化工是中国石墨烯专利TOP 20的申请人中的企业代表。海洋王照明从2012年开始在石墨烯制备、掺杂技术及在复合材料、超级电容器等领域展开布局;京东方在传感器、显示装置、有机电致发光器件、晶体管等石墨烯高端应用领域展开布局;成都新柯化工主要生产石墨烯微片,用于增强增韧材料、导电导热材料等。三家企业生产研发不同的石墨烯产品,在不同的石墨烯应用领域已展开布局。

产业规模逐步扩大

据全球石墨烯产业战略研究院(CGIA Research)统计,2017年,我国石墨烯材料粉体产能达到3000吨,已经有数家企业具备了年产百吨以上的生产能力,如常州第六元素、宁波墨西、鸿纳(东莞)、青岛昊鑫、青岛德通、宝泰隆等;石墨烯薄膜产能约350万平方米。石墨烯粉体和薄膜材料在汽车、纺织、军工等工业和民生消费品上已经实现产业化应用。

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CGIA Research 通过数据库查询、实地调研等方式对石墨烯相关企业进行统计分析发现,近年来石墨烯相关企业数量急剧增加。截止到 2017 年 12 月底,石墨烯企业数量呈现快速上涨趋势。研究发现,近两年企业数量增加速度明显加快,2016 年净增 948 家,同比增长 33.91%;2017 年净增1041 家,同比增长 27.80%,2018 年石墨烯相关企业数量仍在迅速增长。目前涉及石墨烯相关业务的上市公司总数有 58 家,其中主营业务为石墨烯的上市公司共有 5 家。

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截止到2017年12月31日,全国拥有石墨烯相关研发、设备、制备、销售、应用、投资、检测、技术服务的单位数量达到4800多家,经CGIA Research 筛选实际开展石墨烯业务的企业约2600多家。其中从事技术服务、销售、投资及检测的企业(机构)有1477家,占据近一半的比例,从事石墨烯相关研究的研发机构有217家,设备和制备的企业(机构)有340家,下游应用方向的企业数量为623家。

应用市场不断拓展

近年,中国石墨烯产业化应用取得了一定进展,上下游产业链已初步打通、下游应用领域不断拓展,产品标准和技术规范逐步完善,据 CGIA Research 统计,石墨烯市场规模从2015年的6亿元、2016年的40亿元,直到2017年增长至70亿元。其中石墨烯在新能源领域的市场规模达到 50 亿元,石墨烯涂料市场规模达到 8 亿元,复合材料和大健康产业均达到 5亿元,节能环保和电子信息领域均达到 1 亿元,石墨烯产业呈现出快速发展趋势。石墨烯应用领域市场规模占比如图 4 所示。

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石墨烯在下游市场的应用主要包括新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等七大应用领域。

新能源

碳材料是最早被商业化的锂离子电池负极材料,如今已得到广泛的应用,如石墨化碳材料、炭微球材料等。石墨烯作为碳材料的一员,以其特有的结构、较高的比表面积、特异的电子传导方式而受到研究者的关注。将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题,可以作为石墨烯复合正负极材料、锂电池正负极材料的导电添加剂,全方位提升锂离子电池的性能。同时,石墨烯二维高比表面积的特殊结构以及其优异的电子传输能力,能有效改善正极材料的导电性能,提高锂离子的扩散传输能力。

大健康

由于石墨烯具有质量轻、高导电性、高导热性、高强度等优点,在导热材料方面有巨大的发展空间。以石墨烯电加热不仅加热速度快,电热辐射转换效率高,而且石墨烯加热膜是整个面加热,温度均匀分布。最重要的是,会产生远红外辐射,具有良好的医疗、理疗作用。石墨烯在大健康领域的应用主要集中在智能穿戴、智能家居及理疗护具等产品,石墨烯发热技术带来了健康环保、安全智能、无尘静音等优势。

从目前石墨烯的应用领域来看,大健康领域是石墨烯产业化最早的领域之一,2017年石墨烯在大健康领域的市场规模达到5亿元,一些企业已经推出了石墨烯护颈、护腰、发热服、眼罩等产品,并在市场上销售。2018年在平昌冬奥会上,72名演员身穿烯旺科技开发的石墨烯智能发热服饰精彩亮相。在保证服饰轻薄与舒适的条件下,该服饰能在-20℃的低温条件下加热到50℃,并持续4小时。

电子信息

随着电子工业技术的不断发展,现代化的电子电器正在朝着体积小、能量密度高的方向发展,并且这种发展趋势越来越猛烈。随着电子产品的工作频率急剧增加,由电子设备产生的热量也会迅速积累和增加,如果不能及时地将热量传导出去,也会使电子元件的工作温度急剧升高。这不仅影响设备的正常工作效率,而且也会使其使用寿命大大缩短,因此迫切需要开发高导热性能的界面导热材料。单层石墨烯的导热率可高达5300W/mK,当层数增加到2 - 4层,热导率降低到2800W/mK-1300 W/mK,但依旧远高于铜(Cu)的热导率(398 W/mK),是导热性能最好的材料。因此,石墨烯可作为理想的电子元器件导热材料。

同时,石墨烯天线将成为(继银浆天线之后的)印刷电子技术工艺在RFID(射频识别技术)应用上的又一代表性作品,现阶段铝蚀刻天线制程包括了金属贴合、光阻印刷、金属蚀刻等制程,其流程繁杂、成本偏高且不环保。在印刷天线油墨方面,依成分包括了银浆、铝浆、铜浆与碳浆,其中以金属浆料印刷所得天线效果最好。然而目前铝、铜金属浆需高温脱氧烧结才能展现导电性,使得天线底材浆受限制,而传统碳浆导电性未达天线应用的电阻要求。且银浆天线的制程繁琐、价格昂贵,其导电性能会因弯折而降低,使得目前在市场上利用印刷方式来制作RFID天线方式仍无法大规模生产并取代目前的铝蚀刻天线。而采用石墨烯导电浆料制作天线,其制程环保简单且无污染,价格便宜且质量轻,适合各种无线天线的印制,在市场上无论从性能还是价格方面来说,都具备十足的竞争力。

节能环保

石墨烯是最坚硬的材料之一,且具有巨大的比表面积和极佳的导电性等众多优异性能,使其在环保领域具有非常广阔的应用前景及巨大的潜在市场价值。石墨烯在节能环保领域主要应用在海水淡化、污水处理、大气治理、电能替代、LED散热等方向。

在国家对煤改电政策的大力推广下,石墨烯电热膜产业也初具规模,常州二维碳素开发了一款石墨烯高温阻燃型电加热膜,能广泛应用于家用取暖、中医理疗、医疗加热、温度管理等领域,该产品将耐高温性能提升到180℃,电热转化率99%以上,使用寿命提升至30000小时以上,同时具有发热均匀度高、10秒速热等特点,有效解决了现有电加热产品的转化率低、性能衰退、局部高温等行业瓶颈问题。

生物医药

石墨烯原材料价格低廉、容易得到,制备方法简单,被认为是极具应用价值的新型材料。石墨烯与多糖等物质合成的复合材料,与细胞高度相容,可用作细胞生长支架;石墨烯衍生物表面含有大量的含氧基团,比表面积大,能促进干细胞的黏附、增殖和分化等,通过进一步结构化功能修饰,可用于骨组织工程领域;基于石墨烯材料的生物传感器可用于测定血清样品中的葡萄糖含量、细菌分析、DNA和蛋白质检测等;经过功能化的石墨烯还可作为载体,将药物运送至靶细胞,提高治疗效果和效率;石墨烯较碳纳米管具有更大表面积、更小毒性、更低价格,并且其光热治疗作用更优,石墨烯或将成为癌症光热治疗的替代材料。

化工

石墨烯在化工领域的潜在应用主要集中在橡胶、塑料、防腐涂料以及润滑油、润滑脂等领域。如涂料方面,石墨烯具有二维层状结构和大的比表面积以及对水、氧和氯离子等的阻隔特性,在防腐涂料领域具有广阔的应用前景。石墨烯防腐涂料具有以下优点:石墨烯重防腐涂料能够在化工重污染气体、复杂海洋环境等苛刻条件下,实现更长的防腐寿命;石墨烯的加入大大降低了锌粉的用量,在锌粉含量减小70%的前提下,耐盐雾性能仍是环氧富锌涂料的4倍以上,满足了涂装材料轻量化的发展需求;石墨烯优异的导电性、导热性实现了重防腐涂料的功能化。

此外,石墨烯作为新兴的材料,在润滑油/脂中的应用方兴未艾,此前的超细石墨粉(或二硫化钼粉、聚四氟乙烯粉等)作为填料常出现在润滑脂中,用于改善润滑脂的润滑性能,而石墨烯作为新材料想要在传统的润滑剂中起到特殊功效,在润滑和防锈两个方面将有所突破。研究发现纳米材料具有易烧结、熔点低等特性,因此以其为基础制取的新型极压抗磨剂作用机理并不是传统的在两摩擦副表面形成一层低剪切强度的物理化学膜,使摩擦磨损发生在生成的保护膜之间,而是将单一的滑动摩擦改变为滑动与滚动的复合摩擦,通过改变摩擦方式达到减小摩擦的目的。

航空航天

随着航天航空产业的发展,对复合材料的性能提出了更高的要求,因此需要研发更高性能的新型复合材料,由于石墨烯具有高强度、高导热、抗电磁干扰等性能,可用于航空航天材料中,提升航天航空材料性能,有潜力改变我国航空航天材料主要依赖于进口的局面。目前石墨烯在航空航天领域的应用主要包括大型微波暗室用吸波材料、飞行器与武器平台隐身、轻质复合材料、抗雷达干扰线缆、航空航天热管理系统、飞机轮胎、雷达电磁屏蔽等领域。

产业支撑作用显现

中国石墨烯产业主要集中在提升传统产业方面,目前石墨烯对传统产业升级的带动作用日益显著,尤其是在涂料、轻量化材料、橡胶轮胎、LED散热材料等方向的应用有突破性进展,石墨烯以“工业味精”的形式添加到各种传统材料以提升传统材料的性能。青岛瑞利特新材料科技有限公司研制的抗甲醛和杀菌智能内墙涂料已经投入市场。该智能内墙涂料采用具有甲醛分解性能的石墨烯纳米复合材料,结合光催化的原理,通过吸收可见光光能达到分解空气中游离甲醛的目的,并且具有抗菌效果。东旭光电发布石墨烯散热大功率LED模组,相比传统LED灯具,它的节能效率提升20%,散热器体积减少3/4,重量减少2/3。

石墨烯在新兴产业的应用主要是在新能源、电子信息、生物医药等领域,充分发挥石墨烯高导电、高导热、高强度等优异性能,“烯”的作用越来越显著,2017年石墨烯在新能源和电子信息领域的市场规模分别为40亿和1亿元。南京百杰腾物联科技有限公司利用石墨烯体系导电油墨的特性,做出防伪、防撕、无法重复使用的RFID标签,在文件安全、食品安全、各种防伪管理应用上开创了有别于金属刻蚀标签的新应用,为物联网等各种应用场景所需天线提供了整体系统方案。超威电源将石墨烯铅基合金首次应用于铅酸蓄电池的正极板栅,成功生产出新型耐高低温高能量黑金石墨烯电池,使用寿命提高了90%以上,截至2017年底该电池累计销售量突破2000万只,销售额达30亿元。

区域集聚初步成形

得益于政策的支持和石墨烯极为广阔的应用范围与前景。中国的石墨烯产业呈现出多点开花,集聚初现的特点。东部沿海地区起步早,政策支持力度大,产业化进程领先其他地区,据CGIA Research统计,东部沿海地区集中了70%以上的企业,集聚效应初步显现。随着石墨烯上下游产业链的不断成形,产品标准和技术规范逐步完善,现在初步形成三个集聚区,包括长三角石墨烯产业集聚区,珠三角石墨烯产业集聚区和山东石墨烯产业集聚区。

石墨烯产业的发展整体呈现出良好的应用前景,未来产业发展趋势将更偏向石墨烯绿色、高质量、规模化制备,多级次多功能组装集成,未来产业资源将进一步整合,应用在新能源、生物医药、电子信息、航空航天等领域继续深化。


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