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石墨烯新材料:发展现状与研发应用挑战

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石墨烯新材料:发展现状与研发应用挑战


作为一种新型碳材料,石墨烯自发现之日起就受到了各国科学家的广泛关注。石墨烯具有结构稳定、导电性高、韧度和强度高等突出的物理化学性质,被誉为“新材料之王”,已经应用在电子、储能、复合材料、航空航天等诸多领域。在我国制造业由大变强的进程中,发展石墨烯产业,对带动相关下游产业技术进步,提升创新能力,加快制造业转型升级,抢占制造业新一轮竞争制高点,激活潜在消费等,都有着重要意义。

石墨烯产业链简介

整体的石墨烯产业链分为上、中、下游。上游主要是制备石墨烯的原料产业,中游主要是各类石墨烯产品,下游是石墨烯的应用领域如半导体、电子器件、环保领域、医药生物及散热领域等。

 截至目前,全球有数千家公司涉足石墨烯相关的研究和开发,其中包括IBM、英特尔、美国晟碟、陶氏化学、通用、杜邦、施乐、三星、洛克希德·马丁、波音、索尼、华为等科技巨头。2017年中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布的《2017全球石墨烯产业研究报告》显示:预计到2020年,石墨烯全球市场价值将达到1000亿元。而从全产业链市场规模及往年年复合增长率来看,未来石墨烯有望达到万亿元级产能规模,特别是未来5~10年,随着石墨烯应用市场的不断拓展,石墨烯原材料与下游应用产品将持续展现出巨大的市场前景,在众多领域产生令人期待的经济价值。

石墨烯材料发展的现状

2009年后,全球石墨烯技术专利申请量迅速增长,其中中国是全球石墨烯技术专利申请量最大的国家,累计申请量达24942件,公开22418件,增长了59.46%(截至2015年9月专利公开量为14098件),与美国同为第一梯队国家。韩国和日本为第二梯队国家。德国、英国、法国和俄罗斯也有一定量的专利申请提出,为第三梯队国家。在石墨烯技术专利申请方面,中国和美国处于引领地位。

国际石墨烯发展现状

目前国际上从事石墨烯产业研究的国家包括英国、美国、欧盟、韩国和日本等,各国发展状况不同。

英国:作为石墨烯的“诞生地”,英国在石墨烯的基础研发方面居于全球领先地位,但从事商业开发的石墨烯企业较少,因此在石墨烯应用方面并非其强项。

为加快英国石墨烯产业的研发及应用,英国政府也投入巨资加快石墨烯产业发展,产业布局主要围绕曼彻斯特大学进行,先后在曼彻斯特大学成立了国家石墨烯研究院及石墨烯工程创新中心,以加速石墨烯的基础研究及应用开发。

美国:美国对石墨烯的研究投入较早,石墨烯产业化和应用进程相对较快,其产业布局也呈现多元化,产业链相对比较完整,基本覆盖了从制备及应用研究 — 石墨烯产品生产 — 下游应用整个环节。不仅拥有IBM、英特尔、波音等众多研发实力强劲的大型企业,还诞生了众多小型石墨烯企业。美国国防部、国家自然科学基金也投入巨资,重点在石墨烯晶体管、能量存储、超级电容器等领域支持石墨烯产业研发及产业化。

欧盟:欧盟的石墨烯研究起步早且系统性强,并将石墨烯研究提升至战略高度,资金支持力度大,基础研究扎实。但是,由于涉足下游应用的企业较少,产业化进程推进较慢。石墨烯旗舰研究项目是欧盟选定的首批技术旗舰项目之一,总投资10亿欧元,该项目核心内容是提出了13个重点研发领域,主要包括标准化、生物传感器与生物界面、薄膜技术、面向能源应用的催化剂、面向复合材料和能源应用的功能材料、功能涂层和界面、GRM与半导体器件的集成、新的层状材料与异质结构、面向射频应用的无源组件、硅光子学集成、石墨烯及相关二维晶体和杂化系统的原型研究、更新石墨烯及相关二维晶体和杂化系统的科技路线图、开放性课题等。

目前欧盟约有50余家公司开展石墨烯的研发、产业化以及应用的推进,不仅包括诺基亚、巴斯夫、拜耳等工业巨头,还有众多小型专业化石墨烯企业。产业分布主要集中在德国、法国、西班牙等地。

韩国:韩国石墨烯产业发展产学研结合紧密,在基础研究及产业化方面发展较为均衡,整体发展速度较快。从政府层面,韩国政府通过提供资金支持、整合研究力量等多方面加大支持力度;从研究层面,韩国成均馆、韩国科学技术院等均在石墨烯研究方面拥有较强实力;从企业层面,主要以韩国三星集团和LG公司为主,其中韩国三星集团投入巨大研发力量,保证了其在石墨烯柔性显示、触摸屏以及芯片等领域的国际领先地位,为韩国石墨烯产业发展提供支撑。同时韩国十分注重保护和申请石墨烯专利,目前专利量居全球第三,仅次于美国和中国,远高于欧洲其他国家。

日本:日本依托其良好的碳材料产业基础,是全球最先进行石墨烯研究的国家之一,产学研结合较为紧密,整体发展较为全....


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