【光学材料石墨烯】撬动万亿产值：光学材料石墨烯或列入新材料发展规划-行业新闻

2004年，两位俄裔英籍科学家将石墨烯成功从石墨中分离。石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，如果说20世纪是硅的世纪，神奇的石墨烯则是21世纪新材料的宠儿。

　　石墨烯用途非常广泛，是一种被科学家寄于厚望的新型材料。在制造业，它不仅被运用在半导体芯片、光子传感器、太阳能电池、柔性触摸屏等领域，而且在光学方面上，石墨烯也有相当大的用途。

近日据国外媒报道，来自国外的部分研究机构发现，石墨烯这种材料拥有难以置信的光吸收能力，并且还能把吸收的光波迅速转化为波长更短、频率更高的激光，持续时间为几飞秒。科学家们表示，利用这个新发现，未来他们可以发明更耐高温的激光发射武器（石墨烯超耐高温）。

　　当然，这个发现目前仅存在于实验室，如果科学家们建立出实体模型，将能够增加激光发射器的使用寿命和发射功率。

　　6月21日，在香港举行的“石墨烯时代21世纪的奇迹材料”产业化全球高端论坛上，诺贝尔物理学奖得主康斯坦丁·诺沃肖洛夫爵士以一场妙趣横生的讲演，将听众带入一个玄妙神奇的科技世界，令人对未来美好生活充满遐想。

　　揭秘石墨烯的光学特性

　　在中科院强激光材料重点实验室研究员王俊眼里，自己一直从事的、被称为光学材料领域国际最前沿的科研领域里，“最新”和“前沿”不是紧盯的重点，王俊看重的，是石墨烯和碳纳米管光子学研究中的“问题”。

　　“通过研究使还未得到解答的问题真正得以解决，是科研创新最大的意义。”王俊说，“这也是我们课题组一直秉承的信念。”

　　在石墨烯光子学领域，王俊首次从实验上验证了石墨烯的宽带非线性光学特性。2009年，当时针对石墨烯光学性质的实验研究只有一篇后来获诺贝尔奖的Geim教授和Novoselov教授小组发表于Science的论文，而非线性光学性质研究还处于空白的状况，王俊认为，其应用价值并未引起足够重视。于是，王俊开始解决发现的这一“问题”。他对此的研究成果第一次从实验上揭示了石墨烯优异的非线性光学性质，开创了石墨烯光子学性质及其应用研究的先河，为研究石墨烯及其衍生材料的非线性光学性质、以及开发石墨烯光子学器件提供了准确可靠的实验依据和理论解释。王俊的研究被业内称赞为石墨烯光子学领域具有开拓性的工作之一。

　　如果只是去做别人没做过的东西，王俊觉得不足以构成真正意义上的科研创新。他认为，创新更重要的是能够通过研究解决一些重要问题。而这些问题往往是某领域研究通向应用的一个瓶颈，这才具有重要的创新意义。

　　王俊在石墨烯光子学领域的研究如此，在激光防护光子学领域的研究也是如此。

　　王俊深入地研究了一系列光功能材料的激光防护限幅应用，深入揭示了单壁碳纳米管的非线性散射致光限幅效应。王俊的系统研究，进一步揭示了碳纳米管光限幅效应的物理本源，以此提出了从根本上提高其非线性消光性能的解决方案，为基于碳纳米管及其衍生功能材料的激光防护限幅器件的设计和开发，以及随后石墨烯非线性光学的研究工作奠定了坚实的实验和理论基础。这些研究成果，对除碳纳米材料外其他具有光散射致非线性消光效应的纳米材料，如金、银、合金纳米结构、量子点等，都有重要的参考价值。

　　王俊说：“科研人员在创新研究中，不仅要发现问题，更要解决问题，并把结果公布出来，为大家服务，我觉得这个才是做科研的核心创新理念。”

　　王俊的话语和王俊的履历，让很多人想不到他其实只是一个“80后”。1979年11月出生的王俊，目前已经是中科院强激光材料重点实验室研究员、博士生导师、兼重点实验室主任助理，负责微纳光功能材料学科建设。2010年12月，王俊由中国科学院上海光学精密机械研究所以“百人计划”引进，2011年4月顺利通过择优支持。如今，王俊已成为国家首批“青年拔尖人才”、上海市“浦江人才”、上海市嘉定区“青年领军人才”。今年2月，又担任了上海市激光学会青年委员会主任。

　　在被追问到为何乐此不倦地沉浸于科研中时，王俊会“少年老成”地表示：“这个领域‘问题’太多，有时候也会力有不逮。但我们愿意为此而竭尽全力，因为我非常地喜欢这个领域，喜欢这些‘问题’。”

石墨烯产业有望形成万亿产值

　　石墨烯，2004年首次从石墨中分离得出，是目前世界上已知的最薄的材料，几乎完全透明，具有良好的导热、导电性能。

　　为推动石墨烯产业化，中国石墨烯产业技术创新战略联盟日前在京成立。该联盟由清华大学、中科院金属研究所、北京现代华清材料科技发展中心等核心单位发起，联合国内从事石墨烯研发、产业化的22家法人机构。联盟成员包括6所高校、4家中科院研究所、17家企业，基本囊括了国内石墨烯研发及产业化的主流单位。

　　作为一种新型的纳米材料，石墨烯以其独特的结构、力学和电子性质，在药物投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。它是目前人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。

　　分析认为，首先，石墨烯如果取代硅，有望让计算机处理器的运行速度快数百倍。其次，石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命，制造出可折叠、伸缩的显示器件。再其次，石墨烯可以推动超级电容器发展，使得同等体积的电容扩充5倍以上的容量。此外，石墨烯因超强的光转换能力，可制成性能更好的激光器。石墨烯因其超出钢铁数十倍的强度，也有望被用于制造纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯”的缆线，在这些领域将引发革命性的突破。

　　作为一种技术含量极高的碳材料，石墨烯在激光、半导体、光伏、锂电池、光器件、航天、军工、LED、触控屏等领域都将带来一次材料革命。由于售价高昂，石墨烯目前尚未产业化。有分析认为，作为一种理想的替代型材料，石墨烯一旦实现产业化其产值至少在万亿以上。

　　中国产业优势明显

　　中国具有发展石墨烯产业得天独厚的条件。数据显示，我国石墨矿储量占世界总储量的75%，生产量占世界总产量的72%，是我国少有的几种具有国际竞争优势的矿产之一。

　　论坛上，各科研单位专家和企业代表认为，石墨烯在我国的应用前景十分广阔，现在行业正处于从技术向商业演变的关键时期。但从实际情况来看，成本和工艺问题的存在使得石墨烯短期内无法形成真正的商业规模，在应用领域来看，锂电池和环保涂层材料有望是国内石墨烯应用领域未来的一大突破口。

　　石墨烯的制成需要有尖端的制备工艺，目前业内主要有四种制备方法，分别是机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法(CVD)。前三种的原材料均为石墨，CVD法原材料则为甲烷居多。由于制造成本相对较低，目前业内多采用机械剥离法和氧化石墨还原法制造石墨烯。

　　中科院宁波材料所石墨烯研究团队研究员周旭峰表示，目前国内对石墨烯的应用前景颇为看好，多个领域都准备跃跃欲试。但从实际情况来看，制造工艺不稳定和成本居高不下，仍是石墨烯走向产业化最需要解决的问题，从制造工艺来看，目前业内的四种方法均有各自的优势和缺陷，产业技术路径仍在探讨之中。周旭峰认为，由于产业链相对较短，环保和储能领域有望成为率先实现石墨烯商用。

在相关政策扶持方面，工信部原材料司副司长高云虎表示，在编制新材料产业“十二五”发展规划的时候，石墨烯还没有目前这样热门，产业应用前景也并不明朗，因此在规划文本、产品目录中没有把石墨烯作为主要重点，但随着技术和应用的突破，下一步会统筹研究并予以考虑。

产业化难题待破

　　业内专家指出，石墨烯目前整体主要还处在研发阶段，制备石墨烯的技术工艺还不太成熟，而且成品面积相对较小，不能适应工业化应用。各国对于这个新兴材料还处于一个专利布局期，整个产业链也还没有形成。我国在石墨烯基础研究方面已经十分突出。

　　有关研究显示，截至2012年底，我国发表的石墨烯论文数量已经超过美国，名列世界首位，而且部分团队的研究成果受到了世界各国的高度重视，被引用达数千次之多。飞速发展的还有我国的石墨烯专利数量，无论从专利受理数量，还是优先权专利数量来看，我国都是仅次于美国的世界第二大国。这意味着，一方面我国企业高度重视石墨烯技术开发并积极申请专利保护，另一方面也表明世界其他国家对我国石墨烯市场相当关注。

　　然而，在石墨烯产业化道路上存在诸多现实问题，一方面尚未具备规模化生产能力，产品成本高；另一方面石墨烯还未真正形成下游的应用和需求。因此现在既要尽可能降低成本实现规模化生产，又要尽快在产业化应用上实现突破。目前进行石墨烯研究的主要是高校院所等研究单位和少数中小企业，研究力量比较分散，要尽快实现石墨烯产业化，必须通过技术创新和产学研协作，建立一条完整的涵盖石墨烯研发、规模化身材干旱、下游应用等全产业链环节的技术路线和公共科技服务平台和测试平台，通过全行业的共同努力，共同突破关键的技术难题以及在应用领域实现突破，并不断提高技术水平和管理水平。

　　石墨烯产业联盟的组建宗旨是为了整合协调产业资源；以推进低成本石墨烯及装备的技术进步和产业化为目标，建立上下游、产学研信息、知识产权等资源共享机制；建立与政府沟通的渠道及人才培养、国际合作的平台；推动标准、评价、质量检测体系的建立，促进成员单位的自身发展，提升低成本石墨烯的整体竞争力，从而达到推动石墨烯产业发展的目的。

　　石墨烯作为ITO导电膜的替代性材料曾被触摸屏行业高度关注。石墨烯技术可以使得显示屏具有柔性，但由于手机等智能终端的产业链太长，产品的成形需要电路板、机身材料等整个供应链的配合。理论上讲这些东西在实验室内已经可以实现，但要商用还需要一定的时间，不仅因为成本离谱，良率问题也很不乐观。业内人士表示，三星电子前期在这方面投入了大量的研发资源，原计划在今年要推出一款类似的概念。(中国行业研究网)

　　石墨烯离产业化还有多远？

　　“一年之前，我不敢说我的单层石墨烯已经规模化生产，但现在敢说了。”上海交通大学郭守武教授在台下对记者如是说。

　　就在之前半小时，郭教授团队实验成果在台上展示PPT时，受到了台下企业界的追问，“我要5公斤，你能给我吗？”“签了合同，几天就能给你。”“价格多少？”“我成本是0.5元/克，但这是郭老师几年心血，他肯定不会以这个价卖给你。”

　　在国际上，单层石墨烯售价是2000元/克。

　　同样是石墨烯制备者，中科院宁波材料所刘兆平受到同行的追问，“你9块钱太贵了，你能做到1元/克吗？”“当然可以。”“一两毛钱呢？”“这是商业秘密。”

　　刘兆平团队多层石墨烯(比单层制备更容易，成本更低)技术已经卖给了华南家族控股股东南江集团的兄弟单位。据悉，该技术产业化项目预计于11月投产，是全球首条30吨石墨烯生产线。

　　对于该项目产业化前景，刘兆平称“关键看下游。”

　　中科院金属所与金路集团签订了技术合作协议。该项目负责人任文才告诉记者，去年该项目已经完成了中试，随时可以工业化，“关键看下游市场。”

　　石墨烯下游应用广泛，如锂电池、涂料、LED等。下游应用市场若没有成熟，制备就难以量产。一家深圳公司2010年就开始卖石墨烯，但苦于应用市场没有起来，销量一直做不起来。

　　不过，石墨烯下游应用在部分领域可能率先突破。南京科孚纳米技术有限公司萧小月总经理透露，一位做散热复合材料的海外客户已经提出计划，希望逐月实现每月四吨的供货需求。

　　刘兆平认为，锂电池、LED将有望成为国内最先利用石墨烯的下游行业。

　　不过，北京一企业试用了多家科研单位试验室石墨烯产品，他认为，上游石墨烯品质并不稳定。

　　石墨烯产业链虽然没有成熟，但投资热潮已经显现，刘兆平作为较早掌握该技术的科研人员对此感触很深，他用“太狂热了”来形容。