透明膠帶撕出的「新材料之王」，甚至還拿下諾貝爾獎

金剛石、石墨都是我們日常生活中可見的碳的同素異形體，也被廣泛應用到我們的生活中，例如鑽戒上的鑽石，工業中的切割工具、電極材料等，這些三維結構的物質讓我們對碳單質的大家庭有了基本的印象，而這個大家庭中，還存在著一種二維結構的神秘物質——石墨烯。

它面世至今只有16年，聽起來高端大氣神神秘秘，與我們卻僅相隔一支鉛筆的距離。

01 入木三分：「撕」出來的諾貝爾獎

石墨（Graphite）是我們生活中一種常見的黑色物質，也是鉛筆芯的主要成分。石墨中的每個碳原子都與另外三個碳原子相連，形成穩定的正六邊形環並伸展成片層結構，每層之間依靠較弱的分子間作用力連接。如果可以將石墨一層層剝開，剝離出最薄的單層碳原子薄膜就是石墨烯。也就是說，用鉛筆在紙上輕輕畫一筆，筆跡裡可能就有好幾層石墨烯。

掃描電鏡下的石墨烯，顯示出其碳原子組成的六邊形結構。圖片來源：Lawrence Berkley

雖然是從黑色的石墨中剝離而出，石墨烯（Graphene）卻是一種幾乎完全透明的物質，它是由單層碳原子組成的六角型蜂窩狀晶格結構二維納米材料，具有優異的光學、電學、力學特徵，是目前自然界最薄最強韌、導電性最好的材料，還能在常溫下觀測到量子霍爾效應。

2004年，英國曼徹斯特大學的物理學家 Andre Geim 與Konstantin Novoselov 通過撕膠帶這一簡單方式成功剝離出了石墨烯，自此加速了人類對石墨烯探索的步伐。2010年，兩位石墨烯的發現者共同獲得諾貝爾物理學獎。

由於石墨烯具有的優異性能，全球80多個國家將其列為重點突破的前沿新材料之一；在國家政策的加持下，IBM、Samsung、Fujitsu、Xolve、華為等多個龍頭企業也紛紛下場，成為各國發展石墨烯產業的主要推手。

02 渴驥奔泉：技術創新與應用開發

石墨烯的產業鏈可以分為上遊的原材料石墨礦、含碳氣體與CVD（化學氣相沉積）設備製造；中遊的石墨烯粉體與石墨烯薄膜產品；以及下遊的石墨烯在新能源行業、電子信息行業、複合材料行業、生物醫藥行業、環保節能行業等領域的應用。產業鏈上遊石墨礦資源較集中，分布在中國、巴西等國，產業鏈中遊製備技術有待進一步發展，並且制約了下遊創新應用場景開發。

從產業鏈上遊來看，全球石墨礦儲備豐富，所以制約行業的關鍵節點在於CVD設備研發，但CVD設備領域的行業集中度非常高，全球70%的份額都被TEL、應用材料、泛林半導體三家寡頭企業壟斷，未來行業集中度會進一步提高，地方政府在招商引資過程中要防止概念炒作類虛假項目。

從中遊來看，中遊的產品主要分為粉體和薄膜，但從目前的發展階段來看，粉體製備技術相較薄膜更為成熟，在複合材料、導電材料等領域形成了廣泛的應用。從石墨烯薄膜來看，雖然在電子與光學領域形成一定應用，但總體上製備技術成熟度較低、成本較高，與市場同類產品相比性價比不高。在高品質石墨烯材料製備領域，規模化的製備技術尚未成熟，使得價格問題依然是石墨烯材料在工業化量產中的一大阻礙。

下遊市場應用方面，現階段的主流產品是發熱服飾、防腐塗料、電極材料等，石墨烯鋰電池、石墨烯手機觸控螢幕等領域尚處產業化臨界點，在物聯網傳感器、可穿戴設備和健康管理、數據通信、超級汽車、晶片以及複合材料等高端前沿領域國內外取得了一定研究進展，但目前還不具備產業化條件。

03逐鹿中原：四強鼎立與區域領先

·全球

石墨烯產業的全球分布體現出四強鼎立的形式。

其中美國「財大氣粗」，在石墨烯科研能力強，產業布局較全面，國家自然科學基金會對石墨烯的資助達500項，美國國防部及其下屬機構也大力投入石墨烯研究項目；英國在石墨烯的基礎研究方面「一馬當先」，在石墨烯發現地曼徹斯特大學建設「石墨烯工程創新中心」作為國家石墨烯研究院的補充，加速石墨烯產品化、產業化、市場化；韓國「產學結合「，在石墨烯領域研發效率高，三星在柔性顯示屏等領域擁有全球領先技術；我國則「勤奮好學」，是2019年全球石墨烯專利的主要貢獻者和申請最為活躍的國家，申請專利的總量佔全球的71.61%，在專利申請數上全球第一，但科學成果轉化率與企業參與度較低。

此外，歐盟、日本等國也在石墨烯產業上布局較早，支持本地企業推動石墨烯產業研發與發展。

·中國

我國石墨烯產業已形成了京津冀魯、長三角、珠三角三大聚合區，多地分布式發展布局。

其中京津冀魯地區通過「技術+資本+產業「的模式，在技術創新與產業協同上形成較強的聯動效應，目前已成為我國重要的石墨烯新材料戰略性新興高地。長三角地區的產業發展較早，通過「研究院+孵化器+產業園」的模式，加速推動一批高新技術成果的轉化落地。形成了「以江蘇常州為核心，浙江寧波為引領，上海安徽同步發展「的產業集聚區，涵蓋了從石墨烯設備研發、原料製備到市場應用的完整產業鏈。珠三角地區堅持市場驅動的發展模式，集中於下遊應用市場開拓，在能源、新材料、電子信息、可穿戴設備、電動汽車等領域形成產業集群。

西南地區石墨烯產業集聚區以四川和重慶為首，已初具規模。

·成都

成都的石墨烯研發起步較早，擁有四川大學、西南交大等一批在在石墨烯的製備和應用領域具有先進技術、打造國際先進水平的高校，成立了西南首個石墨烯產業應用技術研究院。產業鏈初具規模，但總體來說高科技企業數量較少，產業規模較小；企業產品技術創新能力、市場競爭力潛力較大，目前在產學研合作及創新應用場景開發上還有待進一步提升。未來可借鑑長三角地區發展經驗，通過強化產學研合作孵化出一批高科技企業。

04 波濤滾滾：創新應用與深度發展

石墨烯被稱為「新材料之王」，具備高比表面積，高強度，導熱性、導電性、透光性極佳等特性，是當今世界高端新材料領域的發展熱點，在新能源汽車、複合材料、電子器件、高溫發熱等領域具有豐富的應用場景和市場前景。當前的應用場景主要是利用了石墨烯更優異的物化性質來替代石墨等原材料，缺乏對石墨烯材料的創新性深度應用。

·超級電容器

超級電容器是指介於傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，它同時具備了電容器快速放電的特性和電池的儲能特性，是傳統的電解電容器容量的數百倍至千倍。擁有高比表面積、高導電率、高密度等特性的石墨烯是超級電容器的理想材料，為新能源汽車的發展提供了動力。與傳統電容器和傳統電池相比，石墨烯超級電容器利用更短的充電時間，能提供更強的功率。預計2020年，我國石墨烯超級電容的市場規模達到近6億元。

·複合潤滑材料

石墨烯具有特殊的二維納米層結構、高強度和高導熱性，同時也是碳質固體潤滑材料的基本結構單元，作為各種材質微納器件的抗黏、減摩防護薄膜，單層、三層及多層石墨烯基納米潤滑薄膜能夠顯著減小基底表面的摩擦係數和耐久壽命，因此適量石墨烯的加入可以提高潤滑材料的潤滑效果。利用石墨烯替代石墨類產品，實現更高的產品性能。

·顯示器

石墨烯顯示屏是一款耐摔耐撞、透光率高、顯示度佳，且能像紙一樣捲曲的新型顯示屏。石墨烯薄膜比目前市面上使用最多的柔性顯示屏ITO（氧化銦錫）擁有更好的導電性和透光性，可以摺疊程度更高，被認為優於不可再生且具有脆性的ITO膜，是更適用於未來可穿戴設備屏顯技術的新型材料。

·加熱膜

在石墨烯發熱膜兩端電極通電的情況下，電熱膜中的碳分子團產生熱能並以 5-12微米的遠紅外線形式以平面方式均勻地對外輻射，實現加熱的效果，可應用於地暖、牆暖、發熱畫等。同時利用石墨烯的高導熱性，也保證了發熱性能的穩定。效果優於傳統的對流供暖方式以及傳統的發熱材料，發熱功率也可以通過溫控開關進行調節，實現對發熱溫度的調節。

一支鉛筆讓我們認識了「新材料之王」，隨著製備技術的進步和大規模產業化成熟度的提高，石墨烯的應用將走向深度化發展。

在下篇，iNED將為大家繼續梳理石墨烯未來的發展趨勢，解鎖更多新機遇與前瞻應用場景，敬請期待！