战略性新型材料石墨烯管理科学与工程布局研究
——以石墨烯为例

曹 寅

（天津大学管理与经济学部，天津 300072)

目前，随着科技水平与社会经济的稳步提升，加快了对新材料产业升级、管理布局的研究与改革。战略性新材料能够与生物技术、信息科学等先进性产业有机融合，表现出结构一体化、功能智能化的改革趋势。如果没有战略性材料的创新支持，就无法形成先进的新材料产业，并直接限制战略性新兴产业的可持续性发展。石墨烯作为极具市场需求与应用前景的战略性新材料，相应的管理科学与工程布局对其产业化发展有着重要作用。在不断完善管理与布局的基础上，通过相关文献数据的分析，评价战略性新材料石墨烯在行业领域内的趋势、竞争态势并进行整体性了解，进一步推动石墨烯行业制定相应的战略性决策。

1 战略性新型材料石墨烯及其技术研究现状

1.1 年度分布特征

将与石墨烯材料有关的文献进行数据检索，能够得出石墨烯材料有关文献在一年中的变化情况。通过资料可知，石墨烯年度文献的分布呈现出不断上升的状态，2011年后，更是直接步入快速发展的阶段。尽管中外研究文献的数量都处于增长趋势，但是中文文献数量的增长趋势与国际相比较慢。

首先，在对外文数据的分布解析中得知，中外文献的平台数量都是持续上涨的，但是在较长周期的延伸下，数据差距开始扩大，外文文献的平台数量增速较快，为进一步分析文献增长态势，更加具体地对区域性文献数量展开研究。从资料中可知，中文文献的数量与其他国家相比，具有明显的数量优势，中文发文总量在外文平台中约占40%。基于国际交流的角度，石墨烯的发现国是英国，英国的石墨烯材料中心度达到了0.23，而中国的是0.11，中心度说明我国对石墨烯材料的研究水平较为理想，但是关于石墨烯材料的管理科学与工程研究主要以外文的形式来呈现，在一定程度上可能会出现向外流动的现象。因此，为实现现阶段中文战略性新材料的有效发展，应重点关注相关文献的数据转换[1]。

1.2 研究机构分布特征

基于对上千机构的论文分析，对国际领域发表文献的机构中，中国占有约50%，其中更属中国科学院的研究影响力更大，排在中国科学院后面的是新加坡的南洋理工大学与清华大学。其中，我国天津、福州、南京等部分地区的理工类大学也都排在靠前的位置。基于中心度而言，美国麻省理工学院、中国科学院与中国科技大学、宾州州立大学的学术交流非常深入，其中，麻省理工学院具有较为突出的突变权重，在研究交流中起到了带头作用。

通过表1专利申请人数量的排名表来看，复旦大学在专利申请方面具有突出的表现；在国际领域中，苏州纳诺科技有限公司与吉林大学有一定的推动作用；在国内对于石墨烯材料的研究中，江苏大学与济南大学具有更强的权威性。从整体的数量上而言，专利审批通过数量最多的国家是中国，以此可以看出，石墨烯作为战略性新材料在我国的管理科学与工程中有着十分重要的地位，且获得了较高的实质性重视[2]。

表1 以石墨烯材料专利申请人及数量排名Table 1 Is ranked by patent applicants and number of graphene materials

2 战略性新型材料石墨烯及其技术发展方向

2.1 关键词聚类

管理科学与工程能够在一定程度上反映出材料或行业在之后长期的发展过程中的角度，通过文本聚类进行具象化的态势分析，预判发展方向。通过关键词文本聚类，获得出现频次较高的关键词，明确相应的研究重点。标准的专利信息格式是国际专利分类号，即IPC，利用IPC，得出战略性新材料石墨烯的研究重点。将相关文献导入专门用于文献分析的软件中，确定关键词，展开共现分析；通过pathfinder算法，设定Keyword为搜索节点，展开可视化分析[3]。

2.2 国内外平台相关文献研究热点

在共现与可视化的分析中，关键词的出现次数与研究程度直接决定了节点表现出的大小，节点越大，其研究热度越高，关键词中节点较大的是石墨烯薄膜、氧化石墨烯、石墨烯纳米粒子等。进一步展开关键词的管理科学与工程分析可知，国内的研究热点为氧化石墨烯、电容器、锂离子电池、复合材料等。通过中介中心性衡量，将重要性数值进行具象化呈现。依照节点所匹配的频次、年份以及中介中心性，展开节点信息分析。目前，国际与国内所表现出的研究热点与形态基本一致，但国内的转化起步较晚。基于关键词的中心度而言，多孔碳、锂离子电池、电极等元素在国际领域更为热门；壳聚糖、吸附等技术元素在国内更加热门[4]。

进一步检测研究石墨烯行业领域中的异常情况，需要通过对相关的膨胀词进行管理科学与工程领域研究，实现突变性的明确。通过节点密度的分析，判断关键词的突变时长与层次，此方法能够更加准确有效地预测出材料、技术、行业的发展趋势与突变领域。依照突变词的权重展开顺序排列，国内外的突变词的频次与权重见表2。

表2 突变词数据的频次与权重Table 2 Frequency and weight of mutation word data

结合上述相关文献数据的分析，可知：

首先，基于热点的集聚状态而言，当下，国外的相关管理科学与工程发展更加成熟，我国可以有效利用国际中的研究进行成果转化；在政策的积极指引下，保证战略性新材料的优化配置与可持续性管理发展，不断深化石墨烯材料在替代材料中的功能性研究，并逐步建成产业化规模[5]。

其次，基于热点的分布而言，国际与国内平台都十分重视氧化石墨烯、电极以及纳米材料的研究，从中心度也可以观察出技术的重视程度，在中文研究中，电极与纳米材料的中心度为0.39；在外文研究中心，中心度分别是0.45与0.11，这就表明我国正在不断强化这两种材料技术的成果转化。此外，我国更加重视复合材料、物理性能以及光催化等方面的研究。综合研究热点的应用特征，可以得出，对于微观层面的研究较多，虽然尚未形成系统化的战略性新兴材料产业规模，但是正在不断地深入挖掘新材料的管理科学价值与工程发展潜力。

最后，基于管理科学与工程分布而言，国际平台更加具备关注度，其研究前沿的热点是石墨烯、二硫化钼以及还原氧化石墨烯；国内平台的突变时间较晚，研究前沿的热点是石墨烯、分子动力学以及氧化石墨。在国家明确指出石墨烯的战略性材料研发地位后，工程分部逐渐向国内平台进行转移。

2.3 IPC数据分布

根据专利数据的IPC分类频次，展开战略性新材料的布局分析，相关小类统计数据如图1所示，将各小类与相应的技术范畴展现于表3中。在IPC小类特征的基础上，明确石墨烯管理与工程的技术构成。

图1 国际石墨烯材料IPC数据分析Fig. 1 IPC data analysis of international graphene materials

作为战略性新型材料，石墨烯在国际上的专利申请类别状况如图1所示，以上十个类别中的专利数在整体数量中约占57%，前五位的类别专利数量远超其他类别的专利数量，约占整体的40%。这就说明石墨烯材料在配料技术、电力资源、半导体技术、化合物组合物等方面的研究较为重要。此外，根据IPC类别的应用特征可以得出，石墨烯材料还在电容器、物理化工、涂料、纳米技术等方面有较为广泛的应用[6]。

表3 石墨烯材料领域重要IPC小类的应用领域Table 3 Application fields of important IPC subclasses in graphene materials field

石墨烯材料在国内的专利申请类别状况如图2所示。其中排名前十的专利数量约占整体的60%，而H01M、H01L以及C08K的专利申请数量更加具有明显的优势。这说明以化学能转换电能的设备、半导体元件、高分子有机物/无机物的核心技术，关注热点与研究层次比其他技术更具深度[7]。

图2 国内石墨烯材料IPC数据分析Fig. 2 IPC data analysis of domestic graphene materials

将国际与国内的IPC小类进行分析可知，种类与专利排序基本相同。其中C08K在国际领域较为热门，H01M在国内的领域较为热门。但基本上可以说国际与国内领域在战略性新型材料的研究方向上是一致的，并根据三阶IPC分类将专利内容划分为四部分。第一部分包括催化剂、纳米结构、复合材料的制备与应用；第二部分包括塑料、橡胶、复合胶体材料、涂料、高聚纤维、非金属元素化合物、着色浆料及固体的制备与应用；第三部分包括锂电池设备、电极材料、半导体元件、信号及能量探测器的转化研究，石墨烯材料发光、储能集成技术、电容器的制备与系统研究；第四部分主要针对设备与技术的检测与分析研究，国际的研究方向侧重于塑料、橡胶以及复合胶体的制备与研究上，而国内的研究方向侧重于锂电池设备、电极材料的制备与研究上[8]。

3 石墨烯材料工程聚类研究

通过文献的管理分析与工程布局研究，能够得知国际与国内对石墨烯战略性新型材料的研究热点主要集中于以下工程行业中。

3.1 储能工程

电容器、锂电池、电极等设储能装备都能通过石墨烯材料进行性能升级。石墨烯材料经过改性后，以物理或化学的手段对电池材料进行改进，可以有效提升电池的实际应用强度。将改进后的电池与电容器进行融合，可以扩大电容量，进一步增强电极的作用。同时，电池储能的韧性与灵活性均进一步得到提升[9]。

3.2 传感器及半导体工程

石墨烯材料分支下的石墨烯薄膜能够在传感器、半导体产品、微电子器件、触摸屏等设备的制备中提供先进性的材料支撑。石墨烯材料本身就具备韧性强、质量轻的特点，可以完成自由的导热导电任务，结合石墨烯薄膜与半导体的基础上， 提升芯片的灵敏度与可靠性，能够有效提升新一代触屏电子的使用性能。

3.3 新材料工程

石墨烯材料所制备出的石墨烯粉可以应用于船舶、海上设备中的防腐涂料以及导电油墨、电磁屏蔽中的电学材料，此外，还能应用于塑料、橡胶等功能性增强材料的应用中。根据石墨烯的导电特征，将二网格状的石墨烯结构进行性能改进；将石墨烯材料与导热片、涂料进行有机技术融合，不仅提供了更加更具潜能的工程价值，还给战略性新型材料带来市场发展空间。

3.4 生物医药工程

基于石墨烯材料的网格状结构，能够实现有效的外物隔离，同时，又具备良好的生物融合的特点。因此，石墨烯材料在药物、微生物、微分子测量等生物医药领域具有较好的开发前景。具体而言，以石墨烯材料为基础的生物医药设备、传感器能够对血液检查、元素含量检测等工作创造更加准确、可靠的设备保障[10]。

4 结语

基于全球科技与战略性材料的竞争，发展目标就是通过合理的投入创造较大的效益，这就需要对战略性材料的制备与开发进行有效的管理与工程布局分析，使自身具备的科研技术水平处于先进水平，并获得相应的先知权。石墨烯材料作为战略性新型材料，通过科学化的管理与布局分析，得出实证研究结果：具有最高效用的工程布局是锂电池、电极材料、塑料、橡胶、半导体以及传感器行业。