石墨烯产业化：蓄势待发

吴志刚

6年前，当人们听到石墨烯三个字的时候几乎是一脸茫然的，不知道它到底是干什么的。如今，提到石墨烯，大多都知道是一款神奇的碳材料，有时候还甚至在问，现在到底火不火了？香不香了？如果把时光倒流6年，2015年被称为中国石墨烯元年。彼时石墨烯材料在中国“红的发紫”，石墨烯概念被众多企业热捧，该材料被认为可以代替晶体硅，应用于移动设备、航空航天、新能源及电池领域等。6年后的今天，中国石墨烯发展已走向产业化发展的道路，不过也仍在产业化的道路上破解着一个又一个研发难题。前途是光明的，道路是曲折的，石墨烯产业化前景可期，也更需要社会各界的共同努力。

材料之王

石墨烯是一种由碳原子以sp杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。具有高导电性、高强度和超轻薄等特性，在电子、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域具有巨大的应用潜力，被认为是一种未来革命性的材料。

石墨烯原本就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。1毫米厚的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹可能就是几层石墨烯——它是由一层碳原子以六角形蜂巢结构周期性紧密堆积构成的二维碳材料。

石墨烯具有很多神奇性能，因此号称“新材料之王”：它是最薄的材料，因为它仅有一个原子层;它是强度最大的材料，理论上强度比钢强韧200倍;它是导电性最好的材料，电导率是银的1.6倍;它是导热性最好的材料，热导率是铜的13倍。

由于石墨烯的电子移动速度极快，又轻又薄又结实，机械强度特别高，再加上它是透明、电阻率极低、良好的导体，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件、甚至芯片;也适合用来制造透明触控（可折叠的）屏幕或光板、甚至太阳能电池;并可用来做汽车或航空的材料;在军事上的用途更广，比如防弹衣，又比如航母弹射器管道中的润滑层（现在都是用特种润滑油，当滑块高速运动时，会摩擦产生高温，润滑油会变质、甚至蒸发，以致磨损滑块）。

在北京市科协主办、九三学社北京市委特别支持的第667期“首都科学讲堂”上，中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范介绍，石墨烯是强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，可以弯曲，又具备超强导热性与导电性，这让它的应用前景十分广阔——它可以做触摸屏，因为它是透明导电薄膜;也可以用作超快集成电路，因为它里面的电子跑得非常快，室温下电子迁移率超过硅材料10倍;它是轻质高强材料，在航空航天领域具有非常广阔的应用前景;它的电磁屏蔽性质，也可以被利用制作隐形飞机、隐身材料。

人们很早就发现了石墨，但没有发现石墨烯。这是因为，早在70多年前的理论研究表明，完美的二维结构晶体无法在非绝对零度的环境中稳定存在。

自两位英国科学家在2004年发现石墨烯并获得2010年的诺贝尔物理奖开始，人们对石墨烯的关注和研究就再也没有停止。石墨烯被发现之初，如何将石墨烯这种特殊性能应用化以及如何量产成为待解决的难题。

迅猛发展

2010年10月5日，英国曼彻斯特大学人工制备石墨烯成果获得了诺贝尔物理学奖，世界对这一神奇材料无不发出惊叹，石墨烯消息在全球四处飞扬。至此，全球石墨烯产业一发不可收拾，進入迅猛发展期。2015年上半年，石墨烯概念股不断暴涨，《自然》和《科学》期刊连续刊登研究石墨烯工业制备技术文献，全国纳米技术标准化技术委员会就石墨烯材料的认证标准多次进行探讨。

中润超油（北京）科技发展有限公司董事长刘玮向全球首发《先进石墨烯润滑材料节能降碳研究报告》

近年来，中国石墨烯产业发展如火如荼，呈现蓬勃发展态势。据国家新材料产业发展专家咨询委员会委员、石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春介绍，中国目前已经成为石墨烯专利大国，专利申请量占全球78.18%;石墨烯生产大国，粉体产能1.46万吨，薄膜产能740万平方米;石墨烯产业化大国，2020年市场规模为140亿元，2025年市场规模预计达到1000亿元。全国范围内，已成立石墨烯产业园37个，石墨烯研究院98家，石墨烯产业创新中心12个，地方联盟13个。长三角、珠三角、京津冀等石墨烯产业集聚区已经形成。

中国经济信息社出版的《2018-2019中国石墨烯发展年度报告》显示，我国石墨烯产业前景广阔，产业规模持续增长。据中信证券统计，2018年我国石墨烯产业规模约为111亿元，较2017年的41亿元同比增长58%。2018年以来，石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大。粉体方面，常州第六元素、青岛昊鑫、宁波墨西等多家企业已拥有国内领先的石墨烯粉体生产线。薄膜方面，长沙暖宇新材料科技公司年产量100万平方米的石墨烯膜生产线已开建，建成后将成为国内第二大石墨烯膜生产线。

在李义春看来，目前石墨烯产业发展已进入了深水区。石墨烯从实验室到市场端的跨越之路并非一帆风顺，而随着投资逐步回归理性、市场竞争日趋激烈，行业进入调整洗牌阶段，一批真正打磨产品、具有工匠精神的石墨烯企业逐渐显露出来。长三角区域已成为推动我国石墨烯产业发展的龙头集聚区，中国也成为了推动世界石墨烯产业发展的重要力量。

中润超油（北京）科技发展有限公司董事长刘玮表示，石墨烯是改变世界的新材料，未来可能很多东西都离不开它，中国在石墨烯领域论文数量占世界一半以上，有好的产业基础、资金基础、人才基础，中国的市场很大，又是制造业大国，有很多民营企业参与到石墨烯产业当中来。虽然中国在芯片、生物医药等领域跟发达国家有一定差距，但在石墨烯复合材料应用上，中国已经具有较为明显的优势，尤其是北京石墨烯产业创新中心具有较强的技术优势。

石墨烯产业的发展离不开石墨烯创新企业的努力。中关村丰台园企业北京碳世纪科技有限公司是研发石墨烯最早的一批企业之一，创始人闫立群从10余年前开始组建石墨烯技术研发团队。到2013年，北京怀柔雁栖开发区500平米的实验室和10余名技术人员的日夜研发奋战是碳世纪最早的雏形。闫立群讲述了当时团队的最大困难，没有人做过这件事，根本不知道借鉴谁。当时石墨烯的价格约2000元人民币/克，在材料制备上，各类科研文献还停留在机械制备法，即用透明胶带在石墨上一点点剥离而成。碳世纪团队采用的氧化还原法宏量制备根本找不到任何借鉴。闫立群说，“当时甭管是氧化实验装置的尺寸、规模，还是一根输送液体的试管材料、直径以及焊接的高度，都无法在任何教材或报告上找到。谚语说只要功夫深，铁杵磨成针，碳世纪就这样一遍一遍的试验，一次一次的记录每次数值，为了确定制备石墨烯的液体管的高度就试了200多次。

中国科技馆展出的碳世纪石墨烯光致电推动现象演示展品

冯冠平是深圳烯旺科技董事长，被称为中国石墨烯奠基人，他创办的烯旺科技，创造性地将石墨烯应用到发热领域，发明了纯石墨烯发热膜并实现了量产。正是有了这个基础，烯旺科技随即将其应用在智能穿戴领域，从此开辟了石墨烯应用化的先河。此后，石墨烯这个21世纪的新型材料开始变得接地气起来，逐步应用到智能家纺、美容、能量房等领域，真正地飞入寻常百姓家，拉近了科技材料与消费者之间的距离。

去伪存真

发展数年，石墨烯产业化得以快速发展，在国家战略的大力支持和资本投入下，石墨烯下游应用有望实现产业化突破。不过，业内人士也指出，面对石墨烯行业鱼龙混杂的现状，需要去伪存真、挖掘真正的石墨烯标的。

在电商平台搜索石墨烯，会出现大量有关石墨烯的产品，了解产品详情会发现，有“进口石墨烯鱼竿”采用的材料其实是高碳纤维，而自称“石墨烯热暖绒保暖裤”的产品，却不含丝毫石墨烯成分。石墨烯电采暖设备在技术应用上符合京津冀煤改电清洁能源取暖的需求，但有的厂家使用碳晶甚至电阻丝等作为发热材料，称是石墨烯电采暖产品，消费者难辨真假。

赛迪研究院的报告指出，“十四五”规划的开局之年，石墨烯领域也将更加注重科技创新和高质量发展，科技创新成果将会不断涌现，在散热、大健康和医疗领域的应用也有望继续拓展，将进一步促进和推动我国石墨烯产业的应用发展和产业化进程。同时，石墨烯行业还存在关键技术未突破，下游应用企业参与度偏低，标准、检测体系不完善，产品鱼龙混杂等问题。这就需要充分发挥各地石墨烯制造业创新中心、科研院所和高等院校等的创新力量，制定石墨烯产业技术创新目录和技术突破路线图，组织优势力量开展重大项目和重点应用的技术攻关，对石墨烯材料规模化制备、清洁生产等关键技术和成套设备加强攻关，加快关键技术成果的转化。围绕新一代信息技术、新能源汽车、高端装备等新兴产业领域发展需求，坚持需求引导，开展石墨烯前沿性和战略性方向、核心技术、专利和产品的布局，培育未来市场。尽快研究制定石墨烯技术成熟度路线图，对重点企业技术成熟度、经营状况、产品销售等进行评估，科学评判其产业化发展阶段和发展前景。同时，继续深化石墨烯对传统产业转型升级的推动作用，從传统产品改性入手，选择目前技术较为成熟、量大面广以及下游用户认可度偏高的石墨烯散热材料、增强复合材料、储能材料等产品开展应用示范，充分利用首批次保险补偿机制等相关政策，降低下游用户使用风险，有效激活石墨烯下游应用市场需求，推动大规模产业化应用。围绕新一代信息技术、新能源汽车、5G、高端装备等新兴产业领域发展需求，坚持需求引导，开展石墨烯前沿性和战略性方向、核心技术、专利和产品的布局，培育未来市场。

对于石墨烯产业来说，制备决定未来，材料是产业基石

目前，石墨烯领域均在推动着石墨烯产业发展及标准化制定等工作。北京石墨烯研究院是其中之一。研究院位于中关村科学城北区中关村智谷中心，这里背靠西山阳台山自然风景区，毗邻翠湖湿地，依山傍水，环境优美。致力于打造引领世界的石墨烯新材料研发高地和创新创业基地，瞄准未来石墨烯产业，全方位开展石墨烯基础研究和产业化核心技术研发是北京石墨烯研究院的发展目标和努力的方向。自成立以来，研究院全方位布局石墨烯新材料的近中远期前沿技术研发及产业化，积极探索石墨烯产业的基石和核心竞争力。

在北京石墨烯研究院一楼大厅墙上有这样一行字格外醒目，“践行工匠精神，融通政产学研，打造石墨烯产业核心竞争力”。10月23日-24日，由北京石墨烯研究院主办的北京石墨烯论坛2021在北京稻香湖景酒店召开。500余位国内外石墨烯领域专家学者、产业界人士、相关政府部门代表等齐聚一堂，共同交流石墨烯前沿技术和产业最新进展，共谋石墨烯产业未来。其中，在测量与标准论坛上，CSTM/FC00/TC04石墨烯技术委员会正式成立。来自国家石墨烯材料产业计量测试中心、国家石墨烯产品质量检验检测中心的6位中心主任进行了专家对话，共同探讨如何加快推动石墨烯测量与标准体系建设与区域合作，从而助力石墨烯产业健康发展。

刘忠范表示，“一个新技术和新材料，通常大家愿意用技术成熟度曲线描述，一般有技术萌芽期、期望顶峰期、泡沫谷底期、爬坡期和稳定应用期。对于石墨烯来说，最早追溯到2004年底左右。炒作高峰期在2015年、2016年左右，那时石墨烯是无所不能的样子。但是现在大家渐渐趋于冷静，对于真正做石墨烯的人来说特别担心大家过度期待，过度期待最后可能变成过度失望，对于新材料产业尤其要有耐心，对于石墨烯产业来说制备决定未来，材料是产业基石。”

十三届全国政协常委、中国科学院院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范

研发代工

石墨烯新材料是石墨烯产业发展的基石，如何避免闭门造成，突破“卡脖子”技术，北京石墨烯研究院从成立之初就积极探索产学研融合发展新模式，直接对接特定企业的产业需求，开展定制化的技术研发，为企业进行“研发代工”，这些技术研发成果为“研发代工”伙伴所专有，其核心追求是“做真正有用的东西”，解决未来石墨烯产业可能存在的“卡脖子”技术。

《“十三五”国家科技创新规划》提出，要培育面向市场的新型研发机构，希望通过战略性科技创新领军人才领衔，采取与国际接轨的治理模式和运行机制，协同多方资源，开展基础前沿研究和共性关键技术研发，通过产学研合作，提升产业竞争力。

刘忠范认为，科技与经济“两张皮”的问题是阻碍创新驱动发展的瓶颈。一方面，高校和科研院所产生了大量的科研论文和专利，难以转化;另一方面，企业自身研发实力不足，迫切需要科技创新突破技术瓶颈。“我们希望能在关键核心技术领域取得突破，解决诸多“卡脖子”问题，做出一些别人没有的东西，提升企业和产业的竞争力。

“新型研发机构一定要针对现存问题，把产学研能够真正有效结合起来。”刘忠范表示，新型研发机构的目的，不是纯粹做基础研究，也不是简单地为特定企业服务。“新型研发机构应该是一个平台，体现国家为解决经济科技‘两张皮所作的战略布局和重大举措。”

在这样的模式下，研究人员有了清晰明确的技术需求牵引和市场目标，避免了当前高校和科研院所的研究人员“闭门造车”、研究成果不接地气而很难落地的现实问题。对于代工企业而言，从此就有了真正的研发团队和研发力量，确保企业自身的核心竞争力和可持续发展能力。“这种产学研协同创新模式还有助于改变以盲目追求发表论文为导向的当前科技评价体制，引导广大科研人员从事真正有价值的研究，让国家不断增长的科技研发投入能够真正开花结果。”

以“粉体石墨烯规模化生产的研发代工合作”为例，北京石墨烯研究院的代工伙伴拥有百吨级的石墨烯生产线，在已有制备技术的基础上，成立专门研发团队，对接企业的技术升级需求，立即形成了产学研协同创新团队，共同打造引领世界的石墨烯粉体材料生产基地。

“这种结合的优势明显，我们不需要从零开始投资建设石墨烯生产线，而企业也不需要养一个专门的研发团队，实现优势互补、协同发展，”刘忠范说。

研发代工模式是一个全新的、适合中国国情的产学研结合模式，一方面解决了企业研发能力低的问题，同时也能解决教授直接办企业的“怪圈儿”。

2019年底，北京石墨烯研究院石墨烯薄膜生产示范中心正式建成，全面开启石墨烯薄膜材料产业化进程。研究院成立产业发展部，负责推动石墨烯材料及装备的产业化之路。其自主研发的超级石墨烯玻璃、第三代+半导体照明技术、烯碳光纤、超洁净石墨烯薄膜制备技术以及四英寸无褶皱单晶石墨烯晶圆制备技术都得到石墨烯同行们的广泛认可。其中，超级石墨烯玻璃赋予了传统玻璃所不具备的导电、导热、生物相容性等诸多优异特性，将大幅拓展玻璃应用领域，全面推动玻璃产业转型升级;烯碳光纤将成为传统光纤领域的变革性技术，有望在电光调制器、超快激光器、光纤探测器和传感器以及光纤通讯领域得到重要应用;将石墨烯作为第三代半导体材料的外延生长缓冲层，显著降低半导体薄膜的缺陷浓度，有望成为下一代半导体照明核心技术。

助力双碳

石墨烯作为新材料之王，在实现碳中和的主要技术方向中有巨大的应用潜力，石墨烯产品在客观上有助于我国双碳目标的实现。9月7日，2021年服贸会石墨烯新材料助力“双碳目标”国际论坛在北京石墨烯技术研究院召开，论坛由北京市经济和信息化局主办，中国工业节能与清洁生产协会、国际绿色经济协会、北京先进碳材料产业促进会、北京石墨烯技术研究院有限公司联合主办，通过线上线下结合方式，连线英国、意大利、新加坡等海外分会场，国际著名专家学者“云端”相会，围绕“科技赋能助力实现碳中和目标，节能低碳打造内外经济双循环”分享观点，交流互动。

论坛上，国家气候变化专家委员会主任、科技部原副部长、原国务院参事刘燕华指出，石墨烯新材料产业是近十年来备受关注的新兴产业，从目前情况来看，石墨烯用作建筑材料的添加剂，可以助力绿色建筑，石墨烯用于电池材料可以增加储能，用于地暖可以增进节能，用于服装可以更加保暖，用作高排放的替代性产品，可以减少碳排放。

刘燕华表示，碳达峰、碳中和目标，是转变经济结构、产业结构、提质增效的社会经济大转型的必要途径，降低空气中二氧化碳的含量，主要有三种解决办法，包括减排、碳汇、CCUS（碳捕获、利用与封存）。石墨烯复合材料有助于造福于经济、社会的碳利用技术发展，是人类智慧的产物。

论坛上，中润超油（北京）科技发展有限公司向全球首发《先进石墨烯润滑材料节能降碳研究报告》，展示了“华墨”石墨烯润滑材料在风电、建材、工程机械、交通运输等领域的节能降碳实际验证数据。众多实际使用数据表明，华墨石墨烯润滑油除符合目前高端润滑油全部标准外，还具有极压抗磨、易散热、自修复、节能降碳等独特功能。根据2020年公开数据统计，如果全国家庭轿车、客运、货运、矿山卡车、工程施工机械全部使用华墨石墨烯润滑材料，则每年可节省4000万吨燃油，减少碳排放1.6亿吨，相当于75个300兆瓦火力发电站一年碳排放总量，而若利用这些减碳排指标可发2000亿度电，能满足3亿人口一年用电需求。

作为本届服贸会重要成果之一，中润超油（北京）科技发展有限公司向全球首发《先进石墨烯润滑材料节能降碳科技成果研究报告》，并发布了“華墨”石墨烯润滑材料在风电、建材、工程机械、交通运输等领域节能降碳实践数据。该项技术来自北京石墨烯技术研究院，是在中国航发北京航空材料研究院科研团队多年攻关基础上形成的产业应用技术，具有国际领先水平，中润超油科研团队完成了石墨烯润滑油产品开发，北京中石油润滑油有限公司负责生产。华墨石墨烯润滑油除了具备目前高端润滑油所有指标外，更凸显了石墨烯极压抗磨、散热、自修复、节能降碳等独特功效。

为了满足新新材料规范发展需求，积极解决“卡脖子技术”难题，北京市计量检测科学研究院（国家石墨烯材料产业计量测试中心）、北京石墨烯技术研究院、北京先进碳材料产业促进会、中国石油兰州润滑油研究开发中心、中润超油（北京）科技发展有限公司、北京创新爱尚家科技股份有限公司在论坛上举行了《先进石墨烯润滑材料、石墨烯热管理材料标准编制》启动仪式，这将填补石墨烯润滑材料与热管理材料有关标准的空白，对规范行业发展和新技术应用落地起着至关重要的作用。

石油产品中的重要品类，润滑油具有技术含量高、产品附加值高等特点，对保持生产效率、调节设备控制状况意义重大，在机械制造与使用领域不可或缺;而原料成本、量产能力、标准认证、应用场景等是石墨烯领域的发展要点，源源拓进的技术研发成果让石墨烯在关键领域的应用有了更多可能，石墨烯润滑油即是其中一例。

石墨烯发现者之一、诺贝尔物理学奖获得者康斯坦丁·诺沃肖洛夫介绍，将石墨烯加入到车身材料中，可以提高它的噪音吸收水平;将石墨烯加入轮胎材料，可以提高轮胎的强度，取代之前的炭黑材料;石墨烯在润滑剂方面的发展相当迅速，目前已经有成熟的产品;石墨烯可以应用到电子领域，目前华为的高端机型已经开始使用石墨烯导热膜来帮助屏幕散热;应用到生物制剂方面，石墨烯还可以帮助药物的吸收。

中润超油（北京）科技发展有限公司与北京石墨烯技术研究院合作，依托中国航空发动机集团北京航空材料研究院成熟的石墨烯改性润滑材料技术，结合研发团队在润滑油领域多年的技术积累，进行科技创新，成功研发并生产出华墨牌石墨烯润滑油系列产品。经国家相关机构检测，华墨润滑油在抗磨减摩、抗氧化、抗挥发等性能方面远超传统润滑油。

刘玮表示，中润超油推出的华墨牌石墨烯润滑油产品，展示了其在业界优异的科技创新能力，该款绿色润滑新品可帮助相关企业降本增效，践行绿色发展承诺，揭开了中国润滑油产品的新篇章，为构建低碳节能社会注入发展新动能。产品质量好、市场认可度高、客群稳定增长，中润超油作为在石墨烯新材料科技领域的标杆企业，由华墨互联对其石墨烯润滑油系列产品的成功线上推广，必将更好助力“双碳”目标达成与数字经济发展。

在谈到目前石墨烯产业的发展形势时，刘玮表示，“目前最大的制约因素就是市场，好东西要让更多的人知道，目前市场的接受度有待提升，毕竟这是个新产品，需要去不断验证，我们国家对石墨烯产业出台了很多支持政策，相信随着技术的发展，人们对石墨烯产品的认可度会不斷提高。”

北京绿能嘉业新能源有限公司董事长王敏认为，做石墨烯产业要深扎下来，找到行业痛点，石墨烯在碳达峰、碳中和方面会发挥很大的作用，但我们要找到新材料真正的应用场景。在产业应用方面，要有“产业+”的整体思维，可以将新材料、人工智能、5G等加进去，形成一个整体的解决方案。

对于石墨烯的前景未来，行业人士信心满满，不过也深知要走很长一条路。刘忠范表示，“作为北京国际科技创新中心的一部分，我们愿意和科创中心一起成长，做一个有实力、有担当的新型研发机构，共同推进中国高精尖产业的发展，全力推动未来石墨烯产业发展，也为中关村科学城北区的发展也做出我们的贡献。”刘玮也期待，公司的润滑油产品一定能够助推双碳目标早日实现。