石墨烯为安全应急产业注入新元素

刘越山

刘忠范

当今，绿色、节能、环保的发展理念已成为全球共识，新材料作为各行各业发展的重要组成部分，已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志。从灵巧攀爬楼梯的机器人，到无人机的救援;从新型灭火设备，到各种防汛物资的应急应用，科技正在为应急产业发展注入新的元素。这其中，应急产品中广泛使用的新材料，功不可没。“不错，你所提到的疫情期间出现的石墨烯口罩，以及正在市场走俏的石墨烯羽绒服等，这些都属于新材料在应急产业中的应用。”中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范日前在他的办公室，对前来采访的《经济》杂志、经济网记者这样表示，“不过，这些应用还都属于‘小意思，石墨烯的真正用途绝非如此简单！”

一

刘忠范院士向记者首先科普了石墨烯的知识。石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的二维晶体，号称新材料之王，其无与伦比的特性吸引了全世界的目光。超薄、超轻、超柔韧、超高强度、超强导电性、优异的导热和透光性等，既能使手机像iPad那样拥有较大的屏幕，还能任意弯折而不破坏性能让手机屏幕折叠装进口袋。拥有良好柔韧性的石墨烯，还在新冠肺炎疫情期間催生出了石墨烯口罩，外界反映效果不错。从原理上讲，石墨烯的超大比表面积会显示出强大的吸附性能，可吸附新冠病毒、雾霾颗粒物等。集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身的石墨烯，在电子学、光学、储能和传感器等领域也有巨大的应用潜能。

石墨烯由于具有非常高的化学惰性，因此它也用作某些军工材料或设备的涂层，更能防腐耐蚀。虽然石墨烯的密度极小，但它却又无比坚固，可以大大减轻材料的重量，获得极高的机械强度，可以使以往笨重的防弹衣变得像纸一样轻薄。而石墨烯还能应用在航空航天设备中，让航空航天设备大大减轻自身重量。而将石墨烯作为金属材料的添加剂，如烯合金，还能大大提高合金材料的屈服和抗拉强度，在航天领域应用价值极大。而石墨烯还可以吸收微波波段的辐射，使隐形飞机更加“隐身”。美国NASA也正在研制石墨烯微型传感器，用于航天过程中对氧气含量的精确监测。

谈起我国对石墨烯的研发及应用，刘忠范院士介绍说，中国拥有最庞大的石墨烯研究队伍，从2011年起，中国学者发表的石墨烯相关学术论文已居世界首位，中国申请的石墨烯专利目前已占到全球总数的83%。同时，中国也在引领着石墨烯材料的产业化运动，目前全国共有41550余家企业从事石墨烯产品及其生产设备的开发，集中在石墨烯原材料、锂离子电池导电添加剂、超级电容器、防腐涂料、电加热和大健康产品、触摸屏等领域。中国的石墨烯基础研究和产业化研发已取得了巨大进步，在国际上位列“第一方队”，走在了世界前列。

二

虽然我国石墨烯产业规模已经引领全球，但盲目发展的问题仍然存在。刘忠范院士此前到南方考察石墨烯产业时就曾指出，中国石墨烯市场“虚火太旺”。而今，依然如此。最新的统计数据显示，目前我国有4万多家号称做石墨烯业务的企业，但大都是小微、初创型企业，可持续发展能力非常有限。而疫情因素也对这些石墨烯企业带来打击，面临生死存亡的压力。从石墨烯材料的规模化生产能力看，粉体材料年产能达到14640余吨，薄膜年产能达740余万平方米，国外产能加到一起也没中国多。这是优势，但也是挑战之所在。“因为我们跑得太快了，在产业还没有完全发展起来的时候，产能就已经过剩了。”刘忠范院士对此充满忧虑。

这些为数不少的石墨烯小微企业关注的都是什么呢？多是现在能“卖钱”的产品，比如内衣内裤、口罩、护腰、面膜等。对于涉及产业核心竞争力的技术，却关注得非常少。“如此只关注眼前，不重视长远和未来，使得我们的关注点跟国外石墨烯产业根本不在一个‘频道上。”刘忠范院士对此也是忧心忡忡。

谈及前段时间某汽车厂商的广告“充电八分钟，便跑上千公里”的石墨烯电池事件，刘忠范院士表示，这纯粹是在炒概念，电池里面充当导电添加剂角色的石墨烯，其用量是很少的，多用反而会出问题，因此称之为石墨烯电池，并不确切。他坦言，目前石墨烯市场上的许多石墨烯材料和产品，“还很不靠谱”。

据刘忠范院士介绍，当前制约石墨烯产业健康发展的问题是，有不少人误认为进入石墨烯行当的门槛很低，并且误以为“石墨烯时代”就在眼前。实际上，从英国的安德烈·海姆等人发表第一篇石墨烯论文至今，只有短短的18年时间，石墨烯原材料的规模化生产也才刚刚开始。就现状而言，我们仍处在产业化初级阶段。但有不少认识上的误区导致很多人盲目乐观，盲目进入石墨烯领域。目前的石墨烯产业园建设也存在过于盲目、分散，且简单重复，特色不清晰，所从事的大多属于门槛很低的低端产品研发，这必然也会导致低水平的恶性竞争。特别是急功近利倾向严重，只关注今天能够获利的初级产品，轻视甚至忽视了对未来石墨烯产业核心技术的关注和投入。

从产能上看，石墨烯的粉体和薄膜目前均实现了规模化制备，然而，石墨烯产品的生长工艺、原材料、设备甚至生产批次的不同，得到的产品质量和性能也参差不齐，且很难达到统一的标准。规模化制备对制备技术的可重复性、安全性和成本等，都提出了更高的要求。

三

在世界知识产权组织（WIPO）发布的《2021年全球创新指数报告》中，中国创新能力综合排名第12名，而2017年，中国仅仅是第22名。短短4年时间，中国创新能力突飞猛进，这些荣耀的背后是中国无数科技工作者锐意进取、迎难而上、攻坚克难、追求卓越的必然结果。北京石墨烯研究院自2018年揭牌成立以来，用工匠精神钻研石墨烯新材料产业卡脖子技术，扎扎实实打造石墨烯产业的基石，不但打造了一支实力强大的涵盖基础研究、工艺开发和装备制造的石墨烯研发团队，也创造了多项全球引领的石墨烯材料规模化制备技术，形成了一批自主开发的制备与检测装备，在石墨烯材料特种领域应用和产品化、市场化方面也取得重要突破，有一批“杀手锏”的产品和技术应用，涵盖通用和特种材料、航空器和风电叶片除冰、航空轮胎、新一代LED发光器件、电热产品等一系列应用。在机制设计上，他们的“研究院”+“公司”一体两翼的机制设计是取得快速发展的机制保障，作为一个全新的产学研协同创新模式，“定制化”的“研发代工”，对企业产生了很强的吸引力，成为对接企业技术升级需求、共同打造引领世界的石墨烯材料生产基地。更重要的是，它由市场需求牵引，有效解决了科技经济“两张皮”的问题，为研究院科技研发提供了市场牵引、为科技成果转化提供了落地通道，也为公司长远发展提供了持续的技术创新动力和技术支撑。

刘忠范院士表示，北京石墨烯研究院成立以来，立足国家发展大局，瞄准科技前沿，以工匠精神钻研石墨烯新材料产业卡脖子技术，推动石墨烯产业化发展进入深水区。目前已取得200多项发明专利，创造了多项引领全球的石墨烯材料规模化制备技术及产品，A3尺寸通用石墨烯薄膜、超洁净石墨烯薄膜、4英寸石墨烯单晶晶圆、6英寸石墨烯单晶晶圆、石墨烯玻璃纤维、烯碳/芳纶复合纤维等产品，广受市场好评。

目前他们的超洁净石墨烯材料，为全球独家，他们正努力在制备和材料应用上发力，“大家都在做，我们就要做得最好！我们将继续创新机制、融通资源，以工匠精神，锲而不舍地解决石墨烯产业‘卡脖子技术问题，加快推动成果转化，着力打造国际一流的新型研发机构和引领世界的石墨烯产业高地。”

四

时光倒流，1984年10月，怀揣着对化学浓烈兴趣的刘忠范在母亲的支持下，开启了东渡日本的近10年留学生活，先后在日本横滨国立大学、东京大学获得硕士、博士学位，并在东京大学和日本分子科学研究所做博士后。1991年，刘忠范遇到了至今被他称为伯乐的人——北京大学化学系教授蔡生民先生。蔡教授数次向他发出回国工作的邀请。彼时的中国，科研条件还落后许多、还处在科技腾飞的前夜，但刘忠范毅然选择了回到祖国。如今，作为十三届全国政协常委、九三学社中央副主席，刘忠范还曾多次就全国石墨烯产业的发展情况到全国各地进行调研，考察企业，走访市场，对我国石墨烯产业的许多深层次思考报告，得到国家领导层的重视。BCCD9F51-A085-4888-9611-A9CB99474AD9