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石墨烯——应用前景广阔，产业格局初步形成一、石墨烯横空出世，新材料重新布局1石墨烯——碳家族新材料2应用前景广阔，市场空间巨大二、产业发展、烯望无限1我国石墨烯产业发展现状：资源禀赋价值凸显2石墨烯产业链结构：格局初成3石墨烯产业化水平：中低端，小规模4未来发展，关注石墨烯制备和下游高端应用5重点公司推荐石墨烯——应用前景广阔，产业格局初步形成日前，经中国工程院院士薛群基、中国科学院院士钱逸泰等13位材料专家组的专业评审，宁波墨西“年产500吨石墨烯生产线技术改造及扩建工程项目”顺利通过验收。现场，宁波墨西宣布石墨烯产业化应用成本瓶颈获得打破，石墨烯降到了最低每公斤700元；同时，上海隆振股份与宁波墨西签订了3960万石墨烯产品购销合同，石墨烯产业首个超千万元单笔购销合同产生。有着“新一代材料之王”、“硅时代的颠覆者”等光环的石墨烯迈出了产业化下游应用的重要一步。一、石墨烯横空出世，新材料重新布局1石墨烯——碳族新材料石墨烯是什么？石墨烯是一种最新发现的碳族新材料，是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。这种晶体，看似结构简单，却填补了整个碳家族最后一个维度空白。在石墨烯被分离之前，碳家族存在零维富勒烯，一维的碳晶体管，三维的金刚石和石墨，唯独缺少一种二维同素异形体，各个维度之间缺乏有效的衔接，碳体系理论研究和应用始终不充分不完整。在被分离之后，这一体系终于形成了一个密切的整体。石墨烯发展历程。2010年，两位英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验，由此，石墨烯在业界一举成名。2004年，两位科学家通过简单的方法制备出了具有划时代意义的新材料石墨烯，石墨烯世界大门从此被打开。随后在世界范围兴起一股石墨烯研究热潮。早在20世纪30年代，科学家们就对类似石墨烯的结构进行过理论研究。基于当时科技水平的限制，并没有能够制备出单层石墨烯，科学家预言这样的二维材料在常温之下难以稳定存在。至今天，预言已被证明不正确，不仅如此，因为具有极其优良的特性，石墨烯还不负众望，惊喜连连，在多个领域获得成功应用。表1石墨烯发展历程人物时间成果朗道和佩尔斯1934年通过研究指出准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定，在常温下会迅速分解菲利普·华莱士1947年研究了石墨烯的电子结构林纳斯·鲍林1956年推导出相应的波函数方程大卫·莫明和赫伯特·瓦格纳1966年提出Mermin-wagner理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序谢米诺夫1984年得出与波函数方程类似的狄拉克方程穆拉斯1987年首次使用“graphene”这个名称来指定石墨烯安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫2004年从石墨中成功分离出石墨烯，方法为简单的胶带分离法，把石墨薄片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开，石墨片一分为二，不断重复这个过程直至得到单层石墨烯资料来源：中国中投证券研究总部石墨烯为碳体系不同维度之间建立了桥梁。直观上来讲，石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷曲圆筒状的石墨烯，富勒烯可以看作通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。实际中，通过二维的石墨烯可以形成球状的富勒烯，一维的碳纳米管和多层的三维石墨，这个过程也可以逆转过来。这种转化能力，丰富了碳材料的制备方式，拓展了碳体系和石墨烯的功能和用途。图1石墨结构体系资料来源：中国中投证券研究总部石墨烯本身具有优异的性能。十余年来，各国科研人员针对石墨烯的性能开展了大量研究和测试工作。发现二维单层石墨烯可谓特性全优，几乎全面超越当前所有传统材料和新材料。单层石墨烯仅有一个原子层的厚度，其值约为0.34纳米，通过理论计算，比表面积达到2630m2/g，是最薄的新型纳米材料；其硬度超过钻石，也是目前为止强度最大的新型纳米材料；利用原子显微镜对石墨烯的强度进行研究的结果表明，其强度是钢材强度的200倍；类似于弹道运输的内部载流子迁移率高达200000cm2/v·s，电阻率比铜和银均小；在导热性能方面，导热系数高达5300W/m·K，优于碳纳米管和金刚石；在其它很多方面也都具备优异特性，十分具有商业价值。表2石墨烯特性参数性能厚度只有一个原子层，约0.34纳米，为最薄新型纳米材料理论比表面积2630m2/g，可以媲美活性炭硬度超过钻石，为硬度最大新型纳米材料断裂强度125GPa，比最好的钢材高200倍导电性电阻率比铜和银更低，为世上电阻率最小的材料导热性导热系数5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石弹性拉伸幅度达自身尺寸的20%石墨烯金刚石石墨富勒烯碳纳米管零维一维二维三维其他性能几乎完全透明，只吸收2.3%的光，又非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透，具备优越的抗酸抗碱性能资料来源：百度百科、中国中投证券研究总部石墨烯和碳纳米管的比较。碳纳米管与石墨烯同为碳的同素异形体，作为构成碳不同维度体系的一员，一维碳纳米管的发展历程与二维石墨烯极为相似。自1991年日本电子显微镜专家饭岛意外发现由管状的同轴纳米管组成的碳分子以来，历经20多年，碳纳米管始终处于实验室当中，高难度小规模的制备限制了它的发展，特性优良却少有人问津，商业化道路受到严重阻碍。对比石墨烯，从第一次制备之后仅仅六年的时间，就催生出了一个诺贝尔物理学奖。而今经过十年发展，大批企业和资金纷纷进入石墨烯行业，完全产业化蓄势待发，大规模商业应用指日可待。图2碳纳米管和石墨烯的发展示意图资料来源：中国中投证券研究总部碳纳米管和石墨烯都是碳的同素异形体，具有相似的发展过程和物理特性、但却因为在某些方面存在差异，导致两种材料截然不同的命运。表3石墨烯和碳纳米管的比较相同点不同点两种材料在被发现之前都经历了由厚到薄的发展过程。当一种材料由厚变薄的时候，尤其是到达纳米级，只有一层的时候，量变引起质变的哲学思维凸显出实际价值，材料的特性发生很大的改变。这是单壁碳纳米管和石墨烯比碳纤维和石墨特性更加优良的原因。两种材料都具有良好的物理特性。都有碳原子构成，是碳的同素异形体，都具有高强度，柔韧性好，导电性导热性极佳等物理特性。材料结构不同引发特性差异。两种材料都具有十分优良且相类似的物理特性，但是石墨烯的二维结构却在强度、导电、导热等多方面具有几项破纪录的性能优势。技术原因限制了碳纳米管的应用。碳纳米管是卷曲圆筒状的石墨烯，比石墨烯结构更加复杂，目前的合成和组装技术根本无法获得具有宏观尺寸的碳纳米管晶体。石墨烯的优势在于本身即为二维晶体结构，在制备上可实现大面积连续生长，在宏观尺寸的制备上目前不存在技术问题。资料来源：中国中投证券研究总部2应用前景广阔，市场空间巨大铝从第一次制备出来到投产，经过了60年，发展到今天已接近200年，全球需求量，仍在上涨。另一种今天被广泛运用的材料硅，早在200年前便制备出来，直到上世纪五十年代才开始在半导体行业大放异彩，广泛使用。从第一次制备出单层石墨烯至今，只经过了十一年的时间，与历史上任何一种全民型的材料相比，发展时间都非常短暂。然而，这并没有影响人们对于这种新材料探索和开发的热情。当前科技发达，信息交流充分，设备仪器齐全，大大缩短了新材料研发周期，企业的关注、政府的支持和资金流的不断涌入加速了石墨烯的发展与应用。已被实验证明可在多个领域获得应用。有着“新材料之王”、“黑金”美称的石墨烯应用研究在储能与光伏、复合材料、电子信息、传感器等领域均有突破。其商业价值包括可作为医用材料、柔性屏幕、导电油墨、传感器、电极材料、散热产品、防火涂料、防腐涂料，可进行金属表面处理、水处理等，可应用于智能手机、LED照明设备、半导体制造设备、电池、电容器等现有产品。图3石墨烯应用领域资料来源：中国中投证券研究总部诸多石墨烯应用型产品相继面世。参与石墨烯相关研究的群体众多，涵盖了高校、研究机构和企业，新产品相关新闻经常见诸报端。表4石墨烯功能应用产品研究主体应用石墨烯远红外智能艾灸理疗服上海烯望信息研发的基于石墨烯材料的智能穿戴产品利用石墨烯发热膜的远红外波段与人体自身的远红外波段高匹配度的特点，结合传统医学的艾灸原理，实现保暖治病氮掺杂有序介孔石墨烯中科院上海硅酸盐所该所科学家成功研制出的高性能超级电容器电极材料该材料具有极佳的电化学储能特性，可用作电动车的“超强电池”：充电只需7秒钟，即可续航35公里。石墨烯内暖牌功能纤维济南圣泉集团股份有限公司开发出的石墨烯复合材料，有望在服装、军工、轻工、医疗、精细化工等多领域得到广泛应用石墨烯晶体管IBM研究人员通过使用与现行的先进硅器件制造技术相兼容的加工技术制复合材料领域石墨烯导电材料石墨烯气体阻隔膜石墨烯吸波材料石墨烯磁性材料储能领域锂离子电池超级电容器光伏太阳能电池燃料电池电子信息领域触控屏高性能芯片散热材料生物传感器其他领域智能穿戴功能涂料环保领域成了圆晶规模、外延生长的石墨烯，通过该材料制作而成的场效应晶体管(FET)，其截止频率可达100吉赫兹(GHz)，这是迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管。此一突破清楚地表明了石墨烯可用以制造高性能器件和集成电路。石墨烯锂电池三星南开大学三星用石墨烯技术让锂电池容量增长近一倍，南开大学研发的以石墨烯做正极、锂做负极的二氧化碳电池续航能力是当前一般锂电池的5至10倍，石墨烯在锂电池方面的技术应用可以延长手机电池续航时间石墨烯磁传感器德国的博世和马克斯-普朗克固体研究所开发出的石墨烯磁传感器比硅灵敏百倍，该成果引导了美国磁化石墨烯的进步，美国海军研究所已经开发出容量比现有高百万倍的硬件驱动器。石墨烯3D打印油墨美国西北大学开发出并改进了高石墨烯含量的可3D打印油墨，该技术可以用于和细胞相关的生物医学实验和其它医疗应用石墨烯纳米带环氧涂层美国德克萨斯州莱斯大学创建出一种全新的石墨烯纳米带环氧涂层，将图层涂在机翼，在被施加电压后，能通过产生的电热实现飞机在高空飞行时机翼覆冰的融化。此外，这种涂层还能为飞机提供电磁屏蔽层，帮助保护飞机免受雷击资料来源：中国中投证券研究总部未来发展空间广阔，三大应用价值突出。三大应用分别为替代硅制造高性能器件和集成电路，替代ITO制造透明导电薄膜，应用于锂离子电池增强性能。涵盖远中近期三大产业化方向，未来发展空间巨大。用硅制造的半导体与晶体管，成功地引领了整个20世纪的电子科技前沿；太阳能光伏电池的应用，则成功的解决了普通大众家庭日益旺盛的能源需求；锂离子电池的出现和应用，将对日益枯竭的石油资源依赖的汽车逐步引入电动时代。石墨烯可以在这三个方面带来全新的革命。它可替代当前性能虽好，但储量有限的半导体材料硅，制造性能更高的电子元器件；可代替缺点明显，成本过高的光伏电池材料氧化铟锡，制造更加节能环保高效的透明导电薄膜；可应用于锂离子电池，增强电池导电性，增加储电量，减少充电时间，在未来，还有望成为新石墨烯电池的电极活性材料。图5石墨烯的三大应用石墨烯取代电子元器件中的硅取代薄膜材料中的ITO作为锂电池添加剂硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差，石墨烯可以被刻成1个分子大小的晶体管；硅基芯片的主频越高，性能越好，但是发热量也就越高，石墨烯芯片主频有望达到硅芯片的100-100倍铟储量低，价格高，有毒性，易破碎，难回收，石墨烯作为一种具有非常高的导电性，又几乎完全透明的材料，十分适合作为透明导体材料用于制作显示器件传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得，石墨烯至少可以从三个方面加强锂电池的性能资料来源：中国中投证券研究总部（1）取代硅开辟石墨烯时代20世纪被认为是硅的时代，21世纪将成为石墨烯时代。科学家认为，利用石墨烯制造半导体晶体管，有可能最终替代现有的硅材料，成为未来超高速计算机的基础。单晶硅是制造晶体管半导体的主要材料，晶体管的尺寸越小，其性能越好。当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。半导体是芯片的主要器件，主频是芯片性