中國(guó)粉體網(wǎng)訊 進(jìn)入21世紀(jì)以來，納米金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯等新型納米碳材料的迅速發(fā)展引起了全世界的廣泛關(guān)注。當(dāng)碳材料的尺度縮小到納米范圍時(shí)，其部分物理、化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著變化，并呈現(xiàn)出由高比表面積或量子效應(yīng)引起的一系列獨(dú)特性能。新型納米碳材料具有穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、比表面積高和來源豐富等特點(diǎn)，是最具發(fā)展?jié)摿Φ那把夭牧�，也是主�?dǎo)未來高科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略材料。
盡管納米金剛石和富勒烯發(fā)現(xiàn)較早，但受制于量產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)限制，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。當(dāng)前，石墨烯和碳納米管是引發(fā)各國(guó)政府、學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)各界全面關(guān)注的重點(diǎn)新型納米碳材料，具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
石墨烯
石墨烯不僅是世界上已知的最強(qiáng)、最堅(jiān)硬、最薄的材料，同時(shí)也是已知材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)。
石墨烯材料根據(jù)其形態(tài)與應(yīng)用可以分為微片（粉體）和薄膜兩類。石墨烯微片的制備方法包括氧化還原法、插層剝離法、液相剝離法、機(jī)械剝離法等；石墨烯薄膜的制備方法包括化學(xué)氣相沉積法以及外延生長(zhǎng)法等。其中，石墨烯微片制備技術(shù)已普遍實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,而以化學(xué)氣相沉積法及卷對(duì)卷工藝生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移大面積石墨烯薄膜的技術(shù)也已取得重大突破。
石墨烯材料在應(yīng)用層面上的發(fā)展將會(huì)經(jīng)歷以下初級(jí)、中級(jí)、高級(jí)三個(gè)階段。初級(jí)應(yīng)用階段：受制于成本因素，短時(shí)間內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的石墨烯單獨(dú)應(yīng)用，石墨烯主要用于提高其他材料的性能，有望在鋰離子電池、導(dǎo)熱材料、導(dǎo)電油墨、防腐涂料等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；中級(jí)應(yīng)用階段：隨著高質(zhì)量石墨烯量產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，石墨烯應(yīng)用有望通過支持各類新型器件，在柔性顯示、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、膜材料、傳感器、晶體管以及假體植入物等方面找到新的出路；高級(jí)應(yīng)用階段：一旦石墨烯量產(chǎn)化成熟，晶圓級(jí)石墨烯單晶取得突破之后，將通過系統(tǒng)集成，不斷挑戰(zhàn)技術(shù)突破，在技術(shù)門檻更高的未來生物醫(yī)療、高頻器件以及高強(qiáng)度多功能復(fù)合材料等領(lǐng)域，有望發(fā)揮顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的潛力。
全球研發(fā)現(xiàn)狀
2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）第一次成功地從石墨中分離出了sp2雜化的石墨烯，自此石墨烯的研究掀起了熱潮。特別是近年來，英、美、德、日、韓各國(guó)以及歐盟均將石墨烯的研發(fā)上升至戰(zhàn)略高度，各學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界紛紛發(fā)力與國(guó)家高層布局遙相呼應(yīng)，正在形成技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)投資的高潮，力爭(zhēng)把握石墨烯技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇。
作為石墨烯的誕生國(guó)，2011年起英國(guó)政府將石墨烯定為重點(diǎn)發(fā)展的新興技術(shù)，投入巨額資金，重點(diǎn)研究領(lǐng)域涉及電子信息、傳感器、復(fù)合材料、儲(chǔ)能材料以及結(jié)構(gòu)材料。英國(guó)石墨烯研究基礎(chǔ)雄厚，學(xué)術(shù)方面以曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)為主，科研機(jī)構(gòu)由英國(guó)國(guó)家石墨烯研究中心（NGI）牽頭，還于2018年建成了第二個(gè)石墨烯技術(shù)創(chuàng)新中心——英國(guó)石墨烯工程創(chuàng)新中心（GEIC）。產(chǎn)業(yè)層面，除英國(guó)本土企業(yè)外，英國(guó)國(guó)家石墨烯研究中心還與全球約50家企業(yè)建立了合作關(guān)系，旨在將石墨烯的基礎(chǔ)研究推向產(chǎn)業(yè)化。
近年來，德國(guó)政府?dāng)y手歐盟通過政策鼓勵(lì)、資金支持充分調(diào)動(dòng)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)和高校的積極性，全面參與石墨烯研發(fā)項(xiàng)目，形成了政產(chǎn)學(xué)研一體的石墨烯研發(fā)網(wǎng)絡(luò)，在石墨烯應(yīng)用于光子和光電器件領(lǐng)域具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。此外，德國(guó)愛思強(qiáng)（AIXTRON）公司研發(fā)出的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備標(biāo)志著大規(guī)模石墨烯制備技術(shù)取得突破性進(jìn)展。
2013年，歐盟啟動(dòng)石墨烯旗艦計(jì)劃（Graphene Flagship），總投資高達(dá)10億歐元，并在一年后發(fā)布了石墨烯科技路線圖。運(yùn)行至今，石墨烯旗艦計(jì)劃帶領(lǐng)英、德、法、意大利、荷蘭、丹麥等歐洲國(guó)家，攜手推進(jìn)石墨烯的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并積極促進(jìn)了與全球其他地區(qū)的合作交流。
美國(guó)政府在布局石墨烯的研發(fā)應(yīng)用時(shí)針對(duì)性極強(qiáng)。國(guó)防部開展了多項(xiàng)石墨烯研究項(xiàng)目，重點(diǎn)是將其應(yīng)用于最具顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)潛力的更輕、更小、更快、更高頻的電子器件領(lǐng)域，以及提高軍事能力的復(fù)合材料和傳感器領(lǐng)域，以期占據(jù)軍事前沿技術(shù)的制高點(diǎn)。各高校和科研院所近年來積極投身石墨烯材料制備和應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛研究。產(chǎn)業(yè)層面上美國(guó)呈現(xiàn)多元化布局，既包括IBM、英特爾（Intel）、波音（Boeing）等行業(yè)巨頭，也包括一批中小型石墨烯新興企業(yè)。
韓國(guó)石墨烯制備技術(shù)和器件研究發(fā)展迅猛，政府提供了數(shù)億美元的資金支持相關(guān)研究，主要研究機(jī)構(gòu)包括部分高校以及三星電子和LG公司，在薄膜制備、光電器件、晶體管以及OLED等方面已擁有豐富的應(yīng)用研究成果，并積極與英國(guó)及歐洲石墨烯旗艦計(jì)劃開展合作。
日本政府近年來大力支持包括石墨烯在內(nèi)的納米碳材料相關(guān)研究，經(jīng)產(chǎn)省投資120億日元鼓勵(lì)研發(fā)。在政府的支持下，日本在石墨烯量產(chǎn)技術(shù)、儲(chǔ)能應(yīng)用等方面取得一定成果，試圖利用石墨烯的優(yōu)異性能鞏固其在電池領(lǐng)域的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。
我國(guó)近年在石墨烯領(lǐng)域開展了大量研究，躋身世界石墨烯研究領(lǐng)域第一梯隊(duì)，申請(qǐng)專利總數(shù)世界第一，在石墨烯制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)探索方面獲得了一批具有國(guó)際影響力的創(chuàng)新研究成果。科研力量主要集中在清華大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校，中國(guó)科學(xué)院等科研機(jī)構(gòu)以及部分企業(yè)。近年來，我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢(shì)，但產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，產(chǎn)業(yè)發(fā)展虛火旺盛。我國(guó)政府對(duì)石墨烯研究及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展也給予了大力支持。《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中將石墨烯作為重點(diǎn)發(fā)展的前沿新材料�！丁笆濉眹�(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中明確將石墨烯列為重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)功能材料與顛覆性技術(shù)。《中國(guó)制造2025》也明確要求做好石墨烯等戰(zhàn)略前沿材料的提前布局和研制，并編制了石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖。整體而言，我國(guó)在石墨烯研究領(lǐng)缺乏原始創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新，缺乏真正殺手锏級(jí)別的石墨烯應(yīng)用技術(shù)；成果轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平亟需提高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量有待加強(qiáng)。
未來發(fā)展趨勢(shì)
未來，石墨烯作為國(guó)際高科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，其發(fā)展將主要從制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用層面進(jìn)行全面提升。制備技術(shù)上將進(jìn)一步發(fā)展高質(zhì)量石墨烯粉體和石墨烯薄膜的可控、綠色、低成本和大規(guī)模工業(yè)化制備技術(shù)；產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上將探索廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿ΓΠl(fā)展石墨烯“殺手锏”和高性價(jià)比應(yīng)用。此外，國(guó)際上石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)工作也在穩(wěn)步進(jìn)行中。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）
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