中國石墨烯行業(yè)的優(yōu)勢與劣勢分析

石墨烯具有許多創(chuàng)紀(jì)錄的出色性能，被譽(yù)為21世紀(jì)新材料。這使石墨烯的應(yīng)用涉及廣泛領(lǐng)域，但在眾多應(yīng)用中，石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用尤其值得關(guān)注。一、中國石墨烯行業(yè)的優(yōu)勢 1、國家政策好 2015年11月30日，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委發(fā)布了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，欲在2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)石墨烯材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)...更多

石墨烯(graphene)是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來，是由單層碳原子經(jīng)電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，厚度僅0.335nm。既是現(xiàn)今最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它也有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。

一、石墨烯的分類

石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

石墨烯(graphene)主要可分為：

1、按層數(shù)，它可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。

①單層石墨烯：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。

②雙層石墨烯：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

③少層石墨烯：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

④多層石墨烯(也稱厚層石墨烯)：指厚度在10層以上10nm以下苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

2、按被功能化形式，常見的有氧化石墨烯、氫化石墨烯、氟化石墨烯等等。

3、按外在形態(tài)，有片、膜、量子點(diǎn)、納米帶或三維狀等等。

二、石墨烯的優(yōu)點(diǎn)

1、石墨烯具有極高的載流子遷移率和熱導(dǎo)率，遷移率是傳統(tǒng)硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對(duì)于微電子器件來說是非常重要的參數(shù)，如果遷移率過低，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱嚴(yán)重、響應(yīng)頻率低下等后果。因此，遷移率高、導(dǎo)熱好的石墨烯被認(rèn)為是一種理想的電子器件材料。

2、在航天科學(xué)領(lǐng)域中，石墨烯可以被當(dāng)做保護(hù)層覆蓋在一些元件的表面，用來降低被宇宙射線激發(fā)的二次電子。

3、石墨烯具有極好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯熔點(diǎn)高達(dá)3850攝氏度，而且耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境，具有很好的穩(wěn)定性。

4、石墨烯是現(xiàn)今世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜(厚度約100納米)，它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而且不斷裂。已有科學(xué)家指出，這種強(qiáng)度的材料，可以成為未來“太空電梯”的首選材料。

5、帶有納米級(jí)的空洞石墨烯，可以用于海水淡化。在生物學(xué)研究中，讓DNA長鏈一次經(jīng)過石墨烯納米孔，可以進(jìn)行DNA測序。

6、石墨烯電極植入腦部，與神經(jīng)元連接，可用于修復(fù)截肢、癱瘓甚至帕金森氏癥患者的感知能力，協(xié)助他們更好地康復(fù)。

7、石墨烯增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料在下一代飛機(jī)研制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件制造、未來高速飛行器研制等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

三、石墨烯的前景

1、“神奇材料”石墨烯優(yōu)勢受關(guān)注

石墨烯是一種神奇的納米級(jí)新材料，具有透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電阻率低、電子遷移率高、高機(jī)械強(qiáng)度特點(diǎn)，能在很多應(yīng)用領(lǐng)域取代原有材料發(fā)揮高效性能，因此已經(jīng)取代硅，成為“二十一世紀(jì)新材料之王”。

2、石墨烯技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域全面

以電池領(lǐng)域?yàn)槔?，與傳統(tǒng)電極材料相比，石墨烯具有高容量密度、高功率密度、電池結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化更好等優(yōu)勢。石墨烯應(yīng)用于鋰電池中，能大大提高電池容量，為新能源汽車解決續(xù)航問題。

基于石墨烯各種優(yōu)秀的性能，各國都在不遺余力推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，石墨烯相關(guān)的技術(shù)研發(fā)已列入美國、英國、日本和韓國等國新材料領(lǐng)域重點(diǎn)的支持項(xiàng)目。

3、國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模

石墨烯備受關(guān)注，國內(nèi)石墨烯興起研發(fā)熱潮，在技術(shù)研究方面，2011年，國內(nèi)與石墨烯有關(guān)的論文為278篇，2012年為494篇，2013年為718篇，2014年上升至914篇，2015年為1239篇;技術(shù)專利上。目前我國在國際上已經(jīng)申請2200多項(xiàng)石墨烯專利技術(shù)，約為全球石墨烯專利技術(shù)的三分之一。

不過，作為新興行業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)化過程匯總?cè)杂兄T多不足之處。石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈還極為薄弱，沒有形成完整的、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈上下游，石墨烯研發(fā)制備企業(yè)和下游應(yīng)用企業(yè)脫節(jié)是主要特點(diǎn)。