我国石墨烯产业发展的现状、存在的问题及对策

石墨烯是由碳原子紧密堆积而成的二维晶体,是目前已知的最薄也最坚硬的纳米材料,具有超薄、超轻、超柔韧、超高强度、超强导电性、优异的导热和透光性等特性,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,在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域有着广阔而巨大的应用潜能,是主导未来高科技竞争的超级材料,被称为“黑金”、“新材料之王”。自2010年两位发现者获得诺奖之后,全球就掀起了石墨烯制备、改性和应用的研究热潮,并被产业界、各国政府、国际知名大企业和公众寄予无限的希望。

石墨烯作为一种新型的二维纳米材料,因其优异的性能在电子信息、新材料、新能源、生物医药、环境保护等诸多领域具有巨大的应用潜能和革命性变革,世界各国和跨国企业纷纷投入巨资加强石墨烯的研发、生产和应用,以期占抢占产业制高点。

目前,全球已有80多个国家投入石墨烯的研发、生产。美国、欧盟、日本、韩国等相继发布或资助了一系列相关研究计划和项目。特别是欧盟制定了石墨烯旗舰计划,计划投入10亿欧元。全球石墨烯研发、生产综合实力最强的前三甲是美国、日本、中国。不仅如此,IBM、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国企业纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向,而且还涌现出了大批专门从事石墨烯研发、生产和应用的机构和企业。

实验室成果和专利产品要成为商品,一般需要经过5个阶段:实验室研发——实验工厂(小试)——示范生产线(中试)——示范工厂——规模化生产,每个阶段都不可或缺,并且都潜在着风险,不可能一蹴而就,这个过程需要10年、20年、甚至更长时间。比如,硅材料历经了20多年、碳纤维坚持了半个多世纪。

从Gartner的技术成熟度曲线来看,石墨烯产业总体上正处于概念导入期、产业化突破前期,正从实验室走向产业化。目前以石墨烯粉末(体)为原料的低端产品,如功能涂料、复合材料、电极材料和结构增强型材料等,虽然部分已初步产业化,但规模小、技术含量不高、附加值较低。

而以石墨烯薄膜为原料的高端产品,如微电子材料和显示屏薄膜材料等,或处于实验室阶段,或处于中试阶段,短时间内均难以实现产业化。欧美等发达国家认为,目前石墨烯技术成熟度还在1-4级,尚不适宜大规模产业化。

我国高度重视石墨烯的研发与产业化发展。上至国家领导人,下至地方政府、媒体、企业和普通老百姓都十分关注石墨烯及产业的发展进展。国家自然基金委、科技部、国家发改委、工信部等相关部委都高度重视石墨烯的研发、生产与应用,不断加大投入和支持力度。目前已经有几百家科研机构和公司从事石墨烯材料及其相关产品的研发。

我国石墨烯技术创新成果频出,产业化发展势头迅猛,走在世界前列。据统计,截止2016年底,我国石墨烯专利申请量占全球68.2%,85%以上的理工科学校都有石墨烯相关的研究团队,有的高校甚至一个学校就多达10多个研究团队。2017年,两项石墨烯研究成果获得国家科技进步奖。不仅如此,我国从事石墨烯研发、生产的企业数也是全球最多。

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截至2017年2月底,全国在工商登记注册的石墨烯企业2509家,仅2016年一年就新增457家。我国石墨烯应用产品上百种,但是得到市场认可的寥寥无几。资本市场也纷纷拿石墨烯进行炒作,一些投资机构和上市企业纷纷进军石墨烯领域。目前涉及石墨烯概念股将近40-50家。各地政府纷纷通过制定产业规划、建立产业园区、设立重点科技专项和产业引导基金、建立产业联盟和技术创新联盟、组建研究院和出台扶持政策等措施,支持石墨烯产业的发展。

据粗略统计,截至目前,全国石墨烯产业园区、研究院等多达37家;几乎每个月都有1-2场石墨烯相关的会议、论坛等。近年来,石墨烯也受到各种媒体的热捧,关于石墨烯的各种报道铺天盖地,频繁进入人们的眼球,充斥着“一片蓝海”、“带来万亿级市场”、“颠覆性革命”、“充电十分钟,可跑1000公里”、全面代替硅材料等言过其实、过分夸大石墨烯性能的标题。

与美、日、韩等发达国家相比,我国石墨烯研究和产业发展基本处于产业链和价值链的低端,虽然资本界、学术界、媒体界等“热情高涨”,但无法掩盖上游材料生产企业盲目扩大产能,下游应用集中在附加值低的产品、低端产能扩张过快、产品同质化严重等问题,已经初步显示出“低端化“发展的苗头。

主要表现在:专利“重量轻质”。虽然我国石墨烯专利申请量超过全球申请总量半数以上,稳居全球首位,但存在实用新型专利多、原创基础专利少,国内专利多、国际专利少,高校专利多、企业专利少的现象。下游“优材低用”。目前下游应用多集中在粉体(类石墨烯)领域,产品主要是石墨烯智能保暖理疗暖贴、石墨烯发热服装、石墨烯织物等轻应用,同质化现象十分严重,即将石墨烯作为改性添加剂应用于涂料、复合材料、动力电池等规模大但对石墨烯的品质要求并不高的领域,产品附加值不高,在晶体管、传感器、柔性触摸屏、可穿戴设备、环境治理等高端应用领域偏少。环保“隐患犹存”。目前的制备技术普遍存在能耗、水耗大和工艺不环保等问题,对生态环境保护存在较大隐患。

首先是技术问题。包括制备、分散、应用和环保等关键技术和装备都尚未突破。虽然目前石墨烯制备技术已经有20多种,但规模化、低成本、高品质和大尺寸的宏量制备技术尚未取得实质性突破,难以满足工业化量产的需求。材料的分散技术,以及与下游工艺、工程化应用相结合的技术等都还制约着产业化进程。

其次是市场问题。虽然目前各种应用产品层出不穷,百花齐放,但是缺乏真正的高品质、高附加值和体现石墨烯独特性能的杀手锏级产品,绝大多数只不过是对传统材料进行改性或者努力替代已经成熟的材料,经过改性后的材料性能提升并不明显,或者石墨烯并不是非添加不可,个别甚至在添加之后出现不良后果,难以得到市场认可。一些研究机构或企业号称取得了突破进展,也只不过是做出了样品或实验室产品,根本没有形成商品。目前大多数石墨烯生产企业还主要是给科研机构或下游应用企业提供石墨烯试用品。如果下游应用市场没有激活,石墨烯就很难产业化。

三是成本问题。目前大多数企业尚处于小批量生产的探索阶段,还不能形成稳定的规模化生产能力,没有资金的回笼;且企业前期的研发投入资金量大、周期长,应用市场没有打开,所以不论是材料本身,还是应用产品的成本都很高,这都阻碍了石墨烯进一步走向市场。

此外,石墨烯产业化之路还存在其他一些障碍。比如,石墨烯在某些性能方面本身也存在竞争性材料,如碳纤维、碳纳米管、硅材料、石墨烯粉体等。石墨烯制备还存在着环境风险。氧化石墨烯制备过程中需要大量的酸、碱,材料本身具有较强的稳定性和极易扩散,对环境具有较大的风险。石墨烯的标准缺乏,加之一些误导,使得人们对石墨烯还存在认知上的误区,如片面夸大石墨烯的微观性能、将“类石墨烯”石墨烯化(如将石墨烯、氧化石墨烯、石墨粉体等混为一谈)、石墨烯必须依托石墨资源等。

国内外学者和产业界都认为石墨烯是一种新型的二维碳材料,看好其广阔的应用前景。我国有着丰富的石墨资源,国家高度重视石墨烯产业的发展,在研发和产业化方面走在前列。但是,在媒体、资本的热炒下,石墨烯也呈现出产业化虚假繁荣的泡沫和低端化趋势,市场化应用频频遇冷,遭到了人们的质疑。如果人们被鼓噪起来的热情和厚望迟迟得不到兑现或者幻灭,最终将导致石墨烯产业陷入纳米、超导等材料的命运,狂热之后是彻底地逃离、失望和不信任,这对石墨烯的研发和产业化将是致命的打击。

石墨烯作为一种新材料,从发现到大规模应用,是一个循序渐进的过程,不可能一蹴而就,需要遵循“料-材-器-用”的规律和新兴产业发展规律,更需要扎扎实实的不懈努力和锲而不舍的创新精神、工匠精神。

一是要重新审视和评估我国石墨烯发展方向和阶段。在深入研究美国、欧盟、日本、韩国等国家的石墨烯发展策略、重点方向、研发布局等,把握国际研究的主流方向,对我国石墨烯的研发方向进行重新审视,避免方向的错误和偏差.

二是将石墨烯重点研究方向与制造业强国战略相统一.围绕新一代信息技术、航空航天装备、节能与新能源汽车、生物医药等重点领域发展需求,聚焦重点,从国家层面进行前沿性和战略性方向、专利和产品的布局,而对于那些技术含量不高的产品、技术交给市场。

三是遵循相应的科学规律和阶段性特征,加强顶层设计和政策指导。制定相应的发展战略、规划和路线图,对各阶段的发展目标、产业布局、重点企业培育、关键技术突破、下游应用行业、政策等进行统一部署,合理规划产能和发展路径,推进石墨烯差异化、特色化、集群化发展,避免低端同质化重复建设。

四是加强专利的前瞻布局和质量提升。加强石墨烯专利申请前的评估、细化专利鼓励政策、建立完善公众专利审查制度、加强专利授权事后审查等,提升专利质量和水平;引导实力较强的研究院所联合企业加强专利的前瞻性、系统性布局,尤其在半导体器件、医疗健康、环境领域(如海水淡化、污水处理等)、基因测序等高技术含量领域进行专利布局。

五是尽快研究制定石墨烯技术成熟度路线图.对技术进行成熟度评价和重点企业技术成熟度、经营状况、产品销售等进行评估,科学评判其产业化阶段性和发展前景,避免盲目乐观,过度炒作。坚决制止一蹴而就、急功近利和投机心理,树立严谨务实、坚持不懈的工匠精神,引导媒体正确地宣传。

整合各类创新资源,建立国家级石墨烯创新中心,制定技术创新目录和技术突破路线图,对材料制备技术、清洁生产技术、下游高端应用等关键技术加强攻关。设立石墨烯产业基金,采用政策性财政支出和社会资本共同参与的模式,加快关键技术成果的转化,寻找杀手锏级的高端应用领域、方向和产品。

一是加强国际交流合作。积极参与国际标准制定,制定与国际接轨的石墨烯材料标准体系。

二是尽快研究制定一批国家标准和行业标准,建立标准规范体系。包括相关产品定义、检测和使用标准、行业规范条件,从产业布局、生产工艺与装备、清洁生产、质量管理等方面加以规范。

三是加强对石墨烯领域标准制定工作的财政扶持,鼓励有条件的企业和研究机构参与制定工作,尤其是目前技术成熟度高、产业化应用较为成熟的复合材料、防腐涂料、锂离子电池等下游应用领域,其标准的的制定更要提高相关应用企业的参与度。

出台扶植石墨烯产业发展相关政策,加强政策引导,营造良好的发展环境;加强技术研发和人才培养;鼓励企业创新,加强企业与高校、科研机构的紧密合作,成立企业技术中心,搭建产学研合作平台,形成以企业为主体、产学研结合的技术创新体系,聚焦重点产品,完善重点产品产业链,刺激重点产品的市场需求,加快重点产品的产业化进程;鼓励地方创立石墨烯专业园区,建设完善公共服务平台,发挥专业园区在产学研合作中的载体作用,形成产业孵化培育体系,推动科研成果的产业化转化。

充分发挥产业政策和财政资金的引导作用,鼓励社会资本参与,以培育具有国际竞争力的企业为目标,选择少数真正有创新实力的企业进行重点培育,促进人才、资源、资本向优势企业集中;加强企业高端人才队伍建设,结合国家“千人计划”和国际合作项目等,帮助优势企业引进能够带来核心技术的高端人才或技术团队,建立健全高端人才保障机制。《新经济导刊》

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