解密石墨烯
——有望掀起革命風(fēng)暴的新材料之王

解密石墨烯
——有望掀起革命風(fēng)暴的新材料之王

石墨烯的源起

碳具有多樣的電子軌道特性，完全以碳元素構(gòu)成的碳材料具有各種各樣特異的性質(zhì)，在材料的歷史發(fā)展中碳材料（如木炭、炭黑、石墨等）是基礎(chǔ)的一環(huán)。1990年之后，碳材料翻開了新的篇章，新興碳納米材料具有更特殊更卓越的性質(zhì)，其囊括的材料中既有世界上最軟的材料，也有最硬的材料，既有絕緣體，也有半導(dǎo)體甚至超導(dǎo)體，既有絕熱材料也有熱導(dǎo)材料，將碳材料的應(yīng)用領(lǐng)域擴展的更為廣泛，其中又以富勒烯、碳納米管、納米金剛石和石墨烯為典型代表。

石墨烯（Graphene）是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體，在透射電子顯微鏡下可以看到石墨烯片層上存在大量紋波結(jié)構(gòu)，振幅約為1nm，如圖1所示。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，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

石墨烯的制備

石墨烯的主要的制備路徑分為兩種：一種是Top-Down途徑，即以石墨為原料來制備石墨烯微片，包括剝離法和氧化還原法；另一種是Bottom-Up方法，包括外延生長法、化學(xué)氣相沉積法、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化法。

石墨烯的優(yōu)異特性

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強、透明且致密的新型納米材料，石墨烯被人們安上了“新材料之王”、“未來材料”、“奇跡材料”等各種美譽，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯可能“徹底改變21世紀”，掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。在新興材料層出不窮的今天，石墨烯能受到如此大的關(guān)注，原因即在于它的種種優(yōu)異特性：

電學(xué)性質(zhì)。石墨烯是一種特殊能帶結(jié)構(gòu)的零帶隙半導(dǎo)體材料，石墨烯的導(dǎo)電性能非常突出，室溫下的電子遷移率約為15000cm2/（V?s）。

熱學(xué)性質(zhì)。導(dǎo)熱性能高，室溫下的熱導(dǎo)率為5000W/（m·K），比傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料金剛石高出1倍以上。物理外觀。比表面積高，單層石墨烯的比表面積高達2600m2/g，單層石墨烯光透射率高，往往可以作為透明導(dǎo)體。

化學(xué)性質(zhì)。石墨烯具有超疏水性和超親油性，涂覆在金屬表面使其具有耐腐蝕性。

力學(xué)性質(zhì)。石墨烯的力學(xué)性能好，是人類已知強度最高的物質(zhì)，強度為130GPa，是鋼的100多倍，剛度和柔韌性也都非常突出，楊式模量為1.0TPa。石墨烯各個碳原子之間的連接非常柔韌，施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，碳原子就不需要重新排列，保持了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，且又堅硬又可以拉伸。

其他性質(zhì)。石墨烯還具備一些其他特殊的性質(zhì)，如“光學(xué)透明性”等，性質(zhì)非常特殊，且在不同的條件下會有不同的表現(xiàn)。

石墨烯的應(yīng)用

石墨烯的特性和應(yīng)用在各個領(lǐng)域都獲得了大量的研究?？茖W(xué)家們普遍認為，未來石墨烯在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲能和傳感器等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用。

在電子器件方面，石墨烯不僅僅具備良好的導(dǎo)電性，且其電學(xué)性能非常特殊，在柔性觸控屏、傳感器、散熱材料、芯片等電子器件中這種特殊的電學(xué)性質(zhì)往往可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用，再加上其透明性和突出的力學(xué)性質(zhì)，非常適合制備透明光電器件。

在儲能領(lǐng)域，石墨烯被期待應(yīng)用于超級電容器和鋰離子電池的制造，且已經(jīng)有了突出的表現(xiàn)，這主要是由于高導(dǎo)電性以及表面開發(fā)利于離子吸附，能量密度異常高。

在復(fù)合材料領(lǐng)域，將石墨烯與其他材料復(fù)合可制備性能增強的復(fù)合材料，石墨烯可以與高聚物、金屬、陶瓷等復(fù)合，加強各種材料的機械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性等等。

從2009年至今，每年都不斷有石墨烯新產(chǎn)品問世，且越來越接近實際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化制備，石墨烯晶體管、柔性觸摸屏、超級電容器和OLED/LED等產(chǎn)品相繼問世，為石墨烯產(chǎn)業(yè)化帶來了極大的希望。

全球共同關(guān)注，石墨烯產(chǎn)業(yè)熱潮席卷

石墨烯在2004年被發(fā)現(xiàn)，2010年，英國曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家因從石墨中剝離石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎，自此，國內(nèi)外都對其高度重視，并投入了大量資金支持石墨烯的研究。中國、美國、歐盟、日本、英國和韓國等等經(jīng)濟體，都是走在石墨烯領(lǐng)域發(fā)展的前列，也是對石墨烯產(chǎn)業(yè)支持投入最大的幾個國家或者組織，他們不僅對此投入大量資金，還設(shè)立研究機構(gòu)，打造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，積極推動石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化的進程。

2010年以后，石墨烯的相關(guān)研究呈爆發(fā)式增長，其專利申請量也驟然增多。石墨烯技術(shù)專利最早優(yōu)先權(quán)國家主要是中國、韓國、美國，三者占全球石墨烯專利的80%以上，其中：

中國石墨烯技術(shù)專利占比接近一半，足以說明中國對石墨烯領(lǐng)域的研究非常重視，且研究水平保持在世界前列。中國目前已經(jīng)初步形成了政府、科研機構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)系統(tǒng)創(chuàng)新的官產(chǎn)學(xué)研合作機制。目前主要的石墨烯產(chǎn)業(yè)化方向集中在制備、儲能、觸摸屏和涂層等方面。

韓國政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)亦采取不間斷的支持態(tài)度，同時本國大型公司如三星也對此進行巨大投入，保證了在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏及芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。

美國在前沿科技領(lǐng)域一直維持強勢地位，對石墨烯的研究投入早力度大，大型企業(yè)如IBM、英特爾、波音等和眾多小型創(chuàng)業(yè)型企業(yè)共同布局石墨烯產(chǎn)業(yè)的格局，科研和產(chǎn)業(yè)化實力均十分雄厚。

日本是碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達的國家之一，從2007年起就對石墨烯開發(fā)進行資助，眾多企業(yè)如日立、索尼、東芝等投入了大量資金和人力從事石墨烯的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用開發(fā)。

英國和歐盟近幾年也加大了對石墨烯產(chǎn)業(yè)的投入，政府投入大量資金推動學(xué)術(shù)研究，一些工業(yè)巨頭如巴斯夫、拜耳等也紛紛對此進行商業(yè)研究。

上下求索，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初露曙光

綜合各類研究資料和產(chǎn)業(yè)新聞，我們梳理了中國石墨烯現(xiàn)階段的產(chǎn)業(yè)化進程和主要產(chǎn)品應(yīng)用的開發(fā)情況。

目前階段，觸控屏和復(fù)合材料（如防腐涂料等）成為石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的兩大領(lǐng)域，這兩大領(lǐng)域的石墨烯產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，初步進入產(chǎn)業(yè)化，也有企業(yè)進行了批量規(guī)?；a(chǎn)。

而電池儲能領(lǐng)域和電子器件則是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化研究的兩大熱點，研發(fā)投入量大，也不斷高性能的產(chǎn)品研制推出，但暫時未真正進入規(guī)?；a(chǎn)階段。

復(fù)合材料

石墨烯復(fù)合材料主要用于制備涂料、導(dǎo)電油墨和過濾材料。初具產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的石墨烯復(fù)合材料特指石墨烯涂料以及導(dǎo)電油墨兩種應(yīng)用。

石墨烯涂料。石墨烯同時具備優(yōu)異的導(dǎo)電性和防腐蝕性能，因此可以用于導(dǎo)電涂料和防腐涂料。

（1）導(dǎo)電涂料。汽車塑料件噴涂大部分用的是空氣噴涂，這種方法嚴重浪費涂料，且排放大量揮發(fā)性有機化合物，靜電噴涂的新技術(shù)可以改善這些缺陷，但是要使用靜電噴涂需要先在塑料器件外層噴涂一層導(dǎo)電底漆，在塑料底材和噴槍之間形成有效的電壓場，利于導(dǎo)電涂料均勻覆蓋在塑料器件表面。石墨烯顏色淺，單層的石墨烯甚至呈透明，導(dǎo)電性高1-2個數(shù)量級，相對于炭黑是更理想的導(dǎo)電涂料。

（2）防腐涂料。全世界每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失約為7,000-10,000億美元，在我國這一損失約為8,000億元，防腐蝕對于減小損失有重大意義。石墨烯具有二維片層結(jié)構(gòu)和高比表面積，層層疊加形成致密的物理隔絕層，作為添加劑加入到防腐涂料中可使防腐性能超過現(xiàn)在的重防腐涂料，可應(yīng)用于海洋工程、交通運輸、大型工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。除此之外，石墨烯還能賦予涂料韌性好、附著力強、耐水性好、硬度高、化學(xué)性能穩(wěn)定的特點，提升了涂料的綜合性能。如圖11所示。2015年2月，中國第六元素展示了鍍鋅石墨烯防腐蝕底漆，目標(biāo)用于海上風(fēng)力發(fā)電塔，價格與富鋅環(huán)氧底漆也具有競爭性。

導(dǎo)電油墨。導(dǎo)電油墨是由導(dǎo)電填料、連結(jié)料、溶劑和助劑組成的導(dǎo)電性復(fù)合材料，石墨烯用于導(dǎo)電油墨主要是作為導(dǎo)電填料。石墨烯與其他納米金屬導(dǎo)電油墨相比，具有成本上的優(yōu)勢，而和傳統(tǒng)碳系導(dǎo)電油墨相比，不僅導(dǎo)電性能大幅度提高，還能與噴墨打印方式兼容。導(dǎo)電油墨可以打印電子器件和儲能器件?？梢試娔蛴〕龅碾娮悠骷ǜ黝悅鞲衅鳎瑢?dǎo)電圖案和線路，電極，場效應(yīng)晶體管，薄膜晶體管等；可打印的儲能器件以超級電容器居多，因為石墨烯電導(dǎo)率高、比表面積大，打印的超級電容器比電容也高。

2015年10月，劍橋大學(xué)-Novalia協(xié)作的石墨烯油墨印刷技術(shù)，第一次實現(xiàn)了高速以及大規(guī)模的商業(yè)印刷，在國內(nèi)，首條石墨烯導(dǎo)電油墨生產(chǎn)線在青島高新區(qū)石墨烯科技創(chuàng)新園落成，且以投入使用。

過濾材料。除了涂料和導(dǎo)電油墨，石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用還有過濾材料，雖然不如前兩者的發(fā)展程度高，但仍然具有極大的應(yīng)用前景。石墨烯最典型的一個特征是疏水性，這對于過濾作用非常重要。具有微型穿透孔的石墨烯片可以過濾水，但是能阻擋污染物的通過，加上石墨烯密度小的特征，可以將其制備成一個質(zhì)輕、高效以及無污染的過濾器。這種構(gòu)想打開了將海水制備成飲用水的可能性。氧化石墨烯制備的薄膜不允許水之外的所有氣體通過，可以將其做成更加精細的網(wǎng)，實現(xiàn)尺寸相似的不同種類的微粒子的超快分離，也就實現(xiàn)了高效過濾。

電子器件

石墨烯電子器件的覆蓋面很廣，例如柔性觸控屏、傳感器、散熱材料、芯片等，并由此衍生出更多復(fù)雜的電子器件如OLED、光電探測器等。在這之中，柔性觸控屏的發(fā)展最為成熟，成為了石墨烯率先進入產(chǎn)業(yè)化的幾大應(yīng)用之一。

柔性觸控屏。傳統(tǒng)手機觸摸屏的工作層材料主要為陶瓷材料氧化銦錫（ITO），不僅資源有限、價格過高，而且易碎，石墨烯是ITO理想的替代材料，而且由于具有良好的柔性，石墨烯還可以用于制備柔性顯示屏，以石墨稀材料制作的柔性觸摸屏可讓不規(guī)則或弧形的移動設(shè)備實現(xiàn)先進的多點觸控功能。目前，全球已有多家公司進軍石墨烯觸控屏領(lǐng)域：2013年，美國輝銳科技公司率先進軍大面積石墨烯柔性觸控屏市場；2014年，韓國三星和成均館大學(xué)將石墨烯成功應(yīng)用于觸摸顯示屏，制造出多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲顯示屏，可廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備。

中國在這個領(lǐng)域的發(fā)展相當(dāng)迅速，常州二維碳素科技公司已經(jīng)突破了石墨烯薄膜應(yīng)用于中小尺寸手機的觸摸工藝，實現(xiàn)了石墨烯薄膜材料和現(xiàn)有ITO模組工藝線的對接，如今其自主研發(fā)的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜已經(jīng)規(guī)模化應(yīng)用于觸控技術(shù)領(lǐng)域。

傳感器。石墨烯用于傳感器的機理主要是基于設(shè)備和被檢測物質(zhì)的分子相互作用時電荷輸運的改變引起的電導(dǎo)率的變化，部分石墨烯傳感器使用的是含有石墨烯通道的場效應(yīng)晶體管（FET），當(dāng)被檢測到目標(biāo)物質(zhì)時，電流通過晶體管并發(fā)生變化，產(chǎn)生可用來識別的信號。

石墨烯在生物傳感器和診斷中的應(yīng)用尤為廣泛，用于生物傳感器可以用來探測一葡萄糖、谷氨酸鹽、膽固醇、血紅蛋白等等。石墨烯的高比表面積、獨特的光學(xué)性質(zhì)、優(yōu)秀的光學(xué)性質(zhì)、良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、高載流子遷移率等特性都有利于它在傳感器中的應(yīng)用。石墨烯的高比表面積能增加其對檢測的生物分子的負荷，優(yōu)異的導(dǎo)電性和小帶隙便于生物分子和電極表面之間的電子傳導(dǎo)。石墨烯傳感器更小更輕，能探測更微小的物質(zhì)，運行速度更快，比起傳統(tǒng)的傳感器還有價格優(yōu)勢。

2014年8月，美國GrapheneFrontier宣布增加160萬美元用于石墨烯功能化場效應(yīng)晶體管（GFET）傳感器的研制，該產(chǎn)品是高靈敏化學(xué)和生物石墨烯傳感器，能夠被用于診斷疾病，其靈敏度和效率是傳統(tǒng)傳感器所無法比擬的。

芯片。過去的幾十年間，硅是芯片制造的首選材料，但是由于其特性的局限，芯片技術(shù)的提升空間越來越小。石墨烯的特殊性質(zhì)可以使光的速率降低，產(chǎn)生密集的光束，這種現(xiàn)象叫做“光爆”，在光爆的過程中，當(dāng)石墨烯中電子運動的速度快于光而受到限制時，就會釋放出“等離子體激元”。這一特殊性質(zhì)使得石墨烯成為制備超薄計算機設(shè)備的光基電路的理想制造材料。除此之外，石墨烯的傳導(dǎo)性極強，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)，提升芯片速率，改善了硅芯片在傳輸大數(shù)據(jù)流時堵塞的狀況，而且石墨烯地載流子遷移率從在室溫下是硅的10倍以上，加上良好的導(dǎo)熱性，理論上能搞將芯片的主頻提高到300GHz，硅芯片目前的最高頻率為8.4GHz。

散熱材料。傳統(tǒng)散熱器以金屬銅或者鋁為主要散熱材料，但是金屬材料具有難加工、耗費能源、密度過大、導(dǎo)電、易變性、難回收等眾多缺陷，石墨散熱膜漸漸取代了金屬散熱器占領(lǐng)了電子器件散熱市場，Sony/Dell/Samsung筆記本、中興手機等都已經(jīng)大規(guī)模運用石墨烯散熱膜。石墨烯比石墨的散熱性能更加突出，作為散熱薄膜的功能也更加強勁。

儲能領(lǐng)域

石墨烯在儲能領(lǐng)域的兩大應(yīng)用分別是超級電容器和鋰離子電池，但目前尚未形成產(chǎn)業(yè)化突破。

超級電容器。石墨烯的平面片狀結(jié)構(gòu)有利于電解液的浸潤和離子的吸附/解吸，從而能提高電容器的儲能密度和功率特性，石墨烯片層搭接形成的穩(wěn)定介孔結(jié)構(gòu)還能增大電容器的有效雙電層面積，再加上良好的導(dǎo)熱性，提高了電容器的散熱性能。

2011年10月，美國NanotekInstrument公司新研制的石墨烯基超級電容器在室溫下可以達到85.6Wh/kg的能量密度，相當(dāng)于鎳氫電池的儲能密度，但是能在幾分鐘內(nèi)放電完畢，有望取代電池；2013年3月，美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員公布了一種新型超級電容器，能在幾秒內(nèi)給手機電池甚至是汽車電池充電，具有容量大、功率高、使用壽命長、經(jīng)濟環(huán)保等特點；2015年10月，由我國自主研制的新一代大功率石墨烯超級電容在中國中車株洲電力機車有限公司問世，其功率提升三倍，電能運用效率更高，可運用時間更長，性能指標(biāo)居于世界領(lǐng)先水平。

鋰離子電池。石墨烯獨特的二維蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)使其具有高比表面積、高載流子遷移率、高導(dǎo)電性，在儲鋰方面具有優(yōu)勢，使鋰離子在脫嵌的過程中可逆性更強，降低循環(huán)比容量的損耗，顯著提升了鋰離子電池的庫倫效率和循環(huán)比容量。

石墨烯在鋰電池中最為可能的應(yīng)用主要包括以下三方面：一是作為導(dǎo)電添加劑；二是電極復(fù)合材料，當(dāng)前已經(jīng)有諸如高性能磷酸鐵鋰/石墨烯復(fù)合制劑材料和超級電容器用的活性炭/石墨烯復(fù)合電極材料，經(jīng)過兩三年的研發(fā)可以進一步開發(fā)高容量的納米硅/石墨烯復(fù)合負極材料；三是最為集流體改性涂層，增強電池充放電性能。但總體來說這些應(yīng)用都需考慮性價比。

2014年底特斯拉推出的升級版Poadster3.0，鋰電池性能大幅改進，市場推測其采用了石墨烯技術(shù)；2016年7月，東旭光電的子公司上海碳源匯谷推出石墨烯基鋰離子電池，并命名為“烯王”，該產(chǎn)品容量達到4800mAh，電池循環(huán)壽命高達3,500次左右，充電效率是普通充電產(chǎn)品的24倍。

專利大國，我國走在產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局前列

專利申請集中于制備技術(shù)、復(fù)合材料和儲能

我國石墨烯材料相關(guān)的專利申請涉及的方面較多，專利研究方向主要集中于石墨烯的制備以及應(yīng)用研究，制備技術(shù)的專利申請較為集中，應(yīng)用研究中以復(fù)合材料和儲能為最多，其次是功能材料與傳感器。

政策頻出，獲得各方面大力支持

2015年5月8日，國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》，內(nèi)容中指出對石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的扶持力度加大。前期，從總體上說國際對石墨烯產(chǎn)業(yè)的支持主要集中于基礎(chǔ)研究，現(xiàn)階段則轉(zhuǎn)移到了石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的中游，以石墨烯功能器件研發(fā)為主。《中國制造2025》是我國邁向制造強國的路線圖，而石墨烯則被明確指出是需要重點發(fā)展的新型材料，對石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無疑是極大的支持。

工信部9月發(fā)布《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，包括10大重點領(lǐng)域，23個重點方向，每個方向又分了若干重點產(chǎn)品。其中，前沿新材料中的石墨烯方向，指出的重點產(chǎn)品包括鋰電池電極材料、防腐涂料、柔性電子用石墨烯薄膜、光電領(lǐng)域用熱界面等。

2012年開始，中央和地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)的扶持力度加大，業(yè)內(nèi)也開始組織產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，加強國內(nèi)、國際的產(chǎn)業(yè)合作，形成了以重點產(chǎn)業(yè)示范基地為著力點，大力促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部環(huán)境。

以點帶面，產(chǎn)業(yè)集群日益壯大

近年來，不少國際知名大企業(yè)，如IBM、三星、東芝、諾基亞等在石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈下游不斷進行嘗試并有所突破，使得石墨烯散熱薄膜、觸摸屏、生物傳感器問世并具備產(chǎn)業(yè)化傾向。

在我國，石墨烯相關(guān)的企業(yè)多為小型創(chuàng)業(yè)企業(yè)，因此中國的石墨烯企業(yè)主要分布在石墨烯制備和中間產(chǎn)品研發(fā)上，上下游未能打通。資本市場已經(jīng)掀起了多輪石墨烯主題的投資熱潮，A股企業(yè)紛紛投資、收購石墨烯相關(guān)企業(yè)，新三板市場上也已經(jīng)有四家主營石墨烯的上市公司。

不同于國外以大企業(yè)作為研發(fā)主體，我國大型知名企業(yè)中僅有華為宣布投入商用石墨烯電池的研發(fā)，其他石墨烯企業(yè)主要以中小型、初創(chuàng)型為主，研發(fā)基本上以高校和科研機構(gòu)為核心。在中國政府和企業(yè)的巨大熱情投入下，多地設(shè)立了石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，并且形成了以江蘇省為聚集區(qū)，其他多個省市碎片化發(fā)展的產(chǎn)業(yè)分布格局。其中，江蘇省由于發(fā)展較早，形成了常州、無錫、臺州、南京等多個城市的石墨烯企業(yè)分布，尤以常州最為集中，另外，在山東青島、浙江寧波、廣東深圳也已建立起產(chǎn)業(yè)國家級石墨烯產(chǎn)業(yè)化基地。目前全國石墨烯企業(yè)超過100家，近年來也有不少上市公司如悅達投資、華麗家族、中泰化學(xué)、錦富新材、德爾未來等通過自設(shè)或并購方式投身石墨烯行業(yè)，涉足從石墨礦供應(yīng)、到石墨烯生產(chǎn)和中間產(chǎn)品開發(fā)等環(huán)節(jié)，我們不完全統(tǒng)計，A股目前已有30多家公司涉足石墨烯有關(guān)的研發(fā)和投資業(yè)務(wù)。

新三板上掛牌的以石墨烯為主業(yè)的公司則包括第六元素、二維碳素、華高墨烯、凱納股份等4家。

前景廣闊，希望的遠方與沿路的荊棘并存

對于石墨烯這個二十一世紀神奇材料，市場對它的應(yīng)用前景十分樂觀和充滿期待。根據(jù)美國BCCResearch公司預(yù)測，2023年石墨烯應(yīng)用規(guī)模將達到13.43億美元，相當(dāng)于2018年的6.9倍、2013年的100倍；BCCResearch同時預(yù)測，2023年石墨烯主要的應(yīng)用領(lǐng)域集中于五個方向，分別是超級電容器、顯示器、結(jié)構(gòu)材料、傳感器和高性能計算機，這五個方向加起來占據(jù)石墨烯市場的60%。

對中國而言，在石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，我們的資源優(yōu)勢和研究優(yōu)勢均十分突出，中國是全球石墨礦儲量最大的國家，約占全球儲量的42%，這種天然的優(yōu)勢有利于石墨烯的研究以及生產(chǎn)制備。石墨烯也是是中國少數(shù)處于產(chǎn)業(yè)化研究前列的前沿新材料領(lǐng)域，作為石墨烯相關(guān)專利申請的第一大國，我們在石墨烯的制備及應(yīng)用的技術(shù)上都有了多方面的探索。

根據(jù)中國石墨烯技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟產(chǎn)業(yè)研究中心出版的《2016全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告》預(yù)測，中國石墨烯應(yīng)用市場將在2018年形成產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點，2020年將成長至1,000億元的規(guī)模，具備全球石墨烯市場的主導(dǎo)地位。

產(chǎn)業(yè)的遠景雖然廣闊，我們還是無法忽略沿路的荊棘，作為一種真正獲得發(fā)展不到10年的新興材料而言，想要取代已經(jīng)廣泛使用的傳統(tǒng)材料、獲得下游認可還有很長的路要走。石墨烯企業(yè)不但需要解決大規(guī)模制備的工藝難題，還需要解決居高不下的成本，找到具備合理性價比的應(yīng)用方向。有學(xué)者認為石墨烯作為一項新興材料獲得大規(guī)模應(yīng)用至少需要10年的時間。

對于中國企業(yè)來說，石墨烯行業(yè)面臨著和很多新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期一樣的問題，包括：科研企業(yè)主導(dǎo)的研發(fā)與實際應(yīng)用脫節(jié)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失、以次充好產(chǎn)品質(zhì)量無法保證、資本扎堆造成競爭過度、概念炒作盛行企業(yè)傾向短期行為等。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，國產(chǎn)品信任度差

國內(nèi)對石墨烯一直說缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，事實上，層數(shù)小于10個原子層的石墨微片，具有石墨烯的某些特性，當(dāng)石墨微片原子層數(shù)小于5層時，才能更多體現(xiàn)為石墨烯所具備的部分特性，按照中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)，只有達到10個原子層以下的石墨粉體，才能被稱為石墨烯粉體，而很多企業(yè)的石墨烯粉體可能只是石墨微片。這種混淆讓人們對國內(nèi)的石墨烯品質(zhì)持懷疑態(tài)度，國產(chǎn)石墨烯難以打開需求。市場急需權(quán)威機構(gòu)對石墨烯做出明確的定義，來改善這種混亂的市場現(xiàn)象。

產(chǎn)研分離，缺乏良性互動機制

中國石墨烯的研發(fā)主體為高校和研究機構(gòu)，偏重于基礎(chǔ)科學(xué)而非實用技術(shù)，高校、科研機構(gòu)與企業(yè)之間缺乏合作平臺，企業(yè)之間因競爭關(guān)系的更難合作，導(dǎo)致石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進程緩慢。而在產(chǎn)業(yè)化進展較好的美國、韓國、日本等國家，研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化主體都是大企業(yè)，既掌握核心技術(shù)，又了解市場需求，才能有效推進石墨烯的研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化。

低端粗放發(fā)展，短期行為和同質(zhì)化競爭較多

真正能夠體現(xiàn)石墨烯核心價值、打造萬億級產(chǎn)業(yè)鏈的應(yīng)用領(lǐng)域是半導(dǎo)體和微電子產(chǎn)業(yè)，屬于石墨烯的高端應(yīng)用領(lǐng)域。而國內(nèi)在石墨烯產(chǎn)業(yè)方面還是走的低端粗放的路徑，能量產(chǎn)的石墨烯項目，大多為石墨烯粉體，并不具備真正的石墨烯薄膜的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、硬度和韌度等特質(zhì)，一般只作為添加劑用于功能涂料、復(fù)合材料、散熱材料、電池等領(lǐng)域，既有的應(yīng)用研發(fā)也大多停留在動力電池、超級電容器、涂料等短平快的方面，同時也會形成大量的重復(fù)投資和低水平的重復(fù)性研究。

制備成本高昂，短期投資回報較難支持

石墨烯產(chǎn)業(yè)化背后的研發(fā)成本、生產(chǎn)成本、人力成本以及資源成本都很高，目前市場上宣布實現(xiàn)量產(chǎn)石墨烯粉體的公司如常州第六元素，其粉體價格較前期數(shù)百元每克下降到了為1-5元/克，但品質(zhì)好的科研用氧化石墨烯價格還在每克千元左右；石墨烯薄膜由于化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)設(shè)備和制備成本高昂的原因，常州二維碳素的石墨烯報價在300元/平方米以上，且目前大批量制備石墨烯薄膜的工藝仍然很不穩(wěn)定。即便價格已有一定程度的下降，但與替代材料石墨、硅和ITO相比，使用石墨烯產(chǎn)品的成本仍然十分高昂，下游廠商大部分采取觀望態(tài)度，無法形成規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)鏈。當(dāng)前，國內(nèi)石墨烯企業(yè)處于全面虧損狀態(tài)，而且這一狀況可能還會維持較長的時間。

石墨烯材料的“詩和遠方”還需要更具戰(zhàn)略眼光的長期投入，寄望于一蹴而就顯然很難成功。

一方面，由政府自上而下的推動建立規(guī)范的行業(yè)環(huán)境在當(dāng)前階段必不可少：

（一）推動行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立，減少行業(yè)由于質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不亂象；（二）重視戰(zhàn)略規(guī)劃，搭建更富成果轉(zhuǎn)換效率的產(chǎn)學(xué)研合作的產(chǎn)業(yè)化平臺，注重高端技術(shù)升級，如單層石墨烯薄膜的批量生產(chǎn)、微電子和半導(dǎo)體器件的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)和應(yīng)用等；（三）鼓勵大型企業(yè)投入石墨烯材料的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

另一方面，精研技術(shù)、拓展應(yīng)用，找到一項真正殺手級的應(yīng)用的出現(xiàn)對于石墨烯這樣的新興材料的規(guī)?；a(chǎn)非常關(guān)鍵。目前國內(nèi)在防腐涂料、超級電容器等領(lǐng)域，石墨烯產(chǎn)品開始顯現(xiàn)一定的性價比，但還遠遠稱不上殺手級應(yīng)用。在全球共同的努力下，真正的殺手級應(yīng)用也許就在不遠處等著我們。

新三板石墨烯企業(yè)概覽

中國石墨烯企業(yè)以中小型企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)為主，在新三板掛牌上市的石墨烯企業(yè)一共有4家，分別是第六元素、二維碳素、華高墨烯和凱納股份，其中第六元素進入創(chuàng)新層。掛牌公司2015年營業(yè)收入規(guī)模差距較大，最大的第六元素達到2,295萬元，最小的廈門凱納股份僅為34萬元，凈利潤方面，由于主營石墨烯產(chǎn)品均未實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)和銷售4家公司全面虧損。

第六元素（831190.OC）：石墨烯粉體規(guī)?；a(chǎn)商

石墨烯粉體產(chǎn)能最大企業(yè)之一，初步實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。第六元素是國內(nèi)石墨烯粉體產(chǎn)能規(guī)模最大的生產(chǎn)企業(yè)之一，公司已經(jīng)在石墨烯粉體的宏量制備技術(shù)方面相繼攻克了諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的年產(chǎn)10噸石墨烯粉體生產(chǎn)線，并已備案年產(chǎn)100噸石墨烯、300噸氧化石墨項目。

與科研院所搭建產(chǎn)業(yè)化平臺，技術(shù)后盾堅實。公司是江南石墨烯研究院的理事單位，并與四川大學(xué)、中科大等多家科研院所建立了長期穩(wěn)定研發(fā)合作關(guān)系，目前公司優(yōu)化工藝流程，已能實現(xiàn)穩(wěn)定的氧化石墨烯和石墨烯粉體生產(chǎn)。截至2015年底公司申請發(fā)明專利31項，其中15項已獲授權(quán)。

產(chǎn)品線系列豐富，應(yīng)用獲得階段性成果。公司研發(fā)出6大系列粉體產(chǎn)品線，包括氧化石墨烯、儲能型石墨烯、防腐型石墨烯、導(dǎo)電型石墨烯、導(dǎo)熱型石墨烯和增強型石墨烯。公司在涂料、復(fù)合材料等應(yīng)用領(lǐng)域進行應(yīng)用技術(shù)研發(fā)并取得了階段性成果：涂料領(lǐng)域，公司開發(fā)的石墨烯防腐涂料其耐鹽霧時間達2,400小時以上，超出傳統(tǒng)防腐涂料的性能2倍以上，由于其從性價比上能替代傳統(tǒng)的鋅金屬，將成為一項可行的應(yīng)用領(lǐng)域。

積極進行資本運作，銷售渠道成功拓寬。公司2015年通過定增購買無錫格菲100%股權(quán)，成為國內(nèi)唯一一家同時掌握氧化還原法和氣相沉積法制備石墨烯的公司；另外公司通過出資參股設(shè)立常州中超、常州富烯、江蘇道蓬等公司，與下游應(yīng)用廠商形成較緊密的戰(zhàn)略合作關(guān)系，成功拓寬了銷售渠道，2015年公司石墨烯粉體和觸摸傳感器兩大品類銷售額銷售收入增長6倍至2,295.54萬元。而由于主營產(chǎn)品尚不能規(guī)模量產(chǎn)，成本和費用率仍然高企，15年公司虧損額擴大至2,039萬元。

二維碳素（833608.OC）：石墨烯薄膜生產(chǎn)及應(yīng)用的領(lǐng)軍企業(yè)

國內(nèi)最大石墨烯薄膜企業(yè)之一，年產(chǎn)能達到20萬平米。公司主要產(chǎn)品為附加值較高的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜，是國內(nèi)石墨烯薄膜產(chǎn)能最大的企業(yè)之一，也是首家掛牌上市的石墨烯薄膜生產(chǎn)企業(yè)。公司自主設(shè)計并成功開發(fā)了國內(nèi)首條年產(chǎn)3萬平方米石墨烯薄膜生產(chǎn)線，2015年公司的石墨烯薄膜年產(chǎn)能已達到20萬平米。

薄膜制備和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化水平領(lǐng)先，高額研發(fā)投入，大批專利在手。公司在國際上率先用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在銅和鎳基底上制備大尺寸石墨烯薄膜，并且首創(chuàng)石墨烯薄膜單晶陣列CVD生長技術(shù)；公司自主設(shè)計石墨烯CVD量產(chǎn)設(shè)備，自主開發(fā)了石墨烯薄膜轉(zhuǎn)片工藝，實現(xiàn)了石墨烯薄膜宏量制備和無損轉(zhuǎn)片。截至2015年年底，公司已獲授權(quán)的專利共計66項，正在申請的專利共計110項，2015年公司研發(fā)費用投入高達1,129萬元，超過當(dāng)年銷售收入。

應(yīng)用產(chǎn)品觸控屏已實現(xiàn)規(guī)?；N售，客戶覆蓋多家大型品牌企業(yè)。公司自主研發(fā)的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜已經(jīng)規(guī)模化應(yīng)用于觸控技術(shù)領(lǐng)域，產(chǎn)品主要針對手機觸摸屏等便攜式智能終端、可穿戴電子產(chǎn)品、車載觸控產(chǎn)品和工業(yè)控制家品以及家用領(lǐng)域，公司已成為維信諾公司、西蒙電子的合格供應(yīng)商，其終端客戶還包括上海大眾、東南汽車、海爾等。2015年公司營業(yè)收入945.94萬元，同比增長169.15%，其中觸摸屏收入占比高達96%，通過子公司二維光電直接實現(xiàn)銷售，實現(xiàn)了從材料到應(yīng)用產(chǎn)品的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

新產(chǎn)品研發(fā)加速，首款壓力觸控傳感器面世。2015年11月公司發(fā)布了世界首款石墨烯壓力觸控傳感器，該傳感器產(chǎn)品具有超高靈敏性，感應(yīng)度可覆蓋10毫克到5公斤的按壓強度，未來將在電子消費、健康醫(yī)療、機器人電子皮膚領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域有廣泛的用途。公司將開發(fā)電容觸控產(chǎn)品加壓力傳感器組件產(chǎn)品，使公司兩大產(chǎn)品相互依托，拓寬銷售渠道。另外公司的石墨烯紅外加熱膜產(chǎn)品也已面世，進入商業(yè)開發(fā)階段，不懈的研發(fā)投入和新產(chǎn)品開發(fā)是公司核心競爭力的來源。

華高墨烯（835672.OC）：耕耘“海洋”和“軍工”兩大領(lǐng)域

產(chǎn)品面向“海洋”和“軍工”兩大領(lǐng)域。公司從事石墨烯材料和應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售；主要面向“海洋”和“軍工”兩大領(lǐng)域，專注于新能源、復(fù)合材料、環(huán)境工程等方向上石墨烯技術(shù)開發(fā)與服務(wù)。公司研發(fā)石墨烯導(dǎo)靜電輪胎、石墨烯防彈材料、石墨烯防腐涂料、石墨烯海水淡化膜、石墨烯工程復(fù)合塑料、石墨烯散熱膜及石墨烯動力電池等應(yīng)用產(chǎn)品，積極開展與下游應(yīng)用客戶的合作，促進產(chǎn)品應(yīng)用項目的試用，縮短測試期，希望盡快形成訂單投入市場。2015年公司銷售規(guī)模237萬元，主要以石墨烯粉體和氧化石墨烯分散液等原材料為主，市場化程度較低。

申請軍工資質(zhì)，有望列入軍工武器裝備的供應(yīng)商名錄。公司搶抓軍民融合大發(fā)展上升國家戰(zhàn)略的契機，著手申請軍工資質(zhì)，為軍工武器裝備及相關(guān)軍品提供技術(shù)解決方案，列入軍工武器裝備的供應(yīng)商名錄，加快華高墨烯的發(fā)展。公司現(xiàn)階段高品質(zhì)石墨烯材料客戶已經(jīng)發(fā)展到20家，并逐步形成了較為穩(wěn)定的長期供貨情況，如若能成為軍工武器裝備的供應(yīng)商，將鞏固其石墨烯供應(yīng)市場的位臵。

著力產(chǎn)研結(jié)合，組建核心研發(fā)隊伍。公司采用“自主研發(fā)”和“與客戶合作研發(fā)、生產(chǎn)”的機制，與國內(nèi)外高校和科研機構(gòu)、應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)手合作，進行石墨烯制備技術(shù)及應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新及生產(chǎn)技術(shù)支持。公司組建了以泰山學(xué)者劉敬權(quán)教授為技術(shù)帶頭人的研發(fā)團隊，2015年新增專利25項。

凱納股份（836410.OC）：機械剝離法石墨烯微片生產(chǎn)企業(yè)

機械剝離法生產(chǎn)石墨烯，成本較低，銷售規(guī)模偏小。公司采用機械剝離工藝生產(chǎn)石墨烯產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上進行拓展，利用改性、剝離、干燥以及關(guān)鍵配方技術(shù)等，成功開發(fā)了低成本工業(yè)化石墨烯生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)了石墨烯的噸級規(guī)模生產(chǎn)。產(chǎn)品中的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)完整，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，可應(yīng)用于導(dǎo)電或?qū)崴苣z、導(dǎo)電或?qū)嵬苛弦约颁囯姵?。凱納股份2015年公司主要產(chǎn)品處于中試階段，銷售規(guī)模較小，銷售產(chǎn)品多為微片粉體和漿料等初始產(chǎn)品，銷售收入僅33.66萬元，毛利率38.28%。

國內(nèi)最早從事石墨烯研發(fā)的企業(yè)之一。公司自2006年開展石墨烯制備和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，是國內(nèi)最早的專業(yè)從事石墨烯研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)之一，董事長趙立平先生曾獲得國家科技二等獎、廈門市“雙百人才”稱號。2013年引入中泰化學(xué)作為第一大股東，2015年引入西堤壹號投資公司并進行股改，市場化程度提高。

2016年銷售有望提速。在主要生產(chǎn)線完成中試，以及與下游應(yīng)用企業(yè)如廈門三圈電池的合作開發(fā)協(xié)議生效的影響下，預(yù)計公司2016銷售將同比明顯增長，另外，公司提出將在2016年啟動建設(shè)2,200噸石墨烯產(chǎn)品的生產(chǎn)線，促進產(chǎn)業(yè)化提速。

（來源：中銀國際；石墨烯研究中心推薦）