戰(zhàn)略性新型材料石墨烯管理科學(xué)與工程布局研究
——以石墨烯為例

曹 寅

（天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072)

目前，隨著科技水平與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步提升，加快了對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)、管理布局的研究與改革。戰(zhàn)略性新材料能夠與生物技術(shù)、信息科學(xué)等先進(jìn)性產(chǎn)業(yè)有機(jī)融合，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)一體化、功能智能化的改革趨勢(shì)。如果沒有戰(zhàn)略性材料的創(chuàng)新支持，就無法形成先進(jìn)的新材料產(chǎn)業(yè)，并直接限制戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。石墨烯作為極具市場需求與應(yīng)用前景的戰(zhàn)略性新材料，相應(yīng)的管理科學(xué)與工程布局對(duì)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有著重要作用。在不斷完善管理與布局的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)價(jià)戰(zhàn)略性新材料石墨烯在行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的趨勢(shì)、競爭態(tài)勢(shì)并進(jìn)行整體性了解，進(jìn)一步推動(dòng)石墨烯行業(yè)制定相應(yīng)的戰(zhàn)略性決策。

1 戰(zhàn)略性新型材料石墨烯及其技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 年度分布特征

將與石墨烯材料有關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，能夠得出石墨烯材料有關(guān)文獻(xiàn)在一年中的變化情況。通過資料可知，石墨烯年度文獻(xiàn)的分布呈現(xiàn)出不斷上升的狀態(tài)，2011年后，更是直接步入快速發(fā)展的階段。盡管中外研究文獻(xiàn)的數(shù)量都處于增長趨勢(shì)，但是中文文獻(xiàn)數(shù)量的增長趨勢(shì)與國際相比較慢。

首先，在對(duì)外文數(shù)據(jù)的分布解析中得知，中外文獻(xiàn)的平臺(tái)數(shù)量都是持續(xù)上漲的，但是在較長周期的延伸下，數(shù)據(jù)差距開始擴(kuò)大，外文文獻(xiàn)的平臺(tái)數(shù)量增速較快，為進(jìn)一步分析文獻(xiàn)增長態(tài)勢(shì)，更加具體地對(duì)區(qū)域性文獻(xiàn)數(shù)量展開研究。從資料中可知，中文文獻(xiàn)的數(shù)量與其他國家相比，具有明顯的數(shù)量優(yōu)勢(shì)，中文發(fā)文總量在外文平臺(tái)中約占40%。基于國際交流的角度，石墨烯的發(fā)現(xiàn)國是英國，英國的石墨烯材料中心度達(dá)到了0.23，而中國的是0.11，中心度說明我國對(duì)石墨烯材料的研究水平較為理想，但是關(guān)于石墨烯材料的管理科學(xué)與工程研究主要以外文的形式來呈現(xiàn)，在一定程度上可能會(huì)出現(xiàn)向外流動(dòng)的現(xiàn)象。因此，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段中文戰(zhàn)略性新材料的有效發(fā)展，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[1]。

1.2 研究機(jī)構(gòu)分布特征

基于對(duì)上千機(jī)構(gòu)的論文分析，對(duì)國際領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)的機(jī)構(gòu)中，中國占有約50%，其中更屬中國科學(xué)院的研究影響力更大，排在中國科學(xué)院后面的是新加坡的南洋理工大學(xué)與清華大學(xué)。其中，我國天津、福州、南京等部分地區(qū)的理工類大學(xué)也都排在靠前的位置。基于中心度而言，美國麻省理工學(xué)院、中國科學(xué)院與中國科技大學(xué)、賓州州立大學(xué)的學(xué)術(shù)交流非常深入，其中，麻省理工學(xué)院具有較為突出的突變權(quán)重，在研究交流中起到了帶頭作用。

通過表1專利申請(qǐng)人數(shù)量的排名表來看，復(fù)旦大學(xué)在專利申請(qǐng)方面具有突出的表現(xiàn)；在國際領(lǐng)域中，蘇州納諾科技有限公司與吉林大學(xué)有一定的推動(dòng)作用；在國內(nèi)對(duì)于石墨烯材料的研究中，江蘇大學(xué)與濟(jì)南大學(xué)具有更強(qiáng)的權(quán)威性。從整體的數(shù)量上而言，專利審批通過數(shù)量最多的國家是中國，以此可以看出，石墨烯作為戰(zhàn)略性新材料在我國的管理科學(xué)與工程中有著十分重要的地位，且獲得了較高的實(shí)質(zhì)性重視[2]。

表1 以石墨烯材料專利申請(qǐng)人及數(shù)量排名Table 1 Is ranked by patent applicants and number of graphene materials

2 戰(zhàn)略性新型材料石墨烯及其技術(shù)發(fā)展方向

2.1 關(guān)鍵詞聚類

管理科學(xué)與工程能夠在一定程度上反映出材料或行業(yè)在之后長期的發(fā)展過程中的角度，通過文本聚類進(jìn)行具象化的態(tài)勢(shì)分析，預(yù)判發(fā)展方向。通過關(guān)鍵詞文本聚類，獲得出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞，明確相應(yīng)的研究重點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)的專利信息格式是國際專利分類號(hào)，即IPC，利用IPC，得出戰(zhàn)略性新材料石墨烯的研究重點(diǎn)。將相關(guān)文獻(xiàn)導(dǎo)入專門用于文獻(xiàn)分析的軟件中，確定關(guān)鍵詞，展開共現(xiàn)分析；通過pathfinder算法，設(shè)定Keyword為搜索節(jié)點(diǎn)，展開可視化分析[3]。

2.2 國內(nèi)外平臺(tái)相關(guān)文獻(xiàn)研究熱點(diǎn)

在共現(xiàn)與可視化的分析中，關(guān)鍵詞的出現(xiàn)次數(shù)與研究程度直接決定了節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出的大小，節(jié)點(diǎn)越大，其研究熱度越高，關(guān)鍵詞中節(jié)點(diǎn)較大的是石墨烯薄膜、氧化石墨烯、石墨烯納米粒子等。進(jìn)一步展開關(guān)鍵詞的管理科學(xué)與工程分析可知，國內(nèi)的研究熱點(diǎn)為氧化石墨烯、電容器、鋰離子電池、復(fù)合材料等。通過中介中心性衡量，將重要性數(shù)值進(jìn)行具象化呈現(xiàn)。依照節(jié)點(diǎn)所匹配的頻次、年份以及中介中心性，展開節(jié)點(diǎn)信息分析。目前，國際與國內(nèi)所表現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)與形態(tài)基本一致，但國內(nèi)的轉(zhuǎn)化起步較晚。基于關(guān)鍵詞的中心度而言，多孔碳、鋰離子電池、電極等元素在國際領(lǐng)域更為熱門；殼聚糖、吸附等技術(shù)元素在國內(nèi)更加熱門[4]。

進(jìn)一步檢測研究石墨烯行業(yè)領(lǐng)域中的異常情況，需要通過對(duì)相關(guān)的膨脹詞進(jìn)行管理科學(xué)與工程領(lǐng)域研究，實(shí)現(xiàn)突變性的明確。通過節(jié)點(diǎn)密度的分析，判斷關(guān)鍵詞的突變時(shí)長與層次，此方法能夠更加準(zhǔn)確有效地預(yù)測出材料、技術(shù)、行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與突變領(lǐng)域。依照突變?cè)~的權(quán)重展開順序排列，國內(nèi)外的突變?cè)~的頻次與權(quán)重見表2。

表2 突變?cè)~數(shù)據(jù)的頻次與權(quán)重Table 2 Frequency and weight of mutation word data

結(jié)合上述相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，可知：

首先，基于熱點(diǎn)的集聚狀態(tài)而言，當(dāng)下，國外的相關(guān)管理科學(xué)與工程發(fā)展更加成熟，我國可以有效利用國際中的研究進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化；在政策的積極指引下，保證戰(zhàn)略性新材料的優(yōu)化配置與可持續(xù)性管理發(fā)展，不斷深化石墨烯材料在替代材料中的功能性研究，并逐步建成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模[5]。

其次，基于熱點(diǎn)的分布而言，國際與國內(nèi)平臺(tái)都十分重視氧化石墨烯、電極以及納米材料的研究，從中心度也可以觀察出技術(shù)的重視程度，在中文研究中，電極與納米材料的中心度為0.39；在外文研究中心，中心度分別是0.45與0.11，這就表明我國正在不斷強(qiáng)化這兩種材料技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。此外，我國更加重視復(fù)合材料、物理性能以及光催化等方面的研究。綜合研究熱點(diǎn)的應(yīng)用特征，可以得出，對(duì)于微觀層面的研究較多，雖然尚未形成系統(tǒng)化的戰(zhàn)略性新興材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但是正在不斷地深入挖掘新材料的管理科學(xué)價(jià)值與工程發(fā)展?jié)摿Α?/p>

最后，基于管理科學(xué)與工程分布而言，國際平臺(tái)更加具備關(guān)注度，其研究前沿的熱點(diǎn)是石墨烯、二硫化鉬以及還原氧化石墨烯；國內(nèi)平臺(tái)的突變時(shí)間較晚，研究前沿的熱點(diǎn)是石墨烯、分子動(dòng)力學(xué)以及氧化石墨。在國家明確指出石墨烯的戰(zhàn)略性材料研發(fā)地位后，工程分部逐漸向國內(nèi)平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。

2.3 IPC數(shù)據(jù)分布

根據(jù)專利數(shù)據(jù)的IPC分類頻次，展開戰(zhàn)略性新材料的布局分析，相關(guān)小類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示，將各小類與相應(yīng)的技術(shù)范疇展現(xiàn)于表3中。在IPC小類特征的基礎(chǔ)上，明確石墨烯管理與工程的技術(shù)構(gòu)成。

圖1 國際石墨烯材料IPC數(shù)據(jù)分析Fig. 1 IPC data analysis of international graphene materials

作為戰(zhàn)略性新型材料，石墨烯在國際上的專利申請(qǐng)類別狀況如圖1所示，以上十個(gè)類別中的專利數(shù)在整體數(shù)量中約占57%，前五位的類別專利數(shù)量遠(yuǎn)超其他類別的專利數(shù)量，約占整體的40%。這就說明石墨烯材料在配料技術(shù)、電力資源、半導(dǎo)體技術(shù)、化合物組合物等方面的研究較為重要。此外，根據(jù)IPC類別的應(yīng)用特征可以得出，石墨烯材料還在電容器、物理化工、涂料、納米技術(shù)等方面有較為廣泛的應(yīng)用[6]。

表3 石墨烯材料領(lǐng)域重要IPC小類的應(yīng)用領(lǐng)域Table 3 Application fields of important IPC subclasses in graphene materials field

石墨烯材料在國內(nèi)的專利申請(qǐng)類別狀況如圖2所示。其中排名前十的專利數(shù)量約占整體的60%，而H01M、H01L以及C08K的專利申請(qǐng)數(shù)量更加具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這說明以化學(xué)能轉(zhuǎn)換電能的設(shè)備、半導(dǎo)體元件、高分子有機(jī)物/無機(jī)物的核心技術(shù)，關(guān)注熱點(diǎn)與研究層次比其他技術(shù)更具深度[7]。

圖2 國內(nèi)石墨烯材料IPC數(shù)據(jù)分析Fig. 2 IPC data analysis of domestic graphene materials

將國際與國內(nèi)的IPC小類進(jìn)行分析可知，種類與專利排序基本相同。其中C08K在國際領(lǐng)域較為熱門，H01M在國內(nèi)的領(lǐng)域較為熱門。但基本上可以說國際與國內(nèi)領(lǐng)域在戰(zhàn)略性新型材料的研究方向上是一致的，并根據(jù)三階IPC分類將專利內(nèi)容劃分為四部分。第一部分包括催化劑、納米結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料的制備與應(yīng)用；第二部分包括塑料、橡膠、復(fù)合膠體材料、涂料、高聚纖維、非金屬元素化合物、著色漿料及固體的制備與應(yīng)用；第三部分包括鋰電池設(shè)備、電極材料、半導(dǎo)體元件、信號(hào)及能量探測器的轉(zhuǎn)化研究，石墨烯材料發(fā)光、儲(chǔ)能集成技術(shù)、電容器的制備與系統(tǒng)研究；第四部分主要針對(duì)設(shè)備與技術(shù)的檢測與分析研究，國際的研究方向側(cè)重于塑料、橡膠以及復(fù)合膠體的制備與研究上，而國內(nèi)的研究方向側(cè)重于鋰電池設(shè)備、電極材料的制備與研究上[8]。

3 石墨烯材料工程聚類研究

通過文獻(xiàn)的管理分析與工程布局研究，能夠得知國際與國內(nèi)對(duì)石墨烯戰(zhàn)略性新型材料的研究熱點(diǎn)主要集中于以下工程行業(yè)中。

3.1 儲(chǔ)能工程

電容器、鋰電池、電極等設(shè)儲(chǔ)能裝備都能通過石墨烯材料進(jìn)行性能升級(jí)。石墨烯材料經(jīng)過改性后，以物理或化學(xué)的手段對(duì)電池材料進(jìn)行改進(jìn)，可以有效提升電池的實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)度。將改進(jìn)后的電池與電容器進(jìn)行融合，可以擴(kuò)大電容量，進(jìn)一步增強(qiáng)電極的作用。同時(shí)，電池儲(chǔ)能的韌性與靈活性均進(jìn)一步得到提升[9]。

3.2 傳感器及半導(dǎo)體工程

石墨烯材料分支下的石墨烯薄膜能夠在傳感器、半導(dǎo)體產(chǎn)品、微電子器件、觸摸屏等設(shè)備的制備中提供先進(jìn)性的材料支撐。石墨烯材料本身就具備韌性強(qiáng)、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，可以完成自由的導(dǎo)熱導(dǎo)電任務(wù)，結(jié)合石墨烯薄膜與半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上， 提升芯片的靈敏度與可靠性，能夠有效提升新一代觸屏電子的使用性能。

3.3 新材料工程

石墨烯材料所制備出的石墨烯粉可以應(yīng)用于船舶、海上設(shè)備中的防腐涂料以及導(dǎo)電油墨、電磁屏蔽中的電學(xué)材料，此外，還能應(yīng)用于塑料、橡膠等功能性增強(qiáng)材料的應(yīng)用中。根據(jù)石墨烯的導(dǎo)電特征，將二網(wǎng)格狀的石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能改進(jìn)；將石墨烯材料與導(dǎo)熱片、涂料進(jìn)行有機(jī)技術(shù)融合，不僅提供了更加更具潛能的工程價(jià)值，還給戰(zhàn)略性新型材料帶來市場發(fā)展空間。

3.4 生物醫(yī)藥工程

基于石墨烯材料的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的外物隔離，同時(shí)，又具備良好的生物融合的特點(diǎn)。因此，石墨烯材料在藥物、微生物、微分子測量等生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有較好的開發(fā)前景。具體而言，以石墨烯材料為基礎(chǔ)的生物醫(yī)藥設(shè)備、傳感器能夠?qū)ρ簷z查、元素含量檢測等工作創(chuàng)造更加準(zhǔn)確、可靠的設(shè)備保障[10]。

4 結(jié)語

基于全球科技與戰(zhàn)略性材料的競爭，發(fā)展目標(biāo)就是通過合理的投入創(chuàng)造較大的效益，這就需要對(duì)戰(zhàn)略性材料的制備與開發(fā)進(jìn)行有效的管理與工程布局分析，使自身具備的科研技術(shù)水平處于先進(jìn)水平，并獲得相應(yīng)的先知權(quán)。石墨烯材料作為戰(zhàn)略性新型材料，通過科學(xué)化的管理與布局分析，得出實(shí)證研究結(jié)果：具有最高效用的工程布局是鋰電池、電極材料、塑料、橡膠、半導(dǎo)體以及傳感器行業(yè)。