从神坛到谷底 石墨烯不再是“万金油”
石墨烯市场空间巨大,据中国石墨烯产业技术创新战略联盟预测,全球石墨烯应用市场将在2018年形成产业爆发点。
中国建筑新闻网 · 2016-10-19 14:50

6年前,石墨烯的发现者安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得了2010年诺贝尔物理学奖。自此,有着“黑金”和超级材料之称的石墨烯以绚丽的姿态在全世界掀起了研发热潮,尤其是在中国政府的高度重视下,国内的高校、科研院所、企业、资本都在积极探寻石墨烯背后的机会。

什么是石墨烯

石墨烯(Graphene)是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。在2015年石墨烯发现之前,石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。

同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

经历疯狂的三年

石墨烯市场空间巨大,据中国石墨烯产业技术创新战略联盟(以下简称“石墨烯联盟”)预测,全球石墨烯应用市场将在2018年形成产业爆发点,2020年将成长至1000亿元的规模,而中国的石墨烯市场将占据全球石墨烯市场份额的70%以上,在全球石墨烯市场上占据主导地位。

在经历了2014至2016年的高速发展后,石墨烯联盟初步统计,截止到2016年8月底,从事石墨烯研发、生产、应用等相关企业数量超过400家,约占全球石墨烯企业数量的四分之三,主要集中在长三角、珠三角和京津冀鲁区域。

在技术专利方面更是一支独大,据介绍,2015年,我国已经申请了2200多项石墨烯专利技术,约为全球石墨烯专利技术的三分之一。

伴随着中国企业和专利爆发式的增长,“中国国际石墨烯创新大会”已连续举办了三届。

石墨烯开启二维材料之窗

在科技突飞猛进的今天,如果没有适宜的材料做支撑,科技难以转化为理想中的实际成果,更谈不上大规模应用。因而,科技与材料结合的矛盾,深深地困扰着我们。

“我们渴望一种绚丽的超级材料,具有多种优异性能的石墨烯带给人们无限的遐想。”银基烯碳新材总裁范志明告诉记者。石墨烯是由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层。2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫合作,用透明胶带将石墨烯从石墨中剥离出来。正是它打破了二维材料在常温压下不稳定的“定论”。

高质量石墨烯仍稀缺

在石墨烯的实际应用上,制备技术是关键。当初无法大规模制备石墨烯的困扰已不复存在。

石墨烯材料分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两种,目前已形成了较为成熟的制备体系,总体品质也在不断上升。然而,制备兼具高质量、低成本、过程绿色的石墨烯仍存在技术壁垒。陈成猛告诉记者,2012年之前,科研级粉体样品的成本每克高达上千元。目前采用氧化还原法制备的高品质石墨烯粉体的成本已降至10-50元/克。与过去相比,采用化学法制备石墨烯粉体的价格有了大幅的下降,若替代传统材料,在价格上仍缺乏竞争力。

石墨烯企业面临第一场“生死大洗牌”

在2016年的“中国石墨烯产业创新大会”上,虽然已有70多家参展商向观众展示了石墨烯制品及石墨烯、生物质石墨烯及功能服饰、石墨烯智能理疗产品、智能发热墙布、暖魔方壁画等多种产品。

但是从参展现场可以发现,大部分的石墨烯企业更多热衷于两个应用方向,一是防腐涂料领域;二是动力电池领域。

“虽然今年来了很多企业,但是不出三年,将会有一半以上要关门!”面对市场现状,一位企业大咖向大智慧通讯社表示,公司已经开始考虑逐渐淡化石墨烯业务,未来可能会彻底退出该领域。

石墨烯产业发展至今,当然也存在一些问题,李义春向大智慧通讯社坦言,“比如一家石墨烯企业在某个应用领域赚钱了,其他企业也一哄而上,如果现在石墨烯企业不提高市场意识,我真是担心,有一批将死掉。”

不仅业界,从学界的角度看来亦是如此,清华大学深圳研究院院长康飞宇接受大智慧通讯社专访时,也表达了类似的担忧。

康飞宇指出,首先石墨烯企业在应用领域扎堆,其次下游应用市场尚未完全打开,未来企业将会出现价格战,有的甚至会在竞争中倒闭,目前行业正在经历一个淘汰的过程。

石墨烯不再是“万金油”

石墨烯被誉为新材料产业皇冠上的明珠,因为它集多种辩证的优异性能于一身。范志明指出,它既具有超高的强度,又具备良好的柔性。石墨烯是所测量的材料中强度最高的材料,比钢铁坚硬200倍。但它像布料一样柔软,可以进行弯曲,扭转成为不同的外形。

石墨烯既可以作为导体材料,又可以作为半导体材料。它是已知物体中室温导电率最高的材料,比最好的导体金属如金或铜高出几个数量级。同时,石墨烯还可以通过掺杂,在一定程度上打开带隙,有望成为取代硅的下一代半导体材料。此外,石墨烯既可以制备成透明的材料,又可以制备成不透明的材料。单层石墨烯的透光性达到了97.7%,而随着层数的增加,多层石墨烯则为黑色。

正是基于上述优点,石墨烯也被喻为“万能材料”,人们希望它能适用于各个领域,也催生了“石墨烯+”的概念,如“石墨烯+塑料”、“石墨烯+电池”等。陈成猛指出,当前科研界和产业界形成了一些共识,即石墨烯并非“万金油”,而是在特定的适用领域才能够更好地发挥它的特性。石墨烯正在向新能源、军事国防、健康医疗等不同的应用领域渗透,但尚未出现真正成熟的商品。“在超级电容器、导电油墨、防腐涂料和功能塑料等传统领域,石墨烯的价值正逐步显现并开始获得市场的认可,比其在微电子芯片等高端领域可能会走得更快。”

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