馮欣悅

石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，主要制備來源是石墨與甲烷。石墨烯是一種有著高強(qiáng)韌性的超薄材料，斷裂強(qiáng)度較大，超過鋼材的200倍；彈性較好，拉伸幅度超過20%，導(dǎo)電性優(yōu)異。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)蓋姆教授和諾沃肖洛夫教授從原生石墨中成功制備單層晶體石墨烯，證實(shí)了石墨烯可以在自然環(huán)境中存在，2人也因此發(fā)現(xiàn)獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。

一、石墨烯的全球產(chǎn)業(yè)化

近年來，美國、歐洲、日本、韓國等國家對石墨烯投人了大量人力財(cái)力，石墨烯相關(guān)扶持政策與產(chǎn)業(yè)化研究也提上議程。2013年1月，歐盟委員會將石墨烯列為未來新興技術(shù)的支柱材料之一，拿出10億歐元專項(xiàng)資金資助石墨烯制備與應(yīng)用研究工作。美國國家自然科學(xué)基金會資助了超過500項(xiàng)有關(guān)石墨烯的研究，重點(diǎn)包括石墨烯制備、石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)、存儲器件開發(fā)和石墨烯生物傳感器等方向。美國國防部與國防高級研究計(jì)劃署也開展了多項(xiàng)石墨烯研究項(xiàng)目，以開發(fā)更輕更小、更快和更高頻的電子器件為核心目的。

以英國為例，作為石墨烯的誕生國，英國在石墨烯研究成果產(chǎn)業(yè)化上卻歷經(jīng)迷途。2016年3月《星期日泰晤士報(bào)》發(fā)表專文，指責(zé)全球最大石墨烯生產(chǎn)商之一的BGT公司和“國家石墨烯研究院”存在利益輸出，曼大一些研究人員對此表示強(qiáng)烈反對，雖在技術(shù)、管理以及資金方面，曼大有著其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但無奈推動產(chǎn)品應(yīng)用市場化就變得捉襟見肘，曼大國家石墨烯研究院更遭到了國會“是否很好保護(hù)了知識產(chǎn)權(quán)”的質(zhì)疑。

英國從事石墨烯商業(yè)開發(fā)的公司并不多，其本土企業(yè)更缺乏對石墨烯商業(yè)化的興趣，倫敦大學(xué)的大衛(wèi)·普萊斯直言“英國不會成為石墨烯的工業(yè)基地”，因此英國無法借助本土企業(yè)將石墨烯從研究室推向市場。

二、中國石墨烯的產(chǎn)業(yè)化

1.中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化地位

我國石墨的儲量、產(chǎn)量及出口量均居世界之首，其中石墨產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的45%，在石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中擁有一定優(yōu)勢。石墨烯研究剛剛起步之時(shí)，我國就重視對石墨烯研發(fā)的資金支持。尤其是“十二五”期間，我國石墨烯材料及應(yīng)用在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)工藝等方面取得了重要突破，各領(lǐng)域應(yīng)用效果逐步顯現(xiàn)，石墨烯產(chǎn)業(yè)化步伐明顯加快。

目前，我國擁有全球超過1/3的石墨烯研發(fā)專利，在石墨烯制備、性能研發(fā)等方面走在了世界前列。2016年7月12日在江蘇常州發(fā)布的《新華（常州）全球石墨烯指數(shù)報(bào)告》顯示，2015年，中國已超越美國、韓國，在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實(shí)力榜上居首位。

全球石墨烯指數(shù)評價(jià)結(jié)果顯示（圖1），2015年樣本國家石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展水平前3的國家為別為：中國、美國和韓國。其中中國處在相對領(lǐng)先的位置，美國、韓國緊隨其后；德國、日本、澳大利亞和新加坡處在第2梯隊(duì)；英國、印度、加拿大和法國位于第3梯隊(duì)；俄羅斯、西班牙和意大利處于第4梯隊(duì)。

2.產(chǎn)業(yè)化主要模式

（1）江蘇（常州）模式

我國地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)極為重視，一批石墨烯產(chǎn)業(yè)園紛紛涌現(xiàn)，以江蘇最為典型。2011年5月，常州市委、市政府共同出資5 000萬元建設(shè)全球第1家專業(yè)從事石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)——江南石墨烯研究院，同期啟動常州市石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園建設(shè)。其“研究院+孵化（加速）器+產(chǎn)業(yè)園”的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈條讓石墨烯產(chǎn)業(yè)在江南落地生根，產(chǎn)研結(jié)合的建設(shè)理念為江蘇的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展深深地打牢了地基。

江蘇（常州）模式具有以下6大特點(diǎn)：技術(shù)人才主要來自國外；得到天使投資的支持；政府建設(shè)公共服務(wù)平臺；建立專業(yè)的孵化器；主要技術(shù)及管理團(tuán)隊(duì)控股；獨(dú)立上市。

由于石墨烯材料應(yīng)用日益廣泛，逐漸受到社會各界的廣泛關(guān)注，石墨烯應(yīng)用研發(fā)的熱潮涌現(xiàn)。“全國石墨烯看江蘇、江蘇石墨烯看常州”已成為業(yè)內(nèi)共識，2015年常州石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到12億元，2016年江蘇省石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟獲批科技部“科技服務(wù)業(yè)試點(diǎn)單位”。

（2）學(xué)院（科學(xué)院）模式

學(xué)院（科學(xué)院）模式如圖2所示，以南江集團(tuán)為代表的學(xué)院（科學(xué)院）模式具有以下5大特征：技術(shù)來源于科學(xué)院；上市公司（母公司）管理；研究單位獲得大量成果轉(zhuǎn)化的收入；與資本運(yùn)作緊密結(jié)合；主要技術(shù)骨干缺乏積極性。

（3）大學(xué)模式

《全球石墨烯產(chǎn)業(yè)專利分析報(bào)告（2016）》報(bào)告顯示，中國是全球石墨烯技術(shù)專利申請量最大的國家；美國、韓國和日本緊隨其后，也是石墨烯技術(shù)的主要原創(chuàng)國。高校和科研機(jī)構(gòu)是我國研究開發(fā)石墨烯材料及應(yīng)用的主體。數(shù)據(jù)顯示，在所有國家中，中國申請的石墨烯專利數(shù)量最多，已超過2 200項(xiàng)，占全世界的1/3；美國、韓國和日本緊隨其后，也是石墨烯技術(shù)的主要原創(chuàng)國。根據(jù)國家知識產(chǎn)權(quán)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年至今，全國申請石墨烯專利的單位來看（圖3所示），專利申請量除了第1名的海洋王照明科技股份有限公司，其余前10名均為高校和科研院所，高校和科研機(jī)構(gòu)成為了我國研究開發(fā)石墨烯材料及應(yīng)用的主體。

大學(xué)模式具有以下3大特征：技術(shù)來源于大學(xué)教授；以技術(shù)入股的方式參加；輔以技術(shù)咨詢、顧問方式。

三、石墨烯發(fā)熱膜的應(yīng)用

目前，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用包括石墨烯粉末涂料和石墨烯發(fā)熱膜等。粉末涂料由于門檻相對較低，鑒別難度高，市場較為混亂；而石墨烯發(fā)熱膜，擁有單層石墨烯的明顯特征，具有透明、輕薄、柔軟可折疊等特性，也是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模石墨烯民用的核心基礎(chǔ)。

1.發(fā)熱膜基本原理

從石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)可知，單層石墨烯在電場為零時(shí)，導(dǎo)電載流子濃度為零，稱“狄拉克點(diǎn)”。在距離狄拉克點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，石墨烯中只有單一的載流子。負(fù)柵壓使石墨烯成為電子導(dǎo)電，最終使器件的電阻率發(fā)生從幾千歐到幾百歐姆的變化。在實(shí)驗(yàn)中可以測量電阻率（或電導(dǎo)率）和霍爾系數(shù)來證實(shí)柵壓對石墨烯載流子的調(diào)節(jié)作用。在狄拉克點(diǎn)附近，石墨烯中載流子逐漸由電子（或空穴）過渡到空穴（或電子），霍爾系數(shù)在此處改變符號（電子為正，空穴為負(fù)），此時(shí)載流子的濃度最小，電阻率最大。根據(jù)石墨烯此種特性為基礎(chǔ)，開發(fā)了溫度可控、可調(diào)節(jié)的石墨烯發(fā)熱膜，其工作原理如圖4所示。

2.發(fā)熱膜優(yōu)異性能

由于石墨烯本身是二維及柔性、透明、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其低電阻率，可耐受極高的飽和電流，交、直流通用；其低電壓變生高熱量，3V電源即可加溫至100℃以上，輕松實(shí)現(xiàn)低品位能源到高品位應(yīng)用的轉(zhuǎn)化；具有高飽和電流、高導(dǎo)熱系數(shù)，單位面積功率高，具有發(fā)熱快、傳熱快、發(fā)熱均勻的特性；石墨烯膜是百分之百的碳，碳產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射，有良好的醫(yī)療、理療作用。因此，石墨烯非常適合應(yīng)用在加熱膜領(lǐng)域，石墨烯透明發(fā)熱膜利用石墨烯優(yōu)良的加熱性能和遠(yuǎn)紅外光波，實(shí)現(xiàn)了日常保暖和健康理療的雙重功效。通過石墨烯優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)化等性能，實(shí)現(xiàn)了快速保暖驅(qū)寒，而石墨烯加熱發(fā)射的6～15μm遠(yuǎn)紅外光波，能有效激活身體細(xì)胞核酸蛋白質(zhì)等生物分子，改善血液循環(huán)，增強(qiáng)新陳代謝，具有良好的消炎、鎮(zhèn)痛等健康理療效果。從不同尺寸發(fā)熱膜的紅外線成像圖（圖5）可以看出，石墨烯發(fā)熱片上每個點(diǎn)的溫度都非常均勻，點(diǎn)溫度在極小范圍內(nèi)波動。

3.遠(yuǎn)紅外的功效

石墨烯發(fā)熱膜發(fā)熱釋放出來的遠(yuǎn)紅外波長與人體波長接近，集中在5.6～15μm之間，該區(qū)間的遠(yuǎn)紅外波長被譽(yù)為人體的生命之光，紅外線光波具有改善血液循環(huán)、改善循環(huán)系統(tǒng)、激活生物分子活性、護(hù)膚美容、提高免疫功能、消炎鎮(zhèn)痛、改善關(guān)節(jié)疼痛、增強(qiáng)新陳代謝、調(diào)節(jié)自律神經(jīng)等10大功效。

4.發(fā)熱膜的應(yīng)用領(lǐng)域

由于石墨烯發(fā)熱膜具有低電壓高熱量、安全輕薄便利等特性，石墨烯發(fā)熱膜可廣泛用于智能可穿戴領(lǐng)域、家庭智能取暖領(lǐng)域、家紡居家用品領(lǐng)域以及軍工領(lǐng)域。

四、結(jié)語

目前中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)走在世界前列，而要繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，關(guān)鍵在于民用市場的普及，要得到大眾消費(fèi)者的認(rèn)可，只有越來越多的石墨烯民用消費(fèi)品走進(jìn)民用市場，中上游石墨烯的制備才有生存和發(fā)展的動力。

石墨烯從工業(yè)領(lǐng)域走向民用市場，市場的范圍和交易的價(jià)值都已不斷擴(kuò)大，石墨烯帶來新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及法律、法規(guī)等制度環(huán)境，也必須隨之不斷完善，這些完善除了企業(yè)家、行業(yè)協(xié)會的努力，更需要政府制定出臺相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可喜的是，最近出臺的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》已經(jīng)石墨烯行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)納入規(guī)劃。

相信隨著中國相關(guān)政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，資本、技術(shù)的不斷投入突破，未來幾年，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化將加速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 隨志寬，呂欣，孫一丹.石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的制約因素與對策[J]中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊，2015（4）：29-30.

[2] 華凌.重研究輕應(yīng)用一己之力難成器——來自英國曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究院的教訓(xùn)[N].科技日報(bào)，2016-06-162.

[3] 吳珂，張峰.江蘇石墨烯產(chǎn)業(yè)：產(chǎn)研結(jié)合煥發(fā)生機(jī)[N].中國知識產(chǎn)權(quán)報(bào)，2016-04-22.

[4] 劉佳欣.石墨烯應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展分析[J].中國粉體工業(yè)2015（1）：1-3.

[5] 梁鐘榮.華麗家族的石墨烯魅影大股東及高管瘋狂套現(xiàn)36.23億元[N].21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道，2016-03-01（18）.

[6] 鄭冬冬.大面積單層石墨烯產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目落戶重慶[J].半導(dǎo)體信息，2013（2），42-43.

[7] 任紅軒，萬菲，竇凱飛.石墨烯專利及發(fā)展態(tài)勢分析[J].材料產(chǎn)業(yè)關(guān)注：2015（11），21-23.