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解析我国石墨烯产业四大发展路径

石墨烯联盟2019-07-16 09:13:35

  导读: 实施高效新能源工程,突破石墨烯锂离子电池电极、石墨烯透明导电膜、石墨烯透光膜、石墨烯储氢/甲烷材料等核心技术,提高电池材料能量密度,增加电池续航里程,缩短充电时间,提高循环寿命,替代ITO,实现新一代高效新能源电池和转换效率非常高的太阳能电池。


  石墨烯是目前最薄也最坚硬的纳米材料,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,是主导未来高科技竞争的超级材料,被称为“黑金”,可极大推动相关产业快速发展和升级换代,市场前景广阔,有望催生千亿元规模的产业。

  由于硅材料本身限制,计算机、芯片或电子器件的开发速度再难遵守摩尔定律,性能提升速度减慢。石墨烯中电子运行几乎无阻碍,运行速度是硅的数倍,为打破这一瓶颈带来可能。加之智能化、大数据、云计算、可穿戴装备的兴起,对高速计算机、高效能源转换和储存系统、柔性电子的需求迫在眉睫,石墨烯可在这些领域发挥决定性的作用,这预示着全球科技发展将从过去的硅时代迈入以石墨烯等碳材料为代表的碳时代。

  石墨烯问世之后,美国、日本、欧盟等发达国家纷纷从国家战略高度开始部署石墨烯研究和发展规划,投入数十亿美金支持石墨烯研究和商业化。三星电子、IBM、诺基亚、陶氏化学、通用、施乐公司、拜尔、巴斯夫等跨国集团,也都瞄准石墨烯市场,积极推进石墨烯产业化研究。

  中国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。未来十年是石墨烯从实验室步入应用的关键时期。石墨烯是开启未来的产业,是我国新材料产业的发展契机,其产业化过程,也是检验和提升我国综合科技实力的过程。在研究国内外石墨烯产业发展情况的基础上,提出石墨烯产业发展政策建议:保护知识产权促进公共平台成果落地、加强人才培养夯实综合科技基础、鼓励引入民间资本发展石墨烯产业,并就我国石墨烯产业发展设想四条主要路径。

  路径一:重大工程牵引推动

  通过政府政策引导,围绕我国经济社会发展和国家安全重大需求,整合创新、产业化等资源,抓住重点,实施多项重大工程,开发一批标志性、牵引推动作用强的重点产品和代表工艺,提升自主开发设计水平和系统集成能力。突破石墨烯晶体管、石墨烯电极、石墨烯芯片、石墨烯光电子器件、石墨烯高频器件、石墨烯激光器件等关键核心部件、关键技术及系统集成工艺,突破共性关键技术和工程化、产业化瓶颈,提高石墨烯创新、产业化能力和国际竞争力,带动材料业整体综合实力发展,抢占国际竞争制高点。

  实施石墨烯标准化工程工程,为扩大石墨烯及相关材料产品市场,对石墨烯及相关材料的技术评估和分类进行标准化以确保其在不同应用市场中质量的一致性和可重复性。实施超级计算机工程,突破石墨烯晶体管、显示材料、高频电子器件、电子芯片和高频电路集成核心技术,进一步增加高频电子器件工作频率,减小热损耗和器件体积,增大高频电路集成度,开发新型纳米电子器件和高清多维显示技术。

  实施可穿戴智能设备工程,突破柔性石墨烯电极、柔性石墨烯触摸屏、石墨烯生物传感器、石墨烯化学传感器、石墨烯微型超级电容等核心技术,实现其在智能手表、智能手环、智能眼镜、智能服饰上的应用,减轻可穿戴智能装备重量,增加其人体学适配性和智能性。

  实施储能工程,突破石墨烯超级电容器、石墨烯高压电缆等核心技术,实现其在智能电网储能系统,能量传输系统,风能、光伏发电能量储存系统,边远地区、农村地区以及城镇居民的自备电和家庭储能系统的应用,提高能量存储效率,减少传输过程中的能量损失。

  实施高效新能源工程,突破石墨烯锂离子电池电极、石墨烯透明导电膜、石墨烯透光膜、石墨烯储氢/甲烷材料等核心技术,提高电池材料能量密度,增加电池续航里程,缩短充电时间,提高循环寿命,替代ITO,实现新一代高效新能源电池和转换效率非常高的太阳能电池。

  实施军工装备换代工程,突破石墨烯光电子传感器、石墨烯激光器、石墨烯轻质复合材料、石墨烯高强高韧纺织材料等核心技术,实现在军用远程探测监控系统、激光武器系统、军用飞机、军用装甲防护等领域的应用,升级我国现代国防装备,增强军事实力和国际影响力。

  路径二:重点行业应用示范

  坚持石墨烯发展全国一盘棋和分行业指导相结合,统筹规划,整合资源,合理布局,明确石墨烯发展大方向。鼓励全民创新,引导创新成果转化,扎实提高基础科学理论水平,促进各行业深度发展,总结积累产业化经验,加快推动石墨烯应用整体水平提高,开展重点行业的应用示范工作。

  首先,医学领域,缘于对分子间相互作用极其敏感,并在理论上可实现单分子检测,石墨烯及相关材料是制作生物传感器的理想材料,特别是用于开发生物系统的界面传感器。传感技术与生物学的结合,可实现亚细胞级的细胞表面动力学研究,并创造出新型器件,以开发基于石墨烯及相关材料的医用新技术。

  其次,化学领域,因石墨烯及其相关材料对分子间相互作用敏感,是制备化学传感器的理想材料,可用于化学分析,环境监测等;另外,石墨烯及其相关材料可达到只有原子厚度,且具有优良的力、热、电性能,对腐蚀介质抗渗性好,与基材表面附着力强,化学稳定性和热稳定性高,可防止严酷环境下的电磁损害,在海洋工程防腐,比如船舶、海上风电等等防腐,或其他高性能、轻质技术应用的功能涂层和界面领域,均有理想的应用前景。

  第三,能源领域,一方面替代昂贵铂金属催化剂,延长电源设备寿命;另一方面因为石墨烯的高载流子迁移率和优异的力学性能,可提供更好的网络,承受充放电过程中很大的体积变化,维持有效的电子收集和运输状态,为增加能量转换效率提供可行解决方法,石墨烯及其相关材料可应用于复合材料和能源方面的功能材料,制备高能量转换效率电极、高容量电池、电容、储能设备等。

  第四,纳米器件领域,石墨烯力学强度高,可作为最终薄膜,应用于很多工业工艺的核心领域,如海水淡化、水过滤等。石墨烯膜对微型电子信号敏感,可实现从纳米流体到纳米谐振器的制造,非常适合应用于纳米电机械系统,也可用作投射电镜成像和高频电子产品等。

  第五,电子领域,以其为抓手率先突破石墨烯高端应用。一、通过石墨烯及其相关材料与基于硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟等传统半导体器件的集成,提升混合系统性能,制备石墨烯升级版电子器件。二、通过石墨烯及其相关材料膜的转移与键合,实现其在半导体平台上的后端集成,借助与半导体器件间的界面设计,发挥集两种材料功能的集成器件工作潜能。三、通过石墨烯及其相关材料设计新的层状材料和异质结构,用于功能电子和光电、能带结构材料。四、通过石墨烯及其相关材料开发射频用无源组件,如测试天线、电子互连、热扩散层、过滤器和微机电系统等无源组件,以及自混合天线、可用开关控制的屏障、光学透明器件等新型微波天线与器件,拓展其在高频电子领域的应用。五、通过开发集成石墨烯及其相关材料与硅波导和无源光路,拓展硅光子学集成,应用于下一代计算与通信系统,实现现有的CMOS硅制造产线对此类晶片的规模集成。六、通过研究石墨烯柔性电子器件和系统,如柔性传感器、柔性射频电子和无线连接方案、柔性无源电子技术、柔性电子学系统级平台等,拓展其在柔性电子学以及可穿戴装备方面的应用。七、通过石墨烯电子和光电子组件结合,研究石墨烯及二维材料光学行为和光电响应理论,开拓石墨烯光子学和光电子学应用。

  路径三:产学研用协同推进

  产学研用多渠道协同推进石墨烯产业化进程,通过生产单位、学校、科研机构和用户等相互配合,集中各自优势资源,形成研究、开发、生产、应用一体化的高效系统,在运行过程中发挥综合优势,提高产业链从实验成果到实际应用的整体效率,降低转化成本。建立石墨烯上游生产企业,包括石墨矿企、石墨烯生产设备CVD等设备生产企业,下游应用企业,包括电子企业、电池企业、生物医药企业、航空航天企业等与高校、研究院所等科研机构的产业联盟、技术创新联盟等。提炼共性技术,加强石墨烯公共技术服务,降低石墨烯产业化进程中的时间、资金、技术、工艺、设备、人才等成本,为联盟单位提供一个高标准高质量的起点和合作渠道。目前,我国已成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟和京津冀石墨烯产业联盟两家联盟单位。

  路径四:创新平台集聚发展

  完善国家石墨烯创新体系建设,加强顶层设计,加快建立以创新中心为核心载体、以公共服务平台和应用产业数据中心为支撑的石墨烯创新网络,建立以市场为主导的创新和应用方向选择机制以及鼓励创新的风险分担、利益共享机制。建立石墨烯创新产业园区和基地,引进科技成果转化孵化器和技术产业化加速器。利用地方人才、资源、资金等优势发展产业集群,集聚新兴产业,发挥产业集聚效应,加速石墨烯创新和应用突破及产业化进程。建设一批促进石墨烯协同创新和产业化的公共服务平台,规范行业标准,开展技术研发、技术评价、技术交易、检验检测、质量认证、人才培训等专业化服务,提高科技成果转化效率和推广应用速度。


来源:赛迪智库

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