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加快石墨烯上下游整合,應用側推進產業進程

2021-03-03
來源: 賽迪智庫
關鍵詞: 石墨烯

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       澎湃新聞:目前這個行業最前沿技術達到什么程度?中國發展程度如何?

  肖勁松:從整個全球來看,石墨烯屬于從研發到產業化的過渡階段,還沒有真正實現大規模產業化。相對而言,中國石墨烯產業化方面走在世界前列,國外大都現在還處于研發階段。

  國內外發展石墨烯產業發展走的兩種不同路徑。

  國外并不是從石墨直接制備,主要還是用含碳的一些氣體,如甲烷等氣體來進行制備薄膜。制備的石墨烯膜更多應用在電子信息領域。歐美日走的是這個路徑。

  中國石墨資源豐富。這一優勢讓中國制備石墨烯膜的路徑也與歐美不同。利用石墨制備石墨烯,然后添加到其他材料之中,生產復合材料,這是中國石墨烯產業發展的主導路徑。目前中國石墨烯應用多在醫療健康、熱管理、新能源等領域。由于中國電子信息發展也是起步,所以高端石墨烯膜制備和應用尚處于研發階段。

  從石墨烯技術發展來看,中國也較為領先。中國石墨烯專利技術占了全球百分之六七十,位居全球第一。

  前兩年國內涌現出了石墨烯熱,現在已經漸趨理性。無論投資界、研發領域還是產業化領域,大家都認識到新材料的發展周期比較長,不是短期內就能見效的。大浪淘沙之后,很多人退出,還有很多人堅持了下來。

  中國科學院大學聯合大連理工大學,在高質量、大面積、單層石墨烯的可控合成及其生長激勵研究方面取得重要進展,實現了大面積高質量單層石墨烯的生長。廈門大學與英國蘭卡斯特大學合作,在基于石墨烯電極的單分子器件方面取得重要研究進展,對后續進一步研究和設計功能多樣的單分子電子器件具有重要的參考價值;中科院金屬所與倫敦大學合作,設立了基于石墨烯薄膜的全固態柔性電化學電容器,不僅保證了整個器件的柔性,還進一步發展了智能器件。此外,在石墨烯單晶晶圓制備、高品質石墨烯散熱膜等領域也取得多項突破。

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  澎湃新聞:中國短板在哪里?

  肖勁松:目前,中國和西方制備技術都差不多。關鍵是下游應用,薄膜制成了以后怎么應用。這方面的差距比較大。

  歐洲、美國、日本電子信息比較發達,所以石墨烯在這個領域能夠很快應用。中國電子信息產業基礎比較薄弱,石墨烯在這一領域的應用也較少。中國市場上涌現的石墨烯產品,在醫療、健康領域比較多,但是目前的這些應用并不能真正體現石墨烯高性能特點。石墨烯產業發展仍然有許多難題。

  一是關鍵技術未突破,制約下游大規模應用。

  經過多年自主研發,石墨烯在規?;a技術、工藝裝備等方面均取得重大進展,但低成本規?;苽浼夹g、下游應用技術、綠色制備技術等方面仍存在技術瓶頸。目前雖然國內石墨烯粉體及薄膜材料都已經建成生產線,并基本實現量產,但產品普遍存在尺寸和層數不均勻、質量不穩定等問題,難以滿足大規模工業化量產的需求。

  從應用場景看,目前石墨烯主要以添加劑的形式加入基體材料以提升相關性能,但結構完整的石墨烯表面不含有任何基團,與其它介質的相互作用較弱,很難與其它有機或無機材料實現均勻復合。因此,如何在保證石墨烯結構完整的情況下,提高其與基體材料間的相容性、均勻分散性仍然成為制約石墨烯下游大規模產業化應用的關鍵問題。

  二是以材料生產企業為主導,下游應用企業參與度偏低。

  石墨烯作為一種新材料,只有實現大規模成功應用才能真正體現其價值。因此產業發展必須以應用為牽引,重視下游應用企業參與。但目前中國石墨烯參與發展以科研院所和石墨烯生產企業為主,受制于部分關鍵技術未突破、生產成本高、應用效果不確定等因素,下游應用企業普遍呈觀望態度,參與度偏低。反觀美、日、韓等國家,則均有一批應用領域的領軍企業參與石墨烯研發及產業化,如美國的IBM、波音,日本的松下、韓國的三星等,從應用需求入手,推動本國石墨烯產業化進程。

  三是標準、檢測體系不完善,產品魚龍混雜。

  目前中國石墨烯標準化方面雖然取得了一定進展,但是在下游具體應用產品、檢測標準、使用標準等方面仍是空白。從上游材料制備來看,石墨烯材料有粉體、微片、漿料、薄膜等多種類別,由于缺乏統一的標準,市場上每種材料品種差異較大、等級規格各異、命名規則不一。由于沒有明確的標準,目前對石墨烯產品的檢測報告多以材料性能的客觀描述為主,再加上不同應用領域對石墨烯材料的性能要求也不同,所以沒有統一的標準來區分材料質量的好壞,且目前的檢測手段僅僅對來樣原料當時的狀態負責,造成市場上各說各話,產品魚龍混雜。

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  澎湃新聞:中國未來的努力方向有哪些?

  肖勁松:第一要繼續發揮中國的資源優勢。中國石墨烯資源比較豐富。目前利用石墨制備的石墨烯,基本上能滿足現有的石墨烯應用產品和應用領域,但是未來還是要發揮我們的資源優勢,做一些高端產品,這就需要下大力氣做好高品質石墨烯材料。

  第二要與電子信息產業發展主動結合起來。從國家層面來說,更應該鼓勵石墨烯在電子信息領域的應用和石墨烯殺手锏級的應用。國內現在也在這方面做很多探索,軍工領域和民用領域都有,例如北京石墨烯研究院在研發的石墨烯玻璃,中科院半導體所在石墨烯器件方面的研究等。

  柔性電致方面,除了智能手機外,5G基站、服務器、筆記本電腦等許多領域的關鍵材料,在兼顧導熱性能和成本的同時,對石墨烯的導熱需求也越來越多。這是未來的一個方向。華為發布的國內首款5G平板MatePadPro5G搭載了超厚3D石墨烯散熱技術,并在上半年投資了常州富烯科技(主導產品為石墨烯導熱膜、石墨烯導熱片等),布局石墨烯散熱技術,在一定程度上引領了電子設備散熱市場的發展趨勢。隨著華為、小米等頭部企業持續加碼石墨烯導熱膜的投資與應用,必將帶動其他廠商也加速在石墨烯散熱材料、散熱組件等領域的布局。

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  澎湃新聞:未來需要克服哪些困難?

  肖勁松:石墨烯材料是一個相對比較高端的產品。目前制膜技術都差不多,關鍵是大規模做出來。雖然在實驗室研發取得了一些進展,但是石墨烯應用時的穩定性等問題還需要去克服。

  技術方面。首先要制好材料。不管是膜材料,還是用石墨來做的粉體類材料。將這些基礎材料做好最關鍵。目前石墨烯產業化企業很多,但是很少有企業去關注材料。大家都是能做出來就做出來,沒有再進一步努力提高材料的品質。所以材料品質一直停留在中低端。然而,好材料才能用在高端領域。第二是成本問題。如何做到大規模推廣,然后實現低成本,這很重要。目前下游應用沒有鋪開,成本比較高。如果要做高端的,純度更高,片成更薄的話,技術要求含量很高。所以技術和產品的應用開發都很重要。

  要推動關鍵核心技術突破。充分發揮各地石墨烯制造業創新中心、科研院所和高等院校等的創新力量,制定石墨烯產業技術創新目錄和技術突破路線圖,組織優勢力量開展重大項目和重點應用的技術攻關,對石墨烯材料規?;苽洹⑶鍧嵣a等關鍵技術和成套設備加強攻關,加快關鍵技術成果的轉化。圍繞新一代信息技術、新能源汽車、高端裝備等新興產業領域發展需求,堅持需求引導,開展石墨烯前沿性和戰略性方向、核心技術、專利和產品的布局,培育未來市場。盡快研究制定石墨烯技術成熟度路線圖,對重點企業技術成熟度、經營狀況、產品銷售等進行評估,科學評判其產業化發展階段和發展前景。

  其次要強化產業融合發展。繼續深化石墨烯對傳統產業轉型升級的推動作用。從傳統產品改性入手,選擇目前技術較為成熟、量大面廣、下游用戶認可度偏高的石墨烯散熱材料、增強復合材料、儲能材料等產品開展應用示范,充分利用首批次保險補償機制等相關政策,降低下游用戶使用風險,有效激活石墨烯下游應用市場需求,推動大規模產業化應用。圍繞新一代信息技術、新能源汽車、5G、高端裝備等新興產業領域發展需求,堅持需求引導,開展石墨烯前沿性和戰略性方向、核心技術、專利和產品的布局,培育未來市場。

  人才方面。石墨烯研發方面人才不少,主要由兩部分組成:一類是研究納米材料的人才轉過來的。石墨烯本身就是一種納米材料,中國原來有一大堆的研究納米材料的,這些人很多轉向了石墨烯研究。還有一部分從高分子材料轉過來的。現在主要是兩大類人才在研究石墨烯。

  但是,這個領域缺乏產業化人才、市場化人才以及社會資本方面的一些人才。

  目前市場上的石墨烯企業都是小打小鬧的,好多人直接是從研究院所出來的。結果就是這類人更多側重追求技術,對產品、市場不太了解。這樣對產業發展不利。從應用角度,下游企業是一定要參與進來的,否則只是把材料做出來,卻不知道怎么用。

  人才方面,研發領域、成果轉化、產品開發類人才,這三個類別對接機制還是不夠。

  政策方面。整合優勢力量,也要充分發揮市場作用,讓市場去篩選。

  目前石墨烯產業發展過于零散,需要整合。有的地區研發為主,如北京的研發力量比較強。深圳寧波這些地方應用比較強?,F在各地單打獨斗,不利于產業發展。從產業發展角度上,上下游必須結合起來。把上游材料企業和下游應用企業,還有一些相關的研究機構結合起來,這樣上下游能夠在一個平臺上工作,可以縮短轉化周期,加快走向應用層面。

  加強公共服務平臺建設。圍繞石墨烯產業發展特點,依托產業鏈上下游骨干企業、科研院所等,優化配置資金、技術、裝備等資源,建設一批石墨烯產業科技服務、檢驗檢測、質量認證、人才培訓、創新孵化等公共服務平臺。公共服務平臺建設要嚴格遵守“政府引導、市場運作”原則,積極拓展融資渠道。通過制定風險補償等優惠政策,引導社會資本進入,對于地方運行良好的公共服務平臺積極申請國家支持。

  做好國家級制造業創新中心的籌備。整合目前國內石墨烯創新中心的優勢力量,盡快組織籌備國家石墨烯制造業創新中心,加強對行業關鍵技術的前瞻性布局,做好石墨烯技術轉移擴散和首次商業化。創新中心的成員單位要注重下游應用企業,尤其是大型企業的參與,建議對下游應用領域企業的占比及業內排名提出明確要求?,F有省級創新中心要繼續加強對下游應用企業(尤其是龍頭企業)的資源集聚,充分發揮應用企業的市場優勢,以市場需求為導向,加快推動石墨烯的大規模應用。

 

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