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石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域突破 下游醞釀萬億市場

發(fā)布時(shí)間: 2014-08-07 13:42:21    來源: 中國證券網(wǎng)
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[摘要]石墨烯目前處于產(chǎn)業(yè)化攻堅(jiān)階段,在技術(shù)、工藝和產(chǎn)業(yè)鏈對接方面需要投入大量資源。未來下游應(yīng)用市場有望達(dá)到萬億元級(jí)別,預(yù)計(jì)最先將應(yīng)用于太陽能透明電極、散熱材料和觸摸屏等領(lǐng)域。


  此外,石墨烯由于其超高的載流子遷移率和導(dǎo)熱效率,未來有望成為LED導(dǎo)熱領(lǐng)域的新型應(yīng)用材料。
  產(chǎn)業(yè)化尚待時(shí)日
  技術(shù)問題是石墨烯商業(yè)化應(yīng)用的主要制約因素。如何低成本和高效率地制備大面積、高質(zhì)量石墨烯,并快速高效轉(zhuǎn)移至下游需求領(lǐng)域,是石墨烯大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用主要致力的方向。
  當(dāng)前制備石墨烯的方法有很多,主要有物理和化學(xué)兩大類。物理的方法主要是采取機(jī)械剝離方法,而化學(xué)方法主要集中在化學(xué)沉積和化學(xué)合成兩大方向。上述物理方法制備石墨烯共同的缺點(diǎn)就是生產(chǎn)出的石墨烯厚度不一,可操作性差,并且無法生長出大尺寸的石墨烯。
  化學(xué)沉積氣相法(CVD)提供了一種可控制的石墨烯方法。首先將平面基底(如金屬薄膜和金屬單晶)等置于高溫可分解的前驅(qū)體(一般多為甲烷和乙烯等烴類)中,通過高溫退火的方式使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯,最后用化學(xué)方法去除金屬基底之后得到石墨烯。此方法可以形成較大面積的石墨烯片,但合成過程必須在高溫下進(jìn)行,石墨烯的良品率一般無法保證。此外,還有化學(xué)溶液直接剝離法、高溫石墨膨脹法等。
  上述石墨烯化學(xué)制備方法制得的石墨烯同樣也不穩(wěn)定,且石墨烯片狀面積有限,商業(yè)化尚待時(shí)日。
  整體而言,化學(xué)氣相沉積法(CVD)在規(guī)模化制備石墨烯的問題方面有新的突破,也是目前制備石墨烯的主流技術(shù)之一,但大規(guī)模商業(yè)化還需要進(jìn)一步提升工藝空間。
  近兩年來,石墨烯產(chǎn)業(yè)化方向逐漸清晰,各國有關(guān)石墨烯產(chǎn)業(yè)支持政策也進(jìn)一步加大。
  2013年1月,歐盟委員會(huì)將石墨烯列為未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目的研究范圍十分廣泛,其中石墨烯的制備是核心。歐盟委員計(jì)劃十年提供10億歐元資助,將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。
  英國在之前投入5000萬英鎊支持石墨烯商業(yè)化應(yīng)用之后,接著追加投資2150萬英鎊資助石墨烯研究項(xiàng)目,推進(jìn)石墨烯商業(yè)化進(jìn)程,并建立國家石墨烯研究所(NGI),該機(jī)構(gòu)有望成為世界領(lǐng)先的石墨烯研究和開發(fā)中心。
  2002-2013年,美國國家自然科學(xué)基金會(huì)關(guān)于石墨烯的資助達(dá)到500項(xiàng)。重點(diǎn)方向包括復(fù)合材料、石墨烯電子器件、CMOS晶體管、存儲(chǔ)器件開發(fā),生物傳感器和石墨烯制備等方面。同時(shí),美國國防部及其下屬機(jī)構(gòu)國防高級(jí)研究計(jì)劃署開展多項(xiàng)石墨烯研究項(xiàng)目,重點(diǎn)開發(fā)更輕更小、更快和更高頻的電子器件。2008年7月,計(jì)劃署發(fā)布碳電子射頻應(yīng)用項(xiàng)目,項(xiàng)目投資為2200萬美元。IBM研制出截至頻率高達(dá)155GHz的石墨烯晶體管,是碳電子射頻應(yīng)用研發(fā)的里程碑。
  2013年,密歇根理工大學(xué)成功研制三維石墨烯電極,有望替代鉑電極在太陽能中的應(yīng)用。而馬爾拉大學(xué)開發(fā)出新型石墨烯納米復(fù)合材料,有望用作新型的吸附劑。
  同年,索尼通過改進(jìn)后的化學(xué)氣相沉積(CVD)法制作出約120mm×230mm的石墨烯薄膜,目標(biāo)是作為透明導(dǎo)電膜。
  我國也在加大對石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持,新材料“十二五”規(guī)劃為石墨烯產(chǎn)業(yè)明確了發(fā)展方向。
  當(dāng)前,我國在石墨烯基礎(chǔ)研究突出。2007-2013年間,中國國家自然科學(xué)基金會(huì)關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目達(dá)到了1096項(xiàng),特別是在2012-2013年間,有關(guān)石墨烯的項(xiàng)目急劇增加。重點(diǎn)項(xiàng)目包括:可見光響應(yīng)的新型石墨烯、納米復(fù)合材料光催化處理有機(jī)污染物、新興碳基復(fù)合材料、鈦酸鋰-石墨烯負(fù)極材料可控及電化學(xué)性能研究、高效石墨烯/半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)異質(zhì)節(jié)研究等。
  2013年7月,在中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)的支持下,多家機(jī)構(gòu)發(fā)起中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟,目前中國石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)在無錫、青島、深圳和寧波建立了4個(gè)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地。聯(lián)盟發(fā)起方中,除多家大學(xué)科研單位外,還包括多家上市公司。
  從近兩年的我國專利申請情況來看,熱點(diǎn)領(lǐng)域主要集中石墨烯制備以及作為透明導(dǎo)電電極、晶體管半導(dǎo)體器件以及傳感器和復(fù)合材料等領(lǐng)域,這些也是石墨烯有希望最先產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域,表明我國石墨烯產(chǎn)業(yè)處于第二階段,技術(shù)成長階段,我國石墨烯研究正從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化過渡。
  根據(jù)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)數(shù)據(jù),截至2014年7月,中國有關(guān)石墨烯專利申請數(shù)量處于世界首位。不過,從專利保護(hù)區(qū)域分布來看,美國、日本、韓國等國家在世界其他主要國家都對其石墨烯專利申請了專利保護(hù)。而我國機(jī)構(gòu)雖然在專利申請數(shù)量上具有優(yōu)勢,但基本上以國內(nèi)申請為主,很少有對其石墨烯專利的國外保護(hù)。
  作為頗有前景的高新技術(shù)材料,石墨烯有望在半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、航天、軍工、LED和觸控屏等領(lǐng)域帶來一次材料革命,一旦實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,其市場規(guī)模有望達(dá)到萬億元級(jí)別以上。
  不過,從實(shí)際情況看來,石墨烯產(chǎn)業(yè)化尚待時(shí)日,制造工藝不穩(wěn)定,成本居高不下,仍是石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化的主要制約因素。從制造工藝來看,目前業(yè)內(nèi)通行的方法均有各自的優(yōu)勢和缺陷,產(chǎn)業(yè)技術(shù)路徑仍在探討之中。
  目前開展石墨烯研究的主要是高校科研院所等研究單位和少數(shù)企業(yè),研究力量比較分散,要盡快實(shí)現(xiàn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化,必須通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)學(xué)研協(xié)作,建立一條完整的石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈,打造公共科技服務(wù)平臺(tái)和測試平臺(tái),優(yōu)化研究和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)環(huán)境。
  多家公司加速布局
  2013年初,中科院重慶研究院制成國內(nèi)首片15英寸單層石墨烯和7英寸石墨烯觸摸屏,未來可用于手機(jī)和電腦等電子產(chǎn)品。研究院制備15英寸銅箔襯底均勻單層石墨烯,并成功將其完整地轉(zhuǎn)移到柔性PET襯底和其他基底表面。
  上海南江集團(tuán)與中科院重慶研究院共同推進(jìn)大面積單層石墨烯產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目,前期投資達(dá)2.67億元。石墨烯產(chǎn)業(yè)基地已成功落戶重慶,將力爭盡快建成首期生產(chǎn)線并投產(chǎn),形成1000萬片石墨烯產(chǎn)能。
  2013年5月,常州二維碳素科技、無錫格菲電子薄膜科技、深圳力合光電傳感聯(lián)合江南石墨烯研究院宣布,國內(nèi)首條年產(chǎn)3萬平方米的石墨烯薄膜生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。常州二維碳素科技率先將石墨烯薄膜應(yīng)用于手機(jī)電容式觸摸屏,并實(shí)現(xiàn)4英寸石墨烯觸摸屏手機(jī)小批量生產(chǎn)。無錫格菲電子薄膜科技表示,公司計(jì)劃生產(chǎn)50萬件石墨烯手機(jī)觸摸屏,并計(jì)劃再融資1億元,擴(kuò)大石墨烯手機(jī)觸摸屏生產(chǎn)規(guī)模。
  二維碳素的核心技術(shù)是采用CVD工藝在銅基底上生長石墨烯薄膜的工藝。將甲烷(及輔助氣體)通入反應(yīng)爐中,經(jīng)過1000攝氏度以上的高溫加熱,甲烷碳?xì)滏I斷裂,碳原子在金屬催化劑基底上形成晶核,進(jìn)而形成多晶薄膜。
  上市公司方面,中國寶安旗下的貝特瑞公司在2011年11月完成石墨烯中試線建設(shè)并投入生產(chǎn),目前公司有關(guān)石墨烯的研究方向主要是在負(fù)極材料領(lǐng)域。
  烯碳新材在2013年完成戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型,從房地產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向石墨烯等新材料產(chǎn)業(yè),實(shí)現(xiàn)了烯碳新材料的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。根據(jù)公司烯碳產(chǎn)業(yè)集群的布局規(guī)劃,公司旗下產(chǎn)品包括資源類、應(yīng)用類和科技類前沿產(chǎn)品。2013年公司完成戰(zhàn)略布局:置入海城三巖礦業(yè)有限公司40%股權(quán);置入奧宇集團(tuán)有限公司51%股權(quán)和黑龍江牡丹江農(nóng)墾奧宇石墨深加工有限公司51%股權(quán);投資參股連云港市麗港稀土實(shí)業(yè)有限公司,基本完成石墨碳、耐火碳和活性碳之基礎(chǔ)產(chǎn)品布局。
  早在2011年6月,金路集團(tuán)與中科院金屬所簽署技術(shù)開發(fā)合同,雙方將在“石墨烯材料及其應(yīng)用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)”方面展開合作,金屬所負(fù)責(zé)具體研究開發(fā)工作,并提供產(chǎn)業(yè)化可行性報(bào)告;公司負(fù)責(zé)提供研發(fā)經(jīng)費(fèi),并組織相關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化及市場開發(fā)方面的工作。公司在研石墨烯透明導(dǎo)電薄膜、石墨烯基三維網(wǎng)絡(luò)散熱材料、石墨烯基動(dòng)力電池項(xiàng)目。在石墨烯透明導(dǎo)電膜方面,金屬研究所能制備出4英寸的石墨烯透明導(dǎo)電薄膜。
  2014年3月,金路集團(tuán)發(fā)布公告稱,公司與金屬所前期的合作,主要包括石墨烯散熱材料、石墨烯功能涂層、石墨烯復(fù)合材料的制備技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)研發(fā),石墨烯材料在電池中的應(yīng)用技術(shù)研發(fā),石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)材料應(yīng)用技術(shù)研發(fā)等;2014年年度研發(fā)計(jì)劃包括:石墨烯在鋰離子電池、鋰硫電池、導(dǎo)電油墨以及防腐涂層中的應(yīng)用研發(fā)。
  中泰化學(xué)參股廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司35%股權(quán)。廈門凱納自2006年啟動(dòng)石墨烯技術(shù)的研發(fā),并于2010年5月正式注冊成立,成為國內(nèi)第一家專業(yè)從事石墨烯研發(fā)的企業(yè),率先向國內(nèi)外提供高品質(zhì)的石墨烯相關(guān)產(chǎn)品。
  7月15日,中泰化學(xué)披露廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司最新研發(fā)工作進(jìn)展情況。根據(jù)廈門凱納與中泰化學(xué)項(xiàng)目組的研發(fā)工作計(jì)劃,項(xiàng)目組技術(shù)研發(fā)人員已于近日進(jìn)駐公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)基地,開展石墨烯與PVC聚合相關(guān)試驗(yàn),試驗(yàn)工作按計(jì)劃推進(jìn)。廈門凱納共向國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請了17項(xiàng)發(fā)明專利,其中被授予4項(xiàng)發(fā)明專利權(quán);1項(xiàng)實(shí)用新型專利權(quán)。
  近日,康得新公告,公司擬在張家港設(shè)立張家港康得新石墨烯應(yīng)用科技,注冊資本1億元,為康得新全資子公司。公司經(jīng)營范圍為石墨烯新材料技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用,石墨烯相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售等。不過,公司表示,所涉石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)尚處于引進(jìn)和投資階段,尚未對公司經(jīng)營業(yè)績構(gòu)成實(shí)質(zhì)性影響。
 

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