中國(guó)石墨烯行業(yè)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)分析

石墨烯具有許多創(chuàng)紀(jì)錄的出色性能，被譽(yù)為21世紀(jì)新材料。這使石墨烯的應(yīng)用涉及廣泛領(lǐng)域，但在眾多應(yīng)用中，石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用尤其值得關(guān)注。一、中國(guó)石墨烯行業(yè)的優(yōu)勢(shì) 1、國(guó)家政策好 2015年11月30日，工信部、發(fā)改委和科技部等三部委發(fā)布了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》，欲在2020年形成完善的石墨烯產(chǎn)業(yè)體系，實(shí)現(xiàn)石墨烯材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和低成本化，在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)...更多

石墨烯(graphene)是一種二維碳材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)。石墨烯一直被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在，直到2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)，是由單層碳原子經(jīng)電子軌道雜化后形成的蜂巢狀二維晶體，厚度僅0.335nm。既是現(xiàn)今最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它也有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。

一、石墨烯的分類(lèi)

石墨烯是一種二維晶體，人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

石墨烯(graphene)主要可分為：

1、按層數(shù)，它可分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。

①單層石墨烯：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。

②雙層石墨烯：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

③少層石墨烯：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

④多層石墨烯(也稱(chēng)厚層石墨烯)：指厚度在10層以上10nm以下苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

2、按被功能化形式，常見(jiàn)的有氧化石墨烯、氫化石墨烯、氟化石墨烯等等。

3、按外在形態(tài)，有片、膜、量子點(diǎn)、納米帶或三維狀等等。

二、石墨烯的優(yōu)點(diǎn)

1、石墨烯具有極高的載流子遷移率和熱導(dǎo)率，遷移率是傳統(tǒng)硅基材料的幾十甚至幾百倍。載流子遷移率對(duì)于微電子器件來(lái)說(shuō)是非常重要的參數(shù)，如果遷移率過(guò)低，將會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱嚴(yán)重、響應(yīng)頻率低下等后果。因此，遷移率高、導(dǎo)熱好的石墨烯被認(rèn)為是一種理想的電子器件材料。

2、在航天科學(xué)領(lǐng)域中，石墨烯可以被當(dāng)做保護(hù)層覆蓋在一些元件的表面，用來(lái)降低被宇宙射線激發(fā)的二次電子。

3、石墨烯具有極好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯熔點(diǎn)高達(dá)3850攝氏度，而且耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境，具有很好的穩(wěn)定性。

4、石墨烯是現(xiàn)今世界上強(qiáng)度最大的材料，據(jù)測(cè)算如果用石墨烯制成厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜(厚度約100納米)，它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而且不斷裂。已有科學(xué)家指出，這種強(qiáng)度的材料，可以成為未來(lái)“太空電梯”的首選材料。

5、帶有納米級(jí)的空洞石墨烯，可以用于海水淡化。在生物學(xué)研究中，讓DNA長(zhǎng)鏈一次經(jīng)過(guò)石墨烯納米孔，可以進(jìn)行DNA測(cè)序。

6、石墨烯電極植入腦部，與神經(jīng)元連接，可用于修復(fù)截肢、癱瘓甚至帕金森氏癥患者的感知能力，協(xié)助他們更好地康復(fù)。

7、石墨烯增強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)材料在下一代飛機(jī)研制、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件制造、未來(lái)高速飛行器研制等方面具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

三、石墨烯的前景

1、“神奇材料”石墨烯優(yōu)勢(shì)受關(guān)注

石墨烯是一種神奇的納米級(jí)新材料，具有透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電阻率低、電子遷移率高、高機(jī)械強(qiáng)度特點(diǎn)，能在很多應(yīng)用領(lǐng)域取代原有材料發(fā)揮高效性能，因此已經(jīng)取代硅，成為“二十一世紀(jì)新材料之王”。

2、石墨烯技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域全面

以電池領(lǐng)域?yàn)槔?，與傳統(tǒng)電極材料相比，石墨烯具有高容量密度、高功率密度、電池結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化更好等優(yōu)勢(shì)。石墨烯應(yīng)用于鋰電池中，能大大提高電池容量，為新能源汽車(chē)解決續(xù)航問(wèn)題。

基于石墨烯各種優(yōu)秀的性能，各國(guó)都在不遺余力推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，石墨烯相關(guān)的技術(shù)研發(fā)已列入美國(guó)、英國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)新材料領(lǐng)域重點(diǎn)的支持項(xiàng)目。

3、國(guó)內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模

石墨烯備受關(guān)注，國(guó)內(nèi)石墨烯興起研發(fā)熱潮，在技術(shù)研究方面，2011年，國(guó)內(nèi)與石墨烯有關(guān)的論文為278篇，2012年為494篇，2013年為718篇，2014年上升至914篇，2015年為1239篇;技術(shù)專(zhuān)利上。目前我國(guó)在國(guó)際上已經(jīng)申請(qǐng)2200多項(xiàng)石墨烯專(zhuān)利技術(shù)，約為全球石墨烯專(zhuān)利技術(shù)的三分之一。

不過(guò)，作為新興行業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)化過(guò)程匯總?cè)杂兄T多不足之處。石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈還極為薄弱，沒(méi)有形成完整的、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈上下游，石墨烯研發(fā)制備企業(yè)和下游應(yīng)用企業(yè)脫節(jié)是主要特點(diǎn)。