進入21世紀以來，納米金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯等新型納米碳材料的迅速發展引起了全世界的廣泛關注。當碳材料的尺度縮小到納米范圍時，其部分物理、化學性質將發生顯著變化，并呈現出由高比表面積或量子效應引起的一系列獨特性能。新型納米碳材料具有穩定性好、強度高、比表面積高和來源豐富等特點，是最具發展潛力的前沿材料，也是主導未來高科技競爭的戰略材料。
盡管納米金剛石和富勒烯發現較早，但受制于量產技術和應用領域開發限制，目前仍處于實驗室階段。當前，石墨烯和碳納米管是引發各國政府、學術、產業各界全面關注的重點新型納米碳材料，具有一定規模的產業基礎。
石墨烯
石墨烯不僅是世界上已知的最強、最堅硬、最薄的材料，同時也是已知材料中電阻率最小、導熱系數最高的物質。
石墨烯材料根據其形態與應用可以分為微片（粉體）和薄膜兩類。石墨烯微片的制備方法包括氧化還原法、插層剝離法、液相剝離法、機械剝離法等；石墨烯薄膜的制備方法包括化學氣相沉積法以及外延生長法等。其中，石墨烯微片制備技術已普遍實現產業化,而以化學氣相沉積法及卷對卷工藝生長和轉移大面積石墨烯薄膜的技術也已取得重大突破。
石墨烯材料在應用層面上的發展將會經歷以下初級、中級、高級三個階段。初級應用階段：受制于成本因素，短時間內很難實現大規模的石墨烯單獨應用，石墨烯主要用于提高其他材料的性能，有望在鋰離子電池、導熱材料、導電油墨、防腐涂料等領域發揮重要作用；中級應用階段：隨著高質量石墨烯量產技術逐漸成熟，石墨烯應用有望通過支持各類新型器件，在柔性顯示、太陽能電池、超級電容器、膜材料、傳感器、晶體管以及假體植入物等方面找到新的出路；高級應用階段：一旦石墨烯量產化成熟，晶圓級石墨烯單晶取得突破之后，將通過系統集成，不斷挑戰技術突破，在技術門檻更高的未來生物醫療、高頻器件以及高強度多功能復合材料等領域，有望發揮顛覆傳統產業的潛力。
全球研發現狀
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）第一次成功地從石墨中分離出了sp2雜化的石墨烯，自此石墨烯的研究掀起了熱潮。特別是近年來，英、美、德、日、韓各國以及歐盟均將石墨烯的研發上升至戰略高度，各學術界和產業界紛紛發力與國家高層布局遙相呼應，正在形成技術研發和產業投資的高潮，力爭把握石墨烯技術革命和產業革命的機遇。
作為石墨烯的誕生國，2011年起英國政府將石墨烯定為重點發展的新興技術，投入巨額資金，重點研究領域涉及電子信息、傳感器、復合材料、儲能材料以及結構材料。英國石墨烯研究基礎雄厚，學術方面以曼徹斯特大學和劍橋大學為主，科研機構由英國國家石墨烯研究中心（NGI）牽頭，還于2018年建成了第二個石墨烯技術創新中心——英國石墨烯工程創新中心（GEIC）。產業層面，除英國本土企業外，英國國家石墨烯研究中心還與全球約50家企業建立了合作關系，旨在將石墨烯的基礎研究推向產業化。
近年來，德國政府攜手歐盟通過政策鼓勵、資金支持充分調動國內科研機構、企業和高校的積極性，全面參與石墨烯研發項目，形成了政產學研一體的石墨烯研發網絡，在石墨烯應用于光子和光電器件領域具有較強優勢。此外，德國愛思強（AIXTRON）公司研發出的金屬有機化學氣相沉積設備標志著大規模石墨烯制備技術取得突破性進展。
2013年，歐盟啟動石墨烯旗艦計劃（Graphene Flagship），總投資高達10億歐元，并在一年后發布了石墨烯科技路線圖。運行至今，石墨烯旗艦計劃帶領英、德、法、意大利、荷蘭、丹麥等歐洲國家，攜手推進石墨烯的研發和產業化進程，并積極促進了與全球其他地區的合作交流。
美國政府在布局石墨烯的研發應用時針對性極強。國防部開展了多項石墨烯研究項目，重點是將其應用于最具顛覆傳統產業潛力的更輕、更小、更快、更高頻的電子器件領域，以及提高軍事能力的復合材料和傳感器領域，以期占據軍事前沿技術的制高點。各高校和科研院所近年來積極投身石墨烯材料制備和應用領域的廣泛研究。產業層面上美國呈現多元化布局，既包括IBM、英特爾（Intel）、波音（Boeing）等行業巨頭，也包括一批中小型石墨烯新興企業。
韓國石墨烯制備技術和器件研究發展迅猛，政府提供了數億美元的資金支持相關研究，主要研究機構包括部分高校以及三星電子和LG公司，在薄膜制備、光電器件、晶體管以及OLED等方面已擁有豐富的應用研究成果，并積極與英國及歐洲石墨烯旗艦計劃開展合作。
日本政府近年來大力支持包括石墨烯在內的納米碳材料相關研究，經產省投資120億日元鼓勵研發。在政府的支持下，日本在石墨烯量產技術、儲能應用等方面取得一定成果，試圖利用石墨烯的優異性能鞏固其在電池領域的傳統優勢。
我國近年在石墨烯領域開展了大量研究，躋身世界石墨烯研究領域第一梯隊，申請專利總數世界第一，在石墨烯制備、物性與應用基礎探索方面獲得了一批具有國際影響力的創新研究成果。科研力量主要集中在清華大學、浙江大學和哈爾濱工業大學等高校，中國科學院等科研機構以及部分企業。近年來，我國石墨烯產業也呈現蓬勃發展之勢，但產品質量參差不齊，產業發展虛火旺盛。我國政府對石墨烯研究及其產業發展也給予了大力支持。《新材料產業“十二五”發展規劃》中將石墨烯作為重點發展的前沿新材料。《“十三五”國家科技創新規劃》中明確將石墨烯列為重點發展的先進功能材料與顛覆性技術。《中國制造2025》也明確要求做好石墨烯等戰略前沿材料的提前布局和研制，并編制了石墨烯產業技術路線圖。整體而言，我國在石墨烯研究領缺乏原始創新和系統創新，缺乏真正殺手锏級別的石墨烯應用技術；成果轉化率較低，產業化技術水平亟需提高，產業發展質量有待加強。
未來發展趨勢
未來，石墨烯作為國際高科技產業競爭的熱點，其發展將主要從制備技術和產業化應用層面進行全面提升。制備技術上將進一步發展高質量石墨烯粉體和石墨烯薄膜的可控、綠色、低成本和大規模工業化制備技術；產業化應用上將探索廣泛應用領域的發展潛力，努力發展石墨烯“殺手锏”和高性價比應用。此外，國際上石墨烯標準化推進工作也在穩步進行中。
|
