石墨烯是目前最薄也最堅(jiān)硬的納米材料，集透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高等多種優(yōu)異性能于一身，是主導(dǎo)未來(lái)高科技競(jìng)爭(zhēng)的超級(jí)材料，被稱(chēng)為“黑金”，可極大推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和升級(jí)換代，市場(chǎng)前景廣闊，有望催生千億元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。
由于硅材料本身限制，計(jì)算機(jī)、芯片或電子器件的開(kāi)發(fā)速度再難遵守摩爾定律，性能提升速度減慢。石墨烯中電子運(yùn)行幾乎無(wú)阻礙，運(yùn)行速度是硅的數(shù)倍，為打破這一瓶頸帶來(lái)可能。加之智能化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、可穿戴裝備的興起，對(duì)高速計(jì)算機(jī)、高效能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存系統(tǒng)、柔性電子的需求迫在眉睫，石墨烯可在這些領(lǐng)域發(fā)揮決定性的作用，這預(yù)示著全球科技發(fā)展將從過(guò)去的硅時(shí)代邁入以石墨烯等碳材料為代表的碳時(shí)代。
石墨烯問(wèn)世之后，美國(guó)、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛從國(guó)家戰(zhàn)略高度開(kāi)始部署石墨烯研究和發(fā)展規(guī)劃，投入數(shù)十億美金支持石墨烯研究和商業(yè)化。三星電子、IBM、諾基亞、陶氏化學(xué)、通用、施樂(lè)公司、拜爾、巴斯夫等跨國(guó)集團(tuán)，也都瞄準(zhǔn)石墨烯市場(chǎng)，積極推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化研究。
中國(guó)是石墨資源大國(guó)，也是石墨烯研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)最活躍的國(guó)家之一。未來(lái)十年是石墨烯從實(shí)驗(yàn)室步入應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。繼《中國(guó)制造 2025》、《關(guān)鍵材料升級(jí)換代工程實(shí)施方案》等國(guó)家戰(zhàn)略性文件將石墨烯納入重要的前沿性新材料之后，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委和科技部又聯(lián)合發(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)》，助推石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，引領(lǐng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。
石墨烯是開(kāi)啟未來(lái)的產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，其產(chǎn)業(yè)化過(guò)程，也是檢驗(yàn)和提升我國(guó)綜合科技實(shí)力的過(guò)程。在研究國(guó)內(nèi)外石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，提出石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策建議：保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)促進(jìn)公共平臺(tái)成果落地、加強(qiáng)人才培養(yǎng)夯實(shí)綜合科技基礎(chǔ)、鼓勵(lì)引入民間資本發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)，并就我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展設(shè)想四條主要路徑。
路徑一：重大工程牽引推動(dòng)
通過(guò)政府政策引導(dǎo)，圍繞我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全重大需求，整合創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化等資源，抓住重點(diǎn)，實(shí)施多項(xiàng)重大工程，開(kāi)發(fā)一批標(biāo)志性、牽引推動(dòng)作用強(qiáng)的重點(diǎn)產(chǎn)品和代表工藝，提升自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)水平和系統(tǒng)集成能力。突破石墨烯晶體管、石墨烯電極、石墨烯芯片、石墨烯光電子器件、石墨烯高頻器件、石墨烯激光器件等關(guān)鍵核心部件、關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成工藝，突破共性關(guān)鍵技術(shù)和工程化、產(chǎn)業(yè)化瓶頸，提高石墨烯創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)材料業(yè)整體綜合實(shí)力發(fā)展，搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。
實(shí)施石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化工程工程，為擴(kuò)大石墨烯及相關(guān)材料產(chǎn)品市場(chǎng)，對(duì)石墨烯及相關(guān)材料的技術(shù)評(píng)估和分類(lèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以確保其在不同應(yīng)用市場(chǎng)中質(zhì)量的一致性和可重復(fù)性。
實(shí)施超級(jí)計(jì)算機(jī)工程，突破石墨烯晶體管、顯示材料、高頻電子器件、電子芯片和高頻電路集成核心技術(shù)，進(jìn)一步增加高頻電子器件工作頻率，減小熱損耗和器件體積，增大高頻電路集成度，開(kāi)發(fā)新型納米電子器件和高清多維顯示技術(shù)。
實(shí)施可穿戴智能設(shè)備工程，突破柔性石墨烯電極、柔性石墨烯觸摸屏、石墨烯生物傳感器、石墨烯化學(xué)傳感器、石墨烯微型超級(jí)電容等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其在智能手表、智能手環(huán)、智能眼鏡、智能服飾上的應(yīng)用，減輕可穿戴智能裝備重量，增加其人體學(xué)適配性和智能性。
實(shí)施儲(chǔ)能工程，突破石墨烯超級(jí)電容器、石墨烯高壓電纜等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能量傳輸系統(tǒng)，風(fēng)能、光伏發(fā)電能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，邊遠(yuǎn)地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)以及城鎮(zhèn)居民的自備電和家庭儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，提高能量存儲(chǔ)效率，減少傳輸過(guò)程中的能量損失。
實(shí)施高效新能源工程，突破石墨烯鋰電池電極、石墨烯透明導(dǎo)電膜、石墨烯透光膜、石墨烯儲(chǔ)氫/甲烷材料等核心技術(shù)，提高電池材料能量密度，增加電池續(xù)航里程，縮短充電時(shí)間，提高循環(huán)壽命，替代ITO，實(shí)現(xiàn)新一代高效新能源電池和轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽(yáng)能電池。
實(shí)施軍工裝備換代工程，突破石墨烯光電子傳感器、石墨烯激光器、石墨烯輕質(zhì)復(fù)合材料、石墨烯高強(qiáng)高韌紡織材料等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在軍用遠(yuǎn)程探測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、激光武器系統(tǒng)、軍用飛機(jī)、軍用裝甲防護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，升級(jí)我國(guó)現(xiàn)代國(guó)防裝備，增強(qiáng)軍事實(shí)力和國(guó)際影響力。
路徑二：重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用示范
堅(jiān)持石墨烯發(fā)展全國(guó)一盤(pán)棋和分行業(yè)指導(dǎo)相結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃，整合資源，合理布局，明確石墨烯發(fā)展大方向。鼓勵(lì)全民創(chuàng)新，引導(dǎo)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，扎實(shí)提高基礎(chǔ)科學(xué)理論水平，促進(jìn)各行業(yè)深度發(fā)展，總結(jié)積累產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，加快推動(dòng)石墨烯應(yīng)用整體水平提高，開(kāi)展重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用示范工作。
首先，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，緣于對(duì)分子間相互作用極其敏感，并在理論上可實(shí)現(xiàn)單分子檢測(cè)，石墨烯及相關(guān)材料是制作生物傳感器的理想材料，特別是用于開(kāi)發(fā)生物系統(tǒng)的界面?zhèn)鞲衅鳌鞲屑夹g(shù)與生物學(xué)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞級(jí)的細(xì)胞表面動(dòng)力學(xué)研究，并創(chuàng)造出新型器件，以開(kāi)發(fā)基于石墨烯及相關(guān)材料的醫(yī)用新技術(shù)。
其次，化學(xué)領(lǐng)域，因石墨烯及其相關(guān)材料對(duì)分子間相互作用敏感，是制備化學(xué)傳感器的理想材料，可用于化學(xué)分析，環(huán)境監(jiān)測(cè)等;另外，石墨烯及其相關(guān)材料可達(dá)到只有原子厚度，且具有優(yōu)良的力、熱、電性能，對(duì)腐蝕介質(zhì)抗?jié)B性好，與基材表面附著力強(qiáng)，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性高，可防止嚴(yán)酷環(huán)境下的電磁損害，在海洋工程防腐，比如船舶、海上風(fēng)電等等防腐，或其他高性能、輕質(zhì)技術(shù)應(yīng)用的功能涂層和界面領(lǐng)域，均有理想的應(yīng)用前景。
第三，能源領(lǐng)域，一方面替代昂貴鉑金屬催化劑，延長(zhǎng)電源設(shè)備壽命;另一方面因?yàn)槭┑母咻d流子遷移率和優(yōu)異的力學(xué)性能，可提供更好的網(wǎng)絡(luò)，承受充放電過(guò)程中很大的體積變化，維持有效的電子收集和運(yùn)輸狀態(tài)，為增加能量轉(zhuǎn)換效率提供可行解決方法，石墨烯及其相關(guān)材料可應(yīng)用于復(fù)合材料和能源方面的功能材料，制備高能量轉(zhuǎn)換效率電極、高容量電池、電容、儲(chǔ)能設(shè)備等。
第四，納米器件領(lǐng)域，石墨烯力學(xué)強(qiáng)度高，可作為最終薄膜，應(yīng)用于很多工業(yè)工藝的核心領(lǐng)域，如海水淡化、水過(guò)濾等。石墨烯膜對(duì)微型電子信號(hào)敏感，可實(shí)現(xiàn)從納米流體到納米諧振器的制造，非常適合應(yīng)用于納米電機(jī)械系統(tǒng)，也可用作投射電鏡成像和高頻電子產(chǎn)品等。
第五，電子領(lǐng)域，以其為抓手率先突破石墨烯高端應(yīng)用。一、通過(guò)石墨烯及其相關(guān)材料與基于硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦等傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的集成，提升混合系統(tǒng)性能，制備石墨烯升級(jí)版電子器件。二、通過(guò)石墨烯及其相關(guān)材料膜的轉(zhuǎn)移與鍵合，實(shí)現(xiàn)其在半導(dǎo)體平臺(tái)上的后端集成，借助與半導(dǎo)體器件間的界面設(shè)計(jì)，發(fā)揮集兩種材料功能的集成器件工作潛能。三、通過(guò)石墨烯及其相關(guān)材料設(shè)計(jì)新的層狀材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，用于功能電子和光電、能帶結(jié)構(gòu)材料。四、通過(guò)石墨烯及其相關(guān)材料開(kāi)發(fā)射頻用無(wú)源組件，如測(cè)試天線、電子互連、熱擴(kuò)散層、過(guò)濾器和微機(jī)電系統(tǒng)等無(wú)源組件，以及自混合天線、可用開(kāi)關(guān)控制的屏障、光學(xué)透明器件等新型微波天線與器件，拓展其在高頻電子領(lǐng)域的應(yīng)用。五、通過(guò)開(kāi)發(fā)集成石墨烯及其相關(guān)材料與硅波導(dǎo)和無(wú)源光路，拓展硅光子學(xué)集成，應(yīng)用于下一代計(jì)算與通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的CMOS硅制造產(chǎn)線對(duì)此類(lèi)晶片的規(guī)模集成。六、通過(guò)研究石墨烯柔性電子器件和系統(tǒng)，如柔性傳感器、柔性射頻電子和無(wú)線連接方案、柔性無(wú)源電子技術(shù)、柔性電子學(xué)系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)等，拓展其在柔性電子學(xué)以及可穿戴裝備方面的應(yīng)用。七、通過(guò)石墨烯電子和光電子組件結(jié)合，研究石墨烯及二維材料光學(xué)行為和光電響應(yīng)理論，開(kāi)拓石墨烯光子學(xué)和光電子學(xué)應(yīng)用。
路徑三：產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同推進(jìn)
產(chǎn)學(xué)研用多渠道協(xié)同推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，通過(guò)生產(chǎn)單位、學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)和用戶(hù)等相互配合，集中各自?xún)?yōu)勢(shì)資源，形成研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用一體化的高效系統(tǒng)，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)，提高產(chǎn)業(yè)鏈從實(shí)驗(yàn)成果到實(shí)際應(yīng)用的整體效率，降低轉(zhuǎn)化成本。建立石墨烯上游生產(chǎn)企業(yè)，包括石墨礦企、石墨烯生產(chǎn)設(shè)備CVD等設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，下游應(yīng)用企業(yè)，包括電子企業(yè)、電池企業(yè)、生物醫(yī)藥企業(yè)、航空航天企業(yè)等與高校、研究院所等科研機(jī)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟等。提煉共性技術(shù)，加強(qiáng)石墨烯公共技術(shù)服務(wù)，降低石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的時(shí)間、資金、技術(shù)、工藝、設(shè)備、人才等成本，為聯(lián)盟單位提供一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量的起點(diǎn)和合作渠道。目前，我國(guó)已成立了中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟和京津冀石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟兩家聯(lián)盟單位。
路徑四：創(chuàng)新平臺(tái)集聚發(fā)展
完善國(guó)家石墨烯創(chuàng)新體系建設(shè)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，加快建立以創(chuàng)新中心為核心載體、以公共服務(wù)平臺(tái)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)中心為支撐的石墨烯創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，建立以市場(chǎng)為主導(dǎo)的創(chuàng)新和應(yīng)用方向選擇機(jī)制以及鼓勵(lì)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)、利益共享機(jī)制。建立石墨烯創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)園區(qū)和基地，引進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化孵化器和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化加速器。利用地方人才、資源、資金等優(yōu)勢(shì)發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群，集聚新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)集聚效應(yīng)，加速石墨烯創(chuàng)新和應(yīng)用突破及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。建設(shè)一批促進(jìn)石墨烯協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的公共服務(wù)平臺(tái)，規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展技術(shù)研發(fā)、技術(shù)評(píng)價(jià)、技術(shù)交易、檢驗(yàn)檢測(cè)、質(zhì)量認(rèn)證、人才培訓(xùn)等專(zhuān)業(yè)化服務(wù)，提高科技成果轉(zhuǎn)化效率和推廣應(yīng)用速度。
