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加快石墨烯上下游整合,应用侧推进产业进程

来源:赛迪智库  编辑:  投稿时间:2021-03-03

01、澎湃资讯:目前这个行业最前沿技术达到什么程度?中国发展程度如何?

肖劲松:从整个全球来看,石墨烯属于从研发到产业化的过渡阶段,还没有真正实现大规模产业化。相对而言,中国石墨烯产业化方面走在世界前列,国外大都现在还处于研发阶段。

国内外发展石墨烯产业发展走的两种不同路径。

国外并不是从石墨直接制备,主要还是用含碳的一些气体,如甲烷等气体来进行制备薄膜。制备的石墨烯膜更多应用在电子信息领域。欧美日走的是这个路径。

中国石墨资源丰富。这一优势让中国制备石墨烯膜的路径也与欧美不同。利用石墨制备石墨烯,然后添加到其他材料之中,生产复合材料,这是中国石墨烯产业发展的主导路径。目前中国石墨烯应用多在医疗健康、热管理、新能源等领域。由于中国电子信息发展也是起步,所以高端石墨烯膜制备和应用尚处于研发阶段。

从石墨烯技术发展来看,中国也较为领先。中国石墨烯专利技术占了全球百分之六七十,位居全球第一。

前两年国内涌现出了石墨烯热,现在已经渐趋理性。无论投资界、研发领域还是产业化领域,大家都认识到新材料的发展周期比较长,不是短期内就能见效的。大浪淘沙之后,很多人退出,还有很多人坚持了下来。

中国科学院大学联合大连理工大学,在高质量、大面积、单层石墨烯的可控合成及其生长激励研究方面取得重要进展,实现了大面积高质量单层石墨烯的生长。厦门大学与英国兰卡斯特大学合作,在基于石墨烯电极的单分子器件方面取得重要研究进展,对后续进一步研究和设计功能多样的单分子电子器件具有重要的参考价值;中科院金属所与伦敦大学合作,设立了基于石墨烯薄膜的全固态柔性电化学电容器,不仅保证了整个器件的柔性,还进一步发展了智能器件。此外,在石墨烯单晶晶圆制备、高品质石墨烯散热膜等领域也取得多项突破。

02、澎湃资讯:中国短板在哪里?

肖劲松:目前,中国和西方制备技术都差不多。关键是下游应用,薄膜制成了以后怎么应用。这方面的差距比较大。

欧洲、美国、日本电子信息比较发达,所以石墨烯在这个领域能够很快应用。中国电子信息产业基础比较薄弱,石墨烯在这一领域的应用也较少。中国市场上涌现的石墨烯产品,在医疗、健康领域比较多,但是目前的这些应用并不能真正体现石墨烯高性能特点。石墨烯产业发展仍然有许多难题。

一是关键技术未突破,制约下游大规模应用。

经过多年自主研发,石墨烯在规模化生产技术、工艺装备等方面均取得重大进展,但低成本规模化制备技术、下游应用技术、绿色制备技术等方面仍存在技术瓶颈。目前虽然国内石墨烯粉体及薄膜材料都已经建成生产线,并基本实现量产,但产品普遍存在尺寸和层数不均匀、质量不稳定等问题,难以满足大规模工业化量产的需求。

从应用场景看,目前石墨烯主要以添加剂的形式加入基体材料以提升相关性能,但结构完整的石墨烯表面不含有任何基团,与其它介质的相互作用较弱,很难与其它有机或无机材料实现均匀复合。因此,如何在保证石墨烯结构完整的情况下,提高其与基体材料间的相容性、均匀分散性仍然成为制约石墨烯下游大规模产业化应用的关键问题。

二是以材料生产企业为主导,下游应用企业参与度偏低。

石墨烯作为一种新材料,只有实现大规模成功应用才能真正体现其价值。因此产业发展必须以应用为牵引,重视下游应用企业参与。但目前中国石墨烯参与发展以科研院所和石墨烯生产企业为主,受制于部分关键技术未突破、生产成本高、应用效果不确定等因素,下游应用企业普遍呈观望态度,参与度偏低。反观美、日、韩等国家,则均有一批应用领域的领军企业参与石墨烯研发及产业化,如美国的IBM、波音,日本的松下、韩国的SAMSUNG等,从应用需求入手,推动本国石墨烯产业化进程。

三是标准、检测体系不完善,产品鱼龙混杂。

目前中国石墨烯标准化方面虽然取得了一定进展,但是在下游具体应用产品、检测标准、使用标准等方面仍是空白。从上游材料制备来看,石墨烯材料有粉体、微片、浆料、薄膜等多种类别,由于缺乏统一的标准,市场上每种材料品种差异较大、等级规格各异、命名规则不一。由于没有明确的标准,目前对石墨烯产品的检测报告多以材料性能的客观描述为主,再加上不同应用领域对石墨烯材料的性能要求也不同,所以没有统一的标准来区分材料质量的好坏,且目前的检测手段仅仅对来样原料当时的状态负责,造成市场上各说各话,产品鱼龙混杂。

03、澎湃资讯:中国未来的努力方向有哪些?

肖劲松:第一要继续发挥中国的资源优势。中国石墨烯资源比较丰富。目前利用石墨制备的石墨烯,基本上能满足现有的石墨烯应用产品和应用领域,但是未来还是要发挥大家的资源优势,做一些高端产品,这就需要下大力气做好高品质石墨烯材料。

第二要与电子信息产业发展主动结合起来。从国家层面来说,更应该鼓励石墨烯在电子信息领域的应用和石墨烯杀手锏级的应用。国内现在也在这方面做很多探索,军工领域和民用领域都有,例如北京石墨烯研究院在研发的石墨烯玻璃,中科院半导体所在石墨烯器件方面的研究等。

柔性电致方面,除了智能手机外,5G基站、服务器、笔记本电脑等许多领域的关键材料,在兼顾导热性能和成本的同时,对石墨烯的导热需求也越来越多。这是未来的一个方向。HUAWEI发布的国内首款5G平板MatePadPro5G搭载了超厚3D石墨烯散热技术,并在上半年投资了常州富烯科技(主导产品为石墨烯导热膜、石墨烯导热片等),布局石墨烯散热技术,在一定程度上引领了电子设备散热市场的发展趋势。随着HUAWEI、小米等头部企业持续加码石墨烯导热膜的投资与应用,必将带动其他厂商也加速在石墨烯散热材料、散热组件等领域的布局。

04、澎湃资讯:未来需要克服哪些困难?

肖劲松:石墨烯材料是一个相对比较高端的产品。目前制膜技术都差不多,关键是大规模做出来。虽然在实验室研发取得了一些进展,但是石墨烯应用时的稳定性等问题还需要去克服。

技术方面。首先要制好材料。不管是膜材料,还是用石墨来做的粉体类材料。将这些基础材料做好最关键。目前石墨烯产业化企业很多,但是很少有企业去关注材料。大家都是能做出来就做出来,没有再进一步努力提高材料的品质。所以材料品质一直停留在中低端。然而,好材料才能用在高端领域。第二是成本问题。如何做到大规模推广,然后实现低成本,这很重要。目前下游应用没有铺开,成本比较高。如果要做高端的,纯度更高,片成更薄的话,技术要求含量很高。所以技术和产品的应用开发都很重要。

要推动关键核心技术突破。充分发挥各地石墨烯制造业创新中心、科研院所和高等院校等的创新力量,制定石墨烯产业技术创新目录和技术突破路线图,组织优势力量开展重大项目和重点应用的技术攻关,对石墨烯材料规模化制备、清洁生产等关键技术和成套设备加强攻关,加快关键技术成果的转化。围绕新一代信息技术、新能源汽车、高端装备等新兴产业领域发展需求,坚持需求引导,开展石墨烯前沿性和战略性方向、核心技术、专利和产品的布局,培育未来市场。尽快研究制定石墨烯技术成熟度路线图,对重点企业技术成熟度、经营状况、产品销售等进行评估,科学评判其产业化发展阶段和发展前景。

其次要强化产业融合发展。继续深化石墨烯对传统产业转型升级的推动作用。从传统产品改性入手,选择目前技术较为成熟、量大面广、下游用户认可度偏高的石墨烯散热材料、增强复合材料、储能材料等产品开展应用示范,充分利用首批次保险补偿机制等相关政策,降低下游用户使用风险,有效激活石墨烯下游应用市场需求,推动大规模产业化应用。围绕新一代信息技术、新能源汽车、5G、高端装备等新兴产业领域发展需求,坚持需求引导,开展石墨烯前沿性和战略性方向、核心技术、专利和产品的布局,培育未来市场。

人才方面。石墨烯研发方面人才不少,主要由两部分组成:一类是研究纳米材料的人才转过来的。石墨烯本身就是一种纳米材料,中国原来有一大堆的研究纳米材料的,这些人很多转向了石墨烯研究。还有一部分从高分子材料转过来的。现在主要是两大类人才在研究石墨烯。

但是,这个领域缺乏产业化人才、市场化人才以及社会资本方面的一些人才。

目前市场上的石墨烯企业都是小打小闹的,好多人直接是从研究院所出来的。结果就是这类人更多侧重追求技术,对产品、市场不太了解。这样对产业发展不利。从应用角度,下游企业是一定要参与进来的,否则只是把材料做出来,却不知道怎么用。

人才方面,研发领域、成果转化、产品开发类人才,这三个类别对接机制还是不够。

政策方面。整合优势力量,也要充分发挥市场作用,让市场去筛选。

目前石墨烯产业发展过于零散,需要整合。有的地区研发为主,如北京的研发力量比较强。深圳宁波这些地方应用比较强。现在各地单打独斗,不利于产业发展。从产业发展角度上,上下游必须结合起来。把上游材料企业和下游应用企业,还有一些相关的研究机构结合起来,这样上下游能够在一个平台上工作,可以缩短转化周期,加快走向应用层面。

加强公共服务平台建设。围绕石墨烯产业发展特点,依托产业链上下游骨干企业、科研院所等,优化配置资金、技术、装备等资源,建设一批石墨烯产业科技服务、检验检测、质量认证、人才培训、创新孵化等公共服务平台。公共服务平台建设要严格遵守“政府引导、市场运作”原则,积极拓展融资渠道。通过制定风险补偿等优惠政策,引导社会资本进入,对于地方运行良好的公共服务平台积极申请国家支撑。

做好国家级制造业创新中心的筹备。整合目前国内石墨烯创新中心的优势力量,尽快组织筹备国家石墨烯制造业创新中心,加强对行业关键技术的前瞻性布局,做好石墨烯技术转移扩散和首次商业化。创新中心的成员单位要注重下游应用企业,尤其是大型企业的参与,建议对下游应用领域企业的占比及业内排名提出明确要求。现有省级创新中心要继续加强对下游应用企业(尤其是龙头企业)的资源集聚,充分发挥应用企业的市场优势,以市场需求为导向,加快推动石墨烯的大规模应用。(肖劲松:赛迪智库材料工业研究所所长

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