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Telegram批量拉人:面临机遇与挑战,新材料之王”石墨烯”产业化之路该怎么走?

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我国石墨烯产业已经发展了十余年,期间在政府部门、生产企业、科研院所、相关高校等通力合作下,产业规模、企业数量均呈现跨越式增长,并在部分领域初步实现产业化应用,产业化进程居全球前列。作为一种前沿新材料,在短时间内取得如此好的成效实属不易。在经历了前期的萌芽期和发展期后,目前国内石墨烯产业发展进入新阶段,尚处于产业化突破前期、不具备大规模工业化生产能力逐渐成为共识,产业发展也面临一些新挑战。


1、石墨烯行业迎来发展新趋势


石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯从2004年被证明可以独立存在开始,相关行业已经发展了十余年,在经历了萌芽时期和发展时期后,迎来了发展新趋势,出现了机遇与挑战并存的新局面。


我国石墨烯行业形成了政府部门、研发机构、生产企业协同创新的合作机制,良好的发展态势助推行业规模与企业数量呈现出不断增长趋势。


石墨烯企业数量增长引领行业快速发展。从地域分布来看,石墨烯企业主要分布在东部沿海地区,且已经形成了具有一定规模的石墨烯产业集群。从企业规模来看,石墨烯行业企业数量多,但大部分规模都相对较小,随着一些石墨烯上市企业不断发展,龙头企业有望逐步显现。

2、石墨烯不是万金油


石墨烯有“新材料之王”的美誉,也有“骗局”“坑王”的毁誉,其发展和应用多年来争议不断。那么,实际应用中它真如理论上所说无所不能吗?


以石墨烯涂料为例,超薄石墨烯微片可以比传统玻璃鳞片(3~5微米)提供更好的物理屏蔽,延缓腐蚀介质的渗透,但比金属更稳定的高导电性石墨烯会加剧金属的电化学腐蚀,其提供的物理屏蔽效应只能满足短期防腐需求。


作为添加剂或多功能二维纳米填料,石墨烯可以赋予聚合物复合材料优异的力学、电学、热学性能,扩展材料的应用范围,这是国内研究和应用比较多的领域。但是无缺陷的石墨烯表现出憎水憎油特性,难以均匀分散在聚合物材料中,通常需要使用有缺陷的氧化石墨烯制备聚合物复合材料,这样做又会损害材料的性能。


2021年,一则“8分钟充满80%,续航1000公里”的汽车海报,将石墨烯电池送到舆论的风口浪尖。“石墨烯能够提高充放电速率,而对于容(能)量的提升基本没有任何帮助,其噱头意义大于实用价值。”清华大学材料科学与工程博士刘冠伟从理论上解释,单纯依靠石墨烯电池提高续航里程的希望十分渺茫。


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以碳纤维为例,刘忠范说:“已经花了60年,还远没有成熟。”石墨烯从2004年在实验室被发现,迄今只有10多年时间,无论是材料制备还是寻找“撒手锏”级的应用,都要有十年磨一剑的耐心,要放眼未来,聚焦打造核心竞争力。


3、产业发展面临的新挑战


关键技术仍未突破,制约下游大规模应用。通过不断创新研发,我国在大面积单晶石墨烯、多层石墨烯粉体规模制备等方面取得了重大进展,但仍存在基础物性研究不透彻、绿色低成本的规模化生产技术不成熟、“杀手锏”级应用开发不足等技术瓶颈。从生产端看,现阶段国内已建成石墨烯粉体及薄膜材料生产线并基本实现量产,但普遍存在产品尺寸及层数不均匀、质量不稳定等问题,各项性能指标远低于实验室水平,难以满足大规模工业化应用需求。从应用端看,石墨烯粉体主要用作添加剂以增强基体材料的相关性能,与基材间的相容性和均匀分散性是制约其大规模应用一大难点;石墨烯薄膜主要用于柔性显示、电子/光电子领域,也面临大规模均匀制备技术不成熟、工艺复杂和成本高等难题。


企业规模总体偏小,石墨烯产业竞争力不足。我国石墨烯生产和应用的主力军是中小型企业,近半数属于小微型初创企业,技术成熟、盈利性好、发展稳定的企业微乎其微,一些上市公司虽通过控股或参股方式参与其中,但并未将石墨烯当作主营业务进行实质投入,缺乏行业龙头引领和带动导致石墨烯产业竞争力不足。一方面,小企业抵抗风险能力整体较弱,在“大浪淘沙”的市场竞争中极易消没,目前存续时间在10年以上的石墨烯企业占比仅为5%。另一方面,小企业研发能力弱、创新动力不足,大部分没有配套设施和专职研发团队,多采用合作或委托的研发模式,主要涉足研发门槛低、对石墨烯品质要求不高、产品附加值低的应用领域,如复合材料、大健康、涂料等,高端前沿应用领域关注不够。


高端应用需求日益增长,发展压力逐渐显现。现阶段,我国石墨烯产业发展进入“平台期”,产业链高端化发展迫在眉睫,企业承压不断提高。一方面,石墨烯多被用作“工业味精”,无法真正体现其作为高品质、高性能材料的价值,还没有成熟的、高端的商业化石墨烯产品问世。石墨烯巨大潜质与尚未全面打开的下游应用需求形成强烈反差,高端化才是石墨烯产业的发展重点和方向,对人才、科技和资金等要求也随之提高,无形中增加发展压力。另一方面,石墨烯产业迟迟未实现大规模商业化应用,炒作热情逐渐消退,市场开始趋于理性,相关投资也变得更加谨慎;叠加当前宏观经济下行压力大,国内、国际环境不确定性显著增多,企业生产和进出口均受不同程度的影响,石墨烯企业面临资金短缺、供应链安全等问题。

4、要基础研究与应用研究两条腿走路


根据新思界产业研究中心发布的《2022-2027年中国石墨烯行业市场深度调研及发展前景预测报告》显示,我国石墨烯相关企业年注册量在2017年之前均不超过1000家,2018年注册量超过了3100家,2020年与2021年企业注册量迅速增长,分别达到了6675家与13269家,截止2022年4月,我国石墨烯相关业务的企业数量已达35000多家。随着越来越多的企业进入石墨烯行业,未来产业化发展有望加速。


然而,石墨烯产业更多关注具体产品,挣快钱,但它们未必是未来的主导应用。石墨烯产业依赖于石墨烯材料本身,没有好的材料就失去了产业的根基。把材料做好是关键,研究人员要有耐心和坚持,既要有原创性的基础研究,也需要精益求精的研发和持续不断的投入。


在基础研究领域要奋起直追,同时要对材料的本质有深刻理解,将材料的精妙之处发挥出来。新材料和新装备的发展是永无止境的,针对不同的应用需求,要有精细化研究的理念和思路,做到“一把钥匙开一把锁”。


来源:​光明网,新思界网,前沿材料PLUS

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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