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任正非曾预言的“材料之王”石墨烯,仍“等待突破”的原因

任正非曾预言“这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代”。尽管全球范围内都对石墨烯高度关注,但截至目前石墨烯产业看似繁华,但背后却满是伤感。因为,石墨烯产业化进程不尽人意,在规模化生产方面技术成熟度不高,存在不同批次石墨烯产品质量不稳定、性能差异性大等问题。如粉体材料产品存在尺寸和层数不均匀等问题、薄膜材料存在结构缺陷及转移过程带来表面污染的情况。

欧美等发达国家认为,目前石墨烯技术成熟度还在1~4级,仍然存在很大的突破空间,尚不适宜大规模产业化。我国石墨烯研究和产业发展基本处于产业链和价值链的低端,虽然资本界、学术界、媒体界等“热情高涨”,但无法掩盖上游材料生产企业盲目扩大产能,下游应用集中在附加值低的产品,已经初步显示出“低端化”发展的苗头。

目前,石墨烯产业总体上正处于概念导入期、产业化突破前期,正从实验室走向产业化。实验室成果和专利要成为商品,一般需要经过5个阶段:实验室研发——实验工厂(小试)——示范生产线(中试)——示范工厂——规模化生产,每个阶段都不可或缺,并且都潜在着风险,不可能一蹴而就,这个过程需要10年、20年、甚至更长时间。比如,硅材料历经了20多年、碳纤维坚持了半个多世纪。石墨烯虽然已经走出了实验室,但是大规模商业化应用仍然面临着很多制约因素。

1)技术方面。我国石墨烯专利申请量超过全球申请总量半数以上,稳居全球首位,但存在实用新型专利多、原创基础专利少,国内专利多、国际专利少,高校专利多、企业专利少的现象,即高端应用技术有待突破。如在电子信息、动力电池、医疗健康等新兴产业领域应用多处于技术攻关和储备期,离产业化仍有较长距离。在集成电路、光电器件、传感器、信息存储等领域的石墨烯应用研究偏弱,技术储备、基础配套不足,取得产业突破尚需时日。以石墨烯薄膜为原料的高端产品,如微电子材料和显示屏薄膜材料等,或处于实验室阶段,或处于中试阶段,短时间内均难以实现产业化。

2)产业化。石墨烯在产业化路上还存在竞争和市场风险,如石墨烯在某些性能方面存在竞争性材料,如碳纤维、碳纳米管、硅材料、石墨烯粉体等。石墨烯制备过程还存在着环境风险,如氧化石墨烯制备过程中需要大量的酸、碱,材料本身具有较强的稳定性和极易扩散,对环境具有较大的风险。关键技术和装备都尚未突破,虽然目前石墨烯制备技术已经有20多种,但规模化、低成本、高品质和大尺寸的宏量制备技术尚未取得实质性突破,难以满足工业化量产的需求。材料的分散技术,以及与下游工艺、工程化应用相结合的技术等都还制约着产业化进程。目前石墨烯制备技术普遍存在能耗、水耗大和工艺不环保等问题,对生态环境保护存在较大隐患。

3)市场问题。目前各种应用产品层出不穷,百花齐放,但真正的高品质、高附加值和体现石墨烯独特性能、颠覆性的石墨烯应用技术和产品尚未出现。绝大多数只不过是对传统材料进行改性或者努力替代已经成熟的材料,经过改性后的材料性能提升并不明显,或者石墨烯并不是非添加不可,个别甚至在添加之后出现不良后果,难以得到市场认可。目前石墨烯应用主要是以“添加剂”形式对涂料、改性纤维、热管理器件等传统产品的性能进行改进,而现阶段石墨烯对这些传统材料的性能并没有“质”的提升。如“石墨烯”涂料防腐性能以及润滑剂的润滑效果没有大数量级的提高。

4)标准缺失。目前国家层面的石墨烯材料标准尚未出台,部分企业与地方政府将石墨与石墨烯的概念混为一谈,学术界与企业界对石墨烯层数的标准判定也存在争议。如一些企业宣称实现石墨烯量产,但多是晶格缺陷高、多层堆叠的类石墨烯产品,并非真正单层石墨烯;一些企业将“类石墨烯”产品甚至是纯石墨产品宣传为石墨烯产品,混淆市场。

5)成本问题。目前大多数企业尚处于小批量生产的探索阶段,还不能形成稳定的规模化生产能力,没有资金的回笼。且企业前期的研发投入资金量大、周期长,应用市场没有打开,所以不论是材料本身,还是应用产品的成本都很高。下游应用多集中在粉体(类石墨烯)领域,产品主要是石墨烯智能保暖理疗暖贴、石墨烯发热服装、石墨烯织物等轻应用,同质化现象十分严重,即将石墨烯作为改性添加剂应用于涂料、复合材料、动力电池等规模大但对石墨烯的品质要求并不高的领域,产品附加值不高,阻碍了石墨烯进一步走向市场。

不过,可以相信的是,随着技术的成熟度越来越高以及资本市场、政府政策的大力推动,或许不用很久石墨烯将可以掀起电子科技领域的下一场革命。在强度、光学、电学等方面体现石墨烯的超优异性能,在晶体管、传感器、柔性触摸屏、可穿戴设备、环境治理等高端领域得以广泛应用。

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  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20191214A02P5A00?refer=cp_1026
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