我国石墨烯产业:等待突破的材料之王

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。2018年,石墨烯在华为mate 20手机上成功实现应用,标志着我国石墨烯热管理材料的产业化步入了一个新阶段。尽管如此,石墨烯这个“材料之王”仍脱不掉“等待突破”的标签。

集万千优势于一身曾遭过度热捧,2019值得期待

石墨烯是近十几年来炙手可热的二维材料,最早由英国曼彻斯特大学科学家于2004年成功制备,2010年诺贝尔物理学奖将其推成了纳米材料的新贵。集优异的力学、热学、电学和磁学性能于一身,可在复合材料、触摸屏、集成电路、超级电容等多个领域实现应用,被誉为21世纪的神奇材料、万能材料、超级材料等。



(图片来源:中信证券研究部整理)

例如,市场主要使用2D硅基集成电路,而随着集成电路面积单纯的2D缩小已经逼近摩尔极限,向3D发展成为趋势,而3D集成电路存在散热、电路串扰及制造工艺等问题,石墨烯在3D集成电路领域的应用引起了研究人员的关注,提出具有石墨烯屏蔽效应的3D集成电路、石墨烯作为静电阻抗器的3D集成电路、在3D芯片中增加石墨烯层解决散热问题等。

也正因此,石墨烯自问世以来就被市场赋予了极高的期待,导致了一哄而上、被过度热捧的乱象,随着产业的发展、市场的调整,目前石墨烯市场也更加理性。

2019年,我国石墨烯产业发展形势值得期待。赛迪智库研究表明,2019年我国石墨烯市场规模继续扩大、市场发展更加理性、全产业链不断完善。

而其推动因素来自于多个方面,例如标准制定、政策、资本、研发等。

在标准制定方面,据中国石墨烯产业技术创新战略联盟统计,截至2018年底,正在制定的石墨烯国家标准有7项,地方标准5项,行业/企业标准近40项,覆盖了石墨烯的基础通用、表征与测量、环境、产品规范、应用等多个领域。

在政策方面,2018年多份政策都将石墨烯写入其中,例如国家统计局发布《战略性新兴产业分类(2018)》,包括新一代信息技术产业、新材料产业、节能环保产业、数字创意产业、相关服务业等9大领域,提及石墨烯粉体、石墨烯薄膜入选;泉州市出台《泉州市石墨烯产业发展路线图(2018—2025年)》;广西省正式出台《广西石墨烯产业发展工作方案》等。在工信部2018年公示的《2017年重点新材料首批次应用保险补偿试点工作拟补助项目》中有4个项目涉及到石墨烯。

(图片来源:《中国石墨烯产业发展白皮书(2017)》

在组织机构方面,2018年北京石墨烯研究院揭牌成立、国家级石墨烯质检中心落户无锡、西安丝路石墨烯创新中心揭牌成立、西安丝路石墨烯创新中心揭牌成立等。石墨烯研究院、产业园、产业联盟等成立,可促使产业上下游联动发展的格局更加深化,着力打通石墨烯基础研究与产业需求间缺失的环节,使石墨烯产业链也将更加完善。

这为石墨烯2019年发展之路,起到了引领、促进及规范的作用。

此外,值得注意的是,投资市场对石墨烯的认识从狂热到趋于冷静。

我国石墨烯版图

据中国石墨烯产业技术创新战略联盟统计,我国石墨烯单位已经超过4800家,涉及石墨烯材料制备、应用开发、终端应用等各个关键环节。在材料制备领域,石墨烯粉体和薄膜两类企业超300家;应用领域相关企业超过600家。

从产业集聚度来看,目前我国大多数石墨烯公司分布在东部沿海一带,尤其是长三角、珠三角、京津冀鲁聚合区。

江苏是我国较早发展石墨烯的省份,拥有江苏省石墨烯产业技术创新战略联盟(产学研合作载体)、江南石墨烯研究院、江苏省产业技术研究院石墨烯材料研究所等。常州石墨烯小镇是江苏省最具代表、领航作用的石墨烯产业聚集地,相关企业超过100家,其中石墨烯原材料制备企业数量约占全国总数一半,甚至在业内有“全国石墨烯产业一半天下在常州”的说法。

据常州石墨烯小镇官方介绍,常州市在石墨烯粉体和透明薄膜两大基础性原材料上率先实现规模量产,其中粉体产量约占全国50%以上,薄膜产量约占全国80%以上。全球第一条年产100吨石墨烯粉体生产线、全球第一条3万平方米CVD法石墨烯透明导电薄膜生产线等,多个全球或全国第一的纪录在这里诞生。

京津冀于2015年便成立了京津冀石墨烯产业联盟,旨在整合三地资源,加速推进低成本石墨烯及装备技术的产业化进程,形成京津冀战略性新兴产业高地。2016年,中国最顶尖的石墨烯研究机构——北京石墨烯研究院(BGI)也成立了,发展布局为掌控石墨烯材料制备与产业化装备核心技术、面向企业需求开展高端研发代工、打造石墨烯众创空间推动协同创新与产业培育,定位于引领石墨烯产业的核心技术策源地、高科技产业创新机制与创新文化示范区、全球石墨烯高端人才汇聚地、石墨烯产业资源协同聚集体及创新创业高地等。

2月25日,北京石墨烯研究院标号石墨烯材料研究等3项课题顺利通过北京市科委验收,标志着BGI在石墨烯材料标号规则研制及高品质石墨烯薄膜制备、石墨烯玻璃低温快速生长、石墨烯粉体绿色制备等石墨烯核心材料研究领域取得了重要的技术突破。

可见,京津冀发展石墨烯优势在于“科研资源”丰富。

山东地区的石墨烯产业主要集中在青岛和济宁等地。经过几年的发展,山东已初步形成从石墨烯原材料、设备到应用领域的产业链雏形。

青岛申报的“国家火炬青岛石墨烯及先进碳材料特色产业基地”于2015年获批建设,标志青岛以石墨烯为引领的先进碳材料产业正式进入国家产业布局版图。2018年,《青岛市石墨烯产业发展规划(2018-2025)》发布,成为首个市级石墨烯专项规划,青岛将大力推进石墨烯的技术攻关与产业化,到2025年打造成北方领先的石墨烯应用示范城市、打造超过百亿级的石墨烯产业价值链。

青岛发展石墨烯产业有资源方面的优势,它是我国石墨资源三大主要产地之一,占全国石墨矿产储量的20%以上,并且品质高、开采难度低。

珠三角地区石墨烯产业以深圳为核心。2018年深圳石墨烯制造业创新中心正式投入使用,示范基地承担了深圳市在石墨烯产业上共性技术研发、产品检验检测、标准研究制定、项目孵化培育等公共服务职能。光明区是深圳石墨烯产业的重要空间承载地,贝特瑞新能源材料有限公司和华星光电是该区的石墨烯示范性企业。

深圳发展石墨烯的优势在于广阔的应用市场,能源、新材料、电子信息、可穿戴设备、电动汽车等诸多领域产业集群发达。

此外,南京、无锡、泰州、宁波、重庆、赣州等地在石墨烯领域也有相应的布局。

国家集成电路石墨烯新材料基因组计划

美国于2011率先提出“材料基因组计划”。我国科学家立即捕捉到该计划所释放出的重要信息,并于2012年在中国工程院和中国科学院的推动下,启动了“中国版材料基因组计划”。

国家石墨烯应用产业技术创新战略联盟常务副理事长兼秘书长赵猛博士曾在2018年创造性地提出国家集成电路石墨烯新材料基因组计划,并透露国家集成电路石墨烯新材料基因组计划一期首推十七大工程,即石墨烯半导体晶圆、石墨烯芯片、石墨烯载带、全功能石墨烯集成电路、石墨烯触摸屏、石墨烯材料闪存原型、石墨烯U盘、石墨烯量子晶体管、石墨烯处理器、石墨烯湿度传感器、石墨烯图像传感器、石墨烯导电浆料、石墨烯复合膜、石墨烯LED灯、石墨烯超级电池、石墨烯太阳能电池。

梦想实现过程仍有拦路石

尽管石墨烯产业看似繁华,但背后却满是伤感。

因为,石墨烯产业化进程却不尽人意。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,产品质量难以保障;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。此外,由于石墨烯产品标准并不是很完善,并受限于检测方式有限等原因,造成石墨烯材料市场出现以次充好、鱼龙混杂的现象。

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。