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石墨烯——一种新材料行业的“革命”

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp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具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。2004年,康斯坦丁-诺沃肖罗夫教授和安德鲁-盖姆教授首次分离出石墨烯。

其应用方向:海洋防腐、金属防腐、重防腐等领域。石墨烯具有良好的导热、导电性能。然而利用石墨烯其研制生产的柔性石墨烯散热薄膜能帮助现有笔记本电脑、智能手机、LED显示屏等,石墨烯能有助于大大提升散热性能。

石墨烯的结构及性能

石墨烯具有完美的二维晶体结构,它的晶格是由六个碳原子围成的六边形,厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接,结合方式为sp2杂化,这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍,甚至还要超过钻石。在石墨烯中,每个碳原子都有一个未成键的p电子,这些p电子可以在晶体中自由移动,且运动速度高达光速的1/300,赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光;导热系数高达5300W/m·K,高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Ω·cm,比铜或银更低,为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低,电子迁移的速度极快,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体,也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

整体发展现状

技术成熟直接推动石墨烯价格持续降低,进一步加快应用发展。随着技术的不断成熟, 目前石墨烯粉体及薄膜的价格已大幅下降,随着工艺和设备的改进,预计未来还存在进一步下降的空 间。随着成本的持续下降、以及下游各项应用陆续落地,石墨烯作为高性能添加材料进行应 用推广的可行性快速提高。

各级产品已臻成熟,高端技术瓶颈快速突破。石墨烯产业链由上游的石墨开采与石墨烯制备设备、中游的石墨烯产品加工与下游的石 墨烯服务业构成。终端市场导向的石墨烯消费产品是石墨烯产业链的核心盈利环节。

石墨烯从发现到现在不过短短十几年,整体上还处于以研究为主的阶段, 处在产业化突破的前期,大部分产品离市场成熟还需要至少 5~10 年, 而且相应的下游应用和终端产品的技术规范和标准制定还没有设定,所 以下游企业希望在短期内实现盈利不太现实。但随着石墨烯制备、生产技术的日趋成熟,其需求市场还是会渐次打开,特别是在一些需求迫切、应用价值大或者国家政策明确指引的领域,具有快速突破的潜力。

预计到 2020 年全球石墨烯年产能将达到千吨级。全球石墨烯市场规模将超 1000 亿元,其中中国占比 50%~80%,中国将在全球石墨烯产业中起到主导和核心作用。

从国家政策引导的角度,石墨烯基电极材料、防腐涂料、柔性电子用石 墨烯薄膜等领域是国家重点扶持领域。各个国家对石墨烯的未来发展方 向都进行了必要的引导政策。

“中国制造2025 ”对石墨烯产业的发展目标

从行业联盟的视角,未来 5 年柔性显示、锂电池和复合材料等领域有望 迎来飞跃。根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟的预测,到 2020 年, 石墨烯在新能源行业的锂电池和超级电容市场规模将突破 534 亿元;电 子信息行业的柔性显示和可穿戴领域,市场规模将突破 267 亿元;在复 合材料市场的塑料、橡胶、涂料、导电油墨四大领域,规模将突破 372 亿元;在节能环保领域,将突破 90 亿元;在热管理领域,电子产品散 热膜、LED 散热材料、石墨烯发热膜等市场规模将突破 341 亿元;在生物医药领域方面,石墨烯应用于生物安全、纳米载药体系、基因治疗、生物监测以及生物成像和诊断方面,市场规模将突破 91亿元。因此, 柔性显示、锂电池和复合材料等领域是石墨烯未来产业化突破的重点领 域。

综合考虑石墨烯在各个下游领域的技术研究进展、政策引导方向以及下 游市场的接受度,我们认为石墨烯产业爆发点已初步形成,未来将逐步 在各个细分领域分阶段释放。

未来 5-10 年,导电添加剂、防腐涂料、触摸屏等低端应用领域的产业化将趋于成熟,超级电容、传感器、电子芯片等中高端领域也将逐渐进入产业化,石墨烯产业将进入快速成长期,市场空间将快速扩大。 据预测,2018 年全球石墨烯市场规模可能高达 1.95 亿美元,之后将加速发展,于 2023 年超过 13 亿美元,复合增长率高达 47%。2023 年石墨烯下游主要市场领域包括超级电容、显示、结构材料等。

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