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石墨烯产业:切勿重演“大炼钢铁”运动
2016-12-19 15:10  · 来源:科技日报  · 作者:刘忠范  · 责编:王长尧

  中国现在处于“石墨烯淘金热”中,全国各地都在做石墨烯产业,石墨烯这个词几乎家喻户晓。作为如此火爆的“网红”,中国石墨烯产业发展之路到底该怎么走?怎么才能走得更稳健、更长远?这些应该是科技界和产业界思考的问题。

  石墨烯号称“新材料之王”,是一种二维蜂窝状纯碳材料,集众多特性于一身。它是目前最薄、最轻的材料,同时也是最强、最坚硬的材料。虽然石墨很软,但是单层的石墨烯材料甚至比金刚石还硬。我们所熟知的金刚石导热性很好,热导率在2000W/mK(导热系数)左右,而石墨烯的热导率达到5300W/mK。石墨烯还兼具柔性、透明等特性,而且只有质子能够穿透。这些优良的特性赋予了石墨烯材料极为广阔的应用前景,也是吸引全世界眼球的根本原因。

  石墨烯价值理想丰满但现实骨感 

  中国拥有全世界最为庞大的石墨烯研发队伍,从2011年起发表的学术论文数量就稳居世界第一。中国申请的石墨烯专利数量也高居全球榜首,呈遥遥领先之势。

  目前,中国正在掀起一场轰轰烈烈的石墨烯产业化运动。全国有将近20家石墨烯产业园,这个数字还在增长。无论是发达地区,还是偏远地区,都在建石墨烯产业园,这让人想起1958年大跃进时期的“大炼钢铁”运动。

  其实,对于石墨烯材料来说,理想与现实差距很大。理想的石墨烯具有完美的蜂窝状结构,而现实的石墨烯就像一件破衣服,由无数个石墨烯微片拼接而成。石墨烯上有很多缺陷,还有很多脏东西。因此,现实制备出来的石墨烯材料性能没有那么好,价值也没有那么高。套用一句网络语言,就是“理想很丰满,现实很骨感”。

  石墨烯材料需持续投入更需耐心 

  我们可以看不懂未来,但是可以回顾历史,温故而知新。大家所熟悉的碳纤维研发历史很有借鉴意义。1961年,大阪工业技术试验所进藤昭男发明聚丙烯腈基碳纤维制备技术,十年后的1971年日本东丽公司率先实现工业化量产,每月1吨的规模。东丽公司沿着T300、T800、T1000的标号之路不断提升碳纤维的质量,投入了1400多亿日元研发资金,直到2003年赢得波音787合同后,才真正扭亏为盈。实际上,早年的碳纤维只能做钓鱼杆,而现在的碳纤维已成为先进航空器的支撑材料。同样叫碳纤维,但是东西不一样,强度完全不一样。相信石墨烯材料也会走同样的路,需要时间的积淀,需要持续的投入,更需要耐心。

  石墨烯制备决定其未来不尽相同 

  制备决定未来。现在的石墨烯并不等同于未来的石墨烯。

  石墨烯可以分成两大类,粉体石墨烯和薄膜石墨烯,制备方法不同,用途也完全不同。从大规模生产的角度讲,粉体石墨烯通常从石墨出发制备,通过一系列的物理化学过程把石墨烯从块体石墨上剥离下来。这种石墨烯一般质量较差,但产量很大,也比较便宜。目前国内产能已达到7000吨规模,实际产量也就百吨规模。

  化学气相沉积方法是规模化制备薄膜石墨烯的通用技术,所得到的石墨烯质量很高,当然也比较贵,目前国内产能已达到年产百万平米量级。北京大学在高质量石墨烯制备方面做了大量的研究探索,在标号石墨烯薄膜、三维粉体石墨烯、超级石墨烯玻璃以及超级石墨烯光纤等研究领域取得一系列重要突破。

  需要关注引领未来的核心技术 

  未来的石墨烯产业会是一块大蛋糕。当然,这块蛋糕我们能够切到多少是个未知数。取决于我们现在关注什么,我们需要关注的是引领未来的核心技术,而不仅仅是今天的产品。当然,从一个实验室材料和技术走到产业需要很长的路,需要投入、坚持和耐心。

  中国拥有最庞大的石墨烯研究队伍,但是非常分散,基本上是小作坊式的。到处搞石墨烯产业园的做法,大部分是简单重复,缺少技术含量,急功近利现象非常严重。

  很多人误认为石墨烯产业会很快走向大规模快速发展阶段,实际上并非如此。根据高德纳公司(Gartner)的技术成熟度曲线,实际上石墨烯产业仍处于早期阶段,很快就会进入死亡谷,这时候最需要的是坚持、企业远见和国家意志。碳纤维从小批量生产到现在已有45年,而石墨烯只有12年的历史,的的确确跑得有点快了。石墨烯产业毕竟是实体产业,绝不会像互联网那样一“忽悠”就起来。

  当然,我们也看到了希望。北京市刚刚启动了石墨烯专项,跨度是十年,从“十三五”到“十四五”规划。我们的布局绝不仅仅是今天的产品,重点是未来的核心技术研发。

  北京市的另一个重要举措是成立北京石墨烯研究院,希望该研究院能够引领石墨烯产业的未来。这个研究院生产的是技术以及技术派生出来的企业群,还有最终的石墨烯产业,而不是今天的产品。

  石墨烯产业未来发展的三大可能 

  石墨烯行业究竟前途无量还是昙花一现?首先,制备决定未来,尤其重要的是要有工匠精神。无论是什么新材料,如果我们能够做到几十年如一日地坚持研发,以中国人的聪明才智肯定能够做好。但是目前的做法常常不是这样,急功近利,短平快地赚钱而已。另外,石墨烯材料需要找到杀手锏级的用途,而不是万金油式的应用。期待超级石墨烯玻璃能够成为其中的杀手锏级应用产品。

  很多人问石墨烯究竟能走多远,我给出了三种可能的前途:

  第一种类似于碳纤维。相信只要石墨烯原材料制造水平不断提升,至少会像碳纤维那样,成为某个特定行业的杀手锏级材料。

  第二种类似于塑料。一百多年前人们发明了塑料,现在你离不开它,我们难以想象没有塑料的生活是什么样子。石墨烯有没有这样的可能呢?的确有可能,因为用途非常广泛。

  第三种类似于硅芯片。可以说现在是硅时代,因为硅改变了人类的精神生活。石墨烯或许也有这个可能。

  回顾人类文明的发展历史,从石器时代、青铜器时代到钢铁时代,现在可以说进入了硅时代。未来说不定会有“石墨烯时代”,让我们一起期待并参与推进这个新时代的到来。

  (作者系北京大学化学与分子工程学院教授、中国科学院院士)

 

 

  

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