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石墨烯研發(fā)仍居戰略高位,中、英、美、德……歐盟研發(fā)現狀總覽!
發(fā)表時(shí)間:2020-02-24     閱讀次數:     字體:【

進(jìn)入21世紀以來(lái),納米金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯等新型納米碳材料的迅速發(fā)展引起了全世界的廣泛關(guān)注。當碳材料的尺度縮小到納米范圍時(shí),其部分物理、化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著(zhù)變化,并呈現出由高比表面積或量子效應引起的一系列獨特性能。新型納米碳材料具有穩定性好、強度高、比表面積高和來(lái)源豐富等特點(diǎn),是最具發(fā)展潛力的前沿材料,也是主導未來(lái)高科技競爭的戰略材料。

盡管納米金剛石和富勒烯發(fā)現較早,但受制于量產(chǎn)技術(shù)和應用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)限制,目前仍處于實(shí)驗室階段。當前,石墨烯和碳納米管是引發(fā)各國政府、學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)各界全面關(guān)注的重點(diǎn)新型納米碳材料,具有一定規模的產(chǎn)業(yè)基礎。

石墨烯

石墨烯不僅是世界上已知的最強、最堅硬、最薄的材料,同時(shí)也是已知材料中電阻率最小、導熱系數最高的物質(zhì)。

石墨烯材料根據其形態(tài)與應用可以分為微片(粉體)和薄膜兩類(lèi)。石墨烯微片的制備方法包括氧化還原法、插層剝離法、液相剝離法、機械剝離法等;石墨烯薄膜的制備方法包括化學(xué)氣相沉積法以及外延生長(cháng)法等。其中,利用插層剝離法或氧化還原法制備石墨烯微片的技術(shù)已實(shí)現產(chǎn)業(yè)化,而以化學(xué)氣相沉積法及卷對卷工藝生長(cháng)和轉移大面積石墨烯薄膜的技術(shù)也已取得重大突破。

石墨烯材料在應用層面上的發(fā)展將會(huì )經(jīng)歷以下初級、中級、高級三個(gè)階段。初級應用階段:受制于成本因素,短時(shí)間內很難實(shí)現大規模的石墨烯單獨應用,石墨烯主要用于提高其他材料的性能,有望在鋰離子電池、導熱材料、導電油墨、防腐涂料等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用;中級應用階段:隨著(zhù)高質(zhì)量石墨烯量產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟,石墨烯應用有望通過(guò)支持各類(lèi)新型器件,在柔性顯示、太陽(yáng)能電池、超級電容器、膜材料、傳感器、晶體管以及假體植入物等方面找到新的出路;高級應用階段:一旦石墨烯量產(chǎn)化成熟,晶圓級石墨烯單晶取得突破之后,將通過(guò)系統集成,不斷挑戰技術(shù)突破,在技術(shù)門(mén)檻更高的未來(lái)生物醫療、高頻器件以及高強度多功能復合材料等領(lǐng)域,有望發(fā)揮顛覆傳統產(chǎn)業(yè)的潛力。

全球研發(fā)現狀

2004年,英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Kostya Novoselov)第一次成功地從石墨中分離出了sp雜化的石墨烯,自此石墨烯的研究掀起了熱潮。特別是近年來(lái),英、美、德、日、韓各國以及歐盟均將石墨烯的研發(fā)上升至戰略高度,各學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界紛紛發(fā)力與國家高層布局遙相呼應,正在形成技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)投資的高潮,力爭把握石墨烯技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的機遇。

作為石墨烯的誕生國,2011年起英國政府將石墨烯定為重點(diǎn)發(fā)展的新興技術(shù),投入巨額資金,重點(diǎn)研究領(lǐng)域涉及電子信息、傳感器、復合材料、儲能材料以及結構材料。英國石墨烯研究基礎雄厚,學(xué)術(shù)方面以曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)為主,科研機構由英國國家石墨烯研究中心(NGI)牽頭,還將于2018年建成第二個(gè)石墨烯技術(shù)創(chuàng )新中心——英國石墨烯工程創(chuàng )新中心(GEIC)。產(chǎn)業(yè)層面,除英國本土企業(yè)外,英國國家石墨烯研究中心還與全球約50家企業(yè)建立了合作關(guān)系,旨在將石墨烯的基礎研究推向產(chǎn)業(yè)化。

近年來(lái),德國政府攜手歐盟通過(guò)政策鼓勵、資金支持充分調動(dòng)國內科研機構、企業(yè)和高校的積極性,全面參與石墨烯研發(fā)項目,形成了政產(chǎn)學(xué)研一體的石墨烯研發(fā)網(wǎng)絡(luò ),在石墨烯應用于光子和光電器件領(lǐng)域具有較強優(yōu)勢。此外,德國愛(ài)思強(AIXTRON)公司研發(fā)出的金屬有機化學(xué)氣相沉積設備標志著(zhù)大規模石墨烯制備技術(shù)取得突破性進(jìn)展。

2013年,歐盟啟動(dòng)石墨烯旗艦計劃(Graphene Flagship),總投資高達10億歐元,并在一年后發(fā)布了石墨烯科技路線(xiàn)圖。運行至今,石墨烯旗艦計劃帶領(lǐng)英、德、法、意大利、荷蘭、丹麥等歐洲國家,攜手推進(jìn)石墨烯的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程,并積極促進(jìn)了與全球其他地區的合作交流。

美國政府在布局石墨烯的研發(fā)應用時(shí)針對性極強。國防部開(kāi)展了多項石墨烯研究項目,重點(diǎn)是將其應用于最具顛覆傳統產(chǎn)業(yè)潛力的更輕、更小、更快、更高頻的電子器件領(lǐng)域,以及提高軍事能力的復合材料和傳感器領(lǐng)域,以期占據軍事前沿技術(shù)的制高點(diǎn)。各高校和科研院所近年來(lái)積極投身石墨烯材料制備和應用領(lǐng)域的廣泛研究。產(chǎn)業(yè)層面上美國呈現多元化布局,既包括IBM、英特爾(Intel)、波音(Boeing)等行業(yè)巨頭,也包括一批中小型石墨烯新興企業(yè)。

韓國石墨烯制備技術(shù)和器件研究發(fā)展迅猛,政府提供了數億美元的資金支持相關(guān)研究,主要研究機構包括部分高校以及三星電子和LG公司,在薄膜制備、光電器件、晶體管以及OLED等方面已擁有豐富的應用研究成果,并積極與英國及歐洲石墨烯旗艦計劃開(kāi)展合作。

日本政府近年來(lái)大力支持包括石墨烯在內的納米碳材料相關(guān)研究,經(jīng)產(chǎn)省投資120億日元鼓勵研發(fā)。在政府的支持下,日本在石墨烯量產(chǎn)技術(shù)、儲能應用等方面取得一定成果,試圖利用石墨烯的優(yōu)異性能鞏固其在電池領(lǐng)域的傳統優(yōu)勢。

我國近年在石墨烯領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究,躋身世界石墨烯研究領(lǐng)域第一梯隊,申請專(zhuān)利總數世界第一,在石墨烯制備、物性與應用基礎探索方面獲得了一批具有國際影響力的創(chuàng )新研究成果。科研力量主要集中在清華大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校,中國科學(xué)院等科研機構以及部分企業(yè)。近年來(lái),我國石墨烯產(chǎn)業(yè)也呈現蓬勃發(fā)展之勢,但產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,產(chǎn)業(yè)發(fā)展虛火旺盛。我國政府對石墨烯研究及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展也給予了大力支持?!缎虏牧袭a(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規劃》中將石墨烯作為重點(diǎn)發(fā)展的前沿新材料?!丁笆濉眹铱萍紕?chuàng )新規劃》中明確將石墨烯列為重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)功能材料與顛覆性技術(shù)?!吨袊圃?025》也明確要求做好石墨烯等戰略前沿材料的提前布局和研制,并編制了石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線(xiàn)圖。整體而言,我國在石墨烯研究領(lǐng)缺乏原始創(chuàng )新和系統創(chuàng )新,缺乏真正殺手锏級別的石墨烯應用技術(shù);成果轉化率較低,產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平亟需提高,產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量有待加強。

未來(lái)發(fā)展趨勢

未來(lái),石墨烯作為國際高科技產(chǎn)業(yè)競爭的熱點(diǎn),其發(fā)展將主要從制備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化應用層面進(jìn)行全面提升。制備技術(shù)上將進(jìn)一步發(fā)展高質(zhì)量石墨烯粉體和石墨烯薄膜的可控、綠色、低成本和大規模工業(yè)化制備技術(shù);產(chǎn)業(yè)化應用上將探索廣泛應用領(lǐng)域的發(fā)展潛力,努力發(fā)展石墨烯“殺手锏”和高性?xún)r(jià)比應用。此外,國際上石墨烯標準化推進(jìn)工作也在穩步進(jìn)行中。
此文章來(lái)源于:材料委


 
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