國家科技傳播中心學術發展講堂是中國科協最新推出的一檔學術欄目，突出前沿性、思辨性和傳播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，傳播學術領域的前沿發展動態。講堂將持續邀請戰略科學家、一流科技領軍人才和創新團隊，講述突破傳統的前沿探索、卓有成效的改進方法、顛覆認知的創新理論以及改寫行業規則的研究成果。今日為您推送第六期內容，一起看→

“材料革命是推動人類文明進步的核心動力。作為21世紀最具顛覆性的新材料，石墨烯憑借其多維性能優勢，已成為全球科技競爭的戰略高地。我國在石墨烯領域兼具資源儲備與產業鏈優勢，技術發展與國際同步，為搶占新材料制高點提供了重大機遇。為加快提升我國石墨烯產業實力，產學研各方需凝聚合力，構建從基礎研究到工程應用的完整原創鏈條。”浙江大學求是特聘教授高超在國家科技傳播中心學術發展講堂上發表如上觀點。

多維性能驅動的國家戰略新材料

高超

石墨烯是碳的一種同素異形體，也是全球科研與產業應用的前沿陣地。2004年，英國曼徹斯特大學Geim教授團隊通過機械剝離法制備出單層石墨烯。2010年，該成果獲得諾貝爾物理學獎。縱觀人類文明史，材料突破始終引領時代變革。石墨烯在量子效應、超導特性等前沿領域的應用，或將推動人類社會從“硅基時代”向“烯碳文明”躍遷。

石墨烯的價值源于其力學、電學、熱學、光學等多維度性能：抗拉強度高達130GPa，載流子遷移率2×10? cm2/V·s，導熱率5300W/m·K，單層吸光率2.3%，且光熱電耦合性優異。這些物理特性使其成為新一代信息技術、航天航空、能源電子等新興產業與未來產業的重要基礎材料。

石墨烯對于我國尤其具有戰略意義，是我國在新材料領域實現技術引領的重大機遇。相較于鋼鐵、計算機、人工智能等領域存在的技術代差，石墨烯的研究是全球同步起跑。在基礎研究層面，我國與國際先進水平保持并跑態勢。此外，我國擁有全球最大的石墨產能和完備的工業體系，在原料供應、設備制造、下游應用等環節具有產業鏈優勢。

目前，石墨烯的制備方法已呈現兩條清晰路徑：化學氣相沉積法（CVD）與石墨剝離法。化學氣相沉積法因依賴金屬催化劑基底及復雜的轉移工藝，應用場景尚需打開。石墨剝離法規模化生產成本較低，且直接依托石墨礦產資源。為加快推進石墨烯的大規模多場景應用，需要從產學研共同發展的層面，構建從基礎研究到工程應用的完整原創鏈條。

石墨烯的產學研發展路徑與挑戰

石墨烯的創新之路遵循從科學發現到技術轉化，最終實現產業化應用的發展規律。石墨烯的產業化進程可概括為“三生模型”：即伴生階段、共生階段與創生階段。

伴生階段：石墨烯作為輔助性材料，以極低的比例（如1‰至1%）添加進現有材料體系，用于改善材料基本性能或功能。例如，石墨烯復合纖維、石墨烯防腐涂料和散熱涂層。

共生階段：石墨烯以較高比例與材料體系融合，并與之共同發揮優勢性能。例如，石墨烯發熱板、打印電路和石墨烯傳感器。

創生階段：石墨烯作為核心材料，顯著提升產品的性能水平，實現突破性應用。例如，純石墨烯纖維、石墨烯吸波隱身材料和石墨烯電池。

隨著技術成熟度的提升，石墨烯應用不斷拓展，已從伴生階段的材料改性，邁向共生階段的功能器件及創生階段的系統集成。在創生階段，吸波隱身材料、儲能電池、水處理、光電子器件等領域是石墨烯創新應用的重點前沿方向。

在低可觀測性技術應用領域，基于石墨烯的新型吸波材料具有顯著優勢：石墨烯制成的宏觀體材料質量更輕，且可通過調控氧化石墨烯還原程度，使材料在不同位置具備梯度導電性能，實現寬頻吸波。

石墨烯在能源領域應用潛力大。以鋰金屬電池為例，其薄鋰負極材料制備面臨著由金屬特性導致的材料強度差、加工難度高、厚度難控制等問題。為解決這些問題，可利用石墨烯膜連續特性制成多孔超薄膜，作為鋰金屬的吸附載體并構建高導電網絡，二者結合形成的超薄鋰-石墨烯復合薄膜，可實現自支撐并有效克服鋰金屬電極薄度局限，是極具潛力的鋰金屬電池負極材料。

次例是鋁離子電池。鋁具有極高的體積能量密度，其在儲能應用中展現出高效能、低成本優勢。研究表明，石墨烯薄膜能夠直接作為鋁-石墨烯電池的正極材料，從而顯著提升電池性能。該電池的全電池能量密度可達60 Wh/kg，功率密度高達197 kW/kg，且能在-20℃至100℃的寬溫范圍內實現快速充電，并具備長循環壽命潛力。

在海水淡化領域，石墨烯膜基于本征二維層狀結構，可通過控調石墨烯膜層間距，構建篩分孔徑并實現海水離子的選擇性分離。該方式可避免傳統反滲透膜的高能耗缺陷，并具備完全脫除鹽分的潛在技術特征，已成為突破現有膜分離技術瓶頸的重要研究方向。

光電子器件領域是石墨烯創新應用的重要方向。石墨烯可與硅結合，借助其寬譜光吸收特性，將光電子探測器的探測波長從傳統硅材料的可見光（約400-700納米）及近紅外波段（700-1100納米）拓展至中紅外波段（4微米）。在短波方面，已實現X射線探測器。因此，石墨烯的引入可實現從X射線到紅外波段的寬光譜室溫探測。

目前，石墨烯的產學研創新之路面臨著從原料制備到加工成材，再到器件應用的多環節挑戰。需要實現“科學—技術—工程—樣品—產品—商品”的全鏈條充分貫通，將科學層面的突破有效轉化為技術化、工程化的成果，最終推動市場化進程。

石墨烯產學研路徑上的諸多問題可以總結為“4M問題”。

宏量制備（Mass-production）：在原料層面，需解決石墨烯原料高品質、低成本的量產問題。

宏觀組裝（Macro-assembly）：在原料獲得后，需解決納米級石墨烯粒子到宏觀薄膜或纖維的組裝問題。

微觀分散（Micro-dispersion）：在制作復合材料時，需解決石墨烯粉體形式的分散問題。

微型器件（Micro-devices）：在制作微型器件時，需解決高性能模型的陣列化及集成問題。

當前，全球在原料制備、宏觀組裝層面已取得了階段性進展。

在宏量制備方面，韓國研究團隊采用化學氣相沉積（CVD）技術，成功制備出高品質純平單晶石墨烯薄膜，解決了石墨烯薄膜表面褶皺這一關鍵問題。在規模制備方面，北京大學的研究團隊成功在玻璃上直接生長石墨烯，并實現了幾十微米厚度的百萬層石墨烯制備，提供了基于生長條件控制的高品質石墨烯薄膜厚度精準調控的技術手段。

在宏觀組裝方面，石墨烯纖維、薄膜及氣凝膠都需要解決兩個關鍵問題：微結構調控及高效率規模化制備。例如，2013年，我們發表了關于超輕石墨烯氣凝膠的研究成果，采用了冷凍干燥技術，不利于量產；經過不斷迭代創新，發明了室溫發泡法，其摒棄了冷凍干燥過程，有效解決了傳統方法能耗高、效率低、尺寸小的弊端，實現了高彈性石墨烯氣凝膠的室溫連續化制備，為材料的工程化應用提供了關鍵技術支撐。

目前，微觀分散仍是高性能復合材料制備中亟需攻克的技術環節。以氧化石墨烯增強水泥技術為例，水泥的二氧化碳排放量占全球總排放量的近8%，是“雙碳”戰略中的重點關注對象。研究表明，在水泥中摻雜0.01-0.03wt%的氧化石墨烯，抗壓強度增強25%-46.9%。然而受限于氧化石墨烯的超低摻量，其在水泥中的均勻分散始終是技術難點，導致該技術迄今未能實現規模化應用。

石墨烯產業蘊含著巨大的發展潛力，但須要增強發展的緊迫感，在基礎研究、應用技術以及產業發展等多個環節，做好充分準備，才能實現從基礎研究到工程應用的全鏈條貫通。

石墨烯的產業化探索與實踐

紙上談兵難以打開新材料產業化之路，躬身入局方知其中的難點、痛點及堵點。我們團隊歷經近二十年的基礎研究和十多年產學研協同探索與創業實踐，初步構建起基于“一片原料、兩根纖維、兩張膜”的“122”石墨烯產業化技術體系。

一片原料：單層氧化石墨烯

兩根纖維：石墨烯基碳纖維、多功能康護纖維

兩張膜：石墨烯散熱膜、石墨烯發熱膜

在原料方面，基于快速“全單層反應”技術，實現了氧化石墨烯的單層轉化與高效剝離；“極限提純技術”攻克單層氧化石墨烯反應液提取難題；“固化再分散技術”解決石墨烯花狀粉體再分散難題。2019年，我們的氧化石墨烯量產線獲得國際石墨烯產品認證中心（IGCC）全球首個單層氧化石墨烯產品認證，單層率超99%，且具備全球化供應能力。

纖維是石墨烯產業化的重要技術方向。先看石墨烯纖維或石墨烯基碳纖維。碳纖維具備輕質量、高強度、高硬度、高導電導熱、強穩定性與可編織特性，是航空航天、海洋工程等重要領域關鍵裝備研制的核心骨架材料與關鍵功能材料，戰略價值巨大。我國在結構性碳纖維領域已取得顯著進展，已實現T800等高強度系列碳纖維的量產。但在功能性碳纖維領域，尤其在高導熱技術方面，我國較國際先進水平仍有差距。例如，美國氰特K1100碳纖維作為國際一流水平，導熱率可達950 W/m·K，而我國同類產品導熱率普遍為600-700 W/m·K。高導熱碳纖維復合材料是航空航天、電子通信、人工智能熱控等領域的理想材料，其“卡脖子”問題將導致多項前沿技術發展受限。

為實現石墨烯纖維兼具高強度、高模量、高導熱與高導電特性，突破功能結構一體化難題，我們跳出傳統石油路線，提出了“石墨制纖”的創新路徑：以石墨為原料，將其轉化為氧化石墨烯，形成液晶后紡絲并還原，最終制得新型石墨烯纖維，打通了從石墨到碳纖維的新路徑。在工程化階段，我們突破了Griffith定律中“越粗越弱”的限制——通過融合細且強的多根石墨烯纖維，制成兼具剛度與強度的新型碳纖維。其導熱率達1100-1200 W/m·K，高于美國K1100碳纖維。

其次是康護纖維。我國化學纖維產量雖居全球首位，但纖維核心技術相對薄弱。我們采用氧化石墨烯與化纖原料單體原位共聚的方法，制得石墨烯改性纖維（康護纖維）。已攻克分散性、高速紡絲及功能持久性等難題，實現大規模生產與銷售。經檢測，康護纖維具備抗菌抑菌、抗病毒、防螨蟲、抗紫外、負離子發生和遠紅外發射六項功能和安全環保特性，為纖維紡織產業轉型升級提供了新樣板。

石墨烯膜材料的產業化發展集中在發熱膜和散熱膜方向。發熱膜應用于汽車產業的方向盤發熱與離手檢測。此外，遠紅外線對人體康護作用與機理是發熱膜的另一研究方向。散熱膜憑借高柔性和高導熱性，在航天領域已得到重要應用。其主要作用包括控溫、減重和隔振。石墨烯散熱膜的高柔性可有效隔絕振動，提高成像分辨率；同時，其高導熱性及低密度可有效提升導熱能力并降低重量，進一步降低成本。

結束語

新材料產業作為戰略性、基礎性、全局性產業，是科技強國建設的核心支撐。石墨烯以其獨特的二維結構與多維性能優勢，正在突破傳統材料的物理極限，成為“烯碳文明”時代的關鍵驅動力。我國擁有豐富的石墨礦資源、領先的技術、專業的人才隊伍、完善的產業鏈以及有力的政策支持，已逐步實現了從科學發現到產線搭建的一系列標志性成果，石墨烯產業化正逢其時，面向未來，唯有以政策為牽引、以市場為導向、以創新為紐帶，凝聚產學研合力，貫通“科學—技術—工程—樣品—產品—商品”的“from papers to products”整體原創鏈條，久久為功，方能將石墨烯的“性能潛力”轉化為“產業實力”和“原創牽引力”，為我國新材料領域的高質量發展注入強勁動能。