國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂是中國科協(xié)最新推出的一檔學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)領(lǐng)域的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)。講堂將持續(xù)邀請(qǐng)戰(zhàn)略科學(xué)家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，講述突破傳統(tǒng)的前沿探索、卓有成效的改進(jìn)方法、顛覆認(rèn)知的創(chuàng)新理論以及改寫行業(yè)規(guī)則的研究成果。今日為您推送第六期內(nèi)容，一起看→

“材料革命是推動(dòng)人類文明進(jìn)步的核心動(dòng)力。作為21世紀(jì)最具顛覆性的新材料，石墨烯憑借其多維性能優(yōu)勢(shì)，已成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地。我國在石墨烯領(lǐng)域兼具資源儲(chǔ)備與產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，技術(shù)發(fā)展與國際同步，為搶占新材料制高點(diǎn)提供了重大機(jī)遇。為加快提升我國石墨烯產(chǎn)業(yè)實(shí)力，產(chǎn)學(xué)研各方需凝聚合力，構(gòu)建從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的完整原創(chuàng)鏈條。”浙江大學(xué)求是特聘教授高超在國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂上發(fā)表如上觀點(diǎn)。

多維性能驅(qū)動(dòng)的國家戰(zhàn)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(chǎn)業(yè)應(yīng)用的前沿陣地。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)Geim教授團(tuán)隊(duì)通過機(jī)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(xué)獎(jiǎng)。縱觀人類文明史，材料突破始終引領(lǐng)時(shí)代變革。石墨烯在量子效應(yīng)、超導(dǎo)特性等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用，或?qū)⑼苿?dòng)人類社會(huì)從“硅基時(shí)代”向“烯碳文明”躍遷。

石墨烯的價(jià)值源于其力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等多維度性能：抗拉強(qiáng)度高達(dá)130GPa，載流子遷移率2×10? cm2/V·s，導(dǎo)熱率5300W/m·K，單層吸光率2.3%，且光熱電耦合性優(yōu)異。這些物理特性使其成為新一代信息技術(shù)、航天航空、能源電子等新興產(chǎn)業(yè)與未來產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。

石墨烯對(duì)于我國尤其具有戰(zhàn)略意義，是我國在新材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)的重大機(jī)遇。相較于鋼鐵、計(jì)算機(jī)、人工智能等領(lǐng)域存在的技術(shù)代差，石墨烯的研究是全球同步起跑。在基礎(chǔ)研究層面，我國與國際先進(jìn)水平保持并跑態(tài)勢(shì)。此外，我國擁有全球最大的石墨產(chǎn)能和完備的工業(yè)體系，在原料供應(yīng)、設(shè)備制造、下游應(yīng)用等環(huán)節(jié)具有產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)。

目前，石墨烯的制備方法已呈現(xiàn)兩條清晰路徑：化學(xué)氣相沉積法（CVD）與石墨剝離法。化學(xué)氣相沉積法因依賴金屬催化劑基底及復(fù)雜的轉(zhuǎn)移工藝，應(yīng)用場(chǎng)景尚需打開。石墨剝離法規(guī)模化生產(chǎn)成本較低，且直接依托石墨礦產(chǎn)資源。為加快推進(jìn)石墨烯的大規(guī)模多場(chǎng)景應(yīng)用，需要從產(chǎn)學(xué)研共同發(fā)展的層面，構(gòu)建從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的完整原創(chuàng)鏈條。

石墨烯的產(chǎn)學(xué)研發(fā)展路徑與挑戰(zhàn)

石墨烯的創(chuàng)新之路遵循從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展規(guī)律。石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程可概括為“三生模型”：即伴生階段、共生階段與創(chuàng)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(jìn)現(xiàn)有材料體系，用于改善材料基本性能或功能。例如，石墨烯復(fù)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(fā)揮優(yōu)勢(shì)性能。例如，石墨烯發(fā)熱板、打印電路和石墨烯傳感器。

創(chuàng)生階段：石墨烯作為核心材料，顯著提升產(chǎn)品的性能水平，實(shí)現(xiàn)突破性應(yīng)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(shù)成熟度的提升，石墨烯應(yīng)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(chuàng)生階段的系統(tǒng)集成。在創(chuàng)生階段，吸波隱身材料、儲(chǔ)能電池、水處理、光電子器件等領(lǐng)域是石墨烯創(chuàng)新應(yīng)用的重點(diǎn)前沿方向。

在低可觀測(cè)性技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，基于石墨烯的新型吸波材料具有顯著優(yōu)勢(shì)：石墨烯制成的宏觀體材料質(zhì)量更輕，且可通過調(diào)控氧化石墨烯還原程度，使材料在不同位置具備梯度導(dǎo)電性能，實(shí)現(xiàn)寬頻吸波。

石墨烯在能源領(lǐng)域應(yīng)用潛力大。以鋰金屬電池為例，其薄鋰負(fù)極材料制備面臨著由金屬特性導(dǎo)致的材料強(qiáng)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(xù)特性制成多孔超薄膜，作為鋰金屬的吸附載體并構(gòu)建高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，二者結(jié)合形成的超薄鋰-石墨烯復(fù)合薄膜，可實(shí)現(xiàn)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(fù)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(chǔ)能應(yīng)用中展現(xiàn)出高效能、低成本優(yōu)勢(shì)。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(dá)60 Wh/kg，功率密度高達(dá)197 kW/kg，且能在-20℃至100℃的寬溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速充電，并具備長(zhǎng)循環(huán)壽命潛力。

在海水淡化領(lǐng)域，石墨烯膜基于本征二維層狀結(jié)構(gòu)，可通過控調(diào)石墨烯膜層間距，構(gòu)建篩分孔徑并實(shí)現(xiàn)海水離子的選擇性分離。該方式可避免傳統(tǒng)反滲透膜的高能耗缺陷，并具備完全脫除鹽分的潛在技術(shù)特征，已成為突破現(xiàn)有膜分離技術(shù)瓶頸的重要研究方向。

光電子器件領(lǐng)域是石墨烯創(chuàng)新應(yīng)用的重要方向。石墨烯可與硅結(jié)合，借助其寬譜光吸收特性，將光電子探測(cè)器的探測(cè)波長(zhǎng)從傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)X射線探測(cè)器。因此，石墨烯的引入可實(shí)現(xiàn)從X射線到紅外波段的寬光譜室溫探測(cè)。

目前，石墨烯的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新之路面臨著從原料制備到加工成材，再到器件應(yīng)用的多環(huán)節(jié)挑戰(zhàn)。需要實(shí)現(xiàn)“科學(xué)—技術(shù)—工程—樣品—產(chǎn)品—商品”的全鏈條充分貫通，將科學(xué)層面的突破有效轉(zhuǎn)化為技術(shù)化、工程化的成果，最終推動(dòng)市場(chǎng)化進(jìn)程。

石墨烯產(chǎn)學(xué)研路徑上的諸多問題可以總結(jié)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(zhì)、低成本的量產(chǎn)問題。

宏觀組裝（Macro-assembly）：在原料獲得后，需解決納米級(jí)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(fù)合材料時(shí)，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(shí)，需解決高性能模型的陣列化及集成問題。

當(dāng)前，全球在原料制備、宏觀組裝層面已取得了階段性進(jìn)展。

在宏量制備方面，韓國研究團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，成功制備出高品質(zhì)純平單晶石墨烯薄膜，解決了石墨烯薄膜表面褶皺這一關(guān)鍵問題。在規(guī)模制備方面，北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功在玻璃上直接生長(zhǎng)石墨烯，并實(shí)現(xiàn)了幾十微米厚度的百萬層石墨烯制備，提供了基于生長(zhǎng)條件控制的高品質(zhì)石墨烯薄膜厚度精準(zhǔn)調(diào)控的技術(shù)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(gè)關(guān)鍵問題：微結(jié)構(gòu)調(diào)控及高效率規(guī)模化制備。例如，2013年，我們發(fā)表了關(guān)于超輕石墨烯氣凝膠的研究成果，采用了冷凍干燥技術(shù)，不利于量產(chǎn)；經(jīng)過不斷迭代創(chuàng)新，發(fā)明了室溫發(fā)泡法，其摒棄了冷凍干燥過程，有效解決了傳統(tǒng)方法能耗高、效率低、尺寸小的弊端，實(shí)現(xiàn)了高彈性石墨烯氣凝膠的室溫連續(xù)化制備，為材料的工程化應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

目前，微觀分散仍是高性能復(fù)合材料制備中亟需攻克的技術(shù)環(huán)節(jié)。以氧化石墨烯增強(qiáng)水泥技術(shù)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(zhàn)略中的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。研究表明，在水泥中摻雜0.01-0.03wt%的氧化石墨烯，抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)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(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致該技術(shù)迄今未能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。

石墨烯產(chǎn)業(yè)蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ氁鰪?qiáng)發(fā)展的緊迫感，在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)發(fā)展等多個(gè)環(huán)節(jié)，做好充分準(zhǔn)備，才能實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的全鏈條貫通。

石墨烯的產(chǎn)業(yè)化探索與實(shí)踐

紙上談兵難以打開新材料產(chǎn)業(yè)化之路，躬身入局方知其中的難點(diǎn)、痛點(diǎn)及堵點(diǎn)。我們團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)近二十年的基礎(chǔ)研究和十多年產(chǎn)學(xué)研協(xié)同探索與創(chuàng)業(yè)實(shí)踐，初步構(gòu)建起基于“一片原料、兩根纖維、兩張膜”的“122”石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)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(hù)纖維

兩張膜：石墨烯散熱膜、石墨烯發(fā)熱膜

在原料方面，基于快速“全單層反應(yīng)”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯的單層轉(zhuǎn)化與高效剝離；“極限提純技術(shù)”攻克單層氧化石墨烯反應(yīng)液提取難題；“固化再分散技術(shù)”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(chǎn)線獲得國際石墨烯產(chǎn)品認(rèn)證中心（IGCC）全球首個(gè)單層氧化石墨烯產(chǎn)品認(rèn)證，單層率超99%，且具備全球化供應(yīng)能力。

纖維是石墨烯產(chǎn)業(yè)化的重要技術(shù)方向。先看石墨烯纖維或石墨烯基碳纖維。碳纖維具備輕質(zhì)量、高強(qiáng)度、高硬度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱、強(qiáng)穩(wěn)定性與可編織特性，是航空航天、海洋工程等重要領(lǐng)域關(guān)鍵裝備研制的核心骨架材料與關(guān)鍵功能材料，戰(zhàn)略價(jià)值巨大。我國在結(jié)構(gòu)性碳纖維領(lǐng)域已取得顯著進(jìn)展，已實(shí)現(xiàn)T800等高強(qiáng)度系列碳纖維的量產(chǎn)。但在功能性碳纖維領(lǐng)域，尤其在高導(dǎo)熱技術(shù)方面，我國較國際先進(jìn)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(dǎo)熱率可達(dá)950 W/m·K，而我國同類產(chǎn)品導(dǎo)熱率普遍為600-700 W/m·K。高導(dǎo)熱碳纖維復(fù)合材料是航空航天、電子通信、人工智能熱控等領(lǐng)域的理想材料，其“卡脖子”問題將導(dǎo)致多項(xiàng)前沿技術(shù)發(fā)展受限。

為實(shí)現(xiàn)石墨烯纖維兼具高強(qiáng)度、高模量、高導(dǎo)熱與高導(dǎo)電特性，突破功能結(jié)構(gòu)一體化難題，我們跳出傳統(tǒng)石油路線，提出了“石墨制纖”的創(chuàng)新路徑：以石墨為原料，將其轉(zhuǎn)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(xì)且強(qiáng)的多根石墨烯纖維，制成兼具剛度與強(qiáng)度的新型碳纖維。其導(dǎo)熱率達(dá)1100-1200 W/m·K，高于美國K1100碳纖維。

其次是康護(hù)纖維。我國化學(xué)纖維產(chǎn)量雖居全球首位，但纖維核心技術(shù)相對(duì)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(hù)纖維）。已攻克分散性、高速紡絲及功能持久性等難題，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)與銷售。經(jīng)檢測(cè)，康護(hù)纖維具備抗菌抑菌、抗病毒、防螨蟲、抗紫外、負(fù)離子發(fā)生和遠(yuǎn)紅外發(fā)射六項(xiàng)功能和安全環(huán)保特性，為纖維紡織產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新樣板。

石墨烯膜材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展集中在發(fā)熱膜和散熱膜方向。發(fā)熱膜應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)的方向盤發(fā)熱與離手檢測(cè)。此外，遠(yuǎn)紅外線對(duì)人體康護(hù)作用與機(jī)理是發(fā)熱膜的另一研究方向。散熱膜憑借高柔性和高導(dǎo)熱性，在航天領(lǐng)域已得到重要應(yīng)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(dòng)，提高成像分辨率；同時(shí)，其高導(dǎo)熱性及低密度可有效提升導(dǎo)熱能力并降低重量，進(jìn)一步降低成本。

結(jié)束語

新材料產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、全局性產(chǎn)業(yè)，是科技強(qiáng)國建設(shè)的核心支撐。石墨烯以其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)與多維性能優(yōu)勢(shì)，正在突破傳統(tǒng)材料的物理極限，成為“烯碳文明”時(shí)代的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。我國擁有豐富的石墨礦資源、領(lǐng)先的技術(shù)、專業(yè)的人才隊(duì)伍、完善的產(chǎn)業(yè)鏈以及有力的政策支持，已逐步實(shí)現(xiàn)了從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)線搭建的一系列標(biāo)志性成果，石墨烯產(chǎn)業(yè)化正逢其時(shí)，面向未來，唯有以政策為牽引、以市場(chǎng)為導(dǎo)向、以創(chuàng)新為紐帶，凝聚產(chǎn)學(xué)研合力，貫通“科學(xué)—技術(shù)—工程—樣品—產(chǎn)品—商品”的“from papers to products”整體原創(chuàng)鏈條，久久為功，方能將石墨烯的“性能潛力”轉(zhuǎn)化為“產(chǎn)業(yè)實(shí)力”和“原創(chuàng)牽引力”，為我國新材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)能。