中國在石墨烯方面的突破將改變晶片製造的未來？

The breakthrough of China in graphene will change the future of chip manufacturing

來源：High Aviation Technology Transfer

石墨烯(Graphene)是由碳原子構成的，只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯目前最有潛力的應用是成為矽的替代品，製造超微型晶體管，用來生產未來的超級電腦。用石墨烯取代矽，電腦處理器的運行速度將會快數百倍。

作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型奈米材料，石墨烯具有結構穩定、導電性高、韌度和強度高等突出的物理化學性質，被稱為「黑金」，是「新材料之王」，已經應用在電子、儲能、複合材料、航空航太等諸多領域。科學家甚至預言石墨烯將「徹底改變21世紀」。極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。

市場情勢

根據《2017-2022 年中國石墨烯市場深度調研與投資前景研究報告》顯示，2012 年至 2013 年，石墨烯技術的商業市場產業化緩慢，幾乎為零，鮮有代表產品出現。 2013 年以來，石墨烯市場迎來了快速發展期;2015 年全球石墨烯市場規模為 0.45 億美元，2018 年全球石墨烯市場規模可能達 1.95 億美元，之後將加速發展，於 2023 年超過 13 億美元。

在中國政府意欲製造業由大變強的進程中，發展石墨烯產業，對帶動相關下游產業技術進步，提升創新能力，加快製造業轉型升級，搶佔製造業新一輪競爭制高點，激活潛在消費等，都有著重要意義。

全球石墨烯市場可以分為兩大類：即氧化石墨烯(GO)、石墨烯奈米片(GNP)和其他。其他類型的石墨烯包括碳化矽石墨烯、還原氧化石墨烯(rGO)等，每一種類型都有不同的特點和用途。其中，氧化石墨烯在全球市場中比重最高，緊接著是石墨烯奈米片。

整體的石墨烯產業鏈分為上、中、下游。上游主要是制備石墨烯的原料產業，中游主要是各類石墨烯產品，下游主要包括新能源、大健康、電子資訊、節能環保、生物醫藥、化工、航空航太等七大應用領域。

應用領域

1、新能源

碳材料是最早被商業化的鋰離子電池負極材料，如今已得到廣泛的應用，如石墨化碳材料、炭微球材料等。石墨烯作為碳材料的一員，以其特有的結構、較高的比表面積、特異的電子傳導方式而受到研究者的關注。將石墨烯應用於鋰離子電池，可以解決傳統鋰電池能量密度和功率密度，難以兼得的問題，可以作為石墨烯復合正負極材料、鋰電池正負極材料的導電添加劑，全方位提升鋰離子電池的性能。同時，石墨烯二維高比表面積的特殊結構，以及其優異的電子傳輸能力，能有效改善正極材料的導電性能，提高鋰離子的擴散傳輸能力。

2、大健康

由於石墨烯具有質量輕、高導電性、高導熱性、高強度等優點，在導熱材料方面有巨大的發展空間。以石墨烯電加熱不僅加熱速度快，電熱輻射轉換效率高，而且石墨烯加熱膜是整個面加熱，溫度均勻分布。最重要的是，會產生遠紅外輻射，具有良好的醫療、理療作用。石墨烯在大健康領域的應用主要集中在智慧穿戴、智慧家庭及理療護具等產品，石墨烯發熱技術帶來了健康環保、智慧安全、無塵靜音等優勢。

從目前石墨烯的應用領域來看，大健康領域是石墨烯產業化最早的領域之一，2017年石墨烯在大健康領域的市場規模達到 5 億元，一些企業已經推出了石墨烯護頸、護腰、發熱服、眼罩等產品，並在市場上銷售。2018 年在平昌冬奧會上，72 名演員身穿烯旺科技開發的石墨烯智慧發熱服飾精彩亮相。在保證服飾輕薄與舒適的條件下，該服飾能在 -20℃ 的低溫條件下加熱到 50℃，並持續 4 小時。

3、電子資訊

隨著電子工業技術的不斷發展，現代化的電子電器正在朝著體積小、能量密度高的方向發展，並且這種發展趨勢越來越猛烈。隨著電子產品的工作頻率急劇增加，由電子設備產生的熱量也會迅速累積和增加，如果不能即時地將熱量傳導出去，也會使電子元件的工作溫度急劇升高。這不僅影響設備的正常工作效率，而且也會使其使用壽命大大縮短，因此迫切需要開發高導熱性能的介面導熱材料。單層石墨烯的導熱率可高達 5300W/mK，當層數增加到 2 - 4 層，熱導率降低到 2800W/mK-1300 W/mK，但依舊遠高於銅(Cu)的熱導率(398 W/mK)，是導熱性能最好的材料。因此，石墨烯可作為理想的電子元器件導熱材料。

同時，石墨烯天線將成為(繼銀漿天線之後的)印刷電子技術工藝，在 RFID (射頻辨識技術)應用上的又一代表性作品，現階段鋁蝕刻天線製程包括了金屬貼合、光阻印刷、金屬蝕刻等製程，其流程繁雜、成本偏高且不環保。在印刷天線油墨方面，依成分包括了銀漿、鋁漿、銅漿與碳漿，其中以金屬漿料印刷所得天線效果最好。然而目前鋁、銅金屬漿需高溫脫氧燒結才能展現導電性，使得天線底材漿受限制，而傳統碳漿導電性未達天線應用的電阻要求。且銀漿天線的制程繁瑣、價格昂貴，其導電性能會因彎折而降低，使得目前在市場上利用印刷方式來製作RFID天線方式仍無法大規模生產並取代目前的鋁蝕刻天線。而採用石墨烯導電漿料製作天線，其制程環保簡單且無污染，價格便宜且質量輕，適合各種無線天線的印制，在市場上無論從性能還是價格方面來說，都具備十足的競爭力。

4、節能環保

石墨烯是最堅硬的材料之一，且具有巨大的比表面積和極佳的導電性等眾多優異性能，使其在環保領域具有非常廣闊的應用前景，及巨大的潛在市場價值。石墨烯在節能環保領域主要應用在海水淡化、污水處理、大氣治理、電能替代、LED 散熱等方向。

中國政府對煤改電政策的大力推廣下，石墨烯電熱膜產業也初具規模，常州二維碳素開發了一款石墨烯高溫阻燃型電加熱膜，能廣泛應用於家用取暖、中醫理療、醫療加熱、溫度管理等領域，該產品將耐高溫性能提升到 180℃，電熱轉化率 99% 以上，使用壽命提升至 30000 小時以上，同時具有發熱均勻度高、10 秒速熱等特點，有效解決了現有電加熱產品的轉化率低、性能衰退、局部高溫等行業瓶頸問題。

5、生物醫藥

石墨烯原材料價格低廉、容易得到，制備方法簡單，被認為是極具應用價值的新型材料。石墨烯與多糖等物質合成的複合材料，與細胞高度相容，可用作細胞生長支架;石墨烯衍生物表面含有大量的含氧基團，比表面積大，能促進乾細胞的黏附、增殖和分化等，透過進一步結構化功能修飾，可用於骨組織工程領域;基於石墨烯材料的生物感測器，可用於測定血清樣品中的葡萄糖含量、細菌分析、DNA 和蛋白質檢測等;經過功能化的石墨烯還可作為載體，將藥物運送至靶細胞，提高治療效果和效率;石墨烯較碳奈米管具有更大表面積、更小毒性、更低價格，並且其光熱治療作用更優，石墨烯或將成為癌症光熱治療的替代材料。

6、航空航太

隨著航太航空產業的發展，對複合材料的性能提出了更高的要求，因此需要研發更高性能的新型複合材料，由於石墨烯具有高強度、高導熱、抗電磁干擾等性能，可用於航空航太材料中，提升航太航空材料性能。目前石墨烯在航空航太領域的應用，主要包括大型微波暗室用吸波材料、飛行器與武器平台隱身、輕質複合材料、抗雷達干擾線纜、航空航太熱管理系統、飛機輪胎、雷達電磁屏蔽等領域。

應用產業化注意問題

根據 2017 年中國石墨烯產業技術創新策略聯盟發佈的《2017 全球石墨烯產業研究報告》顯示：預計到 2020 年，石墨烯全球市場價值將達到 1000 億元。而從全產業鏈市場規模，及往年年複合成長率來看，未來石墨烯有望達到萬億元級產能規模，特別是未來 5~10 年，隨著石墨烯應用市場的不斷拓展，石墨烯原材料與下游應用產品將持續展現出巨大的市場前景，在眾多領域產生令人期待的經濟價值。

伴隨著應用市場的巨大潛力，石墨烯新材料的應用產業化進程中，還有很多值得注意的問題。

首先是石墨烯應用的產品創新不足。目前石墨烯產品中出現了大量仿制現象，最突出的表現是在石墨烯發熱產品上，眾多企業一哄而上推出大量類似的可穿戴式發熱產品，其中甚至出現一些「魚目混珠」的石墨烯產品。

這主要是由於產學研結合不緊密，高校與企業、產業融合度不高，造成大學系所的科研成果無法轉化，企業遭遇的技術瓶頸難以解決。

資本的炒作也是石墨烯產業化過程中需要警惕的一方面。鋪天蓋地石墨烯概念股橫盤爆發，市場認知度尚淺。石墨烯企業在起步階段盡量不要與只炒概念的上市公司發生關聯，謹慎選擇上市公司投資。另一個需要考慮的問題是，企業選址在什麼地方。這其中有很多講究。高水平的創新能力、成熟的產業鏈、良好的政策、產業生態，對初創期的石墨烯企業發展十分重要。