墨烯专题：新材料技术革命的引领者

1、内容:石墨烯专题：新材料技术革命的引领者作者：招商证券 张士宝 孙恒业投资要点：石墨烯是二十一世纪以来新材料科学领域最为耀眼的一颗新星，未来有望在电子、新能源、高端制造、医疗等领域展开多种应用。目前，中国石墨烯技术处于初级产业化阶段，未来在技术、工艺和产业链对接方面还需要投入大量资源。预计石墨烯未来有望最先应用于太阳能透明电极、散热材料和触摸屏等电子领域。我们充分看好石墨烯材料在未来的广泛应用空间，建议关注相关主题性投资机会。（一）石墨烯具备多种优异性质，未来下游应用市场有望达到万亿级别。石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质。它是目前最也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好，具备

2、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料之一，未来的市场空间有望超过万亿。（二）石墨烯技术开发是材料科学领域中热点前沿，中国技术储备实力雄厚。目前美国、英国、中国、日本和韩国等国家的产业化开发处于相对前列。全球范围内都开展了相关的研究。截至2014年7月底的最新数据表明，有关石墨烯产业化相关专利，中国排名第一，技术储备相对丰厚。未来一旦石墨烯大规模产业化成功，中国有望在未来全球石墨烯产业格局中占据先机。（三）石墨烯目前正处于产业化攻坚阶段

3、。目前石墨烯产业关键和难点是相关材料的制备、转移技术和上下游产业链整合，上述进程推进尚需假以时日。鉴于石墨烯优良的性质和未来广阔的应用空间，我们看好当前有相应技术储备的公司，或与研究机构有广泛合作的公司，未来一旦石墨烯顺利产业化，此类公司的研究成果有望快速转化为公司业绩，在产业竞争格局中占据有利地位。（四）目前涉及到石墨烯业务的上市公司较多，均处于研发试验或新涉阶段，尚未对业绩构成实质性影响，建议关注中国宝安、烯碳新材、金路集团、中泰化学、康得新、力合股份、华丽家族和方大碳素等涉及石墨烯业务的公司，未来主题性投资机会有望持续。一、石墨烯简介近年来，新材料领域发展日新月异，而石墨烯无疑是新材料领

4、域最耀眼的一颗新星。严格来说，石墨烯是由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料，在实验室成功制备石墨烯样本之前，石墨烯通常被认为是假设性结构。2004年，英国科学家利用特殊胶带将石墨片反复分离，最后得到由单层碳原子构成的膜，成功制备石墨烯。自此以后，制备石墨烯的方法层出不穷，未来石墨烯有望快速进入工业化生产阶段。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图石墨烯的发现颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观念，其结构非常稳定，各项物理性质优异。迄今为止，相关研究并未发现石墨烯样本中出现碳原子缺失的情形。微观碳原子结构稳定，原子间作用力强，原子面出现弯曲变形以应对外部机械

5、力，具备良好的承受外力作用。同时六角蜂巢晶体的稳定结构使得石墨烯具备良好的导电性，碳原子发生挤撞，电子运动基本不会受到影响。石墨烯具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质。它是目前最也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好，具备导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料之一。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图二、石墨烯未来应用领域由于石墨烯独特的原子排列方式和众多优异的性能，应用范围非常广泛，针对不同的性能，可以延伸出诸多应用。

6、石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图目前石墨烯材料分为两类，一类是由单层或多层石墨烯构成的膜，另一种是由多层石墨烯构成的微片。石墨烯膜又分为单晶膜和多晶膜。其中单晶膜可以用于集成电路等电子领域，但是产业化尚待时日。而多晶膜有望在5-10年内实现产业化应用，替代ITO玻璃用于制造触摸屏（特别是柔性制造屏）和其他需要透明电极的领域。除了纯石墨烯之外，另外还有很多石墨烯衍生物，未来也会有较为广泛的应用。总体而言，石墨烯未来应用领域将主要集中在电子、新能源、生物医疗、高精度制造业、水处理等高精尖技术领域。我们预计，石墨烯有望最先应用于电子技术领域。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图1

7、.纳米传感器与传统的传感器相比，纳米传感器具备尺寸小，精度高的特性。更为重要的是，原子级别的传感器与宏观传感器相比，具备多种独有的微观性质，显著拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器广泛应用于生物、化学、机械、航空、军事等方面。目前主要的纳米传感器主要包括纳米磁敏传感器、纳米生物传感器和纳米光纤传感器。由于纳米传感器尺寸主要取决于探针针头大小，所以传感器尺寸显著减小，同时相应时间大大缩短，满足微观高精度测量需要。随着工业生产和环境监测的需要，纳米气敏传感器的研发获得了长足的进展，未来有望率先实现商业化应用。目前纳米气敏传感器可以用金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管、以及纳米膜等等制作。与传统的传感

8、器相比，纳米传感器不仅尺寸有显著减少，同时具备诸多优点：其一，纳米传感器具备巨大的比表面积，传感器与气体充分接触，从而大大提升了检测的灵敏度；其二，由于纳米传感器非常灵敏，工作温度也大大降低。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图利用纳米材料的磁阻效应，科学家研制出纳米磁阻传感器。利用纳米颗粒研究制成纳米光纤生物传感器，不但具有光纤传感器的优点，而且由于此种传感器的尺寸主要取决于探针的大小，测微传感器的体积和尺寸显著减小，相应时间大大缩短，完全可以实现微创动态测量。目前，纳米气敏传感器主要包括金属氧化物半导体纳米气敏传感器和单笔碳纳米管纳米气敏传感器。基于金属氧化物半导体纳米颗粒的纳米气

9、敏传感器主要采用对气体敏感的材料，如SnO2，ZnO，TiO2，Fe2O3等，利用上述材料的电导变化特性来制作气敏传感器。目前由纳米SnO2膜制成的气敏传感器已经实现商业化，用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒（例如Pt和Pd），可显著增强敏感材料对检测物质的选择性和灵敏度，同时使得工作温度显著降低。其性能的具体改善程度与加入贵重金属纳米颗粒的晶粒尺寸、化学状态及分布相关。还有采用TiO2/PtO2双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。此种传感器在空气中，甚至在CO、NH3、CH4等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性，相比

10、之前的钛基探测氢气的传感器灵敏度有显著提升。还有用非电镀金属沉积法沉积Pt在SnO2纳米颗粒的表面，试验证明这种方法可以显著改善气敏传感器催化剂的性能。与传统方法相比，用非电镀沉积法形成的催化剂的不同化学状态，为研究催化剂对气体探测机制的影响提供了一种新的方法。单壁碳纳米管气敏传感器的工作原理：碳纳米管具有一定的吸附特性，吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测气体成分。目前已经有用化学气相沉积法在分散有催化剂的SiO2/Si基片上制得的单个的单壁碳纳米管，此种碳纳米管使得传感器在复杂的气体环境中具有选择性，区分度和灵敏度较之传统

11、的传感器有显著提升。单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能，但是纳米管制备一直是难点。实现结构和性质可控的制备是单壁碳纳米管应用的基础和关键，同时也成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。北京大学李彦课题组提出了一种利用具有固定结构的催化剂来调控生成的单壁碳纳米管结构的方案。他们采用一种高熔点的钨基合金催化剂，能够在单壁碳纳米管生长的高温环境下保持其晶态结构和形貌。同时，这类催化剂本身具有独特的结构，有助于单壁碳纳米管的成型。该研究为解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一难题提供了一种可行的方案，为碳纳米管的应用，尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。2.石墨烯电极石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它

12、在透明电导电极方面有非常好的应用前景。试验证明，石墨烯比表面积高达2600m2/g，导电性极高，且储能效率是现有材料的近两倍，是理想的电极材料。石墨烯作为电极使用时，其比表面积显著超过其他材料。因此，石墨烯在取代其他电极材料方面有广阔的应用前景，即便是目前商用超极电容器使用的活性炭等材料，比表面积也不过1000-1800m2/g左右，石墨烯的电学综合性能显著超越当前的各种材料，未来有相当大的应用空间。未来石墨烯有望应用在多种领域，包括汽车、电子、电气化机械等。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图传统的电极材料多采用ITO（铟锡氧化物），但是铟元素价格昂贵，而且较为稀有。行业正在寻找一种

13、成本更低的材料，以替代ITO材料。石墨烯以其独有的导电透明性质成为备选材料。采用石墨烯制成的透明电极，不仅具备传电极的导电特性，同时还可以弯曲折叠，在搭建过程中可与建筑构成一体化，更加经济和实用。透明导电电极不仅应用于太阳能领域，同时还可应用在触摸屏、液晶屏、发光LED和超级电容等多种光电领域。目前全球实验室将石墨烯电极应用至上述多类型产品，包括触摸屏和超级电容。若能成功商业化，则未来有望改变电子行业制造格局。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图石墨烯是目前所知最、最强和导电性最好的材料。研究还发现，通过建立三维堆叠多层异质结构的石墨烯能够制成具备极为敏感的高效光伏设备，可以利用太阳能

14、产生电力。预计未来有望采用石墨烯制成转换效率更高的新一代太阳能电池。预计太阳能领域将是石墨烯最先实现商业化应用的领域。（1）应用于太阳能电池领域，替代多晶硅目前太阳能研究的主要方向之一是利用有机化合物（即含碳化合物）代替昂贵的高纯度硅板，以制作价廉质轻且柔性的太阳能电池。但是这种有机太阳能电池的发展关键在于找到与有机太阳能电池匹配的柔性的、透明的、低成本的电极材料。从当前的研究进展来看，石墨烯不仅可以制成太阳能电池用的透明电极，同时还可以用作插入半导体层之间的中间电极。石墨烯最能发挥威力的领域是有机膜太阳能电池领域。在太阳能电池中使用石墨烯作为中间电极的优点在于，石墨烯是透明的，而且与半导体层

15、的相容性较高。同时，研究发现，新型的掺杂石墨烯太阳能电池可以显著提升太阳能转换效率，当前多晶硅太阳能电池转换效率为30%，从理论上来讲，石墨烯太阳能电池有望将转换效率做到60%，未来太阳能电池有望实现小型化。展望石墨烯在太阳能电池方面的应用前景，由于石墨烯仅有一个SP2碳原子的厚度，超高的载流子迁移率使它可以极大地降低透过率与导电性之间此消彼长关系的影响，同时具备高透光和高导电的特性,因此有望替代目前的商业标准氧化铟锡(ITO)。化学掺杂可以大大降低石墨烯面电阻并调整石墨烯的功函数，制成柔性更高的透明导电膜。石墨烯制成的透明导电膜，不仅具备导电、透明等太阳能转换器件所必备的性质，还具备金属材料

16、所不具备的柔性。同时，此种膜具备对中远红外线高透性质，能显著提升太阳能的转换效率，是新一代太阳能电池的理想材料。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图目前，在石墨烯光伏材料研究领域处于领先地位的厂商之一是富士电机。该公司参与新能源产业技术综合开发机构的革新性太阳能发电技术研究开发项目，正在积极开发采用石墨烯制成的太阳能电池透明导电膜。富士电机导入了三星公司的热CVD方法，通过一系列自主改进工艺将石墨烯的导电率显著提升，并且确保90%以上的光透射率。当前，此种工艺还存在一定的改进空间。未来石墨烯不仅有望用作太阳能透明电极，同时还有望用作半导体层级之间的中间电极。相对传统的太阳能电池，石墨烯

17、太阳能电池相对廉价耐用，同时，石墨烯有望替代金属。石墨烯可以弯曲且透明，兼有传统材料具备的多种性质，未来有望将石墨烯太阳能电池安装在建筑物外墙，使太阳能用于日常照明和采暖等日常应用。目前的单层石墨烯太阳能电池转换效率大约在8%左右，最高转换率为15.6%，如果石墨烯的太阳能电池的转换效率能够进一步提升，同时生产成本能够进一步降低，未来应用前景显著拓宽。（2）超级电容器超级电容器是基于高比表面积炭电极/电解液界面产生的电容、或者基于过渡金属氧化物/导电聚合物的表面及体相所发生的氧化还原反应来实现能量存储和转换的电子元件。其构造和电池类似，主要包括正负电极、电解液、隔膜和集流体。石墨烯专题：新材料

18、技术革命的引领者 查看原图作为一种新型储能装置，超级电容器具有体积小、输出功率高、充电时间短、使用寿命长、工作温度范围宽、安全且无污染等优点，有望成为未来新型的电源装置。要制造出高性能的超级电容器，电极材料是超级电容器的关键所在，它决定着电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。迄今为止，纳米结构的活性炭、碳化物转化炭、碳纳米管、氧化钌、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超级电容器的电极材料。但是上述材料整体性能不能满足微型能源系统的要求。同时，制造微型超级电容的光刻工艺复杂，生产周期长，成本高昂，一定程度上制约了超级电容商业化进程。试验证明，石墨烯有望成为新型高效的超级电容器电极材

19、料。目前，已经研究出以石墨烯为基础的新型微型超级电容器，此类电容器外形小巧，充放电速率高，同时具备极佳的机械柔性。与传统固态电解质相比，石墨烯电介质可显著提升电容器容量及耐用时间，可以与膜型锂离子电池相媲美。这种新颖的石墨烯微型电容器有望应用于MEMS系统、便携式电子设备、无线传感网络、柔性显示器、电子报纸，及其多种生物体内电子设备的储能器件。研究表明，石墨烯超级电容器的充放电速度比传统电池快1000倍。此项技术若能商业化，未来汽车或手机充电时间有望缩短至数秒级别。目前，超级电容器主要的技术瓶颈在于提升介质能量密度，同时需要将成本降低。如果超级电容器在技术上实现突破，则未来的应用范围有望大幅提

20、升。（3）石墨烯触摸屏触摸屏是石墨烯未来应用的又一大热点。近几年随着智能手机和平板电脑的大规模普及，全球触摸屏需求量也随之大幅增加。预计未来此种增长需求仍将持续。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图2013年中国智能手机出货量超过4亿部，占比全球手机出货量4成以上，而IDC预测到2015年全球手机出货量将达到17亿部，不仅是智能手机维持稳定高速增长态势，平板电脑也维持高速增长态势，2014年全球平板电脑出货量有望接近2.5亿部。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图2013年全球电子设备触摸屏总面积同比将增长两倍，达到2550万平方米，2012年约为1200万平方米。预计到201

21、5年，触摸屏生产面积将达到3590万平方米。在未来的触摸屏领域，石墨烯电容式触摸屏有望替代现有的氧化铟锡（ITO）透明电极，与传统的ITO触摸屏相比，石墨烯触摸屏有如下优点：首先，无毒环保，石墨烯由纯碳构成，即使植入生物体内，也仅产生微弱的排异反应。相比ITO使用有毒的稀有金属铟，石墨烯对环境友好。其次，石墨烯的光学性能要优于ITO，能部分消除镜面反射，可有效解决长期困扰ITO的光学镜面反射问题。在强光下，ITO屏幕会变黑，而同样情况下的石墨烯触摸屏镜面反射会减弱很多，用户可以正常使用。相比ITO触摸屏，石墨烯不仅具备环保和更加优良的光学性质，同时还能折叠弯曲，未来有望延伸至移动智能穿戴设备领

22、域。石墨烯不仅比传统的ITO触摸屏有显著的优势，与传统的液晶屏幕相比，石墨烯的优势就更加突出，未来有望与ITO触摸屏和液晶显示屏构成直接竞争，甚至取代上述传统的显示屏。在传统的显示屏领域，石墨烯不仅有望取代原有的ITO触摸屏和液晶屏，同时有望延伸至其他领域，打开新的需求蓝海。石墨烯触摸屏研究处于前列的国家有美国、英国、日本和韩国，而目前开始产业化的公司也有韩国三星、日本索尼、二维碳素、美英的CambriosTec以及3M。日本东丽、东芝、索尼产研和信越化学、三星等厂商在石墨烯研究方面进展迅速。3.石墨烯的其他应用（1）LED散热材料与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，而热量多少取决于

23、发光效率。在外加电能作用下，电子和空穴的辐射发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光经过芯片本身介质和封装介质才能抵达外界。综合电流效率、辐射发光量子效率、芯片外部光透出效率等，最终只有约30-40%的电能转化为光能，其余60-70%的能量主要以非辐射点阵振动的形式转化热能。一般来说，LED灯的品质与散热效果直接相关。目前高亮度LED灯通过自然辐射来散热，效果不太理想。如果LED灯散热效果不好，其寿命将受到明显影响。热量集中在尺寸很小的芯片内，芯片温度会显著升高，同时引起热应力不均、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降等诸多问题。当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明，元件温度每

24、上升2，可靠性下降10%。当多个LED点阵密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。目前解决LED散热问题的手段主要有自然辐射散热、介质散热和外加风扇散热三种类型。自然辐射散热对于小型化的LED照明尚可，但是不适用于大型LED点阵照明系统。而外加风扇又无法解决芯片内部的散热问题，所以目前最有效的方式介质散热。目前介质散热的方式有铝散热鳍片制外壳、散热塑料制外壳、散热漆、填充高导热透明介质、高导热陶瓷等等。石墨烯的特性与石墨差异很大，由于电子在单层石墨烯没有干扰，移动速度超快，因此石墨烯具备优秀的导电和导热特性，未来极有可能取代现有的电子

25、材料。石墨烯由于其超高的载流子迁移率和导热效率，未来有望成为LED导热领域的新型应用材料。目前报道有科研机构利用分离出的石墨烯制备复合材料，以研发取代IC产业用硅晶圆，不仅用于触控面板的透明导电极，同时还可解决LED照明的散热问题。未来有望采用石墨烯解决LED照明散热问题，以生产更大功率的LED照明设备。（2）石墨烯集成电路半导体产业界存在著名的摩尔定律：芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。人们普遍认为，这一定律在未来十年内将继续有效，而十年之后，摩尔定律将很难继续有效。主要原因在于，硅材料的加工极限一般为10纳米线宽，尺寸再继续下去，将会产生量子效应，原有的宏观物理原理

26、不再适用。以此，电路线宽小于10纳米，产品的性能稳定将无法保证。可是现在，石墨烯和碳纳米管等新材料的出现，极有可能打破摩尔定律的天花板。相比硅材料，石墨烯和碳纳米管的电子迁移率更高、尺寸更小，同时具备良好的导热性和载流子传导率，可以用于制作性能优良的微电子器件。石墨烯和碳纳米管的物理性质非常类似，碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构较为类似，所以具备优良的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当碳纳米管管径大于6纳米时，导电性能大幅增加。石墨烯的超强导电性与其特殊的量子隧道效应有关。量子隧道效应允许相对论的粒子有一定概率穿越比自身能量高的势垒，而在石

27、墨烯中，量子隧道效应被发挥到极致。有研究者在石墨烯晶体上施加电压（相当于势垒），然后测量石墨烯的电导率，一般认为，增加了额外的势垒，部分电子不能越过势垒，使得电导率下降，但事实并非如此，所有的粒子都发生了量子隧道效应，通过率达100%，这是石墨烯极高载流速率的主要原因。近期有报道称IBM公司研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，向开发石墨烯芯片前进了一步。科学家预测，这项突破可能预示着未来有望采用石墨烯圆片来替代硅晶片。这块集成电路建立在一块碳化硅上，并且由一些石墨烯场效应晶体管组成。此前，IBM公司展示了首块基于石墨烯的晶体管以100G赫兹的频率运行，这次将其整合进一块完整的集成电路中。按照

28、美国电气与电子工程师学会（IEEE）的解释，这块集成电路是一个宽频无线电频率混频器，是无线电收音机的关键组件。科学家们表示，最新的石墨烯集成电路混频最多可达10G赫兹，承受125摄氏度的高温。石墨烯场效应晶体管替代硅可能还需要一段时间，IBM公司的科学家下一步将继续改进这种集成电路的性能，以期将其尽快商用化。未来石墨烯集成电路有望使智能手机、平板电脑和可穿戴电子设备等电子终端运行速度更高、能效更低、成本更低。（3）石墨烯用于其他领域医疗领域。作为一种二维平面结构的新型碳纳米材料，石墨烯具有优异的力学、热学及电学性质。未来有广泛应用于纳米电子器件、传感器、药物载体等医疗领域。生物传感器是生命分析

29、化学及生物医学领域中的重要研究方向，已广泛应用于临床疾病诊断和治疗研究。石墨烯制成的生物传感器对生命分析领域的快速发展具有重要现实意义。在基因组测序技术领域，科学家在不断追求速度更快、成本更低的方法和设备。而最近，DNA感测器被成功开发出来。这种DNA感测器是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备，能探测DNA链的旋转和位置结构。该感测器的工原理是利用了石墨烯的电学性质，通过调节感测器的边缘形状、载流子浓度、纳米孔位置等，由此来调节它的电导率和对外部电荷的灵敏度，以此实现成功检测DNA序列的微观功能。同时，苏州纳米研究所研究出使用PEG包被荧光标签的纳米石墨烯片(NGS)在体内的作用，在活体内

30、异种皮肤肿瘤移植荧光成像中，NGS表现出了高肿瘤细胞摄取率。尽管对这种新型碳纳米材料在体内表现还需要更多的认知以及长期的毒性研究，但是此种方法为石墨烯在诸如肿瘤治疗的生物医学领域提供了方向，同时也表现出了较大的医疗应用潜力。新能源电池领域。电动汽车最大的瓶颈是安全、高性能、快速充放电的低成本动力电池，而高性能动力电池的核心是电极新材料创新。石墨烯是制备高性能充电电极的优选材料。从理论上的微观角度来讲，如果石墨烯层面能够聚合烯键，就能聚合成高性能导电电极骨架，从而大幅改善动力电池的性能。首先是降低电极电阻，大幅改善电池充放电能力，提高充放电速度，其次是克服锰酸锂高温缺陷和深度放电效果欠佳从而导致

31、电池循环性急速降低的缺陷，未来有望替代现有的电极材料技术，进一步提高电池综合同时，石墨烯还可应用于海水淡化和净化传感系统，而随着科学技术的不断发展，未来石墨烯的应用领域也将不断拓宽。三、全球石墨烯技术开发格局及产业化进程1.当前制备石墨烯的技术目前，技术问题仍然是石墨烯商业化应用的主要制约因素。自2004年石墨烯被发现以来，如何低成本和高效率地制备大面积、高质量石墨烯，并快速高效转移至下游需求领域，是石墨烯大规模商业化应用主要致力的方向。当前制备石墨烯的方法有很多，主要有物理和化学两大类。物理的方法主要是采取机剥离的方法，而化学方法主要是集中在化学沉积和化学合成两大方向。石墨烯专题：新材料技术

32、革命的引领者 查看原图微机械剥离法是最简单的一种方法，也是最初成功制备石墨烯的一种方法。具体过程是用氧等离子束在高取向热解石墨表面蚀刻出5微米的沟槽，形成多个宽度为20微米到2毫米的平台，让后将蚀刻后的热解石墨压制在光刻胶布上面，用透明胶反复去剥离平台，直至光刻胶上面只剩下很的石墨片，最后将其分散至丙酮溶液中，可以看到多层或单层石墨烯。取向附生法是利用生长基质原子结构种出石墨烯。首先让碳原子在1150摄氏度高温下渗入钌，然后温度降低至850摄氏度之后，碳原子浮至钌金属表面，镜片形状的单层碳原子“孤岛”就会布满基质表面，形成石墨烯。外延生长法也是利用基质结构种出石墨烯。该方法是通过加热氢化碳化硅

33、表面，脱附硅原子制备出石墨烯。碳纳米管剪切法：碳纳米管可以看成是卷成柱状的石墨烯，因此将碳纳米管纵向剪开可以得到石墨烯带。最近有研究机构成功试验沿着纵向打开碳碳键，形成石墨烯带。上述物理方法制备石墨烯共同的缺点就是生产出的石墨烯厚度不一，可操作性差，并且无法生长出大尺寸的石墨烯。氧化石墨还原法是以鳞片石墨为原料，经过一系列氧化还原制得石墨，然后进一步还原形成石墨烯的方法。化学沉积气相法（CVD）提供了一种可控制的石墨烯方法。首先将平面基底（如金属膜和金属单晶）等置于高温可分解的前驱体（一般多为甲烷和乙烯等烃类）中，通过高温退火的方式使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学方法去除金属基底之

34、后得到石墨烯。此方法最大的优点是可以形成较大面积的石墨烯片，缺点就是合成过程必须在高温下进行，石墨烯的良品率一般无法保证。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图化学溶液直接剥离法，主要是采用一种溶剂，使得石墨烯之间的作用力消解，使得石墨烯之间通过外加机械力而容易分离。而高温石墨膨胀法是通过高温使得石墨烯平面方向的推力远大于石墨层间的范德华力，从而使得石墨烯向石墨烯平面扩张，最终使得石墨烯向平面方向膨胀，形成蠕虫状石墨烯。碳化硅材料拥有同石墨相似的层状结构，在高温中碳化硅发生分解，伴随着硅原子蒸发，碳原子重新成键形成石墨烯。上述化学有关的石墨烯制备方法，主要缺点也是制得的石墨烯相对不稳定，

35、而且制得石墨烯片状面积相对有限，商业化尚待时日。整体而言，化学气相沉积法（CVD）在规模化制备石墨烯的问题方面有新的突破，也是目前制备石墨烯的主流技术之一。当前主要的问题是反应需在高温下进行，高温下石墨烯层级容易出现晶格缺陷，整体性能有待改善。大规模商业化还需要进一步提升工艺空间。2.目前我国石墨烯研究进展情况目前我国有关石墨烯专利和相关的研究文章居世界首位，而新材料十二五规划为石墨烯产业未来发展的大方向指明了相应的思路。工信部在2012年发布新材料十二五规划，规划中重点提到了石墨烯据悉我国石墨矿储量占世界总储量的75%，生产量占世界总产量的72%，若是未来通过是我国少有的几种具有国际竞争优势

36、的矿产之一。新材料产业“十二五”发展规划提出，新材料涉及领域广泛，是指相对传统材料具有优异性能和特殊功能的材料，或者是经传统材料改进后性能显著提高或具有新功能的材料。未来国内新材料发展的重点有以下六大方面。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图当前，我国在石墨烯基础研究方面已经十分突出。不仅相关论文和专利居世界首位，同时相关的研究也十分多元化。2007-2013年间，中国国家自然科学基金会关于石墨烯的资助项目达到了1096项，特别是在2012-2013年间，有关石墨烯的项目急剧增加。重点项目包括：可见光响应的新型石墨烯、纳米复合材料光催化处理有

37、机污染物、新兴碳基复合材料、钛酸锂-石墨烯负极材料可控及电化学性能研究、高效石墨烯/半导体纳米结构异质节研究等。2013年7月，在中国产学研合作促进会的支持下，多家机构发起中国石墨烯产业技创新战略联盟，目前中国石墨烯产业联盟已经在无锡、青岛、深圳和宁波建立了4个产业创新基地。目前，全球有关石墨烯的研究多集中在研究阶段，而我国也不例外。但是从近两年的专利申请速度及数量来看，目前正处于第二阶段-技术成长阶段。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图目前国内有关石墨烯专利申请的热点领域主要集中石墨烯制备以及作为透明导电电极、晶体管半导体器件以及传感器和复合材料等领域的研究，未来上述领域也是石墨烯

38、有希望最先产业化的领域。从目前公司和各科研单位的进展来看，我国的石墨烯研究正处于从实验室向产业化过渡的阶段。作为当前颇有前景的高新技术碳材料，石墨烯有望在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、LED和触控屏等领域带来一次材料革命，一旦实现产业化，其市场规模有望达到万亿级别以上。2013年7月份，在石墨烯产业发展趋势及投资论坛上，中国石墨烯产业技术创新战略联盟正式成立。联盟发起方中，除包括多家大学科研单位外，还包括多家上市公司，如金路集团和中国宝安子公司深圳贝特瑞等成员。联盟具有科研与资金相结合的优势，为进一步推进石墨烯产业化进程打下了坚实地基础。目前开展石墨烯研究的主要是高校科研院所等研究单位和少

39、数企业，研究力量比较分散，要尽快实现石墨烯产业化，必须通过技术创新和产学研协作，建立一条完整的石墨烯研发、生产、应用的全产业链，打造公共科技服务平台和测试平台，优化研究和产业化生产环境。目前国内对石墨烯的应用前景颇为看好，石墨烯未来有望应用至多个领域。但从实际情况看来，产业化尚待时日，制造工艺不稳定，成本居高不下，仍是石墨烯走向产业化的主要制约因素，从制造工艺来看，目前业内通行的方法均有各自的优势和缺陷，产业技术路径仍在探讨之中。有关电阻触摸屏的制备工艺，需先在金属表面上催化生长石墨烯，然后将其转移到标的基底上，才能进行应用。目前业内主要有四种石墨烯制备方法，分别是机械剥离法、外延生长法、氧化

40、石墨还原法和气相沉积法。前三种的原材料均为石墨，CVD法原材料以甲烷居多。由于制造成本相对较低，目前业内多采用机械剥离法和氧化石墨还原法。目前，在石墨烯膜和石墨烯微片这两个方向上，我国都在进行积极探索。在石墨烯触摸屏的研发方面，常州二维碳素科技已突破石墨烯膜应用于中小尺寸手机的工艺，实现石墨烯膜材料和现有ITO模组工艺线对接，正积极联合上下游企业、行业协会、各地标准院起草相关行业标准。未来石墨烯在电子终端行业的应用有望加速。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图触摸屏行业曾高度关注石墨烯作为ITO导电膜替代材料的可行性。相比ITO导电膜，石墨烯透明电极不仅具备良好的导电率，同时具备相当柔

41、性，但由于手机等智能终端的产业链太长，产品的成形需要电路板、机身材料等整个供应链的配合；同时，石墨烯本身的成本和良率等问题也有待改善。例如，三星电子前期在石墨烯触摸屏方面投入了大量的研发资源，原计划在2014年将推出一款石墨烯概念产品，但该项计划推迟，表明该领域的技术仍有较大的改善空间。但是该领域的研发一直在持续推进。2012年1月，江南石墨烯研究院宣称，公司联合常州二维碳素科技、无锡丽格光电科技和深圳力合光电传感器技术共同研发手机用石墨烯电容触摸屏项目，已经成功制成电容触摸屏手机样机，并完成功能测试。该款石墨烯膜具有当前智能手机触摸屏的基本功能，电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸

42、及进行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和旋转动作。2013年初，中科院重庆研究院制成国内首片15英寸单层石墨烯和7英寸石墨烯触摸屏，未来可用于手机和电脑等电子产品。研究院正在寻找合作伙伴，力争让石墨烯尽快实现量产。研究院制备15英寸铜箔衬底均匀单层石墨烯，并成功将其完整地转移到柔性PET衬底和其他基底表面。上海南江集团与中科院重庆研究院共同推进大面积单层石墨烯产业化项目，前期投资达2.67亿元。石墨烯产业基地已成功落户重庆，将力争尽快建成首期生产线并投产，形成1000万片石墨烯产能。2013年5月，常州二维碳素科技、无锡格菲电子膜科技、深圳力合光电传感联合江南石墨烯研究院在宣布

43、，国内首条年产万平方米的石墨烯膜生产线正式投产。常州二维碳素科技率先将石墨烯膜应用于手机电容式触摸屏，并实现4英寸石墨烯触摸屏手机小批量生产。无锡格菲电子膜科技表示公司计划生产50万件石墨烯手机触摸屏，并计划再融资1亿元，扩大石墨烯手机触摸屏生产规模。下图是二维碳素生产的石墨烯样品。二维碳素的核心技术是采用CVD工艺在铜基底上生长石墨烯膜的工艺。将甲烷（及辅助气体）通入反应炉中，经过1000摄氏度以上的高温加热，甲烷碳氢键断裂，碳原子在金属催化剂基底上形成晶核，进而形成多晶膜，多余的气体，通过抽气泵排出。石墨烯专题：新材料技术革命的引领者 查看原图公司自主开发的石墨烯转片工艺，解决了大面积石墨

44、烯膜无损转片的难题。香港辉锐科技是一家主营石墨烯技术开发的公司，率先进军大面积石墨烯柔性触控屏市场，公司计划3年投资1.5亿美元发展石墨烯移动设备市场，制造大面积的柔性触控屏，应用于手机、平板电脑及便携式电子显示屏等市场。而辉锐科技整个集团的前期资产投入超过2亿美元，厂房面积超过22万平米，在石墨烯方面具备大面积高质量石墨烯转移技术以及确保高良品率的生产能力。辉锐科技重点发展手机触控柔性屏幕。公司于2013年追加投资1.5亿元，争取使得手机触控屏早日实现量产。3.上市公司有关石墨烯业务方面的进展（1）$中国宝安(SZ000009)$ -子公司贝特瑞是全球最大的石墨负极材料生产商中国宝安旗下的贝

45、特瑞是目前全球唯一一家拥有完整的石墨产业链的企业，公司在2011年11月完成石墨烯中试线建设并投入生产，目前公司有关石墨烯的研究方向主要是在负极材料领域。公开资料显示，贝特瑞目前在锂电池负极材料方面占据了全球市场近40%份额，三星、LG、松下、日本三洋、比亚迪和天津力神等都是贝特瑞的客户。贝特瑞多个产品技术稳居全球第一，年营业收入达10亿元，产品包括石墨、硅碳、软碳、硬碳和正极材料几大类，具备完整的产业链、是多项国家产品标准制定参与者。负极材料产能：深圳3万吨，天津0.5万吨，黑龙江0.3万吨。全球负极材料龙头：负极材料产能2013年出货量17000吨，市场占有率约40%（全球市场占有率），远

46、超同业规模；正极材料产能：现有1800吨，拟扩产至3000吨；石墨矿产能：60万吨，精粉56万吨；竞争优势：性价比优势+产业链优势+领先的技术优势：研发与松下等国际顶尖公司统一水平，与国际顶尖的同行成立联合技术中心。下游客户遍及中日韩，全球新能源汽车和国内新能源汽车高速增长的主要受益者。（2）$烯碳新材(SZ000511)$ ：转型至石墨烯等新材料领域公司在2013年度完成了战略转型，从房地产业转向石墨烯等新材料产业，实现了烯碳新材料的全产业链布局，同时制订了公司未来发展战略规划。根据公司烯碳产业集群的布局规划，公司旗下产品包括：资源类、应用类和科技类前沿产品。2013年公司完成战略布局：（1

47、）置入海城三岩矿业有限公司40%股权，（2）置入奥宇集团有限公司51%股权和黑龙江牡丹江农垦奥宇石墨深加工有限公司51%股权，（3）投资参股连云港市丽港稀土实业有限公司，基本完成石墨碳、耐火碳和活性碳之基础产品布局。公司新的主营业务是石墨类产品、石墨烯及纳米碳、碳素类产品、耐火材料、活性碳类产品、烯碳新材料、稀土碳基复合材料、矿产品、金属和非金属材料销售（不含危险化学品），烯碳新材料技术开发和技术转让，城市基础设施投资等。2013年，公司实现主营业务收入6.4亿元，比上年同期下降4.5%；实现净利润6,623万元，比上年增长56%。报告期内，公司主营业务收入主要来自于材料产品销售及房地产销售，

48、公司净利润同比大幅度增长的主要原因是，通过资产置换置入上市公司的资产，即海城三岩矿业有限公司和鸡东奥宇石墨烯碳投资有限公司的股权，实现的净利润大幅度超出置出资产，即银基发展（上海）投资控股有限公司的股权，上年度实现的净利润。银基烯碳新材料研究院坐落于连云港碳产业园内，占地3000平方米。烯碳新新材料研究院致力于以石墨烯及碳基复合技术为导向的碳新材料技术研究，目前已与清华大学、长春应用化学研究所、上海交通大学、南京理工大学、等高校科研机构与多方面开展合作研究，主要研究方向有：（1）介孔活性碳（2）汽车动力电池（锂离子电池负极材料）（3）碳电热材料（4）石墨烯/石墨烯复合材料（5）超高纯石墨（6）

49、石墨烯纸等。当前已经公告的石墨烯项目是石墨烯负极材料项目，由子子公司奥宇石墨集团筹建，建设期限两年，预定2014年下半年完工。建设用地30公顷，一期工程建筑面积8.5万平米，建设年产鳞片石墨4万吨、球形石墨1万吨、石墨烯负极材料4千吨生产线及尾矿库工程。总投资5亿元，项目达产达效后可实现年销售收入6.4亿元，利润2亿元，税金2亿元。本项目生产以奥宇石墨集团及台湾技术团队为依托。在石墨深加工技术方面拥有专利13项，其中负极材料方面有3项为世界领先技术(分别是：一种锂离子二次电池用负极200910249936.7、一种锂离子电池高容量硅铜/碳复合负极材料及其生产工艺201010181432.9和一

50、种新型锂离子电池正负极颗粒合金金属包覆方法201110096054.9)。（3）金路集团：与中科院金属所合作早在2011年6月，金路集团与中科院金属所签署技术开发合同，双方预定在“石墨烯材料及其应用技术与产业化技术研发”方面继续展开合作。双方同意在石墨烯研发及产业化方面展开平等互利的合作，金属所负责具体研究开发工作，并提供产业化可行性报告；公司负责提供研发经费，并组织相关团队进行产业化及市场开发方面的工作。金路集团与中科院金属研究所联合开发电池级石墨烯技术已于2012年11月对共同完成的石墨烯材料的规模化制备技术通过了成果鉴定。公司在研石墨烯透明导电膜、石墨烯基三位网络散热材料、石墨烯基动力电

51、池项目。在石墨烯透明导电膜方面，金属研究所能制备出4英寸的石墨烯透明导电膜。2013年12月，中科院金属研究所论文超快长循环寿命锂硫电池：基于石墨烯的三明治结构发表，该论文主要讲的是高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型石墨烯锂硫（Li-S）电池的研发。这一研发取得锂电池技术的突破性进展。该项科研成果主要有四点：一是该电池理论能量密度为2567Wh/kg，目前常用锂电池能量密度约140Wh/kg，因此新型锂硫电池的储电能力是目前锂电池的18倍以上。二是该电池一次充电多在6分钟以内完成；三是其循环次数及电池寿命高于目前锂电池百倍，电池寿命超过30年，四是生产成本大幅降低。2014年3月，金路集团发布公告称，公司与金属所前期的合作，主要包括石墨烯散热材料、石墨烯功能涂层、石墨烯复合材料的制备技术与应用技术研发，石墨烯材料在电池中的应用技术研发，石墨烯三维网络材料应用技术研发等；2014年年度研发计划包括：石墨烯在锂离子电池、锂硫电池、导电油墨以及防腐涂层中的应用研发。中科院的这项革命性技术，是中科院金属所自己独有。但是金路集团与金属所前期的合作，即石墨烯材料在电池及电池以外的应用科研成果，金路集团拥有50%的股权比例。金路集团表示，当前中科院金属所的锂硫电池，还只是在实验室里制备出来的样品，离中试