《石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》正式發(fā)布

1 石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯是碳的多種形態(tài)中的基本結(jié)構(gòu)，碳的其他形態(tài)為石墨、金剛石、碳納米管、富勒烯。

圖1石墨的幾種形態(tài)

2004年英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈B海姆教授和康斯坦丁B諾沃肖洛夫教授，在實驗室成功從石墨片中剝離出了石墨烯，證明了石墨烯可以單獨存在，并在2010年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎，從此石墨烯走入大眾的視野，在全球范圍里掀起了石墨烯制備和應(yīng)用的研究熱潮。

石墨烯堪稱超級的物理特性主要包括：

圖2 石墨烯的特性

石墨烯的制備方法主要分為“自上而下”和“自下而上”兩類方法。“自上而下”法是通過剝離石墨材料來制備石墨烯層，如微機械剝離法、氧化石墨還原法、碳納米管軸向切割法、液相分離法;而“自下而上”法是通過碳原子的重新排列來合成石墨烯，如化學(xué)氣相沉積法(CVD)、外延生長法、有機合成法等。

表1石墨烯主要制備方法的比較

2 全球石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1全球市場概況及預(yù)測

全球石墨烯市場可以分為兩大類：即氧化石墨烯(GO)、石墨烯納米片(GNP)和其他。其他類型的石墨烯包括碳化硅石墨烯、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份額最高，緊接著是石墨烯納米片。

圖3 全球石墨烯市場規(guī)模按類型分

(其中內(nèi)環(huán)為2015年，外環(huán)為2020年)

氧化石墨烯是石墨烯的一種氧化形式，以粉末形式存在。當(dāng)沉積在任意基板之后，氧化石墨烯可以轉(zhuǎn)換為導(dǎo)體，從而可以制作導(dǎo)電膜、傳感傳感器、柔性電子設(shè)備和觸屏等。低廉的成本和制作簡單的特點使得氧化石墨烯是一種更受矚目的石墨烯類型，氧化石墨烯的很多物理特性(例如拉伸強度、高彈性、良好的導(dǎo)電性等)使得其在很多領(lǐng)域都有很重要的應(yīng)用，如醫(yī)藥、生物傳感器、疾病檢測、高分子材料、電池中的電子材料和納米濾膜等。

和其他石墨烯類型相比，氧化石墨烯因為生產(chǎn)價格低廉因而在全球石墨烯市場中成長最快。隨著對環(huán)保、穩(wěn)定、無毒和柔性碳材料的需求的增長，石墨烯制造商在研發(fā)領(lǐng)域的投入也增加，以期能夠生產(chǎn)出符合需求的石墨烯。

2014年和2015年，全球石墨烯市場規(guī)模估計分別為290萬美元、336萬美元。石墨烯正處于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前夕，預(yù)計到2020年市場規(guī)?？梢赃_到3.85億美元。石墨烯將在散熱材料，高性能計算系統(tǒng)(晶體管材料)，透明顯示材料，超級電容器，鋰電，傳感器，結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域取得實際突破。到2025年，石墨烯市場規(guī)模將達到21.03億美元。屆時，超級電容器、結(jié)構(gòu)材料、透明顯示材料、高性能計算材料將釋放更大的市場空間。

圖4 全球石墨烯市場規(guī)模預(yù)測(百萬美元)

2.2 全球石墨烯產(chǎn)業(yè)重點區(qū)域發(fā)展概況

① 英國

英國是石墨烯的“誕生地”，但是相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化卻落后于中國、韓國、日本和新加坡等亞洲一些國家。

為改變這種局面，近幾年，英國政府投入巨資加速石墨烯的研發(fā)。2011年，英國政府宣布投入5000萬英鎊(1英鎊約合1.52美元)支持石墨烯研究，包括建立總投資達6100萬英鎊的國家石墨烯研究院;2012年12月，英國政府增撥2150萬英鎊用以資助石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究;2013年英國政 府聯(lián)合歐洲研究與發(fā)展基金會共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立國家石墨烯研究院，由兩位諾貝爾獎得主領(lǐng)銜，該研究院預(yù)計于2015年初建成。 2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達爾公司宣布繼續(xù)投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充，加速石墨烯的應(yīng)用 研究和開發(fā)，維持英國在石墨烯及其他二維材料方面的世界領(lǐng)先地位。英國財政大臣奧斯本稱，英國政府將“致力于確保讓英國的發(fā)現(xiàn)在英國做出名堂來”。

不僅如此，英國還涌現(xiàn)了眾多致力于石墨烯生產(chǎn)和應(yīng)用的公司，比如英國著名的體育用品海德公司已于2013年起推出了添加石墨烯的網(wǎng)球拍，諾瓦克B德約科維奇等眾多網(wǎng)球明星都在使用這款球拍。

② 美國

美國作為科技強國，研發(fā)實力強，對石墨烯的研究投入開始較早，投入力度也相對較大。美國國防部高級研究計劃署2008年7月就發(fā)布了總投資2200萬美元的碳電子射頻應(yīng)用項目，旨在開發(fā)超高速和超低能量應(yīng)用的石墨烯基射頻電路。2006年-2011年間，美國國家自然科學(xué)基金關(guān)于石墨烯的資助項目有 200項左右，涵蓋了石墨烯研究和應(yīng)用的各個領(lǐng)域。2014年，國家自然科學(xué)基金投入1800萬美元、美國空軍科研辦公室投入1000萬美元對石墨烯及相關(guān)的二維材料開展基礎(chǔ)研究。

美國良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境也促使了眾多小型石墨烯企業(yè)的誕生，產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進程相對較快。美國具有眾多研發(fā)實力強 勁的大型企業(yè)，如國際商業(yè)機器公司(IBM)、英特爾、波音等投入大量的科研力量進行石墨烯的研發(fā)。2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓 片制成的集成電路，使石墨烯特殊的電學(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景，預(yù)示著未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片。2014年10月，IBM研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能大幅降低藍光LED成本，而這種技術(shù)有機會催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“后硅時代”組件，為此，該公司計劃未來5年內(nèi)投入30億美元研究下一代芯片技術(shù)。

③ 歐盟

歐盟近年來對石墨烯的研發(fā)也投入較大。截至2011年，歐盟總共投入了約1.5億歐元推動石墨烯的相關(guān)研發(fā)。歐盟現(xiàn)有50余家公司在開展石墨烯的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化以及應(yīng)用的推進。除了政府推動的學(xué)術(shù)研究，許多工業(yè)巨頭，如巴斯夫及拜耳公司等，也投入了相當(dāng)?shù)娜肆拓斄訌妼κ┫嚓P(guān)應(yīng)用的研發(fā)。

2013年1月，歐盟委員會更是將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，計劃10年內(nèi)提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，旨在把石墨 烯和其他二維材料從實驗室推向社會，促進產(chǎn)業(yè)革命和經(jīng)濟增長，創(chuàng)造就業(yè)機會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發(fā)團隊組 成，其中包括4名諾貝爾獎得主。

目前，在歐盟“第七框架計劃(FP7)”下的過渡階段(2013年10月1日至2016年3月31日)已經(jīng)完美收官。這8項研究成果分別是：石墨烯神經(jīng)元研究、石墨烯壓力傳感器、無摩擦石墨烯、石墨烯皮劃艇、攪拌法生產(chǎn)石墨烯、石墨烯柔性顯示屏、石墨烯光纖、石墨烯可充電電池。

作為歐盟的重要成員國，德國于2010年啟動了石墨烯優(yōu)先研究計劃，包括38個研究項目，前3年預(yù)算經(jīng) 費為1060萬歐元;德國聯(lián)邦教研部也于當(dāng)年投入了700萬歐元資助相關(guān)研究，旨在加深對石墨烯性能的理解和操控，為新型石墨烯基電子產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。 2012年10月，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功制成石墨烯光電探測器，石墨烯制成的光電探測器能非?？焖俚靥幚砗鸵龑?dǎo)光電信號。

④ 韓國

韓國石墨烯相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，這不但得益于韓國政府近年來不間斷的支持，也得益于本國大型公司的巨大投入。韓國原知識經(jīng)濟部預(yù)計2012至 2018年間向石墨烯領(lǐng)域提供總額為2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術(shù)研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應(yīng)用研究。2013年， 韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布整合韓國國內(nèi)研究機構(gòu)與企業(yè)力量推進石墨烯商業(yè)化發(fā)展，包括韓國科學(xué)技術(shù)院在內(nèi)的41家研究機構(gòu)將與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，合作攻關(guān)，政府將在未來6年投入4230萬美元，希望打造每年153億美元的市場，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)。韓國注重保護和申請石墨烯專利，專利量居全球第 三，僅次于美國和中國，遠高于歐洲其他國家。

產(chǎn)業(yè)企業(yè)層面，韓國三星投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及 芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，在2011年研發(fā)出40英寸的石墨烯觸摸屏面板。2014年，三星先進技術(shù)研究院與韓國成均館大學(xué)聯(lián)合宣布合成了一種能在更大 尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體，是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備上的屏幕顯示技術(shù)。韓國科學(xué)家也于去年11月宣布發(fā)明最新的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。

⑤ 日本

日本作為碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達的國家之一，從2007年起就對石墨烯的開發(fā)進行資助。例如：日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)2007年就對石墨烯材料和器件的技術(shù)開發(fā) 項目進行資助;經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省2011年實施的“低碳社會實現(xiàn)之超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料”項目，重點支持了碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)。

除了日本政府的相關(guān)投入外，日本眾多企業(yè)，如日立、索尼、東芝等投入了大量資金和人力從事石墨烯的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用開發(fā)，并取得了顯著進展。日本索尼公司2012年就研發(fā)出了可以生成長度達120米的石墨烯的透明薄膜化學(xué)氣相生長技術(shù)。

3 中國石墨烯行業(yè)市場分析

3.1 行業(yè)發(fā)展概況

我國在石墨烯領(lǐng)域的研究起步與發(fā)達國家相比較晚，但在近些年的努力下， 文獻發(fā)表量和專利數(shù)量都已經(jīng)位居全球首位，在石墨烯研究領(lǐng)域正和發(fā)達國家一樣處于起跑階段。2015年5月，國家金融信息中心指數(shù)研究院發(fā)布了全球首個石墨烯指數(shù)指數(shù)評價結(jié)果顯示，我國全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實力位列全球第3位(前2位分別為美國和日本)。

從宏觀政策看，我國石墨烯的發(fā)展得到了國家和各級地方政府的大力扶持，國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)制備技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)均取得了長足發(fā)。國家在“十二五”規(guī)劃中間明確將新材料列為重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè);國家自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)陸續(xù)撥款超過 3 億元資助石墨烯相關(guān)項目;國家引導(dǎo)石墨烯產(chǎn)業(yè)成立了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，聯(lián)盟成員已達 53 家， 6 位聯(lián)盟常務(wù)理事單位分別對石墨烯技術(shù)路線、標準戰(zhàn)略、專利布局、國際合作和產(chǎn)業(yè)促進進行支持和合理引導(dǎo)。

鑒于石墨烯的未來廣闊的應(yīng)用前景，民間資本紛紛介入石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈。在產(chǎn)業(yè)園和創(chuàng)業(yè)基金等的積極引導(dǎo)下， 一些創(chuàng)業(yè)者以技術(shù)為資本成立公司，一些上市公司以資金為優(yōu)勢介入石墨烯領(lǐng)域。上市公司通過引進石墨烯技術(shù)、與科研機構(gòu)簽訂合作協(xié)議、設(shè)立產(chǎn)業(yè)技術(shù)投資基金或從戰(zhàn)略角度構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈等方式參與石墨烯研發(fā)生產(chǎn)。目前部分石墨烯公司具備生產(chǎn)石墨烯粉體、漿液、導(dǎo)熱膜、 功能涂料、 導(dǎo)電油墨和觸控屏的能力，但在產(chǎn)品質(zhì)量提升和下游市場開發(fā)方面仍存在巨大的提升空間，國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)尚未形成完整的、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。

總的來看，2014 年，我國的石墨烯市場規(guī)模約為 150 萬美元。隨著石墨烯量產(chǎn)的解決和石墨烯下游的拓展，2015年中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模達到1630萬美元，預(yù)計 2020 年其市場規(guī)模將達到2億美元，并成為全球最大的石墨烯消費國家。

圖5 中國石墨烯市場規(guī)模(百萬美元)及預(yù)測

隨著整個石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展及下游應(yīng)用的成熟，雖然還未出現(xiàn)具有“顛覆性”的應(yīng)用方向，但是在一些相對成熟的領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)越來越明朗，如復(fù)合材料、防腐涂料、顯示產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域都有著非常不錯的發(fā)展勢頭。

3.2 石墨烯產(chǎn)業(yè)波特五力模型分析

圖6 波特五力模型

波特五力分析對于企業(yè)是否進入或者退出這個市場有一定指導(dǎo)意義。該分析模型從五個方面來討論了石墨烯市場，即供應(yīng)商的議價能力,購買者的議價能力，潛在進入者的威脅，替代品的威脅，以來自目前在同一行業(yè)的公司間的競爭。

① 潛在進入者的威脅

新進入者的威脅指的是行業(yè)的新競爭對手對目前已經(jīng)有的企業(yè)所產(chǎn)生的威脅。石墨烯行業(yè)屬于典型的技術(shù)密集型行業(yè)。行業(yè)潛在進入者將面臨較高的行業(yè)技術(shù)壁壘，主要是宏量制備技術(shù)壁壘和應(yīng)用技術(shù)壁壘。

石墨烯制備技術(shù)主要包括化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法、微機械剝離法和外延生長法等。在生產(chǎn)過程中，不同的制備技術(shù)存在不同程度的技術(shù)劣勢，如采用 CVD法生長石墨烯薄膜，生長和轉(zhuǎn)移過程中的污染、破損問題都回帶來缺陷和成品率的下降?？朔苽浼夹g(shù)的劣勢并規(guī)?；a(chǎn)出品質(zhì)一致的石墨烯產(chǎn)品需要借助于強大的研究團隊，并經(jīng)過長期的技術(shù)、經(jīng)驗積累。

從另外一個角度看，高質(zhì)量的石墨烯高質(zhì)量的石墨烯產(chǎn)品需要高投入和長時間，但是一些方面的應(yīng)用并不要求石墨烯的質(zhì)量非常高，這就為很多新的企業(yè)進入該市場創(chuàng)造了條件。針對這一現(xiàn)象，許多企業(yè)在繼續(xù)進行研發(fā)投資的同時，也在進行投資生產(chǎn)有效的且低價的石墨烯產(chǎn)品。此外，在石墨烯生產(chǎn)設(shè)施安裝的過程中，工廠的位置和地域覆蓋范圍也是需要考量的因素。

因此，對于新進入該行業(yè)的企業(yè)來說，要想處理好上面提到的所有因素并不容易。潛在進入者的威脅對石墨烯市場的影響整體還比較溫和。

② 購買者議價能力

買家的議價能力指的是買家可以施加給制造商的壓力。就石墨烯而言，買家的議價能力能力還比較溫和，這是由于石墨烯市場是一個分散市場，有很多規(guī)模不等的企業(yè)和買家。此外，石墨烯產(chǎn)品的在很多方面都有應(yīng)用，使得進入的企業(yè)越來越多，購買者可以根據(jù)自己的需求來選擇賣家。

③ 替代品的威脅

替代品的威脅指的是可替代產(chǎn)品替換目前市場上產(chǎn)品的可能性。石墨烯是一種無毒、環(huán)境友好的材料，可以取代硅材料和其他現(xiàn)有材料。然而，目前市面上并沒有合適的可替代石墨烯的材料，因此對于石墨烯材料市場的增長并沒有構(gòu)成影響。因此，就石墨烯市場而言，替代品的威脅非常小。

④ 供應(yīng)商議價能力

供應(yīng)商議價能力指的是供應(yīng)商可以對石墨烯制造商施加的壓力。石墨烯在全球市場中都有分散的供應(yīng)商。然而，根據(jù)石墨烯價格和類型的不同，每一位供應(yīng)商都會有不同的石墨烯應(yīng)用。這就為購買者選擇供應(yīng)商的時候提供了多種選擇。石墨烯可以根據(jù)行業(yè)不同而有不同應(yīng)用，這也導(dǎo)致了供應(yīng)商的分散，減少了制造商的議價能力。公司的品牌價值和石墨烯產(chǎn)品的質(zhì)量在建立長期的買家—供應(yīng)商關(guān)系方面也有著非常重要的作用。不僅如此，石墨烯研發(fā)公司和供應(yīng)商之間也有很強的合作關(guān)系，從而使得石墨烯市場中供應(yīng)商的議價能力比較溫和。

⑤ 行業(yè)內(nèi)部競爭

由于石墨烯市場中不斷有新競爭者的加入，新老公司的存在使得全球的石墨烯市場競爭非常激烈。由于全球具有大量的供應(yīng)商和購買者，使得該市場是一個分散的、無組織的市場。同時，企業(yè)之間關(guān)于石墨烯應(yīng)用的專利之爭也會進一步加劇這種競爭。一些主要的企業(yè)，例如Haydale Graphene Industries Plc(英國)、GrapheneNanoChem Plc(馬來西亞)、CVD Equipment Corporation(美國)已經(jīng)采取了很多措施，例如和其他公司或者研究部門進行合作。他們的這些措施主要是為了開發(fā)高質(zhì)量低成本的石墨烯材料。在未來的一段時間，這種激烈競爭還會繼續(xù)存在。

4 中國石墨烯行業(yè)重點企業(yè)概況

國外大多由大型企業(yè)來主導(dǎo)石墨烯產(chǎn)業(yè)，如巴斯夫、三星、陶氏化學(xué)等企業(yè)都已經(jīng)在石墨烯領(lǐng)域進行了布局。國內(nèi)除了眾多A股上市公司介入石墨烯業(yè)務(wù)外，目前我國石墨烯行業(yè)主要以小型、初創(chuàng)型企業(yè)為主。此外，隨著各地方政府對于石墨烯產(chǎn)業(yè)的推動，國內(nèi)石墨烯相關(guān)企業(yè)已經(jīng)突破300家，并形成了一些石墨烯產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)域，主要包括常州、無錫、寧波、青島、深圳、成都、德陽等地區(qū)。

表2 中國石墨烯行業(yè)重點企業(yè)

總之，中國和世界能夠同步的科學(xué)技術(shù)不多，而石墨烯是我們有望走在前面的一個新產(chǎn)業(yè)，因此值得投入和推廣這一產(chǎn)業(yè)。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展在環(huán)境和制度的建立方面已經(jīng)小有成就，研發(fā)應(yīng)用的推進還在穩(wěn)步繼續(xù)。近兩年石墨烯得到越來越多的關(guān)注，也吸引了很多投資，面對資本市場的熱捧，石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還是要去粗取精，企業(yè)和科研機構(gòu)需要沉下心來搞研發(fā)，按部就班搞生產(chǎn)，待到應(yīng)用技術(shù)成熟之時就是石墨烯產(chǎn)業(yè)崛起之時。