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中国石墨烯产业:资源基础、产业链布局与应用方向

石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构新材料,由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型蜂巢晶格的平面薄膜,仅一个碳原子厚度。按层数可分为单层、双层和多层石墨烯;按功能化形式常见有氧化石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯等;按外在形态有片、膜、量子点、纳米带或三维状等。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,被认为是具有应用前景的新材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法从石墨中分离出石墨烯,因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见粉体生产方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯,铅笔在纸上轻轻划过留下的痕迹就可能是几层甚至一层石墨烯。

中国石墨烯产业:资源基础、产业链布局与应用方向

当前国内石墨烯应用主要集中在两大领域:一是将石墨烯作为添加剂用于已有产品以改良性能,如添加石墨烯散热涂层的LED灯、石墨烯暖墙、石墨烯地板、石墨烯防腐涂料、石墨烯内暖纤维服装、石墨烯防静电轮胎、加热片、石墨烯动力电池等;二是将石墨烯薄膜用于加热膜、智能手环、触摸屏、远红外理疗产品等。

从行业现状看,国内石墨烯全产业链布局已初具雏形,基本覆盖从制备及应用研究到产品生产再到下游应用的全环节,初步形成以北京为核心、东部沿海地区产业带和内蒙-黑龙江地区产业带为集聚区的发展格局。材料制备领域相关企业约300多家,产品以石墨烯粉体和薄膜两类为主并基本实现量产;应用领域相关企业超过600多家,覆盖防腐涂料、热管理材料、储能、电子显示、大健康等领域。目前国内石墨烯年产能维持在3000吨左右,而需求量仅一百余吨,在汽车、纺织、军工等方面实现了商业化应用。

从资源与产业基础看,我国天然石墨资源储量较为丰富,为石墨烯产业提供了原料基础。石墨烯是由碳原子构成的二维材料,具有高导电导热、高强度、高比表面积等特性,在储能、导热、防腐、传感和复合材料等领域有应用潜力。石墨烯产业包括粉体制备、薄膜生长和应用开发等环节。

从产业链看,石墨烯粉体主要通过氧化还原法、机械剥离法和液相剥离法制备,应用集中在导电浆料、导热膜、涂料和复合材料添加剂;石墨烯薄膜多采用化学气相沉积法在金属基底上生长,用于透明导电电极和柔性电子。各环节的技术成熟度和成本差异较大,应用落地需要一个过程。

从发展方向看,石墨烯产业化强调与下游应用场景结合,通过材料改性、分散工艺和器件设计解决工程化问题。导热膜在消费电子散热、导电浆料在锂电池、防腐涂料在海洋工程等方向已有规模化应用。随着制备成本下降和标准体系完善,石墨烯材料的应用范围有望继续扩大。

从生产区域和资源看,我国石墨资源为石墨烯产业提供了基础,石墨资源基础储量约占世界总储量24%,已查明晶质石墨储量5500万吨,其中47%分布在黑龙江,19%分布在内蒙古。目前已基本形成以长三角、珠三角和京津冀鲁为聚合区,多地分布式发展的产业格局,长三角地区"东方碳谷"常州因产业集聚度高而受到关注。我国石墨烯行业相关企业注册量2019至2021年呈增长趋势,2021年注册量为13665家,较前年增加5830家;截至2022年9月23日,新增注册量为11668家。

材料性能看,石墨烯是已知强度较高的材料之一,具有良好韧性且可弯曲,理论杨氏模量达1.0 TPa,固有拉伸强度为130 GPa。2021年10月31日,工信部赛迪研究院发布了《中国石墨烯产业发展竞争力指数(2021)》。随着批量化生产及大尺寸等难题逐步突破,石墨烯产业化应用步伐正在加快,最先实现商业化应用的领域可能在移动设备、航空航天、新能源电池等方向。石墨烯研究与应用开发持续升温,相关材料广泛应用于电池电极、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。

面向上述散热构件需求,可选用专业的液冷板配套工艺,结合真空钎焊炉实现高密封性焊接。

针对上述焊接需求,可选用专业的真空钎焊炉设备,配合工艺曲线实现稳定焊接。

设备温场均匀性对最终产品质量影响明显,选型时应重点评估。

稳定的真空度环境是减少缺陷、保证界面结合质量的重要前提。

制品致密度直接影响材料性能表现,需通过工艺参数优化稳步提升。

批量生产中批次一致性是良率的重要保障,工艺曲线应保持稳定可控。

工艺稳定性直接决定生产良率与交付效率,装备选型需要统筹考虑。

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