石墨烯产业调研报告

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1、石墨烯调研报告（2015年12月）一、石墨烯介绍石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。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仅仅一层石墨烯。（一）基本概念中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准发布的《石墨烯材料的名词术语和定义》对石墨烯进行了规范和定义。石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。其中，单层石墨烯是指由一层以苯环结构（即六角形

2、蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。双层石墨烯是指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA’堆垛等)堆垛构成的一种二维碳材料。少层石墨烯是指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。（二）发展历史41由于热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，石墨烯一直被认为是假设性的结构。直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈•海姆和康斯坦

3、丁•诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮，特别是在2010年诺贝尔奖颁布给石墨烯的发明者之后，石墨烯的基础科研工作开展得如火如荼，与石墨烯相关的论文专利数量呈指数增长。石墨烯新的制备方法和制备工艺层数不穷，石墨烯粉体、石墨烯薄膜等石墨烯产品已经能够批量化生产。石墨烯特有的物理及化学性质不断被发现，并逐渐应用到电池、电容、触摸屏、芯片制造、防腐剂等领域，与石墨烯相关的研究

4、和产业化持续升温，各国及企业间的竞争加剧。（三）物理特性石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性，被称为“完美的材料”、“21世纪的神奇材料”、“万能材料”。1．超强稳定性：石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面41就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。2．极好透光性：石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。石墨烯

5、作为新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO薄膜。3．极强导电性：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。4．超高的强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。5．超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子

6、厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。6．超高导热系数：单侧石墨烯的导热系数高达5300W/mK，甚至有研究表面其导热系数高达6600W/mK，高于碳纳米管和金刚石。优异的导热性能使得石墨烯有望作为超大规模纳米集成电路的散热材料。41（四）制备方法目前主要制备方法有四种：机械剥离法、化学气相沉积法（CVD法）、外延生长法、氧化还原法。其中，最有可能率先突破产业

7、化瓶颈的是CVD法。1．机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构，但是得到的片层小，生产效率低，难以实现量产。2．氧化还原法是通过将石墨氧化，增大石墨层之间的间距，再通过物理方法将其分离，最后通过化学法还原，得到石墨烯的方法。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。3．外延生长法主要采用SiC外延法，是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可

8、以获得大尺寸、较高质量的石墨烯，能够进行小批量生产，但是这种方法对设备要求较高，且薄片不易与SiC分离。4．CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。CVD法是目前最有可能实现工业化制备高质量、大面积石墨烯的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺复杂。4