五问科创新风|石墨烯:关键技术待突破,大企业参与动力不足

2021-02-20 181 动态

科技改变世界,创新决定未来。

  站在2021年的新起点,澎湃新闻·智库报告栏目推出新春策划“五问科创新风”,我们邀请工程师、产业研究者及企业高管,讲述集成电路、人工智能、自动驾驶、基因测序、燃料电池、区块链、石墨烯、5G等科创领域的理想与现实,找差距、补短板,修炼内功、赋能未来。


  澎湃新闻:目前石墨烯产业最前沿技术达到什么程度?

  上海超碳石墨烯产业技术有限公司董事长兼总经理 梁勇:

  石墨烯是迄今为止最薄的二维纳米材料,也是目前世界上电阻率最小、导热率最高、电子迁移率最高、最硬与柔韧性最强的材料,还具有表面积大、透光率高等特点,被称为“新材料之王”,极具应用潜力,在储能、电子信息、热管理、复合材料、生物医药、节能环保等领域已呈现出良好的应用前景。

  近日,中国学者曹原和麻省理工大学Pablo Jarillo-Herrero又一次获得重大突破,在扭曲的三层石墨烯片中观察到超导性,其中三层石墨烯片的中层相对于外层以新角度扭曲,这种新的三层结构具有比其双层结构更坚固的超导性。

  中科院上海微系统所已制备出8英寸石墨烯单晶晶圆,展示了中国在高质量石墨烯材料领域的创新成果。在上海市石墨烯产业技术功能型平台的推动下,科研团队实现了小批量生产,产品尺寸和质量处于国际领跑水平。石墨烯晶圆的小批量生产,为国产新一代电子器件的研发奠定了基础。

  上海交通大学科研团队成功制备出“砖砌式”叠层结构的烯碳铝基复合材料。科研团队与上海市石墨烯产业技术功能型平台合作的工程中心已经建成年产能20吨的中试产线,可制备单重达 0.5吨的锭坯,并研发出中强、高强、超高强等系列高模量烯碳铝合金,替代现役铝合金构件预期减重可达10%-30%,轻量化效益十分显著,技术水平和综合性能均世界领先。

  新冠肺炎疫情期间,科研人员研发出纯石墨烯除雾光疗护目镜,为抗疫前线的医务人员解决了护目镜起雾的难题。

  布朗大学的科学家们利用石墨烯层叠层中的微小间隙,高效过滤污染物,展示了一种很有前途的新型净水技术。

  中科院上海硅酸盐所科研团队研发出三维石墨烯管治污新材料,太阳光照射2周内,可较明显改善水质,帮助污水变清,并已在上海、安徽等地成功示范。

  上海大学科研团队研发出一种石墨烯复合材料,并与上海市石墨烯产业技术功能型平台合作开展示范工程,对上海市宝山区6条河道进行了治理,经治理,河道水质指标均已达到地表Ⅴ类水标准,部分指标达到地表Ⅳ类或Ⅲ类水标准,治理效果明显。


  澎湃新闻:在石墨烯研发领域,中国目前达到怎样的水平?

  梁勇:

  中国是目前产业化发展最为活跃的地区之一,产业化进程全球领先。中国政府高度重视石墨烯产业的创新发展,发布了一系列政策措施进行系统部署,并将石墨烯列入中国“十三五规划”的165项重大工程。政府和企业积极推进,中国石墨烯产业呈现出快速发展的态势,尤其是2018年石墨烯首次在华为Mate20X手机上成功实现应用,大企业涉足为中国石墨烯产业的发展注入了新动能。

  目前,中国石墨烯产业在科学研究、技术开发等方面已实现与国际并跑。

  

澎湃新闻:中国石墨烯产业的短板在哪里?

  梁勇:

  中国石墨烯产业发展存在的主要问题如下:

  第一,关键技术仍有待突破。

  目前制备方法中能够大规模生产的方法很多都会污染环境,并且会用到硫酸、硝酸等强酸,因此存在很大危险性。经过多年自主研发,石墨烯的规模化生产技术、工艺装备和产品质量均取得重大突破,但仍存在三大瓶颈制约了石墨烯产业化的发展;1、高质量石墨烯制备技术上不成熟,在成品率、薄膜转移、质量稳定等技术上还需进一步突破,石墨烯材料的品质同时也面临着标准不一、市场不规范等问题;2、中国石墨烯企业主要是创业型企业,无法获得有效科研支持,在投入、周期和风险等方面有待改善,研发制备企业与石墨烯的下游应用企业脱节;3、石墨烯下游应用的许多基础科学机理研究还不够透彻,实际应用时间尚短,缺少性能全面考核和实际应用的评估数据,下游产业链尚未形成规模,在半导体等高端领域的应用需要开发。

  第二,龙头企业带动不足。

  目前国内从事石墨烯生产和应用开发的企业多为中小型企业和初创企业,虽然有少部分大型民营企业、国企和央企开始关注石墨烯,但有实质性投入的企业仍很少,特别是大型应用企业介入不多,创新动力不足,存在等待“摘桃子”心理。这导致石墨烯龙头企业缺位,行业示范效应缺失,无法发挥行业引领和带头作用。小企业虽然经营灵活,但综合实力弱,大部分都没有自己的研发团队,只能采取合作或委托研发的模式,关注的也是一些技术门槛相对较低、投入小、产出快的领域,比如电加热、大健康、复合材料等。反观发达国家,涉足石墨烯的都是三星、IBM、英特尔、巴斯夫等行业巨头,研发投入巨大,关注的都是相对高端、前沿的领域,如可穿戴技术、半导体、生物医药等,这也是造成国内外石墨烯产业发展差异巨大的原因之一。

  第三,区域产业集群联动不足,同质化竞争严重。

  不完全统计,截至2019年底,中国各地成立了50余家石墨烯产业园/创新中心/生产基地,但是其中大部分项目都未经过严密的科学论证,技术水平参差不齐,不能和当地原有产业充分结合,造成极大资源浪费。区域分布看,长三角、京津冀、粤港澳地区的部分地市已初步形成产业链完整的创新集群,并形成较为完善的产业链分布。但这种集群效应缺乏区域内跨地市联动,区域内石墨烯产业群之间的错位分工联动不足,各集群间的产业技术布局重合较为严重。此外石墨烯知识创新与产业技术创新联动不足,各地产学研之间存在普遍的“鸡同鸭讲”现象,学界和产业界的目标错位,缺乏基于技术前景和应用需求双轮驱动的产业链合作。

  第四,应用市场有待进一步拓展。

  石墨烯从发现至今仅10余年,关键核心技术有待进一步突破。虽然石墨烯已经在部分领域实现产业化,但大多数产品仍然属于将石墨烯与原有材料结合提升产品性能,技术门槛相对较低,且同质化现象严重,大多数产品是以概念炒作为主,市场认可度不高,真正意义上的“杀手级”应用仍然没有诞生。一些下游企业希望利用石墨烯替代技术已经成熟、性价比达到极佳的传统材料生产高端产品,但这需要企业大量支出产品研发、工艺技术、市场推广等费用,另外企业必须承担石墨烯应用所带来的不确定性风险,因此大部分终端企业持观望状态。虽然中国石墨烯粉体及薄膜制备产能不断提高,但实际产能利用率不超过20%,国内有实力研发石墨烯相关产品的企业不多,而且目前以石墨烯为主业的上市公司均处于亏损状态,大规模应用市场仍未全面打开。

  第五,产业生态体系尚不成熟。

  国内石墨烯全产业链已初见雏形,覆盖了从原料、制备、产品开发和下游应用的全环节。但整体看来生态体系仍然较为脆弱。石墨烯产业属于技术密集型产业,中国目前针对石墨烯的“企业+研发机构+孵化器/创新中心”的发展模式尚在摸索起步阶段,研发大多以材料性能为导向,上下游对接不足,很多研发难以满足市场需求,发展模式均有待接受市场检验。


  澎湃新闻:石墨烯领域,中国未来努力方向是什么?

  梁勇:第一,发挥市场政府两方面作用,强化政策针对性。

  一是进一步完善检测认证体系,积极开展国际交流合作,逐步构建全产业链标准检测认证体系;开展第三方石墨烯原材料和应用产品认证,为石墨烯工业品、消费品提供广泛的技术支持和服务。把那些技术含量不高的产品、技术交给市场检验,政府通过加强标准制定、检验检测等手段规范市场环境,维护公平竞争,并筛选好的产品开展产业示范。二是将石墨烯重点研究方向与制造业强国战略相统一,围绕新一代信息技术、航空航天装备、节能与新能源汽车、生物医药等重点领域发展需求,聚焦重点,从国家层面进行前沿性和战略性核心技术、专利和产品的布局。三是尽快研究制定石墨烯技术成熟度路线图,对技术进行成熟度评价和重点企业技术成熟度、经营状况、产品销售等进行评估,科学评判其产业化阶段性和发展前景,避免盲目乐观,过度炒作。

  第二,加强高端应用攻关,推动规模化、绿色化制备技术突破。

  一是加强企业与高校、科研机构的紧密合作,搭建产业创新平台,形成以企业为主体、产学研结合的技术创新体系,完善重点产品产业链,刺激市场需求,加快产业化进程。二是继续整合各类创新资源,制定技术创新目录和技术突破路线图,鼓励开展石墨烯高端应用研究和创新应用研究,组织优势力量开展重大项目和重点应用的技术攻关,对材料制备技术、清洁生产技术、下游高端应用等关键技术加强攻关、加快关键技术成果的转化。三是继续探索石墨烯材料的变革性技术、积极关注国外大企业动向,寻找“杀手锏”级的高端应用领域、方向和产品。

  第三,聚焦产业化应用推进,加强石墨烯产业应用示范。

  一方面,选择基本实现量产、技术较为成熟、下游用户认可度高的石墨烯产品开展应用示范,培植一批先导用户,加快下游市场培养;另一方面,加快石墨烯在新兴产业领域的技术研发、突破以及相关专利的前瞻性布局,引导创新要素和创新资源向这些领域聚集。同时,加大石墨烯材料在国防科技领域的应用,发挥军民结合公共服务平台作用,开展两用技术交流对接,提升石墨烯产业军民融合水平。

  第四,规范产业园区建设,形成集群效应。

  一方面发挥园区示范效应,引导建立一批石墨烯新材料产业应用示范基地;另一方面,因地制宜研究制定相关政策措施,激发市场主体创新活力,促进石墨烯产业持续健康发展。同时,为避免盲目跟风,有关部门要对石墨烯产业园区、研究院及创新中心建设进行正确引导及规范;针对目前产业园区泡沫化现象,按照传统产业规模、协同创新能力及地方政府重视程度等标准评选出特色示范园区,树立行业标杆。

  第五,加强全球互通合作,培育优势领跑企业。

  一是与先进技术国建立双边国际石墨烯创新合作中心,打造高端新材料-石墨烯领域技术交流平台;建立石墨烯销售平台,鼓励支持中国企业走出去,实现石墨烯技术“引进来”与产品“走出去”并举;建立基于石墨烯知识产权运营的全球石墨烯研发合作平台,充分发挥中国石墨烯材料制备及应用市场的优势,推动石墨烯技术的创新、产权化、商业化发展进程。二是培育石墨烯领域领跑企业,选择一批优势明显、成长性好的重点企业进行培育支持;鼓励国有大型企业参与石墨烯等相关技术研发及应用领域拓展;支持优势企业与上下游企业建立紧密合作关系,提高石墨烯产业发展的集中度。

  第六,注重国家石墨烯创新中心建设。

  一是在筹备国家石墨烯创新中心时要充分体现国家意志,在核心定位方面充分体现国家战略需求,加强对行业关键技术的前瞻性布局,如加强高端石墨烯材料制备技术的攻关,对一些石墨烯高价值应用(如光电器件乡半导体、集成电路等)的核心技术和关键装备开展前瞻性布局。二是注重下游应用企业尤其是大型企业的参与,建议对下游应用领域企业的占比及业内排名提出明确要求。引导现有省级创新中心加强对下游应用企业(尤其是龙头企业)的资源集聚,充分发挥应用企业的市场优势,加快推动石墨烯的大规模应用。


  澎湃新闻:发展石墨烯产业,还需要克服哪些困难?

  梁勇:

  人才方面。应加强石墨烯领域高端人才队伍建设,构建多层次人才队伍,建立健全高端人才保障机制,培养一批具备国际视野的石墨烯行业领军人才,帮助优势企业引进能够带来核心技术的高端人才或技术团队。

  技术方面。多发展绿色环保制备技术,解决传统制备方法中存在的污染问题;发展原材料低成本宏量制备技术,推进石墨烯低成本化生产;加强高端技术布局,以解决目前国内石墨烯产业存在的“低端化、同质化”的问题。

  资本方面。充分发挥财政资金引导作用,鼓励社会资本参与,选择少数真正有创新实力的石墨烯企业进行重点培育,设立石墨烯产业发展基金,调动科研机构对应用研发的积极性,同时引导相关企业开展石墨烯相关技术开发。

  政策方面。科学规划,制定相关的优惠政策和产业政策,加强对石墨烯产业发展的政策引导力;启动石墨烯重点应用示范工程,在政策上加强大型企业先行先试,使得大型企业加入到对石墨烯的下游开发、应用中来,充分起到大企业的示范领军带头作用,拉动石墨烯产业发展。

来源 | 澎湃新闻