石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，主要制備來源是石墨與甲烷。石墨烯是一種有著高強(qiáng)韌性的超薄材料，斷裂強(qiáng)度較大，超過鋼材的200倍;彈性較好，拉伸幅度超過20%，導(dǎo)電性優(yōu)異。2004年，英國(guó)曼側(cè)斯特大學(xué)蓋姆教授和諾沃肖洛夫教授從原生石墨中成功制備單層晶體石墨烯，證實(shí)了石墨烯可以在自然環(huán)境中存在，兩人也因此發(fā)現(xiàn)獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

一、石墨烯的全球產(chǎn)業(yè)化

近年來，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家對(duì)石墨烯投人了大量人力財(cái)力，石墨烯相關(guān)扶持政策與產(chǎn)業(yè)化研究也提上議程。2013年1月，歐盟委員會(huì)將石墨烯列為未來新興技術(shù)的支柱材料之一，拿出10億歐元專項(xiàng)資金資助石墨烯制備與應(yīng)用研究工作。美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)資助了超過500項(xiàng)有關(guān)石墨烯的研究，重點(diǎn)包括石墨烯制備、石墨烯復(fù)合材料生產(chǎn)、存儲(chǔ)器件開發(fā)和石墨烯生物傳感器等方向。美國(guó)國(guó)防部與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署也開展了多項(xiàng)石墨烯研究項(xiàng)目，以開發(fā)更輕更小、更快和更高頻的電子器件為核心目的。

以英國(guó)為例，作為石墨烯的誕生國(guó)，英國(guó)在石墨烯研究成果產(chǎn)業(yè)化上卻歷經(jīng)迷途。2016年3月《星期日泰晤士報(bào)》發(fā)表專文，指責(zé)全球最大石墨烯生產(chǎn)商之一的BGT公司和“國(guó)家石墨烯研究院”存在利益輸出，曼大一些研究人員對(duì)此表示強(qiáng)烈反對(duì)，雖在技術(shù)、管理以及資金方面，曼大有著其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但無奈推動(dòng)產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)化就變得捉襟見肘，曼大國(guó)家石墨烯研究院更遭到了國(guó)會(huì)“是否很好保護(hù)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)”的質(zhì)疑。

英國(guó)從事石墨烯商業(yè)開發(fā)的公司并不多，其本土企業(yè)更缺乏對(duì)石墨烯商業(yè)化的興趣，倫敦大學(xué)的大衛(wèi)·普萊斯直言“英國(guó)不會(huì)成為石墨烯的工業(yè)基地”，因此英國(guó)無法借助本土企業(yè)將石墨烯從研究室推向市場(chǎng)。

二、中國(guó)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化

1.中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化地位

我國(guó)石墨的儲(chǔ)量、產(chǎn)量及出口量均居世界之首，其中石墨產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的45%，在石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中擁有一定優(yōu)勢(shì)。石墨烯研究剛剛起步之時(shí)，我國(guó)就重視對(duì)石墨烯研發(fā)的資金支持。尤其是“十二五”期間，我國(guó)石墨烯材料及應(yīng)用在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)工藝等方面取得了重要突破，各領(lǐng)域應(yīng)用效果逐步顯現(xiàn)，石墨烯產(chǎn)業(yè)化步伐明顯加快。

目前為止我國(guó)擁有全球超過1/3的石墨烯研發(fā)專利，在石墨烯制備、性能研發(fā)等方面走在了世界前列。2016年7月12日在江蘇常州發(fā)布的《新華(常州)全球石墨烯指數(shù)報(bào)告》顯示，2015年，中國(guó)已超越美國(guó)、韓國(guó)，在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實(shí)力榜上居首位。

全球石墨烯指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(圖1)，2015年樣本國(guó)家石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展水平前3的國(guó)家為別為：中國(guó)、美國(guó)和韓國(guó)。其中中國(guó)處在相對(duì)領(lǐng)先的位置，美國(guó)、韓國(guó)緊隨其后;德國(guó)、日本、澳大利亞和新加坡處在第2梯隊(duì);英國(guó)、印度、加拿大和法國(guó)位于第3梯隊(duì);俄羅斯、西班牙和意大利處于第4梯隊(duì)。

圖1 全球石墨烯指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.產(chǎn)業(yè)化主要模式

(1)江蘇(常州)模式

我國(guó)地方政府對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)極為重視，一批石墨烯產(chǎn)業(yè)園紛紛涌現(xiàn)，以江蘇最為典型。2011年5月，常州市委、市政府共同出資5000萬元建設(shè)全球第一家專業(yè)從事石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)一一江南石墨烯研究院，同期啟動(dòng)常州市石墨烯科技產(chǎn)業(yè)園建設(shè)。其“研究院+孵化(加速)器+產(chǎn)業(yè)園”的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈條讓石墨烯產(chǎn)業(yè)在江南落地生根，產(chǎn)研結(jié)合的建設(shè)理念為江蘇的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展深深地打牢了地基。

江蘇(常州)模式具有以下六大特點(diǎn)：技術(shù)人才主要來自國(guó)外;得到天使投資的支持;政府建設(shè)公共服務(wù)平臺(tái);建立專業(yè)的孵化器;主要技術(shù)及管理團(tuán)隊(duì)控股;獨(dú)立上市。

由于石墨烯材料應(yīng)用日益廣泛，逐漸受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，石墨烯應(yīng)用研發(fā)的熱潮涌現(xiàn)。“全國(guó)石墨烯看江蘇、江蘇石墨烯看常州”已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，2015年常州石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到12億元，2016年江蘇省石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟獲批科技部“科技服務(wù)業(yè)試點(diǎn)單位”。

(2)學(xué)院(科學(xué)院)模式

學(xué)院(科學(xué)院)模式如圖2所示，以南江集團(tuán)為代表的學(xué)院(科學(xué)院)模式具有以下五大特征：技術(shù)來源于科學(xué)院;上市公司(母公司)管理;研究單位獲得大量成果轉(zhuǎn)化的收入;與資本運(yùn)作緊密結(jié)合;主要技術(shù)骨干缺乏積極性。

圖2 學(xué)院(科學(xué)院)模式

(3)大學(xué)模式

《全球石墨烯產(chǎn)業(yè)專利分析報(bào)告(2016)》報(bào)告顯示，中國(guó)是全球石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)量最大的國(guó)家;美國(guó)、韓國(guó)和日本緊隨其后，也是石墨烯技術(shù)的主要原創(chuàng)國(guó)。高校和科研機(jī)構(gòu)是我國(guó)研究開發(fā)石墨烯材料及應(yīng)用的主體。數(shù)據(jù)顯示，在所有國(guó)家中，中國(guó)申請(qǐng)的石墨烯專利數(shù)量最多，已超過2200項(xiàng)，占全世界的1/3;美國(guó)、韓國(guó)和日本緊隨其后，也是石墨烯技術(shù)的主要原創(chuàng)國(guó)。根據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年至今全國(guó)申請(qǐng)石墨烯專利的單位來看(圖3所示)，專利申請(qǐng)量除了第一名的海洋王照明科技股份有限公司，其余前十名均為高校和科研院所，高校和科研機(jī)構(gòu)成為了我國(guó)研究開發(fā)石墨烯材料及應(yīng)用的主體。

圖3 中國(guó)石墨烯申請(qǐng)專利排名

大學(xué)模式具有以下3大特征：技術(shù)來源于大學(xué)教授;以技術(shù)入股的方式參加;輔以技術(shù)咨詢、顧問方式。

三、石墨烯發(fā)熱膜的應(yīng)用

目前，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的兩大應(yīng)用分別為石墨烯粉末涂料和石墨烯發(fā)熱膜。粉末涂料由于門檻相對(duì)較低，鑒別難度高，市場(chǎng)較為混亂;而石墨烯發(fā)熱膜，擁有單層石墨烯的明顯特征，具有透明、輕薄、柔軟可折疊等特性，也是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模石墨烯民用的核心基礎(chǔ)。

1.發(fā)熱膜基本原理

從石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)可知，單層石墨烯在電場(chǎng)為零時(shí)，導(dǎo)電載流子濃度為零，稱狄拉克點(diǎn)。在距離狄拉克點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，石墨烯中只有單一的載流子。負(fù)柵壓使石墨烯成為電子導(dǎo)電，最終使器件的電阻率發(fā)生從幾千歐到幾百歐姆的變化。在實(shí)驗(yàn)中可以測(cè)量電阻率(或電導(dǎo)率)和霍爾系數(shù)來證實(shí)柵壓對(duì)石墨烯載流子的調(diào)節(jié)作用。在狄拉克點(diǎn)附近，石墨烯中載流子逐漸由電子(或空穴)過渡到空穴(或電子)，霍爾系數(shù)在此處改變符號(hào)(電子為正，空穴為負(fù))，此時(shí)載流子的濃度最小，電阻率最大。根據(jù)石墨烯此種特性為基礎(chǔ)，開發(fā)了溫度可控、可調(diào)節(jié)的石墨烯發(fā)熱膜，其工作原理如圖4所示。

圖4 發(fā)熱膜工作原理示意圖

(Graphene film:石墨烯膜;PET：聚酯;Ag:銀;power supply DC：直流電源)

2.發(fā)熱膜優(yōu)異性能

由于石墨烯本身是二維及柔性、透明、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其低電阻率，可耐受極高的飽和電流，交、直流通用;其低電壓變生高熱量，3V電源即可加溫至100℃以上，輕松實(shí)現(xiàn)低品位能源到高品位應(yīng)用的轉(zhuǎn)化;具有高飽和電流、高導(dǎo)熱系數(shù)，單位面積功率高，具有發(fā)熱快、傳熱快、發(fā)熱均勻的特性;石墨烯膜是百分之百的碳，碳產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射，有良好的醫(yī)療、理療作用。因此，石墨烯非常適合應(yīng)用在加熱膜領(lǐng)域，石墨烯透明發(fā)熱膜利用石墨烯優(yōu)良的加熱性能和遠(yuǎn)紅外光波，實(shí)現(xiàn)了日常保暖和健康理療的雙重功效。通過石墨烯優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)化等性能，實(shí)現(xiàn)了快速保暖驅(qū)寒，而石墨烯加熱發(fā)射的6～15μm遠(yuǎn)紅外光波，能有效激活身體細(xì)胞核酸蛋白質(zhì)等生物分子，改善血液循環(huán)，增強(qiáng)新陳代謝，具有良好的消炎、鎮(zhèn)痛等健康理療效果。從不同尺寸發(fā)熱膜的紅外線成像圖(圖5)可以看出，石墨烯發(fā)熱片上每個(gè)點(diǎn)的溫度都非常均勻，點(diǎn)溫度在極小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 不同尺寸發(fā)熱膜的紅外線成像圖

3.遠(yuǎn)紅外的功效

石墨烯發(fā)熱膜發(fā)熱釋放出來的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)與人體波長(zhǎng)接近，集中在5.6～15μm之間，該區(qū)間的遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)被譽(yù)為人體的生命之光，紅外線光波具有改善血液循環(huán)、改善循環(huán)系統(tǒng)、激活生物分子活性、護(hù)膚美容、提高免疫功能、消炎鎮(zhèn)痛、改善關(guān)節(jié)疼痛、增強(qiáng)新陳代謝、調(diào)節(jié)自律神經(jīng)等十大功效。

4.發(fā)熱膜的應(yīng)用領(lǐng)域

由于石墨烯發(fā)熱膜具有低電壓高熱量、安全輕薄便利等特性，石墨烯發(fā)熱膜可廣泛用于智能可穿戴領(lǐng)域、家庭智能取暖領(lǐng)域、家紡居家用品領(lǐng)域以及軍工領(lǐng)域。

目前中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)走在世界前列，而要繼續(xù)保持領(lǐng)先地位，關(guān)鍵在于民用市場(chǎng)的普及，要得到大眾消費(fèi)者的認(rèn)可，只有越來越多的石墨烯民用消費(fèi)品走進(jìn)民用市場(chǎng)，中上游石墨烯的制備才有生存和發(fā)展的動(dòng)力。

石墨烯從工業(yè)領(lǐng)域走向民用市場(chǎng)，市場(chǎng)的范圍和交易的價(jià)值都已不斷擴(kuò)大，石墨烯帶來新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及法律、法規(guī)等制度環(huán)境，也必須隨之不斷完善，這些完善除了企業(yè)家、行業(yè)協(xié)會(huì)的努力，更需要政府制定出臺(tái)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可喜的是，最近出臺(tái)的《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》已經(jīng)石墨烯行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)納入規(guī)劃。

相信隨著中國(guó)相關(guān)政策、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，資本、技術(shù)的不斷投入突破，未來幾年，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化將加速發(fā)展。