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盘点石墨烯新材料发展市场及应用领域,知多少?

2019年02月01日 11:42:54来源:RFID世界网作者:RFID世界网关键词:智能RFID射频识别设备
    石墨烯(Graphene)是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

    作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯具有结构稳定、导电性高、韧度和强度高等突出的物理化学性质,被称为“黑金”,是“新材料之王”,已经应用在电子、储能、复合材料、航空航天等诸多领域。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
    市场格局
    根据《2017-2022年中国石墨烯市场深度调研与投资前景研究报告》显示,2012年至2013年,石墨烯技术的商业市场产业化缓慢,几乎为零,鲜有代表产品出现。2013年以来,石墨烯市场迎来了快速发展期;2015年全球石墨烯市场规模为0.45亿美元,2018年全球石墨烯市场规模可能达1.95亿美元,之后将加速发展,于2023年超过13亿美元。
    在我国制造业由大变强的进程中,发展石墨烯产业,对带动相关下游产业技术进步,提升创新能力,加快制造业转型升级,抢占制造业新一轮竞争制高点,激活潜在消费等,都有着重要意义。
    全球石墨烯市场可以分为两大类:即氧化石墨烯(GO)、石墨烯纳米片(GNP)和其他。其他类型的石墨烯包括碳化硅石墨烯、还原氧化石墨烯(rGO)等,每一种类型都有不同的特点和用途。其中,氧化石墨烯在全球市场中份额最高,紧接着是石墨烯纳米片。
    整体的石墨烯产业链分为上、中、下游。上游主要是制备石墨烯的原料产业,中游主要是各类石墨烯产品,下游主要包括新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等七大应用领域。

    应用领域
    1、新能源
    碳材料是最早被商业化的锂离子电池负极材料,如今已得到广泛的应用,如石墨化碳材料、炭微球材料等。石墨烯作为碳材料的一员,以其特有的结构、较高的比表面积、特异的电子传导方式而受到研究者的关注。将石墨烯应用于锂离子电池可以解决传统锂电池能量密度和功率密度难以兼得的问题,可以作为石墨烯复合正负极材料、锂电池正负极材料的导电添加剂,全方位提升锂离子电池的性能。同时,石墨烯二维高比表面积的特殊结构以及其优异的电子传输能力,能有效改善正极材料的导电性能,提高锂离子的扩散传输能力。
    2、大健康
    由于石墨烯具有质量轻、高导电性、高导热性、高强度等优点,在导热材料方面有巨大的发展空间。以石墨烯电加热不仅加热速度快,电热辐射转换效率高,而且石墨烯加热膜是整个面加热,温度均匀分布。最重要的是,会产生远红外辐射,具有良好的医疗、理疗作用。石墨烯在大健康领域的应用主要集中在智能穿戴、智能家居及理疗护具等产品,石墨烯发热技术带来了健康环保、安全智能、无尘静音等优势。
    从目前石墨烯的应用领域来看,大健康领域是石墨烯产业化最早的领域之一,2017年石墨烯在大健康领域的市场规模达到5亿元,一些企业已经推出了石墨烯护颈、护腰、发热服、眼罩等产品,并在市场上销售。2018年在平昌冬奥会上,72名演员身穿烯旺科技开发的石墨烯智能发热服饰精彩亮相。在保证服饰轻薄与舒适的条件下,该服饰能在-20℃的低温条件下加热到50℃,并持续4小时。
    3、电子信息
    随着电子工业技术的不断发展,现代化的电子电器正在朝着体积小、能量密度高的方向发展,并且这种发展趋势越来越猛烈。随着电子产品的工作频率急剧增加,由电子设备产生的热量也会迅速积累和增加,如果不能及时地将热量传导出去,也会使电子元件的工作温度急剧升高。这不仅影响设备的正常工作效率,而且也会使其使用寿命大大缩短,因此迫切需要开发高导热性能的界面导热材料。单层石墨烯的导热率可高达5300W/mK,当层数增加到2-4层,热导率降低到2800W/mK-1300W/mK,但依旧远高于铜(Cu)的热导率(398W/mK),是导热性能最好的材料。因此,石墨烯可作为理想的电子元器件导热材料。
    同时,石墨烯天线将成为(继银浆天线之后的)印刷电子技术工艺在RFID(射频识别技术)应用上的又一代表性作品,现阶段铝蚀刻天线制程包括了金属贴合、光阻印刷、金属蚀刻等制程,其流程繁杂、成本偏高且不环保。在印刷天线油墨方面,依成分包括了银浆、铝浆、铜浆与碳浆,其中以金属浆料印刷所得天线效果最好。然而目前铝、铜金属浆需高温脱氧烧结才能展现导电性,使得天线底材浆受限制,而传统碳浆导电性未达天线应用的电阻要求。且银浆天线的制程繁琐、价格昂贵,其导电性能会因弯折而降低,使得目前在市场上利用印刷方式来制作RFID天线方式仍无法大规模生产并取代目前的铝蚀刻天线。而采用石墨烯导电浆料制作天线,其制程环保简单且无污染,价格便宜且质量轻,适合各种无线天线的印制,在市场上无论从性能还是价格方面来说,都具备十足的竞争力。
    4、节能环保
    石墨烯是最坚硬的材料之一,且具有巨大的比表面积和极佳的导电性等众多优异性能,使其在环保领域具有非常广阔的应用前景及巨大的潜在市场价值。石墨烯在节能环保领域主要应用在海水淡化、污水处理、大气治理、电能替代、LED散热等方向。
    在国家对煤改电政策的大力推广下,石墨烯电热膜产业也初具规模,常州二维碳素开发了一款石墨烯高温阻燃型电加热膜,能广泛应用于家用取暖、中医理疗、医疗加热、温度管理等领域,该产品将耐高温性能提升到180℃,电热转化率99%以上,使用寿命提升至30000小时以上,同时具有发热均匀度高、10秒速热等特点,有效解决了现有电加热产品的转化率低、性能衰退、局部高温等行业瓶颈问题。
    5、生物医药
    石墨烯原材料价格低廉、容易得到,制备方法简单,被认为是极具应用价值的新型材料。石墨烯与多糖等物质合成的复合材料,与细胞高度相容,可用作细胞生长支架;石墨烯衍生物表面含有大量的含氧基团,比表面积大,能促进干细胞的黏附、增殖和分化等,通过进一步结构化功能修饰,可用于骨组织工程领域;基于石墨烯材料的生物传感器可用于测定血清样品中的葡萄糖含量、细菌分析、DNA和蛋白质检测等;经过功能化的石墨烯还可作为载体,将药物运送至靶细胞,提高治疗效果和效率;石墨烯较碳纳米管具有更大表面积、更小毒性、更低价格,并且其光热治疗作用更优,石墨烯或将成为癌症光热治疗的替代材料。
    5、生物医药
    石墨烯原材料价格低廉、容易得到,制备方法简单,被认为是极具应用价值的新型材料。石墨烯与多糖等物质合成的复合材料,与细胞高度相容,可用作细胞生长支架;石墨烯衍生物表面含有大量的含氧基团,比表面积大,能促进干细胞的黏附、增殖和分化等,通过进一步结构化功能修饰,可用于骨组织工程领域;基于石墨烯材料的生物传感器可用于测定血清样品中的葡萄糖含量、细菌分析、DNA和蛋白质检测等;经过功能化的石墨烯还可作为载体,将药物运送至靶细胞,提高治疗效果和效率;石墨烯较碳纳米管具有更大表面积、更小毒性、更低价格,并且其光热治疗作用更优,石墨烯或将成为癌症光热治疗的替代材料。
    6、航空航天
    随着航天航空产业的发展,对复合材料的性能提出了更高的要求,因此需要研发更高性能的新型复合材料,由于石墨烯具有高强度、高导热、抗电磁干扰等性能,可用于航空航天材料中,提升航天航空材料性能,有潜力改变我国航空航天材料主要依赖于进口的局面。目前石墨烯在航空航天领域的应用主要包括大型微波暗室用吸波材料、飞行器与武器平台隐身、轻质复合材料、抗雷达干扰线缆、航空航天热管理系统、飞机轮胎、雷达电磁屏蔽等领域。
    应用产业化注意问题
    根据2017年中国石墨烯产业技术创新战略联盟发布的《2017全球石墨烯产业研究报告》显示:预计到2020年,石墨烯全球市场价值将达到1000亿元。而从全产业链市场规模及往年年复合增长率来看,未来石墨烯有望达到万亿元级产能规模,特别是未来5~10年,随着石墨烯应用市场的不断拓展,石墨烯原材料与下游应用产品将持续展现出巨大的市场前景,在众多领域产生令人期待的经济价值。
    伴随着应用市场的巨大潜力,石墨烯新材料的应用产业化进程中,还有很多值得注意的问题。
    首先是石墨烯应用的产品创新不足。目前我国石墨烯产品中出现了大量仿制现象,最突出的表现是在石墨烯发热产品上,众多企业一哄而上推出大量类似的可穿戴式发热产品,其中甚至出现一些“鱼目混珠”的石墨烯产品。
    这主要是由于产学研结合不紧密,高校与企业、产业融合度不高,造成高校的科研成果无法转化,企业遭遇的技术瓶颈难以解决。
    资本的炒作也是石墨烯产业化过程中需要警惕的一方面。铺天盖地石墨烯概念股横盘爆发,市场认知度尚浅。石墨烯企业在起步阶段尽量不要与只炒概念的上市公司发生关联,谨慎选择上市公司投资。另一个需要考虑的问题是,企业选址在什么地方。这其中有很多讲究。高水平的创新能力、成熟的产业链、良好的政策、产业生态,对初创期的石墨烯企业发展十分重要。
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