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陈光祖:石墨烯汽车新型材料的神奇力量

不久前,我在报刊上发表一篇文章,其中简短提到,不久未来,车前窗的刮水器可以不用了,要去掉。接着有一位记者打电话给我说:陈老,我是开车 “二把刀”,最怕是下雨天和雪天开车,眼都不敢眨,很紧张,要是不要刮水器,我还敢开车吗?我告诉她,你不用紧张,有一种叫“纳米级石墨烯薄膜贴在或是喷 上车前窗,不管是雨天,雪天甚至灰尘,只要碰上马上滑掉,一点也不会留着,车窗特别明亮,而且车上仪表的显示可以用在方向盘的车窗上,这在飞机上已用多 年,你要什么要求,只要说话,就会有数据显示在车窗前方上,不用现在那样还得低头看一看仪表显示屏。她说那太好,你告诉我这是什么东西在起作用。这就是我 进一步认真思考去写这篇文稿,供大家来共同探索,如何更好去发展汽车产业的新型材料问题的启示。

石墨烯是新近世界上发明的超级材料,这个发明和应用的神奇项目还仅仅用了10个年头。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈• 海姆和康斯坦丁•诺沃肖诺夫在实验室里,他们利用类似铅笔石墨那样物质,把它分离成薄片,又在薄片上贴上胶带,再进行剥离,形成极为细薄的石墨片,就这样 的设法一直剥下去,构成了现在的石墨烯。资料证明,厚度可能薄到难以想象的0.35纳米,而它的强度却顶上厚度为1毫米钢板强度的200万倍。随着石墨烯 研究和应用上速度深化,在社会上各个领域都获得巨大的突破,据说世界上已有一万多家大大小小的企业在进行商业化的研发和应用,其中不少是在中国。2010 年,上面提到的两位石墨烯发明者,获得诺贝尔物理学奖的最高荣誉。

但这里要说明,石墨烯不能误解为是石墨的一种产品,目前石墨烯是从甲烷、乙烷等含碳气体中提取,与石墨没有关系,它已形成独立的新型材料体系,在汽车、电子信息、航空、航天、海洋、化工、纲材、能源、生物等领域上应用,将催生万亿美元产能,盈利会达最好的行业。

石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体,它是人类已知物质中透明度强、有韧性、极其坚硬、防水防热,电阻率低,资源丰富的一种完美材料,并成为国际各个行业竞争的焦点。

据提示,三星苹果的竞争将从全球智能手机市场上转向到石墨烯产品研发专利竞争上,都在尝试尽早开发出下一代能用上石墨烯专利的产 品。在美国专利商标信息表明,2013年三星拥有38项专利申请,其中至少有17项发明专利中提到石墨烯一词。苹果拥有2项石墨烯专利,1BM和富士康等 公司都注册了与石墨烯有关专利。石墨烯市场潜力巨大,根据YakeeGroup数据,2016年全球移动设备销售将达到8470亿美元,英国 JuniperResearch领域可穿戴计算设备未来5个将扩大14倍,这些都与石墨烯的应用与竞争有关。三星重点将在智能手机内存芯片和电视机上应用石墨烯,采用可耐用,热导性和弹性更好的石墨烯材料。三星还已与成均馆大学合作,开发出一种石墨烯芯片,很快可用商业化。三星还表示,石墨烯未来可应用于太空服、集成电路、传感器、芯片、显示屏、智能衣物、特别是消防人员穿的石墨烯防火服上。

在欧盟,2013年启动为期10年的石墨烯研发项目计划,花费10亿欧元投资。美国从2008年开始已投入3000多万美元研制石 墨烯产品。德国在2010年启动1060万欧元,开展石墨烯新兴前沿研究项目的投入。日本经济产业省,从2011年开始投入9亿日元,重点支持碳纳米管和 石墨烯的合成技术。韩国通商资源部计划,从2013年开始的未来6年投入4230万美元协助企业将石墨烯的应用产品的商业化。

在国内石墨烯研发和应用也掀起一股热潮。在常州已成立石墨烯研究院,并以该院为中心启动建设石墨烯科技产业园,他们确定“三四五” 计划,三是大战略定位:分别把握石墨烯研究动态,引领开发和推动产业化应用;四是功能定位:即建立平台,引领团队、孵化企业,培育产业;五是业务平台:即 科技创新平台,企业孵化平台,创业投资平台,国际交流合作平台,技术转移平台。目前中科院德州大学,同济大学,荷兰莱顿大学的专家,教授已进入常州石墨烯 产业园协助工作,10多家石墨烯企业已开始进行不同项目运作。

在宁波已制定《宁波市重大科技专项“石墨烯”产业化应用开发计划》,作为全市新兴产业,新材料产业研究应用重点,计划在新能源、电 子信息、航空航天、复合材料等领域加强应用石墨烯的突破,发展目标是:一,到2016年石墨烯及相关企业和研究机构加强创新活动,带动宁波新材料产业发 展,对传统产业转型升级做出突出贡献;二、石墨烯及相关产业形成国家级产业基地,市场规划初期达20亿元;三、引进和培育石墨烯研发企业20家,下游应用 生产个业100家以上,其中高成长企业达10家;四、自主研发石墨烯及相关技术50项以上,开发产品30种以上,如锂离子电池复合正极材料、通讯基站及风 光发电储能用锂离子电池、超级电容器、石墨烯水性纳米材料、石墨烯粉未涂料、石墨烯导热涂料、石墨烯高分子复合材料等。

今年8月,济南市人民政府、济南圣泉集团公司发布新闻指出:我们首先将石墨烯应用在现在产品上,如酚醛树脂、轻芯钢、刹车片、 砂轮、砂纸等。这些产品将使性能大幅度提升而更具市场竞争力。又指出将石墨稀加入酚醛树脂中、固化后冲击强度可提高150%,弯曲强度提高40%,且无 毒、气体释放量小,适宜于使用在汽车、高铁、轮船、飞机等高端的内饰材料上。又说,汽车刹车片应用石墨烯改造,可提高摩擦系数、磨损量大幅下降,用到轮胎 上,可增加轮胎强度和延长寿命,用在汽车车滤低行业,使之具备良好的散热性和超强导电性,可确保及时释放静电荷,提高应用质量。

2013年12月,重庆石墨烯产业园在金风产业园正式揭牌,在园区内有由上海南江集团与中科院重庆研究院投资5亿元,建设年产 1000万片大面积单层面石墨烯生产线,一期项目即将正式量产。有关负责人指出:现在电动车充电要几个小时,而石墨烯锂电池只用10分钟就可完成。明年就 有一批石墨烯触控屏手机面市,预计不久时间所有电子产品上均可用上石墨烯的触控屏,并且比现在普通屏节能10%,还有可折叠的电子产品有望在重庆诞生。在 材料应用上将取代硅材料的显示器,触摸屏,芯片、发光二极管等将广泛得到应用和投放市场。

更值得一提的是近日厦门市已邀请诺贝尔奖获得者康士坦丁•诺沃肖诺夫和安德烈•海姆两位教授实地考察和开展石墨烯产业的合作工作, 他们表示将以厦门大学为基础,大力推动厦门市石墨烯产业强劲增长。厦大刚成立的石墨烯研究院是与英国蓝石科技公司和福建建辉锐材公司共建的产、学、研于一 休研发机构,将在电池、触模屏、海水淡化、癌症治疗、LED灯、等方面加速产业化,并指出这个研究院一定会是领先于世界其他石墨烯研究机构的。

为加强国家对石墨烯产业的指导作用,今年8月14日中国石墨烯战略联盟在北京正式成立,包括22家企业,6家高校、4家中科院研究 机构,基本上囊括了国内石墨烯产、学、研究主流单位,联盟指在大力构建以企业为主体,以市场为导向,产学研相结合的石墨烯产业技术创新体系,为推动我国石 墨烯产业快速发展做出贡献。

由此可见全球石墨烯产业建设特色:

——从基础研究到应用研究再到工程应用,石墨烯是一个发展速度十分警人一个重大高科技项目,这在科技历史上是很少见的,这个经验值得研讨推广;

——现在全世界都动手抓石墨烯,这就看谁的本领最大,国际材料界人士认定,石墨烯将为改变世界经济与生活做出重大贡献,不久未来这个产业规模超过万亿美元是完全有可能的,同时对国家经济的发展也具有很好的推动力;

——各主要国家政府和主流企业都十分重视石墨烯产业化工作,包括中国政府在内,而且行动迅速,几个重点石墨烯产业基地正在快速成长,中国在石墨烯产业建设这个问题上一定不要落后,一定要抓紧发展,特别是核心技术上一定要自主掌握,这将是对我们一次重大考验;

——汽车工业将在石墨烯产业发展中将得到很大收益,许多项目都与汽车工业发展有不同程度的密切的关系,特别是新能源和电动汽车上有很多地方可以得到支撑的,汽车界人士一定要努力搞好跨界合作,推动石墨烯尽多的在汽车产业上应用;

——石墨烯毕竟是时间很短的一个新兴超级材料产业,大家都多是在缺乏经验中摸索前进,产业发展具有不少风险和机遇,防犯风险,推进 机遇,要有很多复杂、系统、协调工作要做,我们要总结过去一些经验教训,不要再犯上“老毛病”,特别是不要搞同质化重复地发展,要各有特色的推动石墨烯的 研发和产业化工作,不能光有热闹不出实活,要实实在在的拿到真货,获得利益;

——由于石墨烯材料的启示,在汽车产业上要努力发展多种新型的材料,来加快汽车产业整体质量和水平的提升。如超导材料、纳米材料, 节能减排用材料、磁性材料、有机合成复合材料、陶瓷工业材料、光导纤维材料、纤维增强塑料等等,资源是无尽的,让我们汽车界人士共同努力去挖掘。

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