近日消息,《2016十三五新材料技术发展报告》 在国家新材料产业发展战略咨询委员会官网正式上线!《2016年度新材料发展报告》由天津研究院组织编撰,动员了国内外著名专家和知名学者200余人,聚焦于新一代电子信息材料、先进结构与复合材料、新型功能与智能材料、纳米材料与器件、材料基因工程等重大重点领域的国际进展、知识产权、未来5-10年发展趋势,进行了综述和预测。
本年度白皮书涵盖上述五个领域的20个子专题,以下为其目录:
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我们特此摘录了《2016年度新材料发展报告》中新型纳米碳材及器件部分石墨烯相关内容,供读者参考。
新型纳米碳材及器件
一、背景
进入21世纪以来,纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等新型纳米碳材料的迅速发展引起了全世界的广泛关注。当这些材料的尺度缩小到纳米范围时,其部分物理、化学性质将发生显著变化,并呈现出由高比表面积或量子效应引起的一系列独特性能。
新型纳米碳材料具有稳定性好、强度高、比较面积大和碳来源丰富等特点。是最具发展潜力的前沿材料,也是主导未来高科技竞争的战略材料。由其制备的器件,将在能源的高校存储与应用、光电子器件、传感器等领域呈现出诱人前景,甚至有望引发颠覆性的产业革命。
尽管纳米金刚石和富勒烯发现较早,但受制于产业化制备技术和应用领域开发限制,目前仍处于实验室阶段。当前,石墨烯和碳纳米管是引发各国政府、科技界、产业界全面关注的重点新型纳米碳材料,具有一定的产业化规模。
石墨烯
(一)石墨烯材料及器件
石墨烯不仅是世界上已知最强、最坚硬、最薄的材料,同时也是已知材料中电阻率最小、导热系数最高的物质。
石墨烯根据其形态与应用可以分为微片(粉体)和薄膜两类。石墨烯微片的制备方法有:氧化还原法、插层剥离法、液相剥离法、机械剥离法等,石墨烯薄膜的制备方法有:化学气相沉积法以及外延生长法等。其中,利用插层剥离法或氧化还原法制备石墨烯微片的技术已经实现产业化,而以化学气相沉积法卷对卷制备高质量大面积石墨烯薄膜的技术也已取得重大突破。
我们分析,未来石墨烯材料及器件在应用层面上的发展将会经历以下初级、中级、高级三个阶段。
(二)石墨烯国内外进展2004年,英国曼彻斯特大学安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫第一次成功地从石墨中分离出了SP2轨道杂化的石墨烯,自此石墨烯的研究掀起了高潮。特别是近年来,英、美、德、日、韩各国以及欧盟均将石墨烯的研发上升至战略高度,各科技界和产业界纷纷发力与国家高层布局遥相呼应,正在形成技术研发和产业投资的高潮,力争把我石墨烯技术革命和产业革命的机遇。
作为石墨烯的诞生国,2011年起英国政府将石墨烯定位重点发展的新兴技术,迄今为止在该领域投入数亿英镑,重点研究领域涉及电子信息、传感器、复合材料。储能材料以及结构材料。英国石墨烯研究基础雄厚,学术方面以曼彻斯特大学和剑桥大学为主,科研机构由国家石墨烯研究中心牵头,还将与2018I安建成第二个石墨烯技术创新中心。产业层面英国本土企业相对薄弱,为此英国国家石墨烯研究中心已于全球约50家企业建立了合作关系,旨在将石墨烯的基础研究推向产业化。
近年来,德国在石墨烯领域取得了不菲成绩,源于政府携手欧盟通过政策鼓励、资金支持充分调动国内科研机构、企业和高校的积极性,全面参与了数千个石墨烯研发项目,形成了政产学研一体的石墨烯研发网络。学术方面,2016年在欧洲社会基金(ESF)的支持下,欧洲又一新的石墨烯研究中心在德累斯顿工业大学诞生。产业层面巴斯夫携手马普学会成立了包括石墨烯在内的碳材料创新中心,另外AMO公司、诺基亚贝尔实验室、博世等公司在石墨烯应用于光子和光电领域局域较强优势。此外I,德国爱思强公司研发出的金属有机化学气相沉积设备标志着大规模石墨烯制备技术取得突破性进展。
2013年,欧盟启动了石墨烯旗舰计划,总投资高达10亿欧元,并在一年后发布了石墨烯科技路线图。运行至今,石墨烯旗舰计划带领英、德、法、意大利、荷兰、丹麦等欧洲国家,携手推进石墨烯的研发和产业化进程,并积极促进了全球其它地区的合作交流。
美国政府在布局石墨烯的研发应用时针对性极强。国防部开展了多项石墨烯研究项目,重点是将其应用于最具颠覆传统产业的领域,以期占据军事前沿技术的制高点。产业层面上美国呈现多元化布局,既包括IBM、因特儿、波英等行业巨头,也包括一批中小型石墨烯新兴企业。
韩国石墨烯制备技术和器件研究发展迅猛,政府提供了近3亿美元的资金支持相关研究,主要研究机构包括部分高校以及三星电子和LG公司,他们在光电器件、晶体管、薄膜以及OLED等方面已拥有丰富的应用研究成果,并积极与英国政府及欧洲石墨烯旗舰计划展开合作。
日本政府近年来大力支持包括石墨烯在内的纳米碳材料相关研究,经产省投资120亿日元鼓励研发。在政府的支持下,日本在石墨烯量产技术、储能应用等方面取得一定成果。但日本的研究主要集中在初级应用,试图利用石墨烯的优异性能功巩固其在电池领域的传统优势。
我国近年来在石墨烯领域开展了大量研究跻身世界石墨烯研究领域第一梯队,申请专利总数世界第一,在石墨烯制备、物性与应用基础探索方面获得了一批具有重要国际影响力的创新研究成果,同时石墨烯产业也呈蓬勃发展之势。研究力量主要是清华大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等高校,中科院等科研机构以及新兴的中小企业。我国政府对石墨烯研究及产业发展也给予了大力支持。《新材料产业“十二五”发展规划》中将石墨烯作为重点发展的前沿新材料。《十三五国家科技创新规划》中明确将石墨烯列为重点发展的先进功能材料于颠覆性技术。《中国制造2025》明确要求做好石墨烯等战略前沿材料的提前布局,并编制了石墨烯产业技术路线图。但是整体上,我国在石墨烯研究领域缺乏原始创新和系统创新,成果转化率低。
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