2016年8月8日，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，明確了“十三五”時期科技創(chuàng)新的總體思路、發(fā)展目標(biāo)、主要任務(wù)和重大舉措。規(guī)劃中提出要發(fā)揮石墨烯等對新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用，這無疑肯定了石墨烯在新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要地位。
石墨烯作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”。當(dāng)前國內(nèi)對石墨烯材料的應(yīng)用，還僅僅停留在對已有材料的改進(jìn)方面，比如，利用石墨烯絕佳的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，提高零配件的散熱能力，縮短電池充電時間等等，還沒有這種顛覆性的應(yīng)用出現(xiàn)，但是《十三五國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》的發(fā)布，為石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來指明了方向，那就是研究顛覆性應(yīng)用，指引新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2016年中國國際石墨烯創(chuàng)新大會將于2016年9月22日至24日在青島舉行，大會將以“新勢力、新常態(tài)、新突破”為主題，同時東旭光電下“烯王”在9月量產(chǎn)上市，9月份將是石墨烯板塊非常重要的爆發(fā)點。從二級市場來看，從8月份開始，石墨烯板塊的相關(guān)概念股就有資金大幅流入的跡象，股價收上影線非常多。本文對石墨烯行業(yè)進(jìn)行簡要分析，并對板塊相關(guān)個股進(jìn)行詳細(xì)分析。
石墨烯簡介
石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結(jié)構(gòu)，看上去就像由六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。每個碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子構(gòu)成正六邊形，每一個六邊形單元實際上類似一個苯環(huán)，每一個碳原子都貢獻(xiàn)一個未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為0.335nm，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯分類
1、單層石墨烯：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。
2、雙層石墨烯：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。
3、少層石墨烯：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。
4、多層或厚層石墨烯：指厚度在10層以上10nm以下苯環(huán)結(jié)構(gòu)(即六角形蜂巢結(jié)構(gòu))周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式(包括ABC堆垛，ABA堆垛等)堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。
石墨烯特性
由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，其也表現(xiàn)出許多其它材料不具有的特異性能。
1、導(dǎo)電性極佳：石墨烯中載流子電子和空穴是連續(xù)的，遷移率可以到達(dá)1×105cm2/Vs，電子的傳輸速度達(dá)到光速的1/300，大大超過了在一般金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)速度，因而其擁有極好的導(dǎo)電性。
2、超高透光率：單層石墨烯在很寬的波長范圍內(nèi)的吸光度僅為2.3%，也就是單層石墨烯的透光率達(dá)到97.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于透明導(dǎo)電薄膜國際通用標(biāo)準(zhǔn)85%的要求。
3、超高強度：石墨烯被發(fā)現(xiàn)是繼碳納米管之后具有最高彈性模量和強度的材料。其強度是世界上最好的鋼強度的100倍，硬度比自然界中最硬的材料金剛石還高，同時又擁有極好的柔韌性，可以隨意彎曲。
4、超高熱導(dǎo)率：和石墨、金剛石和碳納米管相似，石墨烯也擁有非常高的熱導(dǎo)率，自由態(tài)的單層石墨烯在室溫下熱導(dǎo)率可以達(dá)到5000W/mK，是目前已知的導(dǎo)熱率最高的材料。
5、超大比表面積：由于石墨烯的厚度只有一個碳原子厚，因此單層石墨烯擁有超大的比表面積，可以達(dá)到2630m2/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通活性炭的比表面積。在2015年石墨烯發(fā)現(xiàn)之前，石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。
石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈
1.上游行業(yè)運行對石墨烯行業(yè)的影響
上游行業(yè)運行對石墨烯行業(yè)的影響
石墨是重要的非金屬礦產(chǎn)資源，根據(jù)結(jié)晶形態(tài)不同分為隱晶質(zhì)(微晶)和晶質(zhì)兩種。其中微晶石墨為煤變質(zhì)產(chǎn)物，是由直徑小于1微米晶體構(gòu)成的致密狀集合體，亦稱土狀石墨或無定形石墨;晶質(zhì)石墨為巖石變質(zhì)產(chǎn)物，晶體較大，多為鱗片狀。石墨材料及其復(fù)合材料作為21世紀(jì)的新興材料，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、航天等領(lǐng)域。尤其是大規(guī)格高質(zhì)量的石墨，作為替代性材料，在高科技、高技術(shù)領(lǐng)域有著寬廣的應(yīng)用空間。
石墨烯制備一般選取高質(zhì)量的鱗片石墨、可膨脹石墨等，所以作為石墨烯產(chǎn)業(yè)的開端，石墨礦產(chǎn)的開采以及高純石墨的深加工是非常重要的。
在二級市場中，石墨烯上游概念股為方大炭素、寶泰隆(個股詳細(xì)介紹見后頁)
2、下游產(chǎn)業(yè)對其產(chǎn)業(yè)的影響
石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，目前仍沒有一種可以應(yīng)用石墨烯的產(chǎn)品能夠規(guī)模化生產(chǎn)。對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構(gòu)的研究使用。
石墨烯的高強度、高導(dǎo)電性及傳熱性、超大的比表面積等特性能夠在航天軍工、鋰離子電池、超級電容器等多領(lǐng)域有潛在應(yīng)用，但由于其成本過高，一直都處于研究階段。從目前的技術(shù)發(fā)展來看，最有可能實現(xiàn)工業(yè)化使用石墨烯的下游行業(yè)是復(fù)合材料領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域。將石墨烯添加到塑料、橡膠、涂料等基體中，可以大幅增強產(chǎn)品的性能，如強度、韌度、導(dǎo)電性及傳熱性等，在符合材料領(lǐng)域的應(yīng)用也是目前石墨烯最大的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
鋰離子電池
大幅縮短充電時間，提升電池容量。目前，全球汽車制造商使用的動力電池主要使用鋰電池，以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池、以比亞迪(002594，股吧)為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰。
這三類電池以鈷酸鋰電池能量密度最高，但它在高溫下也最不穩(wěn)定;磷酸鐵鋰電池最穩(wěn)定，但能量密度最低。鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)沉寂了20年沒有大的技術(shù)革新，其最大的障礙在于：鋰離子電池功率密度有限，其大量能量無法快速接收或釋放(即無法實現(xiàn)快充快放)。
石墨烯由于其超大的載流子遷移率，應(yīng)用于鋰離子電池上，可以大幅降低充電時間;而且由于其穩(wěn)定性可以提高電池循環(huán)穩(wěn)定性;另外由于超大比表面積還能提升電池容量。
表面防護(hù)材料
石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐腐蝕，耐氧化，強度大，并且容易在各種金屬表面生長，可以廣泛應(yīng)用于金屬材料表面保護(hù)。同時由于其導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性，也可廣泛應(yīng)用于有機材料的保護(hù)及防靜電領(lǐng)域?？梢韵胂笕绻谄嚸姘灞砻驽兩弦粚邮?，再也不用擔(dān)心愛車被劃了!
代替硅應(yīng)用于集成電路，助力無人駕駛
硅讓我們進(jìn)入了電子化時代，多晶硅已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)原料，被大量用作集成電路的基板。隨著工藝技術(shù)的改進(jìn)，目前硅基芯片的運行速度達(dá)到了GHz的級別，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對于計算機速度的要求越來越高。
然而，硅基芯片受到材料自身性能的限制，處理速度達(dá)到4-5GHz后就很難再提高，已經(jīng)逐漸不能滿足人們對速度的要求。在眾多的備選材料中，石墨烯因其超高強度、超高熱導(dǎo)率以及超強導(dǎo)電性而最引人矚目。
使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達(dá)到THz(即1000GHz)，IBM已經(jīng)在2010年研制出運行速度超快的石墨烯晶體管，其最大頻率可以達(dá)到230GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在的硅基晶體管運行速度。IBM在2014年7月宣布將再投入30億美元進(jìn)行包括石墨烯在內(nèi)的碳芯片技術(shù)的研發(fā)。石墨烯未來很有可能取代硅成為半導(dǎo)體行業(yè)的基礎(chǔ)材料。
無人駕駛技術(shù)方興未艾，其需要超強、超快的計算能力，數(shù)據(jù)存儲、處理系統(tǒng)對集成電路要求非常高，現(xiàn)有的硅基芯片很難完全滿足其需求，而石墨烯基碳芯片的開發(fā)應(yīng)用將會解決這一技術(shù)瓶頸，提供強大的算力支持。
應(yīng)用于超級電容器，完美加速
超級電容器是一種新型儲能裝置，與充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，因而充放電速率非常快，可以在幾秒內(nèi)完成充放電過程，同時具有功率高，使用壽命長等特點。將超級電容器與鋰離子電池組合使用可有效解決電動車加速慢的問題。
由于石墨烯比表面積很大，所以以石墨烯為電極的超級電容器具有超高的容量，可以達(dá)到上百F/g，遠(yuǎn)高于其他材料作為電極的超級電容器，更適合作為動力電池的助力動力源(600405，股吧)。
石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用
替代ITO制備超高效太陽能電池及可折疊的顯示器
今年7月2號，漢能高調(diào)公布了四款運用太陽能作為動力源的概念汽車，如果有朝一日這一想法能夠在汽車領(lǐng)域得到推廣實現(xiàn)，可以想象汽車行業(yè)對太陽能電池的需求會大幅提升。目前太陽能電池、顯示器及觸摸屏使用的透明導(dǎo)電材料主要是氧化銦錫(ITO)。但由于ITO對紅外線的透射率實際上也還是比較低，導(dǎo)致現(xiàn)在的太陽能電池對太陽能的利用效率依然比較低;另外，ITO材料的韌性較差，在折疊或是拉伸時會影響顯示的效果。
石墨烯由于其特殊的結(jié)構(gòu)而具有非常高的電導(dǎo)率，同時幾乎透明，對所有波段的光透過率都超高，是一種性能超優(yōu)異的透明導(dǎo)電材料，因此其被廣泛看好代替ITO。
在太陽能電池領(lǐng)域，日本富士電機在開發(fā)上處于領(lǐng)先地位。其得到的石墨烯片的導(dǎo)電率高達(dá)ITO的幾倍，并且能夠保證90%的光透射率，已經(jīng)達(dá)到能夠充分滿足性能指標(biāo)的水平。在顯示器及觸摸屏領(lǐng)域，相比于現(xiàn)在主流的ITO材料，石墨烯擁有更高的強度和更好的韌性，作為透明導(dǎo)電材料，能夠制作成為可以彎曲的顯示器件。
石墨烯氣凝膠，用于尾氣空氣凈化、催化載體
汽車室內(nèi)及尾氣的凈化一直是汽車環(huán)保領(lǐng)域考慮的重要問題。2013年浙大高分子系高超教授課題組制備出了世界上最輕的材料—石墨烯超輕氣凝膠，材料密度僅為0.16mg/cm3。這種材料制備工藝簡單卻擁有非常優(yōu)異的性能，其具有高彈性，被壓縮80%之后仍可恢復(fù)原狀;同時還具有超快、超高的吸附力，是迄今吸油能力最強的材料。其可以廣泛應(yīng)用于空氣凈化、催化載體等領(lǐng)域，對汽車室內(nèi)空氣凈化以及尾氣催化還原具有重要意義。
石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r
我國的石墨烯研究雖然起步較晚，但發(fā)展速度快，有著潛在優(yōu)勢。近年來國內(nèi)相關(guān)專利申請量和申請人數(shù)增長非常迅速，所涉及的技術(shù)主題也更加廣泛。江蘇、重慶、深圳、黑龍江與中科院等機構(gòu)以多種形式協(xié)同創(chuàng)新，紛紛建立了產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟，促進(jìn)了創(chuàng)新資源優(yōu)化組合和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實力排名中，中國位列第三，前兩名分別是美國和日本。
石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面，2015年成為了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)元年。2015年3月2日，全球首批3萬部石墨烯手機在重慶發(fā)布，該款手機采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜，開啟了石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新時代。經(jīng)過多年科學(xué)研究的積累，我國石墨烯企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化步伐不斷加快，制備工藝呈現(xiàn)多元發(fā)展，已有少數(shù)企業(yè)具備石墨烯產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)的能力。
