永安夢康石墨烯科技有限公司股票
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企知道數據顯示,永安夢康石墨烯家居科技有限公司成立於2018-12-27,注冊資本4000.0萬人民幣,參保人數39人,是一家以從事非金屬礦物製品業為主的國家級高新技術企業。公司曾先後獲授「國家高新技術企業」、「創新型中小企業」等資質和榮譽。
在知識產權方面,永安夢康石墨烯家居科技有限公司擁有軟體著作權數量達到3個,專利信息達到30項。此外,永安夢康石墨烯家居科技有限公司還直接控制企業1家。
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在往屆冬奧會中,曾出現過現場寒冷導致大量觀眾提前退場、媒體記者和志願者手腳凍僵難以正常工作的情況。
本屆北京冬奧會運動場館的溫度最低可達零下30多攝氏度,而高科技材料石墨烯有效幫助了工作人員和5G轉播設備等抵禦低溫挑戰。在通電的情況下,石墨烯產生的熱能以平面方式均勻地輻射出來,可以很好地被人體接受,產生由內而外的溫暖。
石墨烯的發現者之一、2010年諾貝爾物理學獎得主安德烈·蓋姆(Andre Geim)這樣描述石墨烯:「石墨烯對很多人來說就像愛麗絲仙境一樣,非常神奇。」
石墨烯,神奇在哪?
文丨崔赫翾 瞭望智庫觀察員
本文由瞭望智庫綜編。
1
撕出來的石墨烯
石墨烯是目前發現的最薄、最堅硬,導熱、導電性能最好的一種新型納米材料,它的熱傳導能力是金剛石的兩倍以上,機械強度比鋼鐵強200倍,導電性比銀和銅還強,被稱為「黑金」以及「新材料之王」。
作為碳材料家族的新成員,石墨烯與石墨、金剛石一樣,都是碳的同素異形體。石墨烯本來就存在於自然界,只是難以剝離出單層結構,1毫米厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的痕跡可能就是數不清多少層的石墨烯。
2022年2月17日,北京石墨烯技術研究院展廳內展示的石墨烯原料。圖|視覺中國
1987年,法國《礦物化學》雜志的一篇論文中首先出現「graphene」(石墨烯的英文名稱)一詞,用於描述單層的石墨片層。不過,這個概念在提出後並沒有引起多少人關注石墨烯本身,而是多用於描述日本科學家飯島澄男發現的碳納米管。
在當時,石墨烯之所以沒能獲得足夠的關注,是因為早在70多年前,理論研究就表明,完美的二維結構晶體無法在非絕對零度的環境中穩定存在。
有理論認為,物質的熔點會隨著其尺寸的減小而減小,當物質的尺寸達到原子級別時會變得很不穩定,傾向於分離成島狀結構或分解。石墨烯作為一種原子厚度級的二維晶體材料,顯然違背了這個理論,許多科學家就止步了。
不過,幾十年來還有一些科學家在積極實驗,尋求突破:
1979年,科學家在真空條件下加熱摻有碳的單晶鎳時,在不同的溫度下分別檢測到了薄層墨片和較厚的石墨片的生成;
1988年,科學家在利用蒙脫土片層間的二維罅隙制備高定向石墨的過程中,觀察到了石墨烯的存在,但是當時所制備的石墨烯只能依附於模板而存在。
直到2004年,英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆(Andre Geim)
和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)用一種非常簡單的實驗方法突破了科學家們的理論認知。
他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片,然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。就這樣不斷操作,薄片越來越薄,最後得到了僅由一層碳原子構成的薄片,這就是石墨烯。
其實,實驗室里用膠帶粘石墨是常規操作。因為石墨是片狀結構,需要用儀器觀察石墨時,研究員往往會用膠帶去除石墨表層,從而露出一個干凈的表面。蓋姆從這樣的日常操作中,通過想像力完成了一個不可能的任務。
2004年10月,他的研究小組在《科學》雜志上發表了這一研究成果,震撼了科學界。6年後,兩位發現者就共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。
在科學家眼中,石墨烯超乎尋常的性能讓幾乎所有已知材料都難以望其項背。
在力學性能力方面,石墨烯的抗拉伸強度值超過常規鋼鐵材料100倍;
在傳輸電子能力方面,常溫下石墨烯的電子遷移率超過本徵半導體硅10倍;
【註:本徵半導體(intrinsic semiconctor)是指完全不含雜質且無晶格缺陷的純凈半導體,一般是指其導電能力主要由材料的本徵激發決定的純凈半導體。】
在熱傳導能方面,石墨烯的熱傳導率值超出熱的良導體金屬銅10倍;
在光學透過性方面,單層石墨烯對太陽光的吸收率僅為2.3%,幾乎是完全透明的。
單原子層的特殊結構賦予了石墨烯極大的比表面積,單層石墨烯的理論比表面積可達2600平方米/克。
蓋姆說:「它是有史以來強度最大的物質,是我們所知道的最堅固的材料,它還是拉伸強度最好的晶體。當然,它的超強性能還不止這些,但這已經讓人相當吃驚了。」
2
概念應用大放異彩
2020年4月23日,中國科學院山西煤炭化學研究所內,研究人員研製石墨烯新能源材料。圖|視覺中國
近些年來,航空航天產業對復合材料的性能提出了更高的要求,而具有高強度、高導熱、抗電磁干擾等性能的石墨烯應用前景廣闊,可應用於大型微波暗室用吸波材料、飛行器與武器平台隱身、輕質復合材料、抗雷達干擾線纜、航空航天熱管理系統、飛機輪胎、雷達電磁屏蔽等領域。
在光伏產業中,石墨烯可以憑借其提高玻璃透光率與玻璃自清潔能力,達到進一步提升組件功率、提升組件發電能力的目的。就自清潔能力而言,常見的組件技術往往只具備超親水或者光觸媒效果,而將這兩種技術完美融合在一起的只有石墨烯技術。
在軍工領域,添加了石墨烯的復合材料可以很大程度增強耐撞擊性,可以應用在空投箱、子彈箱、裝甲車輛上,替代鋼鐵部件;可以用於製造防彈頭盔、防彈背心;還可以應用到登陸艦艇,從而滿足輕量化、抗撞擊、防彈的特殊要求。憑借電磁屏蔽性質,石墨烯也可以用來做隱形飛機、隱身材料……
在生物醫葯領域,石墨烯的應用主要集中在生物感測器、葯物載體、光線療法及生物成像等方面。舉個例子,人體能發射遠紅外光,而石墨烯具有超高的載流子遷移率,遠紅外光投射到它上面後產生的電子可以被迅速地採集。這樣,戴上用石墨烯鏡片製成的眼鏡,就可以在夜裡看清一切東西。此外,還可以採集使用者本身的血糖、腦電等生理數據。
在電子信息領域,石墨烯潛在的應用主要集中在柔性顯示和觸摸屏、感測器、RFID、散熱材料等領域。傳統透明導電膜大都採用ITO材料,ITO含帶毒性的稀有元素銦,而且價格昂貴,缺乏柔韌性。因此,不少廠商已在開發新型的透明導電膜。目前ITO的替代材料有金屬網格、碳納米管、納米銀線等,但它們均有不同程度的缺陷,這給石墨烯提供了足夠的替代空間。
蓋姆在獲得諾貝爾獎之後曾到訪三星公司,當看到三星公司編制的石墨烯產品路線圖的50個特殊性能應用的時候,他認為最接近合理市場價值的應用之一是其柔韌性極好的觸摸屏。
在環保領域,蓋姆研究發現氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子,由此發現石墨烯有望用於制備過濾器材料,從而在海水凈化、污水處理等方面實現應用。
不僅如此,科學家對石墨烯最終取代硅成為計算機晶元的基礎材料,也持樂觀態度。
對於普通人的日常生活來說,蓋姆曾經用塑料來類比過石墨烯,他認為石墨烯可以開發出種類繁多的材料,就好像塑料一樣,未來可以應用到生活中的各個角落。科研人員也發現石墨烯可用做綳帶、食品包裝甚至抗菌T恤。
還有一些科學家有著更遠大的理想,他們將製造2.3萬英里長的太空電梯的夢想,也寄託在石墨烯上。
3
石墨烯產業「三大件」
據統計,我國石墨礦儲量佔到世界總儲量的75%,具備發展石墨烯產業的資源基礎。2004年至2013年,我國石墨烯處於實驗室研究階段,研究的產品包括晶體管、調制器、導電管等。
2021年6月19日,一條石墨烯生產線搬入哈爾濱新區。圖|視覺中國
2013年起,石墨烯商品開始出現。由於制備技術還不成熟,只有一些對石墨烯質量要求不高的產品實現商品化,如鋰電池、石墨烯散熱薄膜等,但這些產品下游需求不大,主要替代一些傳統材料。在此期間,2012年工信部發布《新材料產業「十二五」發展規劃》,規劃中的前沿新材料就包括石墨烯。
此後,我國又進一步明晰了石墨烯未來十年發展目標——
電動汽車鋰電池用石墨烯基電極材料:較現有材料充電時間縮短50%以上,續航里程提高1倍以上; 海洋工程等用石墨烯基防腐蝕塗料:較傳統防腐蝕塗料壽命提高1倍以上。 柔性電子用石墨烯膜:性價比超過ITO,且具有優異柔性,可廣泛應用於柔性電子領域; 光電領域用石墨烯基高性能熱界面材料:石墨烯基散熱材料較現有產品性能提高2倍以上。 整體突破石墨烯的規模製備技術:石墨烯粉體的分散技術,石墨烯基電極材料的復合技術。
2016年,科技部印發《「十三五」材料領域科技創新專項規劃》,提出要發展單層薄層石墨烯粉體,高品質大面積石墨烯薄膜工業制備技術,柔性電子器件大面積制備技術,石墨烯粉體高效分散、復合與應用技術,高催化活性納米碳基材料與應用技術。
從這一年起,我國石墨烯企業數量快速增長,僅當年全國新增注冊石墨烯相關企業數量就達704家,同比增長113%,其中多以研發為主,有實質性業務收入的企業數量僅為125家。
截至2020年6月底,我國在工商部門注冊的、營業范圍包括石墨烯相關業務的企業已經達到了16800家。全國成立石墨烯產業園29個,石墨烯研究院54家,石墨烯產業創新中心8個,石墨烯聯盟12個,分布在21個省市。
「國外更多關注真正體現石墨烯新材料特性的未來型技術研發,而中國則非常重視近期的實用性產品的開發。」 中國科學院院士、北京石墨烯研究院院長劉忠范說。
劉忠范還介紹,目前,中國石墨烯產業有「三大件」,約占總體產業的90%:一是新能源,將石墨烯用作鋰離子電池的導電添加劑,使電池充電速度更快,電容量也有提升;二是添加進防腐塗料,節省防腐塗料中較貴的鋅的含量,同時提升防腐性能;三是大健康領域,比如利用其導熱性能製作眼罩、護膝等理療產品。
4
防止炒作過熱
石墨烯一經發現就在世界各國備受追捧,在資本市場更是追逐的焦點,這也導致了五花八門的石墨烯概念和應用被炒作過熱。
比如,上周科學家剛剛發表一篇關於石墨烯離子篩性能的文章,本周資本市場就會聯想到海水淡化的市值,相關股票隨即暴漲。
很多企業號稱的石墨烯新品,只是往產品裡面加入了少量石墨烯,提高了相關性能,石墨烯扮演的多是添加劑的角色,新品也很難能被認為是真正的石墨烯產品。
2018年的《先進材料》上曾發表一篇文章,作者之一是石墨烯諾貝爾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫。這篇文章中,研究者們分析了來自美洲、亞洲和歐洲60家公司的粉體石墨烯樣品,發現大多數公司的樣品中石墨烯含量低於10%,而且沒有一家樣品中石墨烯的含量超過50%。
此外,石墨烯的極強導電性、強度、透光性和導熱性等特性,只是單原子厚度石墨烯的微觀性能,而當下偽石墨烯概念炒作,將石墨烯的微觀性能誇大為宏觀性能。
比如,石墨烯的厚度只有0.35納米,即使是1毫米厚的鋼板,也是石墨烯厚度的200多萬倍。即使石墨烯強度較高,也要幾千層石墨烯疊加在一起才能承受1毫米鋼板所能承受的力量。
嚴格意義上講,只有單層石墨片才是真正的石墨烯,但從應用的角度講,大家的共識是,10層以下可稱為石墨烯。石墨烯一旦疊加大約超過10層,就會喪失大多數獨有特性,重新變成石墨,更不要提幾千層。
中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟標准委員會主任戴石峰曾指出,一些企業把石墨烯神化,將其宣傳為萬能材料,個別企業甚至將石墨當石墨烯來售賣,這對產業的發展極為不利。
學術界對石墨烯的共識是,目前石墨烯材料的成本過高且技術方面不完善,若要大規模實現工業化應用尚存在一定的困難。
在現在常見的制備方法中,氧化石墨還原法是最常用的方法,但這種方法常常會帶來大量的廢酸、廢水。比如用濃硫酸加上高錳酸鉀去煮石墨,生產1公斤石墨烯需要耗費50公斤濃硫酸、3公斤高錳酸鉀和1噸水。
而化學氣相沉積法(CVD),是將乙烯或乙炔等氣體導入到一個反應腔內,讓這些氣體在高溫下分解,經過冷卻後,碳原子就沉積在基底表面形成石墨烯。雖然CVD能滿足規模化制備大面積、高質量的石墨烯要求,但成本較高、工藝復雜。
而由於制備成本一直居高不下,石墨烯價格一度高達5000元/克,比黃金還貴十幾倍,這也阻礙了石墨烯下游市場的產業化步伐。
石墨烯未來會如何?
中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春認為,「業界雖然有爭議,但科技創新,什麼事情都可能發生,我們要有開放的心態。」
參考資料:
1.石墨烯:神奇材料看這里!丨經濟日報,2020-10-21
2.新材料之王「石墨烯」究竟是什麼?丨楊傑,中國科學院物理研究所
3.專訪|諾獎得主蓋姆談三維世界中的二維石墨烯:材料革命來了丨澎湃新聞,2022-2-19
4.神奇材料石墨烯——2010 年度諾貝爾物理學獎得主安德烈·蓋姆訪談錄丨世界科學,2010-12
5.石墨烯利好政策頻現,理性發展未來可期丨新材料產業,2017-10
6.石墨烯的這十年丨網路知識,2014-12
7.石墨烯發展年度報告:我國石墨烯產業仍處在概念導入期丨新華社,2017-07-06
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