石墨烯：新兴产业发展的惯性与突破

　　陈志(中国科学技术发展战略研究院)

　　石墨烯2004年被首次成功制备，2010年这一成果获得诺贝尔物理学奖，间隔仅短短6年。由于石墨烯集众多特性于一身：它是最薄、最轻、最强、最坚硬的材料，导热导电性能非常好，还兼具柔性、透明等特性，而且只有质子能够穿透。因此，石墨烯号称新材料之王。近年来，我国对石墨烯的关注犹如前几年的光伏、机器人一般，各类产品、企业、园区等如雨后春笋纷至沓来，但是它的发展正在重复以上新兴产业的旧有路径。在当前科

　　技竞争日趋激烈的形势下，我国欲执此行业之牛耳必须在产业发展路径上有所变化和突破。

　　一、石墨烯的繁荣与井喷

　　从产业总体看，石墨烯还处于发展初级阶段，2014年才出现真正的销售数据。2016年国内石墨烯产业整体营收超过40亿元，是2015年石墨烯市场规模的近10倍。企业数量飞快增长，很多研究机构估计2015年我国石墨烯相关企业在200～300家左右。但根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟数据，截至2017年，我国相关企业数量已经达到2000多家，其中已有成形石墨烯业务的企业数量超过500家。石墨烯概念股屡屡被资本市场追捧。10家企业在新三板完成融资，3家企业融资额突破亿元。而主板布局石墨烯的相关上市公司达到40多家，其中真正投入石墨烯业务的有20多家。

　　这种井喷现象还表现为各类石墨烯科研机构、产业园区开始全国遍地开花，园区目前至少有20余家，发展较好的江苏省石墨烯园区有常州、南京、无锡等地，连科技基础相对薄弱的中西部城市例如四川攀枝花、江西共青城、江西广丰均拥有石墨烯产业园区或者研究院。

　　从科技创新看，中国拥有全世界最为庞大的石墨烯研发队伍，从2011年起发表的学术论文数量就稳居世界第一。虽然各个机构专利检索范围不同，但结果类似，中国石墨烯相关专利占全球专利的比例在50%左右，其次为韩国、美国和日本。

　　二、石墨烯产业发展方式的诸多惯性

　　与近年来备受关注的新能源、稀土、机器人等诸多新兴产业类似，虽然石墨烯底层创新类型、驱动要素、产业周期有自身特点，但是目前的发展路径却展现出在我国企业创新能力整体局限的条件下，新兴产业被锁定路径或者形成惯性的诸多现象。

　　(一)知识供给以高校和科研院所为主，产业部门的角色欠缺、融通不够

　　从论文、专利等主要指标看，我国目前石墨烯的知识供给主体包括北京大学、清华大学、国家纳米中心、中国科学院金属研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所等。从石墨烯全球专利申请量排名前20位的申请人及其申请量来看，虽然中国拥有13个机构，但有12个是大学，而竞争国家例如韩国却是三星、LG大公司为主导，其中三星是目前全球石墨烯专利技术的领先者。

　　(二)分散的市场结构和偏弱的技术能力

　　目前，我国介入石墨烯生产和应用开发的数百家企业基本为中小企业和初创公司，这些企业的注册资本大部分低于5000万元，占总数的80%左右。资金、人员和研发实力等都无法与这个领域已经早有布局的三星、IBM、巴斯夫、诺基亚、英特尔等大型企业相匹敌。虽然有部分大型民营企业、国企和央企开始关注石墨烯，但多数尚未有实质性投入。

　　(三)丰满的应用理想、骨感的制备现实下竞争秩序的失范

　　从基本原材料到最后应用，无论是集成电路、稀土，还是石墨烯，新兴产业一般都有一条越拉越长的产业链。吸引各类创新和市场主体的是广阔的下游应用，但是扼住咽喉的往往是前端。理想的石墨烯具有完美的蜂窝状结构，而现实的石墨烯却是由无数个石墨烯微片拼接而成。目前还没有找到获得大面积单晶石墨烯的工业合成方法，无法量产高质量石墨烯。下游应用端，概念性产品更是居多。虽然部分企业已经具备生产石墨烯粉体、浆液、导热膜、功能涂料、导电油墨和触控屏的能力，但在理想和现实均遭受打击的情况下，各种混淆视听、鱼龙混杂的现象层出不穷。很多号称“石墨烯”的产品在显微镜下露出了马脚，东旭光电公司宣称推出了世界首款石墨烯基锂离子电池产品 并称能提高电池容量，充电用时15分钟，充电效率是普通充电产品的24倍。但实际上，根据石墨烯原理，石墨烯基锂电池或许能提高充放电速度，但对于电池的容量并没有什么改观。

　　(四)战略性、杀手锏级别的布局明显不够

　　从全世界看，目前上游的制备都在积极投入，但是在下游部署却已经有差别。我国企业目前集中在锂离子电池、散热材料、环保材料等方面，中低端应用较多。领先院所如北京大学也还只在超级石墨烯玻璃、超级石墨烯光纤等方面发力，瞄准的是已有普通产品的改性。而从美国、欧盟看，布局都相当全面、多元，同时都瞄准了石墨烯未来的杀手级应用，例如IBM主要从事石墨烯场效应晶体管(FET)和介电层相关研究，2011年研制出首款由晶圆尺寸石墨烯制成的集成电路，2014年利用主流CMOS工艺已经制备出世界上首个多级石墨烯射频接收器。欧盟委员会则认为，从长期看，石墨烯材料可能同钢铁、塑料一样重要，有可能代替硅成为信息技术的基础材料。早在2007年，欧盟支持曼彻斯特大学的第一个项目三个方向中除了两个基础研究，就是石墨烯晶体管的应用研究。2013年1月，石墨烯被列为“未来新兴技术旗舰项目”，路线图中包括电子器件、光子学和光电子学、传感器、柔性电子、能量转换和存储、复合材料及生物医用设备等多个高端应用方向。2016年欧盟公布了第一阶段进展，取得的8大亮点成果中，包括石墨烯电池、光纤等多个与我国直接竞争的领域，更有石墨烯与神经元、无摩擦石墨烯等尖端应用。

　　三、并跑型产业发展模式的建议

　　毫无疑问，石墨烯目前全球都处于萌芽期，产业技术体系正在构建，各国研究机构、企业面临的难点基本类似。但从中国目前技术、产品的变化现状看，还基本依循于旧有高新技术产业发展的路径，企业从中低端进入，有走向光伏、稀土结构性过剩的可能，这肯定不利于我国在并跑类产业竞争中取得领先。具体有以下建议：

　　(一)三种前途下，产业技术体系应注重制高点和咽喉要道的布局

　　从目前主流观点看，石墨烯拥有三种前途：第一种前途类似于碳纤维。随着石墨烯原材料制造水平不断提升，石墨烯像碳纤维那样，成为某个特定行业的杀手锏级材料。这一点已经基本取得共识。第二种前途类似于塑料，用途极其宽泛。现在大多数企业正致力此方向。第三种前途类似于硅芯片，石墨烯成为“碳时代”的重要标志。欧美企业正在努力寻找此种可能。基于以上考虑，我国下一步的布局需要设立专门重大科技计划，除了在宏量制备层面继续努力外，更需要在第一种和第三种前途上发力。

　　(二)需要整合资源，迅速提升企业的创新能力

　　中国企业开展石墨烯的研究较晚，进入后短期内甚至连生产能力都没有，因此都设法通过各种渠道获取石墨烯技术。其中大部分技术来自国内的大学和研究所，小部分来自海归人才及国外的公司或研究机构。从韩国、欧盟的经验看，需要聚合产业、科研院所等多方面力量，例如韩国将韩国科学技术院在内的41家研究机构与6家企业整合成石墨烯联盟，在聚焦领域由特定的企业或研究机构牵头完成相关项目，如三星(触摸面板)、韩国电子通信研究院(OLED面板)、 SANGBO (复合薄膜)、CHANGUNG (电磁屏蔽涂层)和浦项制铁 (防腐涂层)等，大多数是企业牵头。我国也急需在石墨烯相关国家科技项目中，改革项目形成与实施机制，探索产学研合作的新模式，如刘忠范院士提出的“研发代工模式”，解决企业研发力量的不足和研发机构产业化难题。

　　(三)不断完善石墨烯创新体系，同时规范竞争行为

　　我国还需要加强石墨烯技术基础、技术转化等公共研发和技术创新服务平台的建设，在合适时机建立以企业为主体的国家级石墨烯技术创新中心。同时推进石墨烯相关标准化工作，促进行业监督和自律，促进产业规范、有序发展。

　　基金项目：科技部科技创新战略研究专项“促进科技与经济融通发展重大问题研究”(ZLY201732)、“新兴产业发展与‘创新政策3.0’研究”(ZLY201709);智库专项“产业融合中科技创新重大问题研究”;北京市科委软科学项目“怀柔科学城科学规划研究”(Z17100002617004)。