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石墨烯产品应用“最后一公里”如何打通?

点击次数:59  更新时间:2017-06-16 15:54 

假如用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床,其重量不足1毫克,却能承载一只1千克的猫——自2010年两位科学家因石墨烯研究获得诺贝尔物理学奖以来,这种神奇的材料可谓名声大噪。

记者从日前由上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心主办的“石墨烯的今天与明天”院士沙龙上获悉,上游石墨烯的制备技术已能满足当前很多方向明确的应用需求,只要打通中间环节,石墨烯走进生活指日可待。

上海石墨烯基础研究与世界并驾齐驱

石墨烯由碳原子构成,断裂强度是目前最好的钢材的200倍,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%,1毫米厚度就能包含大约300万层石墨烯。华为总裁任正非曾说:“这个时代将来最大的颠覆,是石墨烯时代颠覆硅时代。”

上海理工大学材料科学与工程学院院长杨俊和透露,目前全球已有80多个国家投入石墨烯的研发和产业化,美、英、日、韩等发达国家都把研发石墨烯作为国家战略。

石墨烯的第一个专利出现在1994年,自其发现者2010年获得诺贝尔奖后,全球的专利申请量呈井喷式爆发———截至2016年,世界石墨烯专利申请量已达9022件,其中来自中国的申请占了58%。据统计,围绕石墨烯,上海拥有1600项专利,几乎涵盖了目前国际上开展的所有石墨烯研究方向。

最初提取石墨烯是用胶带从铅笔芯的石墨中“粘”出来的,如此原始的手工制备方法无法适应工业生产,因此如何获得又薄又纯的石墨烯一直困扰着工业界。目前上海在石墨烯的两大制备技术———液相剥离法和氧化还原法上,均取得了进展,已能满足当下应用水平的需要。

下游企业早已对用上这种只有一层原子厚度的二维晶体跃跃欲试,比如代替硅材料,成为下一代超级计算机的元器件,或者利用它的透明性,在显示屏、太阳能发电板上大规模应用,还能在生物、健康、环保等诸多领域大显身手。

跨越从样品到产品的“鸿沟”

既然上有来源,下有需求,为何还未看到石墨烯大规模应用呢?杨俊和说:“因为从样品到产品之间还有一道鸿沟。”

科学家只要在千万次试验中找到一个性能优异的样品就行,而产业界则追求每个产品都合格达标。作为科创中心建设首批规划的18个研发与转化功能型平台,一年前成立的上海石墨烯产业技术功能型平台,正是为了打通石墨烯从样品到产品的“最后一公里”。

杨俊和团队的石墨烯防腐涂料是最早入驻平台的三条中试线之一,在这里他的产品要跑完从克级到吨级的试验。

“首先要解决的是石墨烯均匀分散问题。”上海石墨烯产业技术功能型平台董事长孟岩说。在实验室里这个几乎一根搅拌棒就能解决的问题,当放大到千克级乃至吨级规模时,就成了需要融合温度、压力、超声等一系列工艺技术的复杂问题。研究人员必须不断摸索每种状态下化学原料的“脾气”,还要配合相应设备,才能让石墨烯均匀分散在基材中。

不久前,三条中试线均获得成功。接下来,由上海华谊集团出资,杨俊和团队的100吨石墨烯防腐材料试验将于下半年动工,明年投产,产能预计可达3.5万吨。投产后,将极大满足我国防腐涂料产业从油性升级为水性的产品缺口,应用前景广阔。

共性技术为上海石墨烯产业提速

被誉为“石墨烯之父”的英国曼彻斯特大学教授康斯坦丁·诺沃肖洛夫去年来沪时曾表示,英国仅用六年,就从最基础的原创性成果摸到了产业化的边缘。当下,全球对于石墨烯的研究处于同一起跑线,谁能成为石墨烯新产品的策源地,比拼的是速度。

通过一年来的中试,上海石墨烯产业技术功能型平台积累了丰富经验,正在谋划升级———在原有中试生产线基础上,今年又新增了创新实验室和检验检测中心,这些为共性技术研发设立的新部门,将为每一个来到平台转化的产品赢得时间。

“以前我们是为单个样品建立中试线,随着样品越来越多,需要为它们提炼共性技术。”孟岩说。