绪论
石墨烯的诗与远方

石墨烯属于战略前沿材料，研究的创新成果最好既能上书架，又能促进产业化，即产品能上货架。本书侧重讲述石墨烯宏观材料的基础研究进展，希望能对石墨烯初学者有所帮助，也希望能对石墨烯产业化有所启发。因此，本绪论侧重讲述石墨烯产业的战略机遇、产业化路径及未来前景。

1. 石墨烯的历史坐标

简单地讲，石墨烯就是单层石墨，是一种由碳原子以sp ² 杂化轨道呈120°夹角形成的平面蜂窝状晶格的二维碳材料。石墨作为一种层状碳材料，1mm厚的石墨可以剥离出约300万片石墨烯。石墨烯具有神奇的力学、电学、光学、热学、声学等性能，被誉为“新材料之王”及“可以改变21世纪的革命性新材料”。2004年，安德烈·海姆（Andre Geim）及康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）利用胶带剥离法成功从石墨中剥离出石墨烯，两人因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

碳是元素周期表中第六号元素，除石墨烯以外，还包括金刚石、石墨、富勒烯、碳洋葱、碳纳米管、石墨炔等多种碳的同素异形体（图0-1）。金刚石具有四面体结构；石墨具有多层结构，层与层之间通过范德瓦耳斯力堆叠而成；富勒烯是具有笼状碳结构的一个大家族，其中最著名的是C ₆₀ ；碳洋葱是一种由多层富勒烯组成的洋葱状物质；碳纳米管是一种一维状态的管状物质；碳原子之间以sp和sp ² 杂化轨道连接的平面碳称为石墨炔。当然，关于碳的同素异形体家族的发现还远未及终点。

对中国而言，石墨烯意味着迎来了实现中华民族伟大复兴的重要战略机遇。

笔者曾经写过一首石墨烯的小诗：

烯 望

石陶铜铁竞风流，

信息时代硅独秀。

量子纪元孰占优，

一片石墨立潮头。

人类文明经历了石器、陶器、铜器、铁器时代，正处在硅时代（图0-2）。下一个时代，称为量子时代，其决定性材料是什么呢？很可能就是石墨烯。所以说，谁掌握了石墨烯核心科技，谁将在下一个人类文明大时代处于主动和引领地位。西方发达国家，如美国、英国等，都纷纷投入巨资开展石墨烯研究。国家要强盛，民族要复兴，文明要创新。我国也要奋力发展石墨烯技术和产业。

2. 发展石墨烯产业的“六有”条件

我国具备了发展石墨烯产业的先天优势和后天基础，可概括为“六有”。

一有机会。与钢铁、石油、计算机等传统成熟产业不同，我国与发达国家在石墨烯技术和产业方面的研发是同步的，机会均等，且产业化可能走在前列，有可能引领石墨烯新业态集群。

二有资源。我国的石墨矿产资源丰富，约占全球储量的70%，可以支撑石墨烯产业的可持续发展。

三有技术。我国的科研院所在石墨烯领域做出了适合产业化的原创性成果，如功能复合纤维、防腐涂料、导电剂、透明导电玻璃、电热膜、柔性散热膜、石墨烯纤维、海水淡化滤膜等。

四有人才。从院士到工程师，懂石墨烯的人越来越多，从事石墨烯产业化的高学历人员也越来越多。

五有政策。国家及地方政府出台了多项优惠政策来支持石墨烯产业发展。

六有需求。我国产业齐全，门类众多，转型升级及技术革新需求强烈，加上复杂多变的国际形势，我国要建立自主自控的工业体系，就需要借力石墨烯等新材料和新技术。

3. 石墨烯产业化发展的“三生模型”

石墨烯产业化该何去何从，产业化如何定位与布局？笔者在多年的石墨烯科研与工程化推进经验的基础上，提出了石墨烯产业化发展的“三生模型”，即伴生、共生、创生（图0-3）。伴生，就是石墨烯作为功能助剂或“工业味精”添加到高分子、陶瓷、金属等传统材料中，以制备纳米复合材料（如功能复合纤维、防腐涂料、散热涂料、导电涂料、导电剂、导热胶、电磁屏蔽涂层等），其用量较少，但可提升产品性能，增强功能，拓宽用途，促进产业转型升级。现已突破分散技术，实现量产，进入市场推广阶段。共生，就是石墨烯作为材料主要成分（如电热膜、散热膜、电池电极、打印电路、电容器、传感器等），起到功能主体作用。现已进入产业化初期阶段，产品在市场上可见，但占有率还不高。创生，就是石墨烯作为材料支撑骨架（如石墨烯电池、海水淡化膜、石墨烯纤维、柔性触摸屏、吸波隐身材料、光电子芯片等），相较于传统竞品材料，有功能或性能颠覆性，起到决定性或杀手锏级作用。目前，石墨烯产业化发展正处于基础研究或技术研发阶段。经过“三生模型”的阶梯式发展，石墨烯产业化先从量变入市，“飞入梅花都不见”；再过渡到高市场占有率，“飞入寻常百姓家”；最终实现质变，飞入“灯火阑珊处”。

4. 打通“料材器造控用”六大产业链节点

有了石墨烯产业化阶梯式发展路线，我们还需要打通每个产业化技术的各个节点。石墨烯属于全新材料，其产业化技术不可能从天上掉下来，需要自掘井来开源引流，联通科学、技术、工程和产品产学研“一条龙”，构建“料材器造控用”（即原料、材料、器件、制造、控制、应用）六要素全生态链。也就是要打通二维分子原料、宏观组装或复合材料、高性能多功能器件系统、智能制造、数字品控及高性价比产品应用全链条，打破现有的分子合成、材料加工、器件集成、设备研发、工艺控制、质量监测、客户应用的单领域、区块式、局部化制造旧模式，建立协同融合化学、材料、装备、控制、终端应用为一体的多维度、全场景、整体式未来制造新范式。

5. 石墨烯产业化的“4M”问题

石墨烯产业化的关键科学技术问题，可以概括为“4M”，即高品质石墨烯原料的宏量制备（macro-production）、纯石墨烯材料的宏观组装（macro-assembly）、复合材料的微观分散（micro-dispersion）及高性能微型器件（micro-device）。

完美的石墨烯不溶解、不浸润、不熔化，难以加工，因而在许多领域的应用中受到限制，氧化石墨烯因此受到越来越多的重视。单层氧化石墨烯是一种含有含氧官能团的单原子层二维大分子（图0-4），一般经石墨氧化制得，可以经过化学还原、热还原等过程转变成石墨烯。尽管结构上有缺陷，但氧化石墨烯具有诸多优点，如可在水及极性有机溶剂中溶解或分散，可形成液晶，可通过湿法加工成各种宏观材料，容易进行改性、修饰、掺杂，可以规模化生产等。

石墨原料经过插层氧化得到金色的氧化石墨，再经过超声剥离得到单原子层的氧化石墨烯，而氧化石墨烯可在一定浓度的水及极性有机溶剂中形成液晶（图0-5）。以氧化石墨烯为组装单元制备石墨烯宏观材料，并通过还原修复缺陷，最终得到高性能石墨烯宏观材料。这一过程可用一首诗来表达：

氧化石墨烯

插层氧化石成金，

水洗超声片片新。

纵是千疮身百孔，

组装修复变烯神。

笔者团队与杭州高烯科技有限公司产学研合作，已经实现了单层氧化石墨烯的量产，获得了全球第一个由国际石墨烯产品认证中心（International Graphene Product Certificate Center，IGCC）颁发的权威认证证书，为石墨烯的组装、复合及规模应用奠定了原料基础。

氧化石墨烯溶液经过湿纺组装、高温还原等过程可以得到石墨烯宏观材料，如纤维（fiber）、薄膜（film）、气凝胶泡沫（foam）及无纺布（fabric）等，统称为“F4”材料（图0-6）。石墨烯纤维由石墨烯片在纺丝过程中沿轴向有序堆积排列而成，它体现出石墨烯与生俱来的优越特性，具有优异的力学、电学、热学等性能，是结构功能一体化的新型碳纤维品种。2011年，笔者课题组研制的第一根石墨烯纤维诞生，由它打结成的石墨烯纤维结与美国“奋进”号航天飞机完成“绝唱”之旅、俄罗斯“联盟号”宇宙飞船成功搭载三名宇航员完成太空行走等共11张图片一同入选了《自然》2011年度最佳图片。石墨烯气凝胶的特点是壁薄孔隙大，且堆积密度非常小，可低至0.16mg/cm ³ ，约为空气密度的1/7；在性能上，可像海绵一样弹性压缩，像橡皮一样拉伸回弹。

拓展湿法组装策略，还可制备出多维度多结构石墨烯宏观材料，如气凝胶纤维、气凝胶球、仿贝壳复合纤维等（图0-7）。

笔者团队产学研，十年磨一“纤”，通过原位共聚合及纺丝解决了氧化石墨烯分散难题，制得了石墨烯多功能复合纤维，并已实现量产（图0-8）。该复合纤维具有抗菌抑菌、抗病毒、远红外发射、紫外防护、抗螨虫、负离子发生六大功能，被称为继天然纤维、化学纤维、功能纤维之后的新一代康护纤维，在公共卫生防护及高端居家纺织品领域应用广泛。

6. 石墨烯的未来

石墨烯的未来已来，石墨烯的远方将至。一首《未来烯世界》，畅想石墨烯的无限应用前景：

未来烯世界

衣住用行玩，智芯能电感。

星空天地海，烯用疆无边。

“衣住用行玩”，穿戴服饰、家居用品、百货商品、交通出行、文娱产品等2C端产品用得上石墨烯；“智芯能电感”，智能、芯片、能源、电力、传感等2B端产品技术用得上石墨烯；“星空天地海”，星辰、空天、陆地、海洋等2N端国家需求及人类命运共同体需求技术上要用石墨烯。经过“三生模型”发展，打通“料材器造控用”六大节点，解决“4M”问题，相信石墨烯及其系列产品将逐渐出现在生产生活中，出现在民用、工用、军用等方方面面，无远弗届。

未来，继石陶铜铁硅之后的烯碳文明可期。 TUkliejxs1c6eRMPrxqDrLDBKSOudxk0liESNbmMJKX2zTsWf7jdVt/5iVJmgLTI