新材料是國家七大戰略性新興產業之一，也是我國石化和化學工業加快轉變發展方式的重要著力點，并且與能源、信息、裝備制造、節能環保、生物醫學等產業密切相關。目前，新材料已被列入國家、各級地方政府以及生產企業的規劃重點，投資者重點研究的熱點領域。材料的“新”與“舊”其實是相對的，既取決于產品本身的技術含量、使用性能、工藝水平，也與該國的社會發展階段、區域市場的稀缺程度有關。

特別在材料科學飛速發展、生產技術日新月異的現代社會，“新材料”的內涵、所包括的品種也在以空前的速度更新換代——一些較為熟知的“新材料”已經或正在逐步實現大量生產和普遍使用，同時又不斷有更加新穎的材料產品涌現。因此，要提升我國新材料產業發展水平，就必須開拓視野，緊密跟蹤國內外新材料產業發展的前沿動向，不斷向材料產業金字塔的頂端邁進，早日使我國成為國際新材料產業的領跑者。

2004年至今，關于石墨烯的研究成果已在SCI檢索期刊上發表了超過2000篇論文，石墨烯開始超越碳納米管成為了備受矚目的國際前沿和熱點．基于石墨烯的納米復合材料在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領域展現出許多優良性能，具有廣闊的應用前景．目前研究的石墨烯復合材料主要有石墨烯/聚合物復合材料和石墨烯/無機物復合材料兩類，其制備方法主要有共混法、溶膠-凝膠法、插層法和原位聚合法。

石墨烯以其特殊的結構，突出的導熱性能、力學性能和電性能而備受關注。歐美、日韓等發達國家和一些跨國企業紛紛出臺鼓勵政策或籌集重資支持石墨烯產業的發展，期望在市場中占據有利位置。2015年11月20日，《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》［1］中強調，突破石墨烯材料規模化制備的關鍵技術，并加大推廣應用。目前，中國已成為世界上合成材料的主要生產和消費國，應用領域不斷擴大，上下游一體的產業鏈更加完善。開展石墨烯在復合材料中的應用研究，可以在新材料領域快速有效地取得專利突破，并將其應用在已有產業鏈，形成規模化產業。本文綜述了石墨烯制備技術、國內石墨烯研發及生產狀況、國內開展石墨烯工業化研究的有利條件，提出石墨烯在復合材料領域的應用前景。

石墨烯制備技術及應用

石墨烯的生產方法分為物理法和化學法。微機械剝離法屬于物理法，能得到高質量的石墨烯，但其尺寸較小且不能大規模生產。目前，批量生產石墨烯的方法采用兩種化學方法：一種是化學氣相沉積法，該法以Ni，Ru等過渡金屬為基底，甲烷、乙烯等小分子含碳氣體在高溫、氣態條件下發生化學反應，在基底表面生長出石墨烯，主要用于制備高品質電子器件用石墨烯薄膜。采用該方法制備的石墨烯，形貌和性能受基底影響較大，而且基底材料價格昂貴，制造成本高。二是化學還原法，采用濃硫酸和發煙硝酸等強酸，將天然石墨進行氧化處理得到石墨氧化物后，通過熱力學膨脹或者強力超聲進行剝離，得到單個石墨氧化物，最后利用聯氨、水合肼等將石墨氧化物還原，所得產品主要用于制備石墨烯微片，稱為功能化石墨烯，成本較低且可大規模制備，不足之處是石墨烯的分子結構受到破壞且易發生團聚，使產品很多性能與理論值有很大差距；但由于石墨烯微片具有一定含氧官能團，與樹脂等高分子基體結合力強，適用于制備高分子復合材料。

功能化石墨烯的相關應用

通過對石墨烯進行功能化，不僅可以提高其溶解性，而且可以賦予石墨烯新的性質，使其在聚合物復合材料，光電功能材料與器件以及生物醫藥等領域有很好的應用前景。2.1聚合物復合材料

基于石墨烯的聚合物復合材料是石墨烯邁向實際應用的一個重要方向。由于石墨烯具有優異的性能和低廉的成本，并且，功能化以后的石墨烯可以采用液加工等常規方法進行處理，非常適用于開發高性能聚合物復合材料。Ruoff教授等首先制備了石墨烯-聚苯乙烯導電復合材料，引起了極大的關注。他們先將苯基異氰酸酯功能化的石墨烯均勻地分散到聚苯乙烯基體中，然后用二甲肼進行還原，成功地恢復了石墨烯的本征導電性，其導電臨界含量僅為0.1%.

Brinson教授等系統研究了功能化石墨烯-聚合物復合材料的性能，發現石墨烯的加入可以使聚甲基丙烯酸甲酯的模量、強度、玻璃化轉變溫度和熱分解溫度大幅度提高，并且石墨烯的作用效果遠遠好于單壁碳納米管和膨脹石墨;加入1%的功能化石墨烯，可以使聚丙稀腈的玻璃化轉變溫度提高40℃，大大提高了聚合物的熱穩定性。

Chen等制備了磺酸基以及異氰酸酯功能化的石墨烯與熱塑性聚氨酯（TPU）的復合材料，并研究了該材料在紅外光觸發驅動器件（Infrared-Triggered

Actuators）中應用。他們發現，只需加入1wt%的石墨烯，就可以使TPU復合材料的強度提高75%，模量提高120%.進一步的研究表明，磺酸基功能化的石墨烯復合材料具有很好的紅外光響應性。該復合薄膜經紅外光照射后可以迅速收縮，將21.6g的物品提升3.1cm.并且，經反復拉伸－收縮10次，該薄膜始終保持較高的回復率和能量密度，表明基于該石墨烯復合材料的光驅動器件表現出良好的驅動性能及循環穩定性，具有很好的應用前景。

生物醫藥應用

由于石墨烯具有單原子層結構，其比表面積很大，非常適合用作藥物載體。Dai等首先制備了具有生物相容性的聚乙二醇功能化的石墨烯，使石墨烯具有很好的水溶性，并且能夠在血漿等生理環境下保持穩定分散;然后利用π-π相互作用首次成功地將抗腫瘤藥物喜樹堿衍生物（SN38）負載到石墨烯上，開啟了石墨烯在生物醫藥方面的應用研究。

利用氫鍵作用，以可溶性石墨烯作為藥物載體，實現了抗腫瘤藥物阿酶素（DXR）在石墨烯上的高效負載。由于石墨烯具有很高的比表面積，DXR的負載量可達2.35mg/mg，遠遠高于其它傳統的藥物載體（如高分子膠束，水凝膠微顆粒以及脂質體等的負載量一般不超過1mg/mg）。另外，還通過調節pH值改變石墨烯與負載物的氫鍵作用，實現了的可控負載和釋放。研究發現，DXR在中性條件下負載量最高，堿性條件下次之，酸性條件下最低，其釋放過程也可以通過pH值來控制。他們還利用四氧化三鐵功能化的石墨烯作為藥物載體，研究了其靶向行為。DXR在四氧化三鐵功能化的石墨烯上的負載量可達1.08mg/mg，高于傳統藥物載體。該負載物在酸性條件下可以發生聚沉，并且可以在磁場作用下發生定向移動，在堿性條件下又可以重新溶解。以上研究表明，功能化的石墨烯材料可望用于可控釋放及靶向控制的藥物載體，在生物醫藥和生物診斷等領域有很好的應用前景。

中國石墨烯的研發及生產現狀

以中國科學院沈陽金屬研究所、中國科學院寧波材料技術與工程研究所、清華大學、北京大學、復旦大學、浙江大學等為代表的科研單位和高校對石墨烯開展了大量的基礎研究和應用研發，并涌現出一大批相關企業。2013年7月，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟成立。江蘇、浙江、深圳、上海、山東、福建、遼寧、重慶、黑龍江與中國科學研究院等以多種形式建立了產業技術聯盟，在無錫、青島、深圳和寧波建立了4個產業創新基地。截至2014年，共申請專利5047件，其中，復合材料占37%，制備技術占29%，電子器件占17%，電池領域占17%。

目前，中國已有50多家有關石墨烯制備及相關應用開發企業，主要集中在規模化制備技術和下游商業化應用對接兩方面，初步掌握了國際主流制備方法，產品指標滿足低端應用需求。從事石墨烯薄膜產業化方向的代表公司有常州二維碳素科技有限公司、無錫格菲電子薄膜科技有限公司、重慶墨希科技有限公司等，主要以天然氣為原料，采用化學氣相沉積法制備，產品以薄膜為主。

其中，常州二維碳素科技有限公司2013年投產年產3萬m2的全球最大規模石墨烯透明導電膜生產線，2016年計劃達到20萬m2，產品主要用于觸摸屏、太陽能電池、有機發光二極管等透明電極領域；無錫格菲電子薄膜科技有限公司以生產觸控產品為主，2013年12月形成年產500萬片石墨烯觸控產品；2013年2月26日，上海南江（集團）有限公司與中國科學院重慶綠色智能技術研究院共同出資成立重慶墨希科技有限公司。

未來將以該公司作為平臺，推進大面積單層石墨烯的產業化應用和開發，目前，正在開展建設100萬m2薄膜生產線的前期工作。以天然石墨為原料，從事石墨烯粉體產業化的代表公司有：常州第六元素材料科技股份有限公司，該公司于2013年實現了國內首條大規模制備、全自動控制的粉體石墨烯生產線，目前，石墨烯粉體產能為100t/a；寧波墨西科技有限公司，通過引進中國科學院寧波材料技術與工程研究所的石墨烯產業化技術，于2013年底建成了300t/a石墨烯生產線，二期建設完成后，年產能將達到1000t；東莞鴻納新材料科技有限公司，擁有兩條萬噸級石墨烯漿料生產線，年產石墨烯粉體約3000t；合肥微晶材料科技有限公司建成了年產百噸級石墨烯粉體及其漿料的生產線；黑龍江華升石墨股份有限公司擁有100t電弧法石墨生產線和500t氧化還原法生產線；德陽烯碳科技有限公司依托中國科學院金屬研究所，建有年產30t石墨烯粉體的生產線，而且正在建設年產300t石墨烯粉體生產線。

石墨烯產業發展方向分析

層數、形態不同的石墨烯，具體應用領域不同，相應的各領域產業化進度也不相同。以天然氣為原料，用化學沉淀法生產的石墨烯薄膜批量生產了石墨烯觸控屏約為14cm，適用于手機屏幕，江南設計院的產能約10萬片/a。2015年3月，重慶墨希科技有限公司發布3萬部批量生產的石墨烯手機，但成本比同性能手機貴1000元，性價比和市場尚待驗證。以天然石墨為原料，采用化學還原法生產的石墨烯微片，主要應用于電池材料、功能涂料、導電油墨和散熱膜，由于產品大部分為少層或多層石墨烯混合物，雖然建成了多條百噸級生產線，但存在著規模小，技術含量低，產品附加值低等問題，難以形成有效經濟推力。

石墨烯制備水平和應用水平的發展是相輔相成的，復合材料、微電子材料、顯示屏膜材料和電子元件等在短時間內均不能實現產業化。研發主體以高校和研究機構為主，偏重于基礎科學而非實用技術，高端生產工藝不成熟，尚無法實現低成本，而下游應用主體缺乏積極性，難以形成規模化產業。

從發展水平預計，在手機等電子類產品的應用主要需克服制備技術的難關，也是研究的熱點方向，在未來1～2年會有所突破。石墨烯復合材料和石墨烯能源類產品對石墨烯質量和應用技術均有一定要求，3～5年內會有所突破。電子元件領域的應用對石墨烯的質量和技術要求最高，也最難以實現，工業化應用約在10年后。預計到2020年，石墨烯全球市場價值將達到1萬億美元以上，2014—2020年，年復合增長率為44%。

2015年10月30日，《中國制造2025》重點領域技術路線圖（2015版）的總體目標是“2020年形成百億產業規模，2025年整體產業規模突破千億”。

抗靜電塑料

通常，高分子材料表面電阻率大于1012Ω·cm，抗靜電包裝材料要求表面電阻率為107～1011Ω·cm，通常使用碳黑作抗靜電劑，填充的質量分數高達15%，對塑料制品的力學性能、表面光潔度有劣化影響。此外，碳黑易從基體中析出，從而造成電子器件短路等問題。因此，業界一直在嘗試使用具有更高導電性能的納米碳材料（如碳納米管）作為抗靜電劑，可以將石墨烯抗靜電塑料母粒作為研發方向。

電纜屏蔽樹脂

隨著國家輸配電等級的提高，尤其是電動汽車的快速發展，電網電流穩定性降低，電纜中過氧化物的放熱和局部放電問題日益突出。石墨烯擁有良好的導電性、導熱性和高比表面積，建議研究機構重點開展電纜屏蔽樹脂中石墨烯的添加比例、均勻分散等研究。利用研發和生產機構重點解決加工成型等難題，快速形成專利，并在電纜加工和生產企業推廣應用。

合成橡膠添加劑

美國VorbeckMaterials公司開發了“Vor-x”石墨烯導電添加劑，在橡膠中添加質量分數為4％的“Vor-x”石墨烯，其導電率達到0.3S/m。同時，石墨烯擁有極高的硬度，在橡膠中加入適宜比例石墨烯，可有效提高輪胎耐磨性，降低滾動阻力。

抗拉伸改性樹脂

石墨烯作為添加劑在樹脂中的應用還有很多，如聚丙烯母粒/石墨烯、聚丙烯片材/石墨烯、超高相對分子質量聚乙烯纖維/石墨烯等。歐洲NanoMasterd的項目組負責人表示，添加質量分數為5%的石墨烯能把熱塑性聚烯烴和聚丙烯的性能增強1倍，把質量分數為1%的石墨烯與聚甲基丙烯酸甲酯混合，復合材料的拉伸彈性模量提高80%。石墨烯增強的熱塑性復合材料和色母粒能適應現有生產，為注塑、擠出和吹膜大批量生產零部件賦予新的特性。美國OvaTIonPolymers公司已經推出了石墨烯熱塑性色母料和復合母料。此外，廈門凱納石墨烯技術有限公司開發了導電石墨烯微片，聚碳酸酯中添加質量分數為10%的石墨烯微片就可達到導電級別；與添加質量分數為10%的超導炭黑（價格為20多萬元/t）性能相當。美國XGScience公司也提供導電石墨烯微片產品。

中國在石墨烯機理、制備技術等方面取得了一定成績，但產業布局尚處于研發階段。隨著應用研究的深入，石墨烯與高分子材料結合和相容的復合材料的理論基礎不斷得到突破，提高和完善了各項性能指標，應用領域逐步拓展，初步應用研究顯示了優異的性能和獨特的優勢。結合低成本高質量生產技術，展示了豐富的下游產業鏈想象空間。因此，應繼續深入開展應用研究。