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石墨烯最全面分析——人类将从硅时代迈向石墨烯时代

导读: 2004 年,石墨烯首次发现,被称为“材料之王”,2010 年获得诺贝尔物理学奖,2025 年将达到千亿市场规模,我们认为:21世纪,人类将从硅时代全面迈向石墨烯时代。

2004 年,石墨烯首次发现,被称为“材料之王”,2010 年获得诺贝尔物理学奖,2025 年将达到千亿市场规模,我们认为:21世纪,人类将从硅时代全面迈向石墨烯时代。

一、市场广阔大有可为

1.材料之王

2004 年,曼彻斯特大学的 AndreGeim 安德烈·盖姆和 Konstantin Novoselov 康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功分离出稳定的单层石墨烯,颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观点,被授予 2010 年诺贝尔物理奖。

石墨烯 Graphene 是一种由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的单层二维碳纳米材料,这种稳定二维蜂巢状晶格结构赋予了石墨烯力学、光学、电学和微观量子性质等极为优异的性能,被称为“材料之王”。

石墨烯是碳的各种形态中的基本结构,可以从石墨烯成功制备出如富勒烯、碳纳米管,弹道晶体管等其他碳素新材料,石墨烯也因此被称为“碳材料之母”。

单层石墨烯属于二维晶体,由于二维晶体具有热力学不稳定性,所以其附带褶皱(褶皱是二维石墨烯存在的必要条件)。

一般认为石墨烯是一种拓扑绝缘体,内部绝缘、表面导电,是一种不同于导体和绝缘体的新的凝聚态。

2.市场广阔

石墨烯作为基础材料,下游应用领域极为广阔,目前已知的应用领域包括半导体电子器件、能源、汽车、环保、医疗等等。

3.石墨烯时代

基于以上分析,我们认为,21世纪,人类将从硅时代全面迈向石墨烯时代。

4.产业政策

全球支持政策

中国支持政策

5.千亿市场规模

石墨烯作为工业添加剂,材料本身市场规模并不大,各机构预测到 2020 年石墨烯材料本身市场规模在 1.5-3 亿美元之间,并在 2015-2020 年期间保持 40% 以上增速。

但石墨烯作为基础材料,下游应用领域极为广阔,美国 BCC Research 预测,2018 年全球石墨烯整体市场规模可能高达 1.95 亿美元,2023年石墨烯应用规模将达到 13.43 亿美元,复合增长率 47%。

中国制造 2025

《中国制造 2025》明确了石墨烯发展目标,2020 年“规模制备及电化学储能、印刷电子、航空航天用轻质高强复合材料、海洋工程防腐等应用领域的技术水平达国际领先,大幅提升相关产品性能,形成百亿元产业规模,2025 年突破石墨烯在电子信息领域应用的技术瓶颈,整体产业规模突破千亿。

二、技术有待成熟

6.技术成熟曲线

7.石墨烯分类

按层数

石墨烯按层数分类,其可分为:单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯。

石墨烯层数超过 10 层后,性质接近薄层体石墨。

按形态

石墨烯按产品形态可分为石墨烯薄膜、粉体/微片。

8.石墨烯特性

最薄最坚硬

单层石墨烯厚度只有 0.335 纳米,是头发直径的二十万分之一。

人类已知强度最高物质

杨氏模量、泊松比和抗拉伸强度分别反映了材料的抗形变、弹性和抗断裂的能力。

杨氏模量达到 1 TPa,与单壁碳纳米管相当;强度约为 180 GPa,是普通钢材的 100 倍;韧性是碳纤维的 20 倍;抗拉强度超过 125 GPa;硬度超过钻石。

导电性最强

石墨烯作为理想二维晶体材料,电子运动速度达到光速的 1/300,电导率可达 10^6

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