刘忠范院士，深耕石墨烯领域研究15载，以推进中国石墨烯产业发展，立志解决石墨烯产业发展“卡脖子”问题为己任。在花甲之年，刘忠范院士成立了北京石墨烯研究院（BGI），BGI成立至今，他带领团队揭示了石墨烯材料可控生长的基本规律等在内的石墨烯产业发展的诸多难题，实现了高品质石墨烯原材料和装备的国际引领。
ONE 石墨烯产业的发展
石墨烯发展
2004年，首次得到单层石墨烯，发表了第一篇文章；
2010年获得诺贝尔奖；
2013年欧盟启动“石墨烯旗舰计划”；
2014年，中国首家以石墨烯为主营业务的公司“第六元素”登陆新三板；
2018年，北京石墨烯研究院成立。同年年底，英国曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心研究院；
2020年，欧洲启动“地平线计划”，石墨烯为首批支持项目；
2021年底，我们第一次把石墨烯用在了尖端武器上。
欧盟的“石墨烯旗舰计划”特别有名。2013-2023年，每年投入1亿欧元。因为石墨烯是曼彻斯特大学的教授发现的，所以他们希望把这个基础研究延续到产业上去，希望实验室与企业产学研结合推进石墨烯的产业化。
韩国是石墨烯产业的一匹黑马。三星公司联合科研院所、高等院校，一起推进石墨烯产业，有很多核心专利。
我们再看各国投资情况。2021年，欧盟、美国的投入大约是100亿元，投资的领域分布在集成电路、储能能源、生物、传感器等。
中国的投资很多，但特别分散。截止到2022年6月中旬，有41556家企业做石墨烯，有37个产业园，98个研究院，12个产业创新中心，13个联盟。
我觉得中国在做一件事情时总是会一拥而上。我们的联盟、研究院非常多，但绝大部分是小作坊。
我们看一下中国石墨烯大致的领域分布。石墨矿大部分在内陆，内蒙古、黑龙江做石墨烯研究院很多；东部沿海地区的石墨烯产业是最早也是最活跃的；重庆起步比较早；广西有个石墨烯小镇，大家都特别感兴趣。全国有20多个省市有石墨烯相关的产业政策。
国内石墨烯领域的关注热点集中在四个方面。第一个是新能源，占51%；第二个是热管理，占15%；第三个是大健康，占8%；第四个是涂料，占8%。四个领域的总占比达到了82%。
2015年我国石墨烯粉体产能是600吨左右，去年年底是14645吨。但只有7%可以用上；7年前薄膜的产能是22万平米，现在是740多万平米，但只用上了0.23%。
我们的产能严重过剩。每克石墨烯的价格已经由2000元下降到了1~10元。我一直秉持的观点是，中国制造要往高端走，必须抛弃“物美价廉”的传统思维和商业模式。
中国拥有全球最大规模的石墨烯基础研究和产业大军，已成为“统计数字上”的石墨烯强国。但是中国的石墨烯产业存在很大的隐患，急功近利，缺少原创性的突破和“卡脖子”型的核心竞争力。
在石墨烯行业，中国与欧美、日本、韩国的关注点不在一个频道上。国外更多关注真正体现石墨烯新材料特性的未来型技术研发，而中国则大多关注近期的实用型产品的研发。
2019年我花了半年时间，带领20多人的团队做市场调研，走了14个省、26个城市，发现大部分做石墨烯的企业是小作坊。我非常不认同大炼钢铁式的产业园区建设，这会导致出现严重的同质化现象，造成产业链中低端的恶性竞争。我们的标准建设和市场监管严重不足，市场产品鱼龙混杂、真假难辨。
石墨烯产业现在处于什么发展阶段？
从技术成熟度曲线来看，一个新材料、新技术的发展要经过技术萌芽期、期望顶峰期、泡沫谷底期、爬坡期和稳定应用期，而能走到最后的微乎其微。石墨烯的泡沫谷底期是在2015-2017年。从整体上讲，现在的石墨烯正势头强劲，有广阔的前景。
我特别愿意把石墨烯跟碳纤维相比。1961年日本东丽公司进入碳纤维领域，2003年赢得波音787合同，2011年进入稳定盈利期。从起步到稳定盈利耗时50年。
我特别喜欢比尔·盖茨的一句话：我们总是高估今后一两年内将要发生的变革，也总是低估未来十年将要发生的变革。
这其实就是大家对石墨烯的期待，以为能立刻赚大钱，但也总是低估未来十年发生的变革。
石墨烯新材料产业发展还有很多技术挑战没解决。
比如缺少低成本规模化的制备技术、批量剥离转移技术、单层基元材料到实用宏观材料的过度和性能传递方法、复合机体材料中的分散技术，也没有找到不可替代的杀手锏级的应用。
材料的形态决定用途，品质决定前途。粉体有粉体的用途，薄膜有薄膜的用途，纤维有纤维的用途，但质量最终决定它能走多远。
我大致画了一个石墨烯新材料产业的发展路线图。过去10年的主体是粉体材料，未来10年的主体是薄膜材料，现在承上启下的是纤维材料。这是我的一个判断，也是我的一个布局。
对石墨烯产业来说，制备决定未来，材料是产业的基石，没有规模化的制备过程，就不可能有产品。
材料质量的提升，是一个循序渐进的过程，不可能一蹴而就，需要不懈的努力和追求极致的工匠精神。
当年的碳纤维只能做钓鱼竿，而今天的碳纤维是航空航天和国防军工领域的支柱材料，时间跨度长达半个世纪。今天的石墨烯也不是未来的石墨烯，还不能支撑起石墨烯产业的大厦。石墨烯新材料的产业化还有很长的路要走，我们需要耐心和坚持。
中国的石墨烯产业需要真正的“工匠精神”和“匠人”，把材料做到极致，填补从理想到现实的鸿沟。
石墨烯材料的产业化需要科学家、工程师和企业家交叉融合、协同创新，离开谁都不行。
我一直认为产学研协同创新其实有两种模式。一个是企业内单一主体的协同创新，一堆科学家、工程师和企业家就像一台机器，在一个企业内运作，华为就是这样。另一个是把科研院所、研发平台、信息研发机构和企业结合到一起，就像一堆机器在一起运转，这是很难的。
我的一个体会是，没有扎实的基础研究就没有核心竞争力。而漫无边际的、没有针对性的基础研究，也很难带来新材料产业的真正突破。
我一直做石墨烯材料的制备，如果一直蹲在实验室里，对产业是没有任何帮助的。工程化研发是基础研究成果走向产业落地的必经之路，也是当前我国技术创新链条的薄弱环节。
石墨烯是引领新一轮全球高科技竞争和产业变革的战略新型材料，已经得到了各国的重视。新材料产业正处于蓬勃发展阶段，新材料也是传统产业升级换代和高科技产业实现跨越发展的重要抓手。
TWO 石墨烯：神奇特性造就无限未来
提及发现过程，刘忠范院士打趣道“石墨烯是用透明胶带撕出来的”。
据介绍，石墨烯是利用范德华力结合起来的一种层状物质，因此其层间相互作用较弱，用透明胶带按上去反复对折撕扯，层数显然越来越少。
“若是运气好，可能会撕出单层的石墨片，这在学术上就被称为石墨烯，简单计算可知，1mm厚的石墨大约含有300万层的石墨烯，因此可以想象石墨烯是一种非常非常薄的材料。”
2004年10月22日，科学家安德烈·海姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫在美国科学杂志上发了第一篇石墨烯热点文章，短短6年后的2010年10月，荣获诺贝尔物理学奖，可见石墨烯材料的神奇，也不难理解这种材料能在短期内引起人们的广泛关注和研究热潮。
刘忠范院士回忆起自己30多年前在日本东京大学留学的经历。“我经常用透明胶带撕石墨，因为石墨表面有灰尘和吸附物，用胶带撕掉表层就会露出新鲜的表面，但很可惜我没有接着撕下去，错失了发现石墨烯的机会。”
在刘忠范院士看来，从多个角度、多种思维去做研究尤为重要。“从某种意义上说，从0到1的原创性基础研究突破，常常是无心插柳的结果，源于科学家们的强烈好奇心和求知欲，很难进行‘规划’和重点‘攻关’，这也是基础研究的一个基本特征。”
当前，石墨烯正逐渐走进人类生活，续写到碳材料家族新的辉煌，在电子信息、光通信、新能源、生物医药、节能环保、航空航天、国防军工等广阔领域，都拥有着极为诱人的应用前景。
一是石墨烯可以助力新能源汽车充电更快、跑得更远。锂离子电池的正极材料导电性一般较差，目前的主流做法是利用碳黑做导电添加剂，但对于电池来说，这种非活性的导电添加剂添加得越多，其能量密度就会降低越多。利用高性能石墨烯导电剂代替碳黑，理论上可以显著降低这种非活性添加剂，从而提高能量密度，并显著提升电池的快充性能。
二是石墨烯在大健康、电热领域拥有着极为广阔的应用前景。利用石墨烯的红外辐射性能，石墨烯可以用于制作电加热服、电热毯、眼罩、红外理疗、地暖、墙暖等。
三是在重防腐涂料领域中，石墨烯拥有开发潜力。例如化工厂和海洋环境中，腐蚀问题非常严重，通常大量使用防腐涂料。超薄氧化石墨烯微片比传统玻璃鳞片可提供更好的物理屏蔽，延缓腐蚀介质的渗透。
四是在传感器领域，石墨烯大有可为。石墨烯是单层的石墨片，原子都裸露在表面上，因此可非常敏锐地感知周围环境的变化，并通过电信号检测出来，所以石墨烯是理想的超高灵敏度传感材料。
五是在可穿戴技术上，石墨烯也有着广阔的应用前景。其超薄性、柔性和多功能性，使其成为可穿戴技术和健康监测应用的理想选择。
此外，石墨烯的另一个潜在应用市场是触摸屏。人们一直期待开发新材料来替代高成本的ITO导电玻璃，石墨烯就具有成为这种替代品的可能性，但目前还有很多挑战性的技术问题有待解决。而在新一代超快光通信、航空航天、国防军工等领域，石墨烯也有着广阔的前景。但理想与现实之间还存在巨大的鸿沟，需要克服诸多技术挑战，包括成本问题、质量问题等。
THREE 寻找石墨烯的"杀手锏"级应用
一种新材料和新技术，从问世到产业化，一般包括技术萌芽期、期望顶峰、泡沫谷底、爬坡期和稳定应用期几个不同的阶段。
石墨烯新材料产业的起点可以上溯到2004年，只有18年左右的历史。“目前石墨烯产业已经度过了炒作高峰期，市场正趋于冷静，我还不认为它达到了泡沫谷底，未来还需要耐心、坚持和远见。”
刘忠范院士介绍道，2010年至今，石墨烯的应用以粉体材料为主，用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料，有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维，甚至超级导线等。
再过10年左右，或许是石墨烯薄膜材料的天下。水氧阻隔膜、分离膜、缓冲层、透明电极、触控屏、射频器件、光通信器件等，将逐渐从实验室走向产业化。从材料的形态上讲，粉体材料到纤维材料，再到薄膜和晶圆材料，或许是石墨烯材料的发展历程。
但目前的石墨烯新材料产业，还面临着一系列的技术挑战。
一是低成本的规模化制备的技术，二是低成本的批量剥离转移技术，三是单层基元材料到实用宏观材料的过渡和性能传递方法，四是复合基体材料中的分散技术，五是要找到石墨烯材料的不可替代的“杀手锏”级应用。
刘忠范院士着重强调石墨烯的“杀手锏”级应用探索。“到现在还没有找到石墨烯独到的、无法替代的用途，若只做‘万金油’式的添加剂和‘工业味精’，这个产业是不会走太远的。”
对于石墨烯来说，推动传统产业的升级换代，或者创造全新的产业，才是它的价值所在。发展石墨烯产业绝非是一朝一夕的事情，需要国家意志、产学研协同创新和长期不懈的努力。
当前石墨烯产业的发展处于关键时间节点上，刘忠范院士提醒道，不能只关注石墨烯产业的现在，否则会丢掉石墨烯产业的未来；也不能只关注石墨烯产业的未来，否则很难走到未来。
“中国的石墨烯新材料研发需要像东丽公司那样的担当者；中国的石墨烯产业也需要真正的‘工匠精神’和‘匠人’，把材料做到极致，填补从理想到现实的巨大鸿沟。”
在刘忠范院士看来，当年的碳纤维只能做钓鱼竿，历经半个世纪，碳纤维已成为航空航天和国防军工领域的“杀手锏”级材料，东丽公司的努力和坚持体现了新材料研发的工匠精神。“今天的石墨烯不等同于未来的石墨烯，它尚无法支撑起石墨烯产业的‘大厦’，石墨烯的产业化道路还很长，需要的是产学研界的耐心和坚持。”
FOUR 石墨烯产业发展可以"降降温"
“我国有石墨烯企业近7万家，但石墨烯粉体产能的利用率仅约7%，薄膜产能的利用率不足0.23%。科学推动绿色低碳转型，既需要政策的力度，也需要把握发展的速度，不能急于求成。”在全国政协十四届常委会小组讨论会上，全国政协常委刘忠范的发言引起不小的轰动。作为中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长，刘忠范却希望石墨烯产业的发展能“降降温”。
自2004年被发现以来，石墨烯就以“多才多艺”著称，从医疗保健到航空航天，都能找到它的身影，成为火遍全世界的“网红”，被认为是21世纪重大的科学发现之一。
我国是石墨资源大国，也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。近年来，在国家层面政策的大力支持和引导下，多地加快石墨烯产业的发展，出台了诸多推动石墨烯产业集群发展的政策，石墨烯产业迅速发展起来，同时，也引来众多企业蜂拥而至，欲在万亿大市场中分得一分羹。
据不完全统计，截至2023年9月底，中国石墨烯企业数量逾6.7万家，石墨烯产业园区达60个，全国25省市拥有113个石墨烯研究院、17个创新中心和17个产业联盟。
但与一拥而上的石墨烯企业相比，却是石墨烯产能过剩的现实。2022年，我国石墨烯粉体产能2.2万吨，薄膜产能450万平方米，石墨烯粉体产能的利用率及薄膜产能的利用率少得可怜。
在刘忠范看来，这属于“无效碳排放”。“理论上讲，碳排放可以分为两大类：一个是‘有效碳排放’，是国计民生所必需，需要通过技术进步来实现低碳发展；另一个是‘无效碳排放’，即无序发展折腾出来的碳排放。”
如何改变这一现状？刘忠范认为，政府的角色在解决碳排放问题过程中至关重要。要科学施策，既要把握政策力量和市场力量的平衡，也要把握当前利益和长远利益的平衡。
“一方面，应有效控制稀土、石墨等战略资源的过度开采和廉价出口。自然资源的存量是有限的，必须重视可持续发展问题。”刘忠范院士进一步表示，“事实上，自然资源的开采过程常常带来大量的碳排放和环境污染问题。自然资源粗加工产品的廉价出口只是关注微不足道的眼前利益，而把碳排放和环境成本留给了自己。此类问题普遍存在，须引起重视。”
刘忠范院士表示，“另一方面，作为制造业大国，应布局长远，加速向产业链的中高端迈进。一个关键抓手是增大面向未来核心技术的研发投入，从政策层面引导企业改变急功近利的赚快钱思维模式。在新的历史时期，从宏观政策制定上，应逐渐减少当前利益的考量比重，不断加大对长远利益的关注。”刘忠范院士还特别提到了要把握物质文明和精神文明建设的平衡。他表示，低碳生活涉及两个层面的问题，一个是技术进步，另一个是文明发展。在重视物质文明发展的同时，应从教育抓起，强化精神文明建设。随着生活水平的不断提升，人们的消费水平也不断提高，大吃大喝、过度消费、铺张浪费现象普遍存在。应从小抓起，培养国人的节约意识和环保意识，不断减少“无效碳排放”，让每个国人都行动起来，为低碳发展作出自己的贡献。
FIEVE 石墨烯：从科学、工程到产业上货架才是硬道理
挑战极限，突破难题。刘忠范院士提到石墨烯的剥离与转移是石墨烯薄膜应用的重大技术瓶颈，为了攻坚克难，具有优良电热性能的超级蒙烯材料应运而生，其研究团队找到了解决支撑载体问题、破解石墨烯薄膜卡脖子问题的全新解决方案。其中，蒙烯玻璃纤维的研发成为风电叶片甚至新一代导弹的杀手锏技术。
刘院士认为，没有扎实的基础研究和杀手锏技术，就没有核心竞争力。对于如何从研究思维到产业思维的跨越，他强调，石墨烯材料的产业化需要科学家、工程师和企业家交叉融合，协同创新。
自2004年被发现以来，石墨烯就以“多才多艺”著称，从医疗保健到航空航天，都能找到它的身影，成为火遍全世界的“网红”，被认为是21世纪重大的科学发现之一。
对于石墨烯来说，推动传统产业的升级换代，或者创造全新的产业，才是它的价值所在。
刘忠范院士表示，科技工作者要提升自己的研究品质，做真正有成就感和获得感的工作，成果要“上书架”“上货架”。上书架，并非简单地发表学术论文，而是真正对科学有用，是能够在教科书里找到；而上货架，并非简单地申请几项专利，而是真正对国计民生有用，是能够在百姓生活里找到。刘忠范院士说，他所在团队采取的策略是，一手抓材料研究，一手抓装备研发，同时从基础研发、中试示范到产业落地进行全链条布局，尤其强化中试工程化研发，从而架起链接材料与市场的桥梁。
来源：材料委天津院、前沿材料
