二十一世纪新材料：石墨烯，未来市场空间巨大（21页）

1 石墨烯简介

石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为 0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10 层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而 10 层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成。

2 石墨烯特性

石墨烯因为其特殊的结构，具有很多突出的性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。

 力学性能。石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料（0.34nm），也是有史以来被证实的最结实的材料，强度可达 130GPa，约为世界上最好的钢材的 100 多倍，且杨氏模量达 1.054-1.060TPa。它具有极好的弹性，可被拉伸至自身尺寸的120%，如果用石墨烯制成包装袋，虽然质量极轻，但它将能承受大约 2t 的物品。石墨烯的硬度比莫氏硬度 10 级的金刚石还要高，却具有很好的韧性（可弯曲性），迄今很少有材料能够同时具备这两种性质。

 电磁性能。电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质，其中电子的运动速度达到了光速的 1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。最新的研究表明，石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000cm2·V-1·s-1） ，也是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的 2 倍，因此有预言称，石墨烯将成为硅的替代品，从而改变人类的生活。除此之外，石墨烯还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。

 热学性能。石墨烯具有极强的导热性能，单层石墨烯的热导率可达5000 W/m·K，是室温下纯金刚石的 3 倍，金属铜的 12 倍。

 石墨烯还具有优良的透光性能，光子透过率高 97.4%，其理论比表面积高达 2630 m2·g-1。

3 石墨烯全球研究现状

自 2010 年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，并共同获得 2010 年诺贝尔物理学奖之后，在全球范围内掀起了石墨烯研究开发以及产业促进的热潮。

石墨烯相关专利和知识产权的申请数量逐年递增。根据数据统计，石墨烯相关专利最早出现在 1994 年，随着研究的深入和诺贝尔奖的获得，2010 年之后迎来了喷井式的爆发，2010 年全球相关专利数量达到了 480 篇，2017 年已经增长到了 13371 篇，增长了 20 余倍，反映出石墨烯在近几年成为了研究的热点。

通过石墨烯技术生命周期图可以看出，2008 年之前石墨烯相关专利技术还处于萌芽阶段，2010 年之后，每年都有大量的新增的发明人进入相关研究，新的技术不断出现，石墨烯技术进入快速成长阶段。2017 年开始，增长率有所下降，说明石墨烯相关技术正在由成长阶段向技术成熟阶段过渡。