国家科技传播中心学术发展讲堂是中国科协最新推出的一档学术栏目，突出前沿性、思辨性和传播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，传播学术领域的前沿发展动态。讲堂将持续邀请战略科学家、一流科技领军人才和创新团队，讲述突破传统的前沿探索、卓有成效的改进方法、颠覆认知的创新理论以及改写行业规则的研究成果。今日为您推送第六期内容，一起看→
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“材料革命是推动人类文明进步的核心动力。作为21世纪最具颠覆性的新材料，石墨烯凭借其多维性能优势，已成为全球科技竞争的战略高地。我国在石墨烯领域兼具资源储备与产业链优势，技术发展与国际同步，为抢占新材料制高点提供了重大机遇。为加快提升我国石墨烯产业实力，产学研各方需凝聚合力，构建从基础研究到工程应用的完整原创链条。”浙江大学求是特聘教授高超在国家科技传播中心学术发展讲堂上发表如上观点。
多维性能驱动的国家战略新材料
高超
石墨烯是碳的一种同素异形体，也是全球科研与产业应用的前沿阵地。2004年，英国曼彻斯特大学Geim教授团队通过机械剥离法制备出单层石墨烯。2010年，该成果获得诺贝尔物理学奖。纵观人类文明史，材料突破始终引领时代变革。石墨烯在量子效应、超导特性等前沿领域的应用，或将推动人类社会从“硅基时代”向“烯碳文明”跃迁。
石墨烯的价值源于其力学、电学、热学、光学等多维度性能：抗拉强度高达130GPa，载流子迁移率2×10⁵ cm²/V·s，导热率5300W/m·K，单层吸光率2.3%，且光热电耦合性优异。这些物理特性使其成为新一代信息技术、航天航空、能源电子等新兴产业与未来产业的重要基础材料。
石墨烯对于我国尤其具有战略意义，是我国在新材料领域实现技术引领的重大机遇。相较于钢铁、计算机、人工智能等领域存在的技术代差，石墨烯的研究是全球同步起跑。在基础研究层面，我国与国际先进水平保持并跑态势。此外，我国拥有全球最大的石墨产能和完备的工业体系，在原料供应、设备制造、下游应用等环节具有产业链优势。
目前，石墨烯的制备方法已呈现两条清晰路径：化学气相沉积法（CVD）与石墨剥离法。化学气相沉积法因依赖金属催化剂基底及复杂的转移工艺，应用场景尚需打开。石墨剥离法规模化生产成本较低，且直接依托石墨矿产资源。为加快推进石墨烯的大规模多场景应用，需要从产学研共同发展的层面，构建从基础研究到工程应用的完整原创链条。
石墨烯的产学研发展路径与挑战
石墨烯的创新之路遵循从科学发现到技术转化，最终实现产业化应用的发展规律。石墨烯的产业化进程可概括为“三生模型”：即伴生阶段、共生阶段与创生阶段。
伴生阶段：石墨烯作为辅助性材料，以极低的比例（如1‰至1%）添加进现有材料体系，用于改善材料基本性能或功能。例如，石墨烯复合纤维、石墨烯防腐涂料和散热涂层。
共生阶段：石墨烯以较高比例与材料体系融合，并与之共同发挥优势性能。例如，石墨烯发热板、打印电路和石墨烯传感器。
创生阶段：石墨烯作为核心材料，显著提升产品的性能水平，实现突破性应用。例如，纯石墨烯纤维、石墨烯吸波隐身材料和石墨烯电池。
随着技术成熟度的提升，石墨烯应用不断拓展，已从伴生阶段的材料改性，迈向共生阶段的功能器件及创生阶段的系统集成。在创生阶段，吸波隐身材料、储能电池、水处理、光电子器件等领域是石墨烯创新应用的重点前沿方向。
在低可观测性技术应用领域，基于石墨烯的新型吸波材料具有显著优势：石墨烯制成的宏观体材料质量更轻，且可通过调控氧化石墨烯还原程度，使材料在不同位置具备梯度导电性能，实现宽频吸波。
石墨烯在能源领域应用潜力大。以锂金属电池为例，其薄锂负极材料制备面临着由金属特性导致的材料强度差、加工难度高、厚度难控制等问题。为解决这些问题，可利用石墨烯膜连续特性制成多孔超薄膜，作为锂金属的吸附载体并构建高导电网络，二者结合形成的超薄锂-石墨烯复合薄膜，可实现自支撑并有效克服锂金属电极薄度局限，是极具潜力的锂金属电池负极材料。
次例是铝离子电池。铝具有极高的体积能量密度，其在储能应用中展现出高效能、低成本优势。研究表明，石墨烯薄膜能够直接作为铝-石墨烯电池的正极材料，从而显著提升电池性能。该电池的全电池能量密度可达60 Wh/kg，功率密度高达197 kW/kg，且能在-20℃至100℃的宽温范围内实现快速充电，并具备长循环寿命潜力。
在海水淡化领域，石墨烯膜基于本征二维层状结构，可通过控调石墨烯膜层间距，构建筛分孔径并实现海水离子的选择性分离。该方式可避免传统反渗透膜的高能耗缺陷，并具备完全脱除盐分的潜在技术特征，已成为突破现有膜分离技术瓶颈的重要研究方向。
光电子器件领域是石墨烯创新应用的重要方向。石墨烯可与硅结合，借助其宽谱光吸收特性，将光电子探测器的探测波长从传统硅材料的可见光（约400-700纳米）及近红外波段（700-1100纳米）拓展至中红外波段（4微米）。在短波方面，已实现X射线探测器。因此，石墨烯的引入可实现从X射线到红外波段的宽光谱室温探测。
目前，石墨烯的产学研创新之路面临着从原料制备到加工成材，再到器件应用的多环节挑战。需要实现“科学—技术—工程—样品—产品—商品”的全链条充分贯通，将科学层面的突破有效转化为技术化、工程化的成果，最终推动市场化进程。
石墨烯产学研路径上的诸多问题可以总结为“4M问题”。
宏量制备（Mass-production）：在原料层面，需解决石墨烯原料高品质、低成本的量产问题。
宏观组装（Macro-assembly）：在原料获得后，需解决纳米级石墨烯粒子到宏观薄膜或纤维的组装问题。
微观分散（Micro-dispersion）：在制作复合材料时，需解决石墨烯粉体形式的分散问题。
微型器件（Micro-devices）：在制作微型器件时，需解决高性能模型的阵列化及集成问题。
当前，全球在原料制备、宏观组装层面已取得了阶段性进展。
在宏量制备方面，韩国研究团队采用化学气相沉积（CVD）技术，成功制备出高品质纯平单晶石墨烯薄膜，解决了石墨烯薄膜表面褶皱这一关键问题。在规模制备方面，北京大学的研究团队成功在玻璃上直接生长石墨烯，并实现了几十微米厚度的百万层石墨烯制备，提供了基于生长条件控制的高品质石墨烯薄膜厚度精准调控的技术手段。
在宏观组装方面，石墨烯纤维、薄膜及气凝胶都需要解决两个关键问题：微结构调控及高效率规模化制备。例如，2013年，我们发表了关于超轻石墨烯气凝胶的研究成果，采用了冷冻干燥技术，不利于量产；经过不断迭代创新，发明了室温发泡法，其摒弃了冷冻干燥过程，有效解决了传统方法能耗高、效率低、尺寸小的弊端，实现了高弹性石墨烯气凝胶的室温连续化制备，为材料的工程化应用提供了关键技术支撑。
目前，微观分散仍是高性能复合材料制备中亟需攻克的技术环节。以氧化石墨烯增强水泥技术为例，水泥的二氧化碳排放量占全球总排放量的近8%，是“双碳”战略中的重点关注对象。研究表明，在水泥中掺杂0.01-0.03wt%的氧化石墨烯，抗压强度增强25%-46.9%。然而受限于氧化石墨烯的超低掺量，其在水泥中的均匀分散始终是技术难点，导致该技术迄今未能实现规模化应用。
石墨烯产业蕴含着巨大的发展潜力，但须要增强发展的紧迫感，在基础研究、应用技术以及产业发展等多个环节，做好充分准备，才能实现从基础研究到工程应用的全链条贯通。
石墨烯的产业化探索与实践
纸上谈兵难以打开新材料产业化之路，躬身入局方知其中的难点、痛点及堵点。我们团队历经近二十年的基础研究和十多年产学研协同探索与创业实践，初步构建起基于“一片原料、两根纤维、两张膜”的“122”石墨烯产业化技术体系。
一片原料：单层氧化石墨烯
两根纤维：石墨烯基碳纤维、多功能康护纤维
两张膜：石墨烯散热膜、石墨烯发热膜
在原料方面，基于快速“全单层反应”技术，实现了氧化石墨烯的单层转化与高效剥离；“极限提纯技术”攻克单层氧化石墨烯反应液提取难题；“固化再分散技术”解决石墨烯花状粉体再分散难题。2019年，我们的氧化石墨烯量产线获得国际石墨烯产品认证中心（IGCC）全球首个单层氧化石墨烯产品认证，单层率超99%，且具备全球化供应能力。
纤维是石墨烯产业化的重要技术方向。先看石墨烯纤维或石墨烯基碳纤维。碳纤维具备轻质量、高强度、高硬度、高导电导热、强稳定性与可编织特性，是航空航天、海洋工程等重要领域关键装备研制的核心骨架材料与关键功能材料，战略价值巨大。我国在结构性碳纤维领域已取得显著进展，已实现T800等高强度系列碳纤维的量产。但在功能性碳纤维领域，尤其在高导热技术方面，我国较国际先进水平仍有差距。例如，美国氰特K1100碳纤维作为国际一流水平，导热率可达950 W/m·K，而我国同类产品导热率普遍为600-700 W/m·K。高导热碳纤维复合材料是航空航天、电子通信、人工智能热控等领域的理想材料，其“卡脖子”问题将导致多项前沿技术发展受限。
为实现石墨烯纤维兼具高强度、高模量、高导热与高导电特性，突破功能结构一体化难题，我们跳出传统石油路线，提出了“石墨制纤”的创新路径：以石墨为原料，将其转化为氧化石墨烯，形成液晶后纺丝并还原，最终制得新型石墨烯纤维，打通了从石墨到碳纤维的新路径。在工程化阶段，我们突破了Griffith定律中“越粗越弱”的限制——通过融合细且强的多根石墨烯纤维，制成兼具刚度与强度的新型碳纤维。其导热率达1100-1200 W/m·K，高于美国K1100碳纤维。
其次是康护纤维。我国化学纤维产量虽居全球首位，但纤维核心技术相对薄弱。我们采用氧化石墨烯与化纤原料单体原位共聚的方法，制得石墨烯改性纤维（康护纤维）。已攻克分散性、高速纺丝及功能持久性等难题，实现大规模生产与销售。经检测，康护纤维具备抗菌抑菌、抗病毒、防螨虫、抗紫外、负离子发生和远红外发射六项功能和安全环保特性，为纤维纺织产业转型升级提供了新样板。
石墨烯膜材料的产业化发展集中在发热膜和散热膜方向。发热膜应用于汽车产业的方向盘发热与离手检测。此外，远红外线对人体康护作用与机理是发热膜的另一研究方向。散热膜凭借高柔性和高导热性，在航天领域已得到重要应用。其主要作用包括控温、减重和隔振。石墨烯散热膜的高柔性可有效隔绝振动，提高成像分辨率；同时，其高导热性及低密度可有效提升导热能力并降低重量，进一步降低成本。
结束语
新材料产业作为战略性、基础性、全局性产业，是科技强国建设的核心支撑。石墨烯以其独特的二维结构与多维性能优势，正在突破传统材料的物理极限，成为“烯碳文明”时代的关键驱动力。我国拥有丰富的石墨矿资源、领先的技术、专业的人才队伍、完善的产业链以及有力的政策支持，已逐步实现了从科学发现到产线搭建的一系列标志性成果，石墨烯产业化正逢其时，面向未来，唯有以政策为牵引、以市场为导向、以创新为纽带，凝聚产学研合力，贯通“科学—技术—工程—样品—产品—商品”的“from papers to products”整体原创链条，久久为功，方能将石墨烯的“性能潜力”转化为“产业实力”和“原创牵引力”，为我国新材料领域的高质量发展注入强劲动能。