第一篇：碳材料领域专家盘点(石墨烯及碳纳米材料)

碳材料领域专家盘点（石墨烯及碳纳米材料）

本文为大家主要盘点石墨烯及碳纳米材料领域的部分专家，供大家参考，排名不分先后，如有遗漏欢迎补充指正。

Andre Geim

石墨烯发现者、202_年诺贝尔奖获得者、欧盟石墨烯旗舰计划战略委员会主任。

刘忠范

中国科学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授、北京石墨烯研究院院长

主要从事低维材料与纳米器件、分子自组装以及电化学研究。发展了纳米碳材料的化学气相沉积生长方法学，建立了精确调控碳纳米管、石墨烯等碳材料结构的系列生长方法，发明了碳基催化剂、二元合金催化剂等新型生长催化剂，提出了新的碳纳米管“气-固”生长模型等。

刘兆平

中科院宁波材料所高级研究员，博士生导师

主要从事石墨烯和动力锂离子电池及其材料技术等。

许建斌

香港中文大学电子工程系教授，材料科学与技术研究中心主任

主要从事石墨烯及新型二维固态半导体电子及光电子材料与器件探讨；纳米技术在固态电子材料和器件中的应用（如扫描探针显微术和近场显微术，纳米材料和器件构筑与表征）等。

王立平

中科院宁波材料所研究员，博士生导师

主要从事新型强润一体化以及耐磨蚀薄膜材料及其航空航天和船舶领域应用研究工作。前不久其所在团队成功突破石墨烯改性防腐涂料研发及应用的技术瓶颈，开发出拥有自主知识产权的新型石墨烯改性重防腐涂料等。

王建涛

中国科学院物理研究所研究员，博士生导师

主要研究方向有三维碳烯的拓扑Node-Line物性；结构与高压相变；表面吸附与重构；金属的高温非谐效应等理论计算研究等。

任文才

中国科学院金属研究所研究员，博士生导师

主要研究方向为石墨烯等二维原子晶体材料的制备、物性与应用：高质量石墨烯及其宏观体材料的CVD控制制备；高品质石墨烯的化学法规模化制备；石墨烯在锂离子电池和超级电容器方面的应用；石墨烯在柔性光电器件和储能器件方面的应用探索；石墨烯在热管理、功能涂层、复合材料等方面的规模应用等。

林正得

中科院宁波材料所研究员

主要研究方向：化学气相沉积法（CVD）生长石墨烯薄膜与其它二维原子层材料、石墨烯/高分子复合材料、三维石墨烯结构、以及在热管理、传感器、能源领域的应用等。

冯新亮

上海交通大学化学化工学院教授

德国德累斯顿工业大学首席教授

主要从事二维纳米石墨烯的合成研究，宏量制备高质量二维石墨烯材料研究，合成水溶和油溶可加工石墨烯研究，基于石墨烯的二维纳米能源材料和电子器件研究，基于石墨烯电极材料在太阳能电池和场效应晶体管器件的应用研究，可控纳米结构功能碳材料、有机/无机杂化材料的设计合成及其在能源储存和转化的应用研究（主要基于超级电容器，锂离子电池，光解水，燃料电池电极材料和催化剂的研究）等。

高超

浙江大学高分子科学与工程学系教授

主要从事高分子基纳米化学与材料：

有机纳米大分子（树枝状聚合物、柱状聚合物刷及其它复杂结构/构造聚合物）： 设计、合成、组装及应用；无机纳米材料的高分子化；生物--纳米化学、材料与器件；石墨烯纤维等方面的研究等。

孙立涛

东南大学电子科学与工程学院教授，博士生导师

主要从事新型纳米材料的可控制备与动态结构表征等研究工作。

李雪松

电子科技大学教授

主要从事石墨烯薄膜的制备及应用方面的研究等。

成会明

炭材料科学家，中国科学院院士，第三世界科学院院士，中国科学院金属研究所研究员。

主要从事先进炭材料的研究，促进了碳纳米管的研究与应用。制备出石墨烯三维网络结构材料、毫米级单晶石墨烯，发展了石墨烯材料的宏量制备技术等。

李永舫

高分子化学、物理化学专家，中国科学院院士。中国科学院化学研究所有机固体重点实验室研究员，苏州大学材料与化学化工学部特聘教授。

主要研究领域为新型富勒烯衍生物受体光伏材料。

马振基

左一为马院士

台湾国立清华大学，台湾高分子学会教授，理事长

主要研究领域为石墨烯的癌症诊断与治疗研究。

戴黎明

美国凯斯西储大学教授

主要研究领域为碳纳米材料（碳管）在医疗和能源应用。

康飞宇

清华大学教授

主要研究领域为石墨层间化合物，石墨深加工技术。

戴宏杰

斯坦福大学教授

主要研究领域为碳纳米管、石墨烯片。长期从事碳纳米材料的生长合成、物理性质研究、纳米电子器件研发，以及纳米生物医学以及能源材料等方面的研究，是国际碳纳米材料研究领域的领军人物之一。

刘开辉

北京大学研究员

主要研究领域为一维碳纳米管、纳米线，二维石墨烯等。

甘良兵

北京大学教授

主要研究领域为开孔富勒烯，杂富勒烯，富勒烯包合物等。

赵宇亮

中科院高能物理所研究员

主要研究领域为富勒烯在肿瘤治疗方法应用等。

朱彦武

中国科学技术大学教授

主要研究方向为石墨烯及其他新型碳材料的制备和表征；纳米材料的光电转换特性；高性能能量转换和存储器件研究等。

智林杰

国家纳米科学中心教授

主要研究方向为富碳纳米材料的构建与结构控制；高性能富碳纳米材料；富碳纳米材料在能源与环境领域的应用；重点研究以高效、清洁能源为应用背景的多功能富碳纳米材料的设计、制备、组装及其化学及物理性质的调节和控制等。

朱宏伟

清华大学材料学院教授、博士生导师

主要从事纳米材料制备、结构表征和性能研究等。

冷金凤

济南大学教授，有色合金及复合材料研究所副所长

长期潜心从事金属基复合材料制备及研究工作，近几年主要致力于纳米颗粒增强金属基复合材料的高品质制备技术及微观机制研究，在石墨烯增强金属基复合材料方面已申报多项技术发明专利并发表多篇论文。

史浩飞

中科院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心副主任

主要从事微纳加工与新型材料研究。

邱介山

大连理工大学化工与环境生命学部炭素材料研究室主任

主要从事材料化工、能源化工、多相催化等方面的研究，涉及碳素、碳纳米材料等。

Rodney S.Ruoff

著名石墨烯专家、韩国基础科学研究院多尺度碳材料研究中心主任、韩国蔚山国立科技大学教授。在材料领域尤其在碳纳米材料领域有着深厚的造诣，曾经在金刚石、富勒烯、纳米碳管和石墨烯领域做出了多项杰出工他领导的研究小组最早研究了氧化石墨烯的制备与应用（Nature2006）、利用铜基底生长单层石墨烯薄膜（Science2009）并得到了厘米尺度石墨烯单晶（Science 202_）。

冯冠平

深圳清华大学研究院院长

冯冠平先生致力于石墨烯的产业化发展，从全世界带回70多名石墨烯领域的人才，成立了30多家石墨烯企业，被誉为“中国石墨烯产业奠基人”。

Stephan Roche

ICREA研究员，加泰罗尼亚纳米科学与技术研究所（icn2）纳米理论与计量组组长，理论物理学家

主攻量子传输和纳米材料设备的计算以及模型的发展。

卢红斌

复旦大学教授

主要研究方向为石墨烯及其他二维材料的制备研究；石墨烯复合材料及相应产品的制备；聚合物复合材料的制备及性能研究等。

海正银

中国原子能科学研究院博士

主要研究领域为石墨烯涂料核电应用。

Luigi Colombo

剑桥大学石墨烯中心博士

Antonio Correia

欧洲石墨烯大会主席

Francesco Bonaccorso

欧盟石墨烯旗舰计划路线图制定者、意大利技术研究院石墨烯中心储能负责人

Ahn Jong-Hyun

韩国成均馆大学柔性电子实验室教授

主要研究领域为石墨烯在柔性电子应用。

Kim Sang Ouk

韩国科学技术院首席教授

主要研究领域为石墨烯传感器。

吴忠帅

中科院大连化物所研究员

主要研究领域为石墨烯及二维材料与能源器件。

Jari Kinaret

欧洲石墨烯旗舰计划主任

主要研究领域为石墨烯和碳管。

Andrea C.Ferrari

欧洲石墨烯旗舰计划战略委员会主席

主要研究领域为柔性电子、传感器、生物医疗。

Vincenzo Palermo

欧洲石墨烯旗舰计划战略委员会副主任

Vladimir Falko

英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院主任

主要研究领域为双层石墨烯光电特性。

Byung Hee Hong

Graphene Research Laboratory Director

主要研究领域为石墨烯在光电器件、能源应用。

Soon Kyu Hong

韩国釜山国立大学教授

主要研究领域为碳管＆石墨烯海水淡化。

Rahul Raveendran Nair

英国石墨烯工程创新中心教授

主要研究领域为石墨烯防腐涂料等。

杨世和

香港科技大学教授

主要研究领域为富勒烯新型光电转换材料。

Kenichiro Itami

日本名古屋大学教授

主要研究领域为筒状碳纳米带。

Robert J Young

英国石墨烯工程创新中心教授

主要研究领域为石墨烯增强复合材料等。

Seung Kwon Seol

韩国电气技术研究所KERI教授

主要研究领域为石墨烯、碳管与3D打印等。

Wang Qijie

新加坡南阳理工大学副教授

主要研究领域为石墨烯图像传感器等。

Vittorio Pellegrini

意大利技术研究院（IIT）石墨烯中心主任

主要研究领域为石墨烯制备及其在储能、高分子复合材料、纤维复合材料等方面的应用等。

Il-Young Song

韩国三星集团高级工程师

主要研究领域为石墨烯大薄膜制备及设备开发等。

Tianyi Yang

日本东芝研究科学家

Tao Hong

日本索尼锂锂电池研发工程师

Kosuke Nagashio

日本东京大学教授

主要研究领域为石墨烯电子特性、界面行为等。

戴贵平

北卡中央大学教授

主要研究领域为石墨烯锂离子电池。

Gianluca Fiori

比萨大学信息工程学院教授

Alberto Bianco

法国国家科学研究中心教授

刘建影

上海大学&查尔姆斯理工大学教授

阮殿波

宁波中车新能源科技有限公司博士（总工程师）

张华

南洋理工大学教授

主要研究方向

1.Synthesis of noble metal nanostructures;

2.Investigation of electrocatalytic behavior of novel nanomaterials;

3.Synthesis of covalent organic frameworks（COFs）；

4.Computational chemistry related to novel 2D nanomaterials（such as metal dichalcogenide nanosheets, metal and semiconducting nanoplates, etc.）。

Norbert Fabricius

卡尔斯鲁厄理工学院教授（德国）

在卡尔斯鲁厄理工学院主要负责“微系统技术”“纳米技术”等项目。

Felice Torrisi

博士，剑桥大学剑桥石墨烯中心的研究助理，三一学院研究员。

主要研究领域涉及石墨烯和二维纳米材料分散体，油墨和涂料的开发以及它们在复合材料领域中的应用。基于Felice Torrisi博士的研究成果在印刷柔性/可拉伸电子和光电子器件中有良好的应用。

Pedro Gómez-Romero

西班牙巴塞罗那材料科学研究所高级研究科学家

主要从事导电高分子与氧化物材料的研究，并开发其在燃料电池，锂电池和超级电容器等领域的应用。

Dusan Losic

澳大利亚石墨烯研究和产业化领军人物、阿德莱德大学石墨烯中心主任

其团队研究涵盖石墨烯化学，材料科学，工程学，生物学，纳米应用医药学等多个学科，以及新纳米材料的研究工艺与设备，旨在解决健康、环境和农业等方面的现实问题。

Alain Pénicaud

法国国家科学研究中心主任

发展了溶解碳纳米材料（碳纳米管，石墨烯等）的方法，特别是熵驱动的热力学与解离，最重要的是溶解过程无需超声。

吴恒安

中国科学技术大学教授

主要研究领域为石墨烯阻隔材料等。

王晶晶

中船重工725所厦门分院副院长

主要研究领域为石墨烯重防腐涂料等。

金章教

香港科技大学教授

主要研究领域为碳纳米管/聚合物纳米复合材料等。

张亚妮

西北工业大学副教授

主要研究领域为定向碳纳米管及其连续纤维在储能与轻质防弹领域的应用等。

Barbaros ZYILMAZ

新加坡国立大学石墨烯研究中心主任

主要研究领域为石墨烯柔性穿戴等。

第二篇：石墨烯纳米材料论文

石墨烯纳米材料 摘要：

石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自202_年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、及应用前景进行了详细介绍。关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用 引言：

石墨烯自202_年被发现以来，因其优异的电学、力学、热学、光学等性能，已经深深地影响了物理、化学和材料学领域，被广泛应用于复合材料、纳米电子器件、能量储存、生物医学和传感器等范围，表现出巨大的潜在应用前景。石墨烯是近年来发现的新型碳纳米材料，它基本具有碳材料的所有优点，而且还拥有更高的比表面积和导电率，能够克服碳纳米管的一些缺陷，使其成为了一个非常理想的纳米组合成分来制备石墨烯的复合材料。自从石墨烯被发现以来，越来越多科学家开始关注基于石墨烯的复合材料的研究。目前，石墨烯的复合材料己在催化、储能、生物、医药等领域展现出优越的性质和潜在的应用价值。例如，将石墨烯添加到高分子中，可以提高高分子材料的机械性能和导电性能；通过石墨烯与许多不同结构和性质的纳米粒子进行复合，制备出新型石墨烯

一、石墨烯的性能特点

1、导电性

石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

2、机械特性

石墨烯集成电路石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。他们选取了一些10—20微米的石墨烯微粒。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。

3、饱和吸收

当输入的光波强度超过阈值时，这独特的吸收性质会开始变得饱和。这种非线性光学行为称为可饱和吸收，阈值称为饱和流畅性。给予强烈的可见光或近红外线激发，因为石墨烯的整体光波吸收和零能隙性质，石墨烯很容易就变得饱和。石墨烯可以用于光纤激光器的锁模运作。用石墨烯制备成的可饱和吸收器能够达成全频带锁模。由于这特殊性质，在超快光子学里，石墨烯有很广泛的应用空间。

4、自旋传输

科学家认为石墨烯会是理想的自旋电子学材料，因为其自旋-轨道作用很小，而且碳元素几乎没有核磁矩。使用非局域磁阻效应，可以测量出，在室温状况，自旋注入于石墨烯薄膜的可靠性很高，并且观测到自旋相干长度超过1微米。使用电闸，可以控制自旋电流的极性。

5、电子的相互作用

石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。科学家借助了美国劳伦斯伯克利国家实验室的“先进光源（ALS）”电子同步加速器。这个加速器产生的光辐射亮度相当于医学上X射线强度的1亿倍。科学家利用这一强光源观测发现，石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子和电子之间也有很强的相互作用。

二、石墨烯复合材料制备

由于石墨烯具有高强度、高电导率、高比表面积，用其对聚合物材料进行改性有望得到高性能的聚合物基复合材料，使复合材料具有高电导率、高强度、高热稳定性并具有一定的阻燃性，进一步扩大聚合物材料的应用范围。

先按照目标制备出表面改性的石墨烯，使其具有亲油或亲水性；再讲改性石墨烯与聚合物材料进行复合制备聚合物基/石墨烯复合材料。改性后的石墨烯可以更好地分散于聚合物基体中。此用途的石墨烯可取代价格昂贵的碳纳米管来填充聚合物，使聚合物基复合材料的性能及因公得到进一步提高。

三、常见石墨烯纳米材料

1、石墨烯/无机物纳米材料

石墨烯/无机物纳米材料是石墨烯与无机物复合的纳米材料，它兼具石墨烯与复合的无机物的优良特性。如：①石墨烯/SiO2纳米复合材料，它的电导率比石墨烯增大了很多，透射率也很好；②石墨烯/Pt纳米复合材料，它的催化效果比单纯的Pt要好很多，也可用于制作电极，效果也很好；③石墨烯/TiO2纳米复合材料，它的电阻约为原来的1/8，用于电的传输时，可以大大的减少电的损耗。

所以，石墨烯/无机物纳米材料相对石墨烯而言，许多性能更加优异。

2、石墨烯/聚合物纳米材料

石墨烯/聚合物纳米材料是石墨烯与聚合物复合的纳米材料，它兼具石墨烯与复合的聚合物的优良特性。如：①改性石墨烯/PMMA纳米复合材料，与PMMA相比，其弹性模量增加30%，硬度增加了5%；②石墨烯/聚苯乙烯(PS)纳米复合材料，它的电逾渗阀值与相同体积比的单壁碳纳米管(SWCNT)相当，而且分别SWCNT/聚酰亚胺和SWCNT/聚对亚苯基乙炔基的2倍到4倍；③石墨烯/泡沫有机硅纳米复合材料，它与未添加石墨烯的泡沫有机硅相比，石墨烯(0.25%)/泡沫有机硅纳米复合材料的起始分解温度提高了16OC，热分解终止温度提高了50OC，而且热降解速率也变慢了。

四、石墨烯纳米材料的理论与实际意义

石墨烯本身作为一种新型碳纳米材料，由于其特殊的结构特性使其在电学、力学、热学、光学等方面具有优异的性能，如量子霍尔效应、量子隧穿效应等。由于具有独特的纳米结构和优异的性能，石墨烯可应用于许多的先进材料与器件中，如薄膜材料、储能材料、液晶材料、机械谐振器等；石墨烯是单层石墨，原料易得，所以价格便宜，不像碳纳米管那样价格昂贵，因此石墨烯有望代替碳纳米管成为聚合物基碳纳米复合材料的优质填料。

石墨烯纳米复合材料是在石墨烯的基础上添加上具有特定性能的聚合物或无机物，使其在某一方面或某几方面具有更加优异的特性。这使得它在很多领域都有广阔的应用前景。石墨烯的优秀特性加上聚合物或无机物而形成的石墨烯纳米复合材料将实现高效、经济、环保等技术追求，这将迎来材料界的新革命。参考文献：

（1）杨常玲,刘云芸,孙彦平.石墨烯的制备及其电化学性能［J］.电源技术 ,202_,34(2):177－180．（2）谢普,于杰,秦军.石墨烯的制备与表征［J］．贵州化工,202_,35(4):20－22．

（3）张好斌,杨勇,卢朝晖.微孔PMAA/石墨烯导电纳米复合材料的制备与结构［C］/ /中国天津202_年全国高分子学术论文报告会．天津,202_．

（4）黄毅,梁嘉杰,张龙.石墨烯功能复合材料的制备及应用［C］/ /中国化学会第 27 届学术年会中日青年化学家论坛．北京:，202_．

（5）杨波，唐建国,刘继宪.石墨烯/苯丙乳液复合导电膜的制备［J］.涂料工业,202_,40(9):5－8．

（6）张晓艳,李浩鹏,崔晓莉.TiO2/石墨烯复合材料的合成及光催化分解水产氢活性［J］．无机化学学报202_,25(11):1903－1907

第三篇：碳纳米材料与技术论文报告-石墨烯电光性质

石墨烯的电光性质

龙

（磁学与超导 上海）

随着对石墨烯的研究的深入，石墨烯经历了艰难的寻找制备手段，到现在的丰富的制备方法，目前比较热门的制备方法有，撕胶带法/轻微摩擦法，最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来；碳化硅表面外延生长，该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶(0001)面上分解出石墨烯片层；金属表面生长，主要是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯；氧化减薄石墨片法，即石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层的减薄石墨片，从而得到单、双层石墨烯，等等。对于研究的性质也有很多方面，比如，原结构，电子性质，这里主要是电子传输；光学性质；自旋传输；异常量子霍尔效应；石墨烯氧化物；化学改性；热性能；机械性能等。当然，石墨烯潜在应用也有很多，作为研究磁光方向的研究生，当然关注的是电子性质和光学性质，下面就主要探讨这两个方面。

关键字：石墨烯，电子性质，光学性质，磁光

1.电子性质

下面我先讨论一下电子性质。石墨烯的性质与大多数常见的三维物质不同，纯石墨烯是一种半金属或零能隙半导体。理解石墨烯的电子结构是研究其能带结构的起始点。科学家根据石墨烯能带结构图，很早就察觉，对于低能量电子，在二维的六角形布里渊区的六个转角附近，能量-动量关系是线性关系：，其中，是能量，是约化普朗克常数，与分别为波矢量的x-轴分量与y-轴分量。

是费米速度，这引至电子和空穴的有效质量（effective mass）都等于零。1,2因为这线性色散关系，电子和空穴在这六点附近的物理行为，好似由狄拉克方程描述的相对论性自旋1/2粒子。2所以，石墨烯的电子和空穴都被称为狄拉克费米子，布里渊区的六个转角被称为“狄拉克点”，又称为“中性点”。在这位置，能量等于零，载子会从空穴变为电子，从电子变为空穴。

电子传输测量结果显示，在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electron mobility），其数值超过15,000 cm2V−1s−1。从测量得到的电导数据的对称性显示，空穴和电子的迁移率应该相等。在10K和100K之间，迁移率与温度几乎无关，3可能是受限于石墨烯内部的缺陷所引发的散射。在室温和载子密度为1012cm−2时，石墨烯的声子散射体造成散射，将迁移率上限约束为200000cm2V−1s−1。与这数值对应的电阻率为10−6Ω·cm，稍小于银的电阻率1.59 ×10−6Ω·cm。在室温，电阻率最低的物质是银。所以，石墨烯是很优良的导体。对于紧贴在氧化硅基板上面的石墨烯而言，与石墨烯自己的声子所造成的散射相比，氧化硅的声子所造成的散射效应比较大，这约束迁移率上限为40000cm2V−1s−1。4

虽然在狄拉克点附近，载子密度为零，石墨烯展示出最小电导率的存在，大约为数量级。造成最小电导率的原因仍旧不清楚。但是，石墨烯片的皱纹或在SiO2基板内部的离子化杂质，可能会引使局域载子群集，因而容许电传导。有些理论建议最小电导率应该为

。但是，大多数实验测量结果为

数量级，而且与杂质浓度有关。在石墨烯内嵌入化学掺杂物可能会对载子迁移率产生影响，做实验可以侦测出影响程度。曾经有人将各种各样的气体分子（有些是施体有些是受体）掺入石墨烯，他们发觉，甚至当化学掺杂物浓度超过1012cm−2时，载子迁移率并没有任何改变。5另一组实验者将钾掺入处于超高真空（ultra high vacuum）、低温的石墨烯，他们发现钾离子的物理行为与理论相符合，迁移率会降低20倍。假若，将石墨烯加热，除去钾掺杂物，则迁移率降低效应是可逆的。

由于石墨烯的二维性质，科学家认为电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子）会发生于石墨烯。因此，石墨烯可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料。2.光学性质

最后我们了解一下石墨烯中的光学性质。根据理论推导，悬浮中的石墨烯会吸收的白光；其中是精细结构常数。一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度（opacity），单层石墨烯的独特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。更令人诧异的是，这不透明度只与精细结构常数有关，而精细结构常数通常只出现于量子电动力学，很少会在材料学领域找到它。由于单层石墨烯不寻常的低能量电子结构，在狄拉克点，电子和空穴的圆锥形能带（conical band）会相遇，因而产生高不透明度结果。实验证实这结果正确无误，石墨烯的不透明度为，与光波波长无关。但是，由于准确度不够高，这方法不能用来决定精细结构常数的度量衡标准。

近来，有实验示范，在室温，通过施加电压于一个双闸极双层石墨烯场效晶体管，石墨烯的能隙可以从0 eV调整至0.25 eV，大约5微米波长。6通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。7 3.总结

石墨烯作为一个新型材料，其独特的二维的六角形型结构，使得石墨烯的电子和空穴都可看做狄拉克费米子，六角处能量等于零，载子从空穴变为电子，从电子变为空穴。另外，由于石墨烯的二维性质，使得石墨烯中很可能发生电荷分数化（低维物质的单独准粒子的表观电荷小于单位量子），这样石墨烯就可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料。单层石墨烯的独特电子性质造成了令人惊异的高不透明度；另外，通过施加外磁场，石墨烯纳米带的光学响应也可以调整至太赫兹频域。石墨烯这些独特的电子性质和光学性质，为我们打开了研究物性和新型材料的大门。

主要参考文献： Wallace, P.R.The Band Theory of Graphite.Physical Review.1947, 71: 622 Semenoff, G.W.Condensed-Matter Simulation of a Three-Dimensional Anomaly.Physical Review 2 Letters.1984, 53: 5449.Novoselov, K.S.et al..Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene.Nature.202_, 438(7065): 197–200 Chen, J.H.et al., Intrinsic and Extrinsic Performance Limits of Graphene Devices on SiO2, Nature Nanotechnology.202_, 3(4): 206 5 Schedin, F.et al..Detection of inpidual gas molecules adsorbed on graphene.Nature Mater.202_, 6(9): 652–655 6 Zhang, Y.et al..Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene.Nature.11 June 202_, 459(7248): 820–823 7 Junfeng Liu, A.R.Wright, Chao Zhang, and Zhongshui Ma.Strong terahertz conductance of graphene nanoribbons under a magnetic field.Appl Phys Lett.29 July 202_, 93: 041106–041110

第四篇：石墨烯

石墨烯的坚韧和导电氧化铝陶瓷

摘要：

一个简单、快捷而且可升级的方法描述生产石墨烯/氧化铝（G / Al2O3）复合材料的放电等离子烧结（SPS）与显著改进单片氧化铝的机械和导电性能。氧化石墨烯（GO）与使用氧化铝混合胶方法获得的GO的优异分散在氧化铝基质中。该物质通过的SPS，允许一步巩固在烧结过程中原位还原GO的。详细的拉曼分析被发现是非常有用的，研究的方向是石墨烯复合和来评估和优化其热还原。石墨烯小片担任弹性桥梁避免裂纹扩展和提供这种材料裂纹桥加固机制。一个非常低的石墨烯负载（0.22％重量），导致氧化铝50％的改善，增加的电导率高达8个数量级的机械性能。

关键词：石墨烯;混杂复合材料;电气性能;机械性能;拉曼光谱

1、简介

先进陶瓷材料有很大的潜力来解决很多与高科技材料相关的挑战与应用，如加工工业，发电，航空航天，交通运输和军事应用。他们大多数都要求向很复杂的形状和高精度的组件发展，这对于高硬度的陶瓷材料特别具有挑战性。此外，煤焦陶瓷材料动低的感画断裂韧性限制他们的应用。不过陶瓷材料的补强导电在第二阶段出现了一个有趣的替代方案用以解决这些缺点。

从制造形状复杂的硬质材料的部件开始放电加工（EDM）可能是一种有效的替代方案，但一定的电导率(>0.3-1Sm-1)是必须的。以前的研究已经表明，如果电阻率低于100厘米，电火花可以成功地应用于机器的陶瓷材料，包括单相陶瓷和陶瓷/陶瓷和金属/陶瓷复合材料。经过尝试发现，增加电陶瓷材料，可以使电导率适合用于电火花加工操作。在这些陶瓷材料中，氧化铝（Al2O3）是技术应用中一个非常有趣的材料。然而，在EDM时，由于拥有绝缘体字符，它需要一些电导率。另外，理想状态下第二阶段的掺入也可能导致机械性能的改善，特别是其断裂韧性。

碳材料和特殊的纳米碳材料，由于其优异的导电性能和高宽比，是非常好的候选材料。碳纳米纤维很有意思是因为它们的高宽比可以使绝缘基质的掺入量相当低。因此，低填料含量依然可以得到导电性复合体同时保持机械性能。同样，碳纳米管（CNT）是加固材料陶瓷基质潜在的大范围的应用材料。碳纳米管已添加不同的陶瓷基质，以改善电气和机械性能。尽管如此，研究人员还是面临着在基质中分散碳纳米管的难度，这也是很常见的限制之一。贝尔蒙特和同事报道过多壁碳纳米管/氮化硅复合材料，这是在第二阶段通过加入5.3wt％的14sm-1的电导率而获得的，足以能够形成在采用EDM技术的纳米复合材料。大部分的工作汇报显示陶瓷碳纳米结构复合材料是一维掺入材料。这些填料的高长度/直径比允许与具有相对低含量的逾渗阈值和等轴填料比较。然而，在最近几年，石墨烯令人印象深刻的性能的出现，引发了研究者们越来越多的兴趣。此外，该二维（2D）石墨烯的性质可有助于改善大范围材料的电性能和机械性能，如无机纳米复合材料，聚合物复合材料，有机晶体和生物材料，因为这些材料在碳纳米管相阶层和碳纳米管两者之间有较大的接触。在过去几年中的石墨烯被用于改善陶瓷材料的电气和机械性能。这些公布的报告在第二阶段大多数减少了氧化石墨烯的使用。这些程序的主要缺点是：在碳纳米管的情况下倾向于创建聚集体而导致在基质内的差分散性。

有关于石墨烯/氧化铝复合材料的第一份报告发表于202_年，其中有5％的碳是在室温条件下通过铣削氧化铝和石墨加入到氧化铝基乙醇中。在此过程中，石墨有望脱层。研磨过程的显微结构后复合材料进行了分析和晶粒尺寸被发现是比原料氧化铝的小。一年后，一个现代石墨烯/氧化铝复合材料被一位作者描述。在这种情况下，膨胀石墨作为原料材料并将沿着氧化铝生长达30小时。一旦研磨完成后，SPS被用于制备体积材料。电导率被认为是5709S-1用于与15wt％的石墨烯容量，这是Wang等人在202_年发表了另一个关于例子石墨烯/铝复合材料的例子。在这种情况下，石墨烯氧化物（GO）的分散液加入到氧化铝/水分散体和混合物减少了一水合肼。结果荷兰国际集团的粉末由SPS以产生本体压材料。结果发现，与石墨烯的2％（重量）的氧化铝复合物的结合，断裂韧性增加至5.21兆帕米，比纯的高出53％氧化铝可获得高达172Sm-1导电性的改善。最近，川崎等人的一项战略报告，以合成GO/Al2O3催化剂混合使用的两种滴定方法。SPS烧结后得到的GO/Al2O3复合材料具有103Sm-1导电性了2.35％（体积）的石墨烯浓度。在一个最近出版的刘等人的石墨烯/铝复合材料与石墨烯不同机械性能内容进行了评价。他们报道了增量在抗弯强度30.75％考虑到氧化铝作为参考材料。刘等人获得了关于韧性值的结果，他们采用单边V缺口梁方法发现的4.49兆帕米的最大值为2wt％石墨烯复合材料。

此处我们报告一个一步法和容易向上可扩展的方法来生产放电等离子烧结石墨烯/铝复合材料。两种组分的均匀混合物允许获得的导电性有很大提高和机械性能通过加入极低量的石墨烯（0.22wt％）。一个完整的拉曼光谱研究进行评估和优化石墨烯和减少SPS热，首次在这些类型的材料中分析复合材料内的石墨烯取向。通过场发射扫描电子显微镜研究氧化铝和氧化铝/石墨烯的裂纹扩展、对复合材料进行比较和氧化铝基质中的石墨烯的小片加固机制。

2、材料特性与表征方法 2.1复合制剂。

用胶体方法来制备GO/Al2O3粉末。将40克氧化铝泰美TMDAR粉（150nm）分别加入到100毫升水中，其中通过加入NH4OH将pH值预先固定至10。连续搅拌30分钟使氧化铝分散。一般石墨烯氧化物是由Hummers改性理论合成.所得单层的GO薄片可以在图中观察到。水悬浮GO的三种不同含量（1、2、3g/L）时，逐渐加入40克的氧化铝悬浮液在机械搅拌下和将pH值保持在10后多相凝结的过程中，除去上清液通过离心将所得的GO/Al2O3的浆料进行冷冻、干燥，将得到的粉末引入到20毫米的真空放电等离子烧结石墨模具和烧结到1300年和1500◦C在100◦C每分钟,80兆帕的加热速率和1分钟在最高温度的保持时间。高温计已使用期间控制温度加热过程。样品烧结过程中所述SPS炉如图所示.三个盘的直径为20毫米5毫米高度烧结每个石墨烯组合物,标记为n-G/Al2O3.作为参考材料，一整块使用相同的条件烧结的氧化铝复合材料。该复合材料进行粉碎，研磨 并以量化的实际重量百分比的筛分小于63微米石墨烯在1200摄氏度下在空气中通过热重分析，该复合材料发现有下列的石墨烯含量：0.16，0.22和0.45wt％，被分别标记为1-G/Al2O3，2-G/ Al2O3，3-G/ Al2O3催化剂。2.2 复合材料的表征

复合材料的密度的测量采用阿基米德原理。理论密度算出由假设混合物

在烧结单片氧化铝2.2gcm-3的石墨密度和3.96gcm-3的氧化铝已由氦比重测得。和石墨烯/ Al2O3复合材料切成规则为3mm×4mm×18mm尺寸长方形棒用于抗折强度测量（ASTM C1161-02c）。试样条沿着两个方向考虑如何被切断复合材料的制备：垂直和平行于SPS压力施加方向，如图所示。制备3mm×4mm×18mm预裂纹均为了确定断裂韧性（ASTM C1421-10）。试验是在室温下实施，使用十字头为0.002mm-1位移速度的万能试验机（Model8562）。的材料的硬度采用压痕技术与常规的金刚石棱锥压头。每个压痕的对角线进行成像使用光学显微镜。三十对角线进行了测试各组成。下述测定条件为用于维氏硬度（Hv）试验：所施加的载荷2N10S以下的标准规范ASTME92-72。电导率也沿两个方向测量。测试两个样品电阻(3mm×4mm×18mm)使用万用表用银膏接触各组合物从而计算电阻率。

压痕强度测试采用棱柱进行杆，20毫米直径的SPS磁盘机加工。该中心拉伸的面孔被缩进了维氏金刚石在接触载荷，P，9.8和490 N之间的测试进行在室温下使用万能试验机（英斯特朗E10000）。标本被装失败了三点弯曲试验和1毫米/分钟的十字头速度（ISO6872：202_）。作出特别努力来检查所有利用反射光光学显微镜检测标本后，（徕卡，DMR模式），以验证该压痕接触部位充当故障的来源。

R-曲线事由Braun等人采用压痕强度方法得到。此方法是基于形成通过压痕从负载P.产生的径向裂纹C.压痕之后此裂纹经受拉伸应力σa由于在弯曲试验期间施加的应力负荷。这枚测试运行过程中，裂纹发生共应力强度Kt，这是由残余应力强度Ka的总贡献因素作用于压痕裂纹的卸载氪和从所施加的应力而产生的应力强度因子，.ψ是材料常数无关但依赖于裂缝形状，ξ是一个无量纲几何常数 与压头的几何形状和缩进材料的泊松比相关。E是杨氏模量，H是维氏硬度和KR是材料的韧性，并依赖在相关增韧机理和发展裂纹生长期间的处理区。

抛光的微观结构表征（司特尔，型号RotoPol-31）与钻石1微米粗糙度并且热蚀刻（1120◦C，5分钟真空气氛）石墨烯/氧化铝复合材料是由扫描电子显微镜（SEM，FEI广达250 FEG）进行。拉曼光谱分别记录了WITec共焦显微拉曼使用一个532纳米激发激光。截至20光谱沿记录抛光整个复合材料的厚度。

3、结果与讨论

一个众所周知的问题是石墨烯氧化物被直接用作在亲水基质的第二阶段由于其疏水性质是形成聚集体的倾向。因此，碳填料聚集保持为主要原因，对于缺乏均匀性造成的材料性能产生不利的影响。在这种情况下，所得到的浆液的GO/Al2O3的制备如在实验描述的部分中表现出非常良好的分散性，由于这一事实，即两个组件具有极性表面在它们之间有利于静电相互作用。此外，存在的官能团在氧化石墨烯表面可以实现良好的互动与氧化铝表面导致一个更好的分散既GO/Al2O3的组分。浆液被冷冻干燥并将得到的粉末通过SPS处理。所有的复合材料呈完全致密结构（99％TD）以及它们由粗糙的地区的抛光表面，因为它可以分离显示平板领域如图所示。拉曼分析证实亮区和暗区分别相当于氧化铝和石墨烯富集区域。不同的表面形貌可以根据所分析的取向观察：平行或垂直于SPS（图所施加的压力的方向.图2b和c分别）。相同的抛光协议是在使用两个方向。3.1。拉曼光谱

为了评价热还原的石墨烯氧化物的复合，拉曼光谱被认为是一种非常有用的技术.图3a示出了对应的拉曼光谱烧结通过SPS前GO/ Al2O3催化剂粉末。该阶的拉曼光谱表明没有得到很好的解决，D和G频段二阶区可以忽略不计。这些拉曼特性是典型GO的由于阶低程度和SP1、SP2和SP3的杂交结构的组合。达到1300℃的氧化铝通过SPS完全致密化。然而，它通常被观察到，复合材料没有达到完全致密化在该温度下。氧化铝在单片的情况下，增加烧结温度促进晶粒生长，因此对机械性能的改善导致纳米结构的损失。然而，在复合材料的情况下，第二相的存在阻碍了氧化铝晶粒生长。烧结温度1300℃和1500℃之间变化，以评价复合致密化和GO热还原上的影响。由于材料暴露于高温下的GO在热还原开始发生。热还原是一个复杂的过程涉及去除插层H 2 O分子和氧化物基团，形成缺陷，晶格收缩，折叠和展开层和堆垛。此外，该蜂窝状六边形格子被领先回收到一定程度的为更有序材料，这反映在拉曼光谱中。当材料被烧结在1300℃，则D和G峰削尖比较因热退火的效果与原料（图3a）和2D峰出现在~2700cm-1。在1500℃（图3c），强度D带，分配给石墨结构缺陷的特性增加了，而G带减小了。此外，在~2700cm-1很好地解决二维对称的峰值出现。向上20进行测量已经通过了全复合材料的厚度，以证明该热还原发生均匀。结果表明，该热减少（包括大SP2地区的恢复）的氧化石墨烯在1500℃是在SPS烧结过程中的青睐。观察到即使在GO加热仅1分钟最高温度，注意到这降低处理是重要的。此外，拉曼光谱被用来研究在复合材料中的石墨烯的取向。即使拉曼光谱被广泛用于心血管疾病的表征石墨烯片，首先如我们所知，它已被用于研究石墨烯在G / Al2O3复合中的取向。图4显示显着不同的峰值在分析定位强度依赖于所收集的拉曼光谱，指出了该复合材料各向异性结构，在该复合体中的石墨烯的一个择优取向的结果。当在执行分析时拉曼信号的强度是显著降低的，表面垂直于SPS施加的压力的方向（图4a），而强度信号是在更高平行表面（图4b）。以确定拉曼参数得到进一步的深入了解（表1）。典型地D和G峰之间的比值可以用于量化缺陷（障碍）。更高ID / IG比值在取向垂直获得的在SPS施加（1.13 VS 0.83）压力的方向，表示存在较高量的缺陷，连同一个更广泛的FWHM（G）的（全宽度半最大值）（67 VS58cm-1）。该FWHM（G）的值表示的几个石墨烯层通过对石墨的堆叠。它是以前的拉曼分析

确立该边缘面的ID / IG比强度大于所述基底面中的一个，我们可以得出这样的结论：石墨烯基面的择优取向垂直在SPS施加的压力的方向，如图所示。由于这种取向的结果，该百分比石墨烯表面暴露于拉曼测量的是在平行于压力的方向相当高，在SPS施加方向（石墨烯基底面），从而导致一个更高的拉曼强度（图4b）;而在垂直取向，涉及到石墨烯平面的边缘，测量的暴石露于墨烯表面该百分比相当低。

3.2 电导率

作为还原方法，非导电性石墨烯的结果氧化物转化为导电材料。加入甚至非常少量的石墨烯的进氧化铝基质导致导电复合在两个方向上，平行和垂直于中施加的压力的方向SPS于表2所示的如可以预期的，由于复合材料的各向异性的结构，导电性的行为沿这两个方向不同，由于取向石墨烯纳米片。该复合材料显示出较低的电电阻垂直于所施加的压力的方向，在SPS轴由通过链接形成的连续网络接触的石墨烯基面的边缘将作为制备复合材料的渗滤阈值，被发现是0.22wt％左右，由指数表示的电导率比单片氧化铝中增加相高达8个数量级（表2）。电导率还增加时，石墨烯的含量高于逾渗阈值（参见电阻值3-G / Al2O3复合）。这可以通过以下事实来解释：石墨烯含量增大时，有增加的原理图间的连接，导致这种传导的改善沿a-b石墨烯平面（取向垂直在SPS所施加的压力的方向）。此行为是一个相比于碳纳米管使用石墨烯的优点。在碳纳米管的情况下，当超过渗透极限有一种倾向，以形成具有小贡献团块到电导率。此外，虽然CNT之间连接是点对点的触摸类型导致高电阻，石墨烯是连接一个2D材料由区面积触摸式导致的概率增加彼此接触，并且作为结果观察低级电阻率。

3.3 机械性能

单片氧化铝和三种复合材料表现出烧结高达1500℃完全致密化（99％t.d）1分钟后。SEM观察显示，曾有过一个抑制在氧化铝晶粒生长因的存在石墨烯（图5）。原料氧化铝具有150nm的粒度在1500℃烧结之后增加至4nm（如报道别处对于相同的氧化铝和SPS 循环）。然而，该石墨烯存在时抑制了氧化铝晶粒长大，以平均晶粒尺寸小于1nm。然而，观察到高度均匀的Al2O3晶粒尺寸分布作为石墨烯分散体复合材料良好的结果。

在实现氧化铝和三G /Al2O3复合材料的断裂强度和整体的维氏硬度，最后具有一个分别为0.16，0.22和0.45wt％的石墨烯的含量，分别被确定如图6。复合材料的维氏硬度所述的一个是非常相似的氧化铝单片，其特点是具有高的硬度。因此，石墨烯相的良好分散避免了恶化这个非常重要的属性。而且，加入石墨烯带来的断裂强度的重要的增加。因此，50〜80％的氧化铝强度的改进是通过加入不同量的石墨烯得到的。该最好的结果是用低的石墨烯的量，其中得到陶瓷晶粒生长被抑制非常有效，因此最小化石墨烯聚合。

2-G / Al2O3复合物选择用于测量所述断裂韧性沿两个方向平行和垂直于SPS施加的压力的方向。结果表明一个石墨烯桥接作用对在平行测定的断裂韧性比较单片氧化铝时方向发生导致将近50％改进（5.1vs 3.4兆帕米+ 0.5）。在的垂直断裂韧性3.2兆帕米+ 0.5，它类似于该氧化铝2-G / Al2O3得到的值（3.4兆帕米+ 0.5）。由于存在石墨烯的二维小片在平行的方向上的裂纹进展在SPS加的压力方向被阻止。然而，在垂直方向，裂纹可沿氧化铝传播晶界中的相同方式，在单片氧化铝

在单片氧化铝： 其中，A是一个常数，取决于韧性。这个等式是唯一有效的，当压痕引起的裂缝都较大比固有的缺陷，并假定为一恒定值它被表示在图的韧性。然而，当与裂纹的断裂韧性增加延伸（即R曲线行为），该机械阻力值的增加压痕载荷和较不敏感的实验数据不适合公式。

线性回归用于计算两个而获得的数据的最佳拟合，所述单片和复合材料。对于所获得的结果的氧化铝和G / Al2O3材料的斜率值分别为0.18和0.13。首先，应当注意的是，掺入增强相（石墨烯），以该氧化铝上具有的机械强度几乎没有影响，如果在材料的最佳烧结温度相比较，因为它是示于（1300℃为Al2O3和1500℃ 2-G / Al2O3）。该氧化铝的机械强度值是分别590和630兆帕和2-G / Al2O3。复合石墨烯的机械强度是含有类似于单片的氧化铝由于以下事实的小粒径埋置相不超过的临界缺陷尺寸单片材料。此外，差异开始出现缩进加载高于9.8 N高于此值时，复合材料总是具有比的氧化铝更高的机械强度，作为结果为高容限增强材料的损伤。在G /氧化铝材料保留的断裂强度~185兆帕为压痕载荷而对于具有相同缩进氧化铝的价值负荷下降到155兆帕，低了近20％。~490 N，结论，该复合材料的断裂强度下降迅速用压痕负载比单片氧化铝少，它揭示了一种R-曲线在增强材料的存在。

该σf vs.P的数据随后被用来解卷积对R-曲线两种材料，根据Braun等人压痕强度K-场分析说明。以前为ξ参数的值，对于这两种材料从文献已经获得在这项工作中的值。此参数被发现是0.016的任何材料经受体积保变形（如本研究）。在ψ参数的情况下，为单片氧化铝值已经从先前的报告中获得。对于G / Al2O3的复合材料，没有在文献和报道中发现。计算形状系数ψ意味着测量裂纹深度的比率以裂纹半长C表面裂纹其中猜测的评价椭圆裂纹的几何形状。为了一个缺口经过一滴饱和醋酸铅进行溶液沉积在复合材料的表面上。在

压痕，醋酸铅渗入印刷裂缝面孔随后，干燥和断裂试验后，它们可以通过扫描电子显微镜被观察到的。该ψ系数计算从纽曼和Raju的分析和暗示样品厚度t，参数椭圆的角度的测量θ，裂纹深度a和裂纹长度C。最后三个值表示如表所示。

所得的R-曲线已被标绘在图9，他们清楚地显示其G / Al2O3复合相比于单块的Al2O3的较高的抗断裂性。然而，对于氧化铝的最初的抗断裂性大约为3.6 MPa m，这个值仅上升到4.4 MPa m示出一种非常柔软的R曲线行为，它可以由裂纹桥接而引起陶瓷晶粒之间。在这种情况下，这是唯一的机制有助于该材料加固。对于复合材料，在短期的初始断裂韧性裂区域（<100微米）为约4.4 MPa m，其是比在单片材料略高。这表明在短期裂纹区域的石墨烯颗粒开始互动与裂纹萌生的增长。此外，当裂缝传播，有在R-曲线有显着的增加，因为在这种长裂纹区域，石墨烯纳米片有更多的互动与裂纹扩展提供不同的机制增强的断裂韧性。石墨烯纳米片躺在尖端行为背后的裂纹平面韧带桥两个裂纹的表面，它提供了一个稳定的裂纹增长直到稳态韧性约为7 MPa m。

显微裂纹的相互作用进行了调查由维氏压头推出了抛光表面上的裂缝，在对破解路径196 N.SEM观察负荷显示相应的加固机制发生a和b清楚地表明在石墨烯片晶演变作为弹性桥梁避免裂纹扩展，提供了随着裂缝桥接增强机制的材料。所述石墨烯片的高宽比，相比于碳纳米纤维提供了更大的表面积与接触陶瓷基体这导致增加的粘附表面，改善锚定到裂缝的两侧。而且，偏转尖变钝的裂纹也可被观察到。所有这些强化机制向能量耗散关联的裂纹扩展阻止其生长或者创建，以释放一个更曲折的路径应力。因此认为这些机制由于石墨烯片晶的掺入具有比在单块陶瓷材料的影响更大。

4、结论

一种生产石墨烯/氧化铝复合材料具有良好的机械性能和高电导率，并且具有非常低的石墨烯含量的新的一步法已被找到。石墨和氧化铝的胶体加工路线粉末允许准备两种成分的均匀混合物。

一种15 Ω cm极低电阻率，8个数量级比该氧化铝原料的低级（109Ω cm）已经完成通过加入一个非常低的石墨烯装载（0.22wt％）。石墨烯的存在提高了原料氧化铝的近50％机械性能，特别是明显的改善断裂韧性。裂纹桥接被认为是主要的加固机制。该石墨烯/铝复合材料的R曲线的变化是确定的。拉曼光谱已经在第一时间被用于详细研究，我们所知石墨在石墨烯/氧化铝复合材料的取向，并评价和优化在原地石墨烯SPS热还原法。

在复合材料制造过程中，材料的烧结和GO热还原同时发生，导致这些类型的材料处理时间显著减少。很明显的是，这种简单的方法可以很容易扩大规模，另外，实施于其它陶瓷材料。

从这些结果可以得出结论，石墨烯具有巨大的潜力，不仅为客户提供了新的导电功能氧化铝，但也提高了机械特性如在非常小的负荷下的硬度和断裂强度。

第五篇：碳石墨行业状况

21世纪被称为“碳世纪”，碳素材料素有“黑金子”的美称。目前已经形成规模应用的碳素新材料主要有各种特种石墨、碳纤维、碳/碳复合材料等，而更高端的石墨烯和碳纳米材料已经处于突破阶段。碳素新材料广泛用于航空航天、核能、风能、硬质材料制造等行业。9月7日，工信部在哈尔滨第一届国际新材料博览会上解读了即将公布的《新材料“十二五”规划》，其中将实现碳纤维、先进储能材料(将带动特种石墨核石墨负极材料)等的产业化、规模化。中国的“黑金子”绽放正当时。

特种石墨国产市场前景广阔

特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度石墨制品，在电子、航天、军工、核电、冶金等众多领域都有十分重要的应用。在光伏、模具加工和核电等下游行业快速发展的背景下，“十二五”期间我国特种石墨产量将大幅增长，复合增长率有望达到35%。预计202_年我国各类特种石墨自给率将从目前的20%左右提升至45%。

“黑金子”之王—碳纤维

碳纤维被广泛应用于飞机制造、风力发电叶片、海洋钻探、汽车构件、体育器材、医疗器械、建筑补强材料等行业，被誉为21世纪的“新材料之王”。碳纤维作为战略性新兴产业中的一种重要产品，正受到越来越多人的关注。202_年PAN基碳纤维的全球需求量约5万吨，预计到202_年将超过7.5万吨，到202_年需求量将达到11万吨。目前国内碳纤维总产能为4000吨/年，而实际产量不足202_吨，自给率不足20%，进口替代市场空间巨大。

重点上市公司

关注碳素行业龙头企业，中钢吉碳(000928)、博云新材(002297)等；其他相关上市公司黑猫股份(002068)、*ST东碳(600691)等。

公司

股本(亿股)市值(亿元)2011EPS 2012EPS

中钢吉碳(000928)

2.83

39.61

0.03

0.09

博云新材(002297)

2.14

37.19

0.20

0.31

1.中国的“碳世纪”在临近

9月7日，工信部在哈尔滨第一届国际新材料博览会上解读了即将公布的《新材料“十二五”规划》，中国将利用资源优势大力发展新材料产业，至202_年将形成2万亿产值的新材料产业体系，年均增长率超过25%，新材料产品综合保障能力提高到70%，关键新材料保障能力达50%。“十二五”期间还将组织实施十大重点工程，实现碳纤维、先进储能材料(将带动特种石墨、核石墨负极材料)、半导体材料等的产业化、规模化。

(新兴产业对碳纤维需求潜力巨大图)新材料之碳素行业投资策略

按照有关规划设想，“十二五”期间，我国将以碳碳复合材料为重点，积极开发新型超大规格、特殊结构材料的一体化制备工艺，推进高性能复合材料低成本化、高端品种产业化和应用技术装备自主化。此外，还将提升高性能增强纤维规模化制备水平，积极开展高强、高模等系列碳纤维开发和产业化，加快推广高性能复合材料在航空航天、风电设备、汽车制造、轨道交通等领域的应用。

1.1碳素材料用途广泛

碳和石墨材料统称为碳素材料，是以碳元素为主的非金属固体材料。碳素材料的理化性能和机械性能在很多特殊条件下优于金属材料和高分子材料，具有良好的导电性能、热稳定性、化学稳定性，较高的耐腐蚀性，高温状态下的高强度、自润滑性等。碳素材料及制品广泛应用于冶金、航空航天、电子、能源、环保等领域。

碳素材料的应用领域广泛

石墨制品：电炉炼钢、刚玉冶炼和黄磷生产用石墨电极、石墨电碳材料等。按通载电流能力可分为普通功率、高功率、超高功率石墨电极。

碳制品：炼铁高炉用碳砖、铝电解槽用阴极碳砖、大型矿热炉用内衬材料、碳电极、碳糊类制品等。

特种碳素材料：航空航天、光伏、核能、电子、医疗、建筑、节能环保等领域，以及作为特殊环境下的结构材料、功能材料。包括特种石墨制品、碳纤维、碳/碳复合材料、碳纳米材料等。

碳素材料一般分为石墨制品类、碳制品类和特种碳素材料三大类，前两者统称为传统碳素材料；后者称为碳素新材料，是未来发展的趋势，用途极为广泛，有着广阔的市场前景。

(碳素材料分类图)新材料之碳素行业投资策略

1.2传统碳素材料产品升级在加快

传统碳素材料主要应用在炼钢和金属冶炼行业中，80%的石墨电极作为电炉炼钢导电材料；碳砖主要用作炼铁高炉炉底、炉缸和冶金矿热炉内衬材料、电解铝用阴极材料等。

我国碳素行业多年的高速发展已经成为全球最大的石墨电极产销国。碳素制品企业已超过400家，但其中工序配套、可以批量规模生产的企业只有50多家，较国外技术仍有一定差距，尤其是大规格石墨电极上仍差距很大，日本已经达到1000mm以上，我国量产的不超过800mm。

传统碳素材料的应用分布：钢铁行业75%，铝、硅、铁合金等冶炼15%，其他10%。

(石墨电极生产工艺流程图)新材料之碳素行业投资策略

随着我国冶金产业结构的优化升级，被列入落后生产装备的小电炉逐步退出，高功率和超高功率电炉迅速发展，普通功率中小规格石墨电极市场需求大大萎缩，产品严重过剩，高功率石墨电极供需基本平衡，超高功率大规格石墨电极需求量逐年递增。

202_年石墨电极产量达61.13万吨，而国内消耗量42万吨，出口19.1万吨。202_年1-7月出口石墨电极达到15万吨，占国内石墨电极产量的38.96%。其中超高功率石墨电极产量为12.65万吨，同比增加18.96%，占总产量的32.85%。高功率石墨电极产量为14.45万吨，同比增加1.22%。普通功率石墨电极11.40万吨，同比增加14.48%。产品升级在加快。

1.3碳素新材料前景广阔

碳素新材料是指用于高技术领域的碳和石墨材料，主要用于航空、航天、核能、风能、硬质材料制造、电子、医疗、建筑、环保等行业。21世纪被称为“碳世纪”，就是基于碳材料的优质性能，目前已经形成规模应用的碳素新材料主要有各种特种石墨、碳纤维、碳/碳复合材料等，而更高端的石墨烯和碳纳米材料已经处于突破阶段。

特种石墨被广泛用于光伏行业中的单晶硅/多晶硅炉的加热系统、也作为电火花加工用电极材料、航空航天火箭喷嘴内衬材料，以及高温气冷堆用核电堆芯结构材料等。碳纤维是战斗机、大型客机的重要复合材料、是风能发电叶片的重要材料，也是民用体育休闲产品如网球拍、高尔夫球杆、钓鱼竿等的材料。

2.传统碳素产业面临挑战

2.1产能过剩与结构不合理

石墨电极消耗主要随电炉钢、工业硅、磨料、黄磷等产量增加而增加。作为消耗品，石墨电极占特种钢的成本3%-4%，随着炼钢技术的不断进步，吨钢石墨电极的消耗量在逐渐下降，石墨电极的总需求面临严峻考验。而且，电炉炼钢向大型化、超高功率、直流化方向发展，石墨电极的质量也不断提高。

目前美国UCAR、日本东海、昭和电工等石墨电极企业主导产品都为超高功率电极，其中80%左右为500mm以上大规格超高功率电极。而我国超高功率产品占比仅不足30%，与发达国家相比差距较大。使用超高功率和高功率电炉炼钢，要比使用普通功率电炉炼钢节电10%～50%，缩短冶炼时间30%左右，节约单位成本总计10%以上。不过由于我国电炉炼钢的比例还比较低，仅16%左右，与国外发达国家50%以上的比值还有很大差距，提高电炉炼钢的比重将对石墨电极的需求保持稳定增长。

2.2原料受制于人

生产石墨电极的关键原料是针状焦，采用针状焦制成的超高功率电极炼钢，能有效降低炼钢成本。目前，针状焦生产技术主要被美国、日本等少数国家垄断，我国针状焦产品长期以来依赖进口。针状焦受国外技术垄断，使得其进口价格维持高位。目前针状石油焦等原材料的技术难题已取得了重大突破，但一些关键指标与国外相比还有一定差距。

每年进口的针状焦(包括油系和煤系)约10万吨，占总需求量得近25%。

2.3钢铁行业结构调整带来机遇

发达国家电炉钢比例已超过50%，我国电炉炼钢的比重只有16%。近年来，国内外电炉炼钢厂纷纷新建和改建大容量和大功率电炉，对直径550～700mm的大规格超高功率石墨电极的需求增加。国产大规格超高功率石墨电极不能满足需求，多数厂家以使用进口电极为主。根据《钢铁产业调整和振兴规划》和“控制总量、淘汰

落后”的要求，预计到202_年，我国钢铁行业的电炉钢比将提高至18%～20%之间，电炉钢特别是大吨位电炉钢生产急需大规格超高功率石墨电极。大规格石墨电极的需求将给长期致力于此类产品研制的企业带来发展空间。

3.特种石墨国产化突破在即

3.1特种石墨的分类和应用

(特种石墨的生产工艺流程图)新材料之碳素行业投资策略

特种石墨主要指高强度、高密度、高纯度石墨制品(简称“三高”石墨)，广泛应用在半导体、太阳能光伏、核电高温气冷堆材料、模具、粉末冶金、真空热处理等领域。

表：特种石墨的分类及其性能

特种石墨品种

主要特性/典型用途

直拉单晶硅炉用高纯石墨：纯度高；结构致密、机械强度高；导热系数较高；线膨胀系数较低；耐高温、抗氧化/直拉单晶炉的加热系统

电火花加工用石墨：结构致密、组织均匀；机械强度高；良好的导热和导电性；良好的电加工性/电火花加工用电极材料

人造金刚石用石墨：纯度高；石墨化度较高；晶粒尺寸大且晶形完整；结构致密，具有一定的机械强度/合成人造金刚石的碳源

模具、连铸石墨：适宜的电阻率；优良的耐氧化性和耐高温性；致密的组织结构、较高的机械强度；导热性高/超硬制品、烧结模具材料、铜、铝、铁及其合金等连铸机用结晶器

光纤用石墨：纯度高；结构致密、机械强度高；导热系数较高；线膨胀系数较低；耐高温、抗氧化/光纤预制棒的制备设备材料、光纤拉丝装置的加热系统

其他特种石墨：核石墨：良好的核性能纯度高；高温机械强度高；热稳定性好。火箭喷嘴内衬材料：耐高温高性好；抗热震性好；高温机械强度高/高温气冷堆用堆芯结构材料、火箭喷嘴内衬材料

按用途分类有电火花加工用特种石墨；铸造模具用特种石墨；钢铁或铜、铝连铸用特种石墨；直拉单晶硅炉用或冶炼贵金属、高纯材料用高纯石墨；合成人造金刚石用石墨；火箭、导弹技术用特种石墨；高温气冷堆用堆芯结构用核石墨。

高纯石墨(光伏)37.31%；机械行业用特种碳材料14.93%；电火花加工用特种石墨14.93%；各种精密石墨模具、连铸石墨26.12%；人造金刚石等特种石墨6.72%。

3.2国产化进程为特种石墨提供广阔空间

当前我国特种石墨市场处于严重的供给不足状态，国内202_年总产能不足2万吨，实际产量约为9600吨，而需求量却超过5万吨，自给率约为20%。尤其是高质量的特种石墨(等静压)几乎都要进口，其中约80%来自日本，20%来自欧美。

“十一五”以来我国加大了对特种石墨的扶持力度，国内碳素企业加大产品升级和转型，纷纷建设特种石墨生产线。“十二五”期间我国特种石墨产量将大幅增长，复合增长率有望达到35%。预计202_年我国各类特种石墨产量将达到4.4万吨左右，自给率有望提升至45%。

当前我国特种石墨产能分布：新成特碳39%；方大碳素22%；兴和永兴16%；中钢吉碳7%；唐山金湾4%；其他12%。

特种石墨需求量相对较大的依次是光伏太阳能、电火花及模具加工、核能等。等静压工艺生产出来的特种石墨又称等静压石墨，是目前最成熟也是最先进的生产工艺。我国目前等静压石墨的供给严重不足，202_年的自给率仅有约25%。

表：国内等静压特种石墨供给替代空间巨大

需求量(吨)

202_ 202_ 202_ 202_

2010E

太阳能光伏用石墨

4000 5250 6500 7600

8000

电火花加工用石墨

202_ 2380 2750 3245

3500

金属连铸用石墨

500

570

630

690

750

光纤用石墨

120

150

150

烧结模具石墨

真空热处理用石墨

125

150

180

200

块孔氏热交换器用石墨1000 1250 1500 1750

202_

高温气冷堆用石墨

1000

机械密封用石墨

军工用石墨

160

170

180

190

200

需求合计

8000 10000 12000 14000 16000

供给量(吨)

国内生产量

1000 1500 202_ 3000

4000

进口量

7000

8500 10000 11000 12000

国内占比

12.50% 15.00% 16.67% 21.43% 25.00%

进口占比

87.50% 85.00% 83.33% 78.57% 75.00%

3.2.1中国光伏产业催生特种石墨需求高速增长

21世纪以来全球光伏产业高速发展，202_年全球太阳能装机容量仅有1.4GW，而202_年增加至40GW，10年间的复合增长率高达40%。中国近期核定光伏固定上网电价，标志我国光伏产业投资大幕拉开，未来几年我国光伏产业将大幅增长。202_年我国光伏装机容量仅有893MW，仅占全球市场的2.2%。预计202_年我国光伏装机容量将达到10GW，202_年将达到50GW，未来10年间我国将成为全球光伏产业增长最快的国家。

多晶硅的需求主要来自于半导体和太阳能电池，其中，太阳能级多晶硅占需求量的约60%，预计未来5年多晶硅产量将有20%以上的复合增长率。单晶硅是通过多晶硅直拉法拉制而成，单晶硅主要应用在电子行业中的半导体元件，是电子产业中最基础的材料之一，预计增长速度也将保持在两位数之上。“十二五”期间多晶硅和单晶硅的快速扩张将大幅增加特种石墨的需求量。

3.2.2电火花加工对特种石墨的需求稳定增长

电火花加工的主要优势在于能适合于难切削材料的加工，工具电极与工件不接触，两者间作用力很小，适用于加工特殊及复杂形状的零件。在电火花加工工艺中，作为阳极的工具电极可以使用铜质材料，也可使用石墨材料。石墨电极与铜电极相比具有比铜轻，密度只有铜的20%；易加工；切削加工不易产生应力及热变形；熔点在3000℃以上时热膨胀系数小。

在特种石墨的需求结构中，电火花加工占比中约为15%，是需求量最大的下游之一，202_年电火花加工消耗特种石墨量约为8225吨。电火花加工石墨产品中使用高档石墨约为25%，使用中低档石墨约占75%。十一五期间我国机械行业快速发展，机床生产、金属切削和加工工具行业保持20%以上的平均增长速度，“十二五”期间我国的金属加工处理和切削工业的仍能保持快速增长，对特种石墨的需求量将保持12%-15%的年增长幅度上升。

3.2.3核安全加快石墨材料在核电中的应用

日本福岛核事故引发核电危机，核安全成为未来核电发展的关键因素。欧洲一些国家放缓或停止了核电站的建设，德国甚至宣布202_年关闭核电站，我国也在重新审视核电发展的规划。但从长期看，核电依然是发电效率最高、最有前途的发电机组，我国大力发展核电的长期规划没有改变。在核电建设中，核安全是首位。高温气冷堆是国际核能界公认的目前安全性最高的新型核反应堆，是未来核电装置的发展趋势。

石墨是中子的慢化剂和优良的反射剂，其自身的有多优良特性确立了它在核工业领域中关键材料之一。在高温气冷堆中，碳材料是不可缺少的减速材料、反射材料和结构材料。高温气冷堆需要大量的高级石墨材料，可以说没有核石墨材料就无法建成高温气冷堆。在高温气冷堆中由于用氦气作为冷却剂，用碳素及陶瓷材料作为燃料的包覆材料，用石墨或碳质材料作为减速材料和炉芯结构材料，可以把接近1000℃的高温气体导出反应堆外作为能源使用。国际上已经建立了多座开发研究用高温气冷堆。此外，核石墨可以用来制作热结构件，各向同性碳石墨材料用于制作石墨球、堆芯材料、电极等核石墨制品。

按照现有的核电发展规划，我国202_年将建设8600万千瓦的核电装机容量，而202_年装机容量仅有不到1000万千瓦，意味着未来10年我国核电装机年复合增长率高达25%。

3.2.4其他需求：模具、连铸和人造金刚石石墨增长潜力不容忽视

中国用于制造模具和连铸的石墨数量较大，石墨模具和连铸用各类石墨占总需求量约26%。机械工业中的铸造行业大量使用石墨材料作为加压铸造、离心铸造、超硬合金的热挤压等加工模具。生产大规格的纯铜、青铜、黄铜等主要采用连铸的方法，其中对产品质量起着至关重要影响的结晶器就是用等静压石墨材料制成的。由于等静压石墨在热传导、热稳定、自润滑、抗浸润及化学惰性等方面具有良好的性能，使之成为制作结晶器不可替代的材料。

等静压石墨还用于制作金刚石工具和硬质合金的烧结模具，光纤拉丝机的热场部件(加热器、保温筒等)，真空热处理炉的热场部件(加热器、承载框等)，以及精密石墨热交换器、机械密封部件、活塞环、轴承、火箭喷嘴等。

4.碳纤维十二五新材料规划的宠儿

4.1碳纤维被誉为“新材料之王”

碳纤维是指含碳量在90%以上的无机高分子纤维材料，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特别是在202_℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯一强度不下降的物质；力学性能优异，比重不到钢的1/4，抗拉强度是钢的7-9倍，且抗拉弹性、比强度、比模量均显著优于钢。碳纤维的优良特性决定了其应用无处不在，被广泛应用于飞机制造、风力发电叶片、海洋钻探、汽车构件、体育器材、医疗器械、建筑补强材料等行业，被誉为21世纪的“新材料之王”。

表：国外PAN基碳纤维原丝生产工艺

研制单位

溶剂

工艺路线

纺丝方法

日本东丽

二甲基亚砜

一步法

湿纺

日本东邦

氯化锌水溶液 一步法

湿纺

美国NASF

熔纺

日本三菱人造丝

二甲基乙酰胺 二步法

湿纺

二甲基甲酰胺 一步法

湿纺

日本爱克纶

NaSCN

二步法

湿纺

二甲基甲酰胺 二步法

湿纺

英国考特尔兹

NaSCN

一步法

湿纺

日本旭化成 二甲基亚砜

二步法

干喷湿纺

根据基础原料不同，碳纤维主要分为三类：以聚丙烯腈(PAN)为原料高温碳化形成的碳纤维为PAN基碳纤维；以沥青、粘胶纤维为原料高温碳化形成的碳纤维分别为沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维。其中聚丙烯腈基碳纤维是目前碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的80%以上。

碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝。表：碳纤维的主要用途及应用形态、种类

种类

用途

有关产业

丝束

高温隔热材料

电子、汽车、飞机、原子能

复合材料CFR

CF增强树脂(CFRP)密封材料

化学、石油工业、石油、汽车

功能材料(滑动、导电、耐腐蚀材料等)电子、电工、机械、宇航、飞机、化学

CF增强碳(CFRC)结构材料(重要较高模量的一次、二次结构用才)运动器材、飞机、宇航、电工、医疗

烧蚀材料

宇航

CF增强金属(CFRM)摩擦材料

汽车、铁道、飞机、机械

碳、石墨材料

钢铁、电工

CF增强水泥(CFRC)有关电池的基材

电力、汽车

建筑、土木材料

船舶、住宅建设

4.2日本、美欧大厂垄断碳纤维供应

虽然碳纤维经过几十年的发展其生产工艺已经成熟，但其技术壁垒极高，目前全球仅少数国家具备大规模生产的能力。世界碳纤维主要产能集中在日本、美国、英国、德国、法国、韩国和我国的台湾省，主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团和美国的卓尔泰克、阿克苏、和德国的SGL公司等。

世界小丝束碳纤维生产基本上被日本碳纤维生产厂家控制，主要是东丽(Toray)集团、东邦(Toho)集团和三菱(Mitsubishi)集团三大碳纤维生产企业，三者合计占据了全球小丝碳纤维名义产能的70%以上。大丝束碳纤维生产主要集中在美国、德国和日本，美国卓尔泰克(Zoltek)、德国西格里(SGLGroup)和日本东邦(Toho)的大丝束碳纤维产能合计占全球大丝碳纤维名义产能的80%左右。

预计未来五年全球碳纤维产能将继续保持增长，其中小丝束碳纤维增速相对较慢，而大丝束碳纤维将快速增长。预计202_年全球碳纤维名义产能将达到11.09万吨，比202_年大幅增长38%。

4.3碳纤维的需求快速增长

据《复合材料市场报告》克利斯.兰德(ChrisRed)的统计数据，过去的202_-202_年全球碳纤维需求复合增长率近9%，预测202_-202_年碳纤维需求复合增长率将达到15.12%。AJR咨询公司托尼.罗伯次(TonyRoberts)预计202_-202_年碳纤维需求复合增长率为13.39%。增长的动力主要来自全球风能市场高速增长、汽车轻量化趋势对碳纤维的需求量大增，以及航空航天市场稳定增长。

(202_年碳纤维细分需求结构图)新材料之碳素行业投资策略

预计202_年航空航天对碳纤维的需求1.3万吨，比202_年增长近80%；预计202_年全球市场对碳纤维需求量约1.6万吨。其中增长较快的是民用飞机、通用航空领域。

表：民用航空业提高碳纤维需求

宇航工业

202_年 202_年

202_年 202_年

202_年

比202_年增长

民用飞机

3600

3500

4200

8500 11000

161.90%

军用飞机

580

500

550

800

900

63.64%

直升飞机

320

350

400

420

470

17.50%

通用航空

1350

1180

1000

1600

202_

100.00%

其他宇航

780

700

1100

1680

1630

48.18%

合计

6630

6230

7250 13000 16000

120.69%

中国大型飞机C919计划202_年完成详细设计，202_年实现首飞，202_年完成适航取证并投放市场。如果按照25%的复合材料重量占比测算，每架C919飞机所需复合材料在15吨左右，对应年需求量在2250吨，对碳纤维的需求增量很大。

碳纤维在风能发电行业中主要用于风机叶片的载荷加强杆中，作为特大风力发电叶片的主要材料。目前，由于风能发电的成本相对低廉，全球风机装机容量的增速迅猛，大容量风机的应用将成为主要趋势。根据风电行业相关标准，2兆瓦以上风电设备必须采用碳纤维材料，随着国内风电装置大量建设，大丝束碳纤维需求量将有爆发式增长；202_年全球风能对碳纤维的需求量约5000吨，202_年将大幅提升至17000吨，202_年预计为35000吨，202_-202_年的需求复合增长率高达27%。

中国202_年累计风电装机容量约为4183万千瓦，其中202_年新增风电装机达1600万千瓦，占全球新增风电装机容量的46%。预计到202_年，我国将新建成6000万千瓦的装机容量。这需新增12000台5MW级风力发电机，约需使用碳纤维36000吨。预计到202_年中国风电装机有望达到15000万千瓦，未来十年复合增长率为19%。

另外，碳纤维以其高比强度和抗拉弹性等优异的力学性能而被应用在高端汽车领域。汽车零部件轻量化、小型化已成为未来汽车工业发展的趋势。资料显示，汽车自重每减少100公斤，行使100公里可节约油0.3升。汽汽车工业中主要应用于发动机底盘、驱动轴、车身、车门、横梁、油箱、悬臂梁、钢板弹簧、减速器、变速器支架等。如果每辆北美的汽车用2.2kg碳纤维，那北美202_年1200万辆汽车的碳纤维总需求量就高达26.4万吨，汽车工业对碳纤维的需求潜力巨大。

其他领域中，碳纤维在建筑工程中的应用也很广泛，用作土木建筑的补强加固材料、钢筋替代材料、混凝土增强材料、斜拉悬索桥钢索代用材料等。我国202_年建筑补强使用碳纤维约380吨，到202_年预计将达到460吨以上。国家对电力需求的不断增长，要求输电线路的传输容量越来越大，碳纤维复合材料为芯部的新型电缆大量进入市场，将替代传统的普通钢芯电缆。仅对国内最大的电缆厂家的调查表明：该厂家已具备年生产8000公里长新型电缆能力，年需碳纤维500～800吨。

5.中国碳素行业的挑战与机遇

5.1特种石墨量少质差进口替代不是梦

一是特种石墨市场处于严重的供给不足状态，国内202_年总产能不足2万吨，实际产量约为9600吨，而需求量却超过5万吨，自给率约为20%。尤其是高质量的等静压特种石墨几乎都要进口，其中约80%来自日本，20%来自欧美。

二是规格偏低，国内大多厂商生产的等静压石墨规格一般在直径300-500mm，极少数达到600-700mm以上规格的产品，而日本等国已经具备了直径1000mm及以上的能力。

三是特种石墨的性能差距，随着下游领域的发展，对等静压石墨的要求有更高纯度、高强度、颗粒更细等特性，尤其是在单晶炉向大规格化发展、核电领域以及金刚石加工中对等静压石墨的要求更高，而我国目前大多数企业尚不具备这个技术能力。

由于技术相对较低，国产特种石墨的价格大幅低于进口石墨，国内产品价格在6-12万元/吨之间，而进口石墨价格在18-20万元/吨。巨大的价格空间以及技术的不断攻克，进口替代未来不是梦。

5.2碳纤维求索之路仍长 新材料规划将催速

碳纤维作为战略性新兴产业中的一种重要产品，正受到越来越多人的关注，国内碳纤维生产线建设也异常热闹。作为战略性新兴产业的分支之一颇受关注，行业成长“动力十足”。据预测，202_年PAN基碳纤维的全球需求量将达4万-5万吨，到202_年将超过7.5万吨，预计到202_年需求量将达到11万吨。202_年我国碳纤维需求达1万吨左右。目前国内碳纤维生产企业有23家，总产能为4000吨/年，规模都在千吨以下。而实际产量不足202_吨，自给率不足20%，尤其是高性能的小丝束碳纤维基本依靠进口。

目前国内碳纤维发展面临两个瓶颈，一是原丝技术，二是碳化炉。尽管国内发展了几十年，但只能小规模生产T300的碳纤维，对于高强碳纤维T800、T1000，国内尚无生产能力，是国内欠缺高性能原丝与先进的碳化炉，而这些发达国家对我国实行技术封锁，一直难有突破。由于面临较高的技术壁垒，我国高性能碳纤维发展仍需攻关。在碳纤维应用方面，发达国家碳纤维应用比例分别是工业应用49%、航空航天19%、体育休闲32%；而我国是体育休闲占比最高达65%左右，工业应用约为31%，航空航天仅4%左右。

6.重点公司

6.1中钢吉碳(000928)——碳纤维发威

公司是国内最大的综合性碳素制品生产企业之一，主要有石墨电极、石墨阳极、碳块、特种碳制品、碳纤维制品等，目前石墨电极总产能11万吨/年。目前普通、高功率、超高功率石墨电极的比重已调整到2：4：4，公司计划未来再进一步扩大到0.5：4：5.5。

公司全资子公司神舟碳纤维公司是国防科工委唯一一家定制生产军用碳纤维的企业，每年提供约10吨左右碳纤维，毛利率在30%左右。另外，公司持有30%股权江城碳纤维。一期500t预计在202_年9月底投产；二期1500t。江城碳纤维公司生产的民用碳纤维主要是6K和12K的品种。

大股东中钢集团是国国资委直属的大型企业，下属仍有大量的碳素资产，未来有注入上市的可能性。四川碳素，产品主要是电极接头，也有一些电极本体，产能3-4万吨。上海新型石墨(浙江)生产特种石墨。鞍山热能院有8万吨煤系针状焦产能。江城碳纤维70%的股权。此外，公司所在地吉林省吉林市是科技部认定的唯一一个碳纤维产业化基地，这标志着吉林的碳纤维产业发展上升为国家发展战略层面，成为中国发展碳纤维产业的重点基地。

6.2博云新材(002297)——C/C王者

公司产品飞机刹车副、航天用碳/碳复合材料、汽车刹车片、高性能模具，都处于国际领先水平：公司依托中南大学，在国内粉末冶金复合材料领域形成了基础研究—应用研究—产业化的链条，能在短时间内将行业内最新的先进技术应用于规模生产中。

环保型高性能汽车刹车片技术改造工程将于年底完工，产能将达到2500万片。产能的释放将为公司带来积极的影响，消除公司汽车刹车片产能日益不足的问题，得以实现更好的经济效益，符合公司发展战略。

公司飞机刹车副产品国内市场份额第一，毛利率高，其产品凭借高性能、相对优惠的价格，正在逐渐替代国外同类产品。

公司与霍尼韦尔联合竞标取得中国商飞C919大型客机机轮、轮胎和刹车系统独家供应商资格，双方组建合资公司共同实施该项目。公司拟采取非公开发行募集5亿元人民币，用于投资公司与霍尼韦尔尔合资飞机机轮刹车系统项目、长沙鑫航飞机机轮项目等。公司意在提高在飞机机轮刹车系统及其配件的研发、设计、生产能力和延伸公司航空产品产业链。