演讲实录 | 刘忠范：新材料产业发展的底层逻辑： 石墨烯的创新实践

4月10日上午，由深圳创新发展研究院、中关村产业转型升级研究院、深圳企联等共同主办的科技创新院士报告厅第12期精彩开讲，中国科学院院士，全国政协常委，九三学社中央副主席，北京石墨烯研究院院长刘忠范做了精彩演讲。本期活动还邀请到了深圳市新材料行业协会、深圳市石墨烯协会、深圳市电池行业协会、深圳市微波通信技术应用行业协会、深圳大学管理学院等共同举办。

以下内容根据刘忠范院士演讲记录整理,经讲者审订。

新材料产业发展的底层逻辑：

石墨烯的创新实践

材料是产业的先导。我们现在常说的“卡脖子”技术其实深层次的根源是材料，材料是制约我国高科技产业发展的瓶颈之一。

如果回顾一下材料科学和材料产业发展的历史，你会发现一个很重要的现象。钢铁材料我国现在是遥遥领先的，年产量10亿吨以上。18世纪末，英国最早突破了规模化炼钢技术，从某种意义上推动其走向第一个世界级强国。

大家都知道，信息化社会的基石是硅材料，没有硅材料就没有集成电路和芯片产业。单晶硅制备技术的突破可以追溯到20世纪50年代末60年代初。尽管单晶硅的规模化制备技术是欧洲人发明的，但开花结果在美国。美国人抓住了硅材料，一跃成为超级大国。

我们再看一下碳纤维材料，碳纤维跟钢铁和硅材料还不好同日而语，但作为当今时代引领性的战略新材料，其影响力与日俱增。20世纪60年代，日本人盯上了碳纤维，经过近半个世纪的不懈努力，打造出今天的碳纤维帝国，日本三家碳纤维龙头企业的产量全球占比接近一半。

这就是材料的力量。抓住新材料，就抓住了新的发展机遇。发展新材料、开辟新赛道，是解决诸多“卡脖子”难题、实现跨越发展的关键抓手。

一、来自碳纤维产业的启示

先从碳纤维说起。碳纤维材料其实是60年前开始的竞争，现在参与竞争已经晚了一大步。我们都知道碳纤维是一种非常重要的新材料，具有轻质高强等诸多优异性质。早年的碳纤维做钓鱼竿、高尔夫球杆用，现在已成为航空航天、国防军工、石油化工、风电叶片等领域不可或缺的存在。

我们先看一下碳纤维市场的需求情况。全球碳纤维市场需求现在已达20万吨量级，并且迅速增长之中。我们再来看看全球碳纤维主要生产厂家和产能分布情况，你会注意到前五家企业占了全球62%的产能，其中日本占了3家，东丽、三菱丽阳和日本东邦，比例达47.3%，几乎占了一半，其余两家是德国西格里和美国赫氏。

我想说的是，新材料产业竞争常常需要龙头企业。进入本世纪，我国开始重视碳纤维产业，经过二十年的发展，已经形成了一定规模，但国际市场的占有率几乎为零。我国现在有很多碳纤维企业，但成规模的不多，非常零散，低端碳纤维产品居多。

说到碳纤维的时候，我们是躲不开日本东丽公司的。我对东丽公司的碳纤维发展历史特别感兴趣，东丽应该是碳纤维产业的拓荒者和领头羊，创造了近半个世纪的碳纤维材料研发历史。

1961年日本东丽成立碳纤维研发部，到了1971年实现T300（1吨/月）的规模化生产，这个过程花了十年时间。我们现在讲的T300、T800、T1000，还有M60系列产品，日本人早在上世纪80年代就完成了。

早年的碳纤维材料只能用在高尔夫球杆和钓鱼竿上面，这些初级应用带动了碳纤维产业的早期发展。因为那个时候材料的档次还不高，大家还没有找到它更好的用途。对于新材料而言，这是一个正常的发展过程，急不得。

从上世纪90年代开始，碳纤维开始在飞机上使用，例如波音777的尾翼等。真正的突破是用在波音787上，2003年东丽公司赢得了波音787的合同。波音公司要做新一代的大飞机，而“新一代”通常是从新材料入手。波音公司满世界找材料，最终选择了碳纤维。材料生产厂商和应用客户的共同努力，使得碳纤维新材料找到了其“杀手锏级”的用途。

我要强调的是，日本东丽公司花了1400多亿日元从事碳纤维新材料研发，一直处于亏损状态，直到2011年才进入稳定盈利期，前后花了50年的时间，这是一个半个世纪的坚持，实属不易。一个企业坚持做这种根本没有回报的研发，值得我们学习，更值得我们深思。

（图一 东丽公司的碳纤维发明人图谱）

日本东丽公司有一张碳纤维发明人图谱，哪个型号是谁发明、谁做出来的都展示在这张图上。这张匠人图谱我认为很了不起，我们很难做出这么一张图谱来，因为没有人真正地数十年如一日地专注做事，即便是有人做到了，也是最基层、最底层的员工，很难在企业历史上显现出来。

我们再简单回顾一下中国碳纤维发展的历史，可以概括为八个字“起个大早，赶个晚集”。其实我们早在上世纪60年代中期就开始了PAN基碳纤维研究，跟日本是差不多同步的。70年代初期，实验室已经突破连续化工艺；1974年山西煤化所开始设计我国第一条碳纤维生产线，1976年建成中试生产线，1978年拿了全国科技大会奖，后来这条中试线整体搬迁到吉林石化。

实际上，上世纪70年代的国产碳纤维与国外差别并不大，有关部门也高度重视这种新兴材料。时任国防科委主任张爱萍主持召开了“7511”会议，先后组织了二十多家科研和企事业单位联合公关。由于知识产权归属问题，各部门难以协调，最后不了了之。

知识产权算谁的？谁牵头？谁获益？这些无法回避的问题导致碳纤维新材料研发工作进展缓慢。这样的事情现在也在不断发生着，不同利益的主体一起搞创新，很难协同，最后的结局就是轰轰烈烈开始，凄凄惨惨结局。

进入21世纪，师昌绪先生呼吁要大力发展碳纤维产业，引起政府有关部门的重视并采取了有力措施。“863计划”、“973计划”相继将碳纤维列入重点研发项目。2005年我国碳纤维企业仅10家左右，合计产能占全球的1%。

2008年国企进入碳纤维行业，2010年碳纤维产能占全球高性能碳纤维总量的0.5%。2010年到2014年，产能从6445吨增至15000吨，产量从1500吨增至3700吨。2012年工信部“十二五”规划碳纤维产能1.2万吨/年，2017年达到2.6万吨，仅次于美国和日本，占比18%。

目前我国从事碳纤维复合材料研制及生产的企业近百家，产能千吨以上的有7家，分别是中复神鹰、江苏恒神、精工集团、光威复材、中安信、兰州蓝星、太钢钢科。大多数企业的碳纤维产品仍处于低端领域，普遍亏损状态。

我为什么要如此详细地讲碳纤维材料的发展历史呢？其实新材料产业、乃至高科技产业的发展历程是相似的，值得互相借鉴。那么碳纤维产业给我们的启示是什么呢？我觉得有这么几点：

一是耐心和坚持，东丽公司半个世纪的坚持最后成就了其碳纤维产业龙头老大的地位。我们如果能够坚持50年做不到才怪，问题是我们有没有这个耐心，甚至10年我们能不能坚持？

二是企业主导和领军企业，任何科技创新成果最后必须通过企业才能落地。没有企业主导，最后是落不了地的；而没有领军企业的存在，产业很难发展起来，1万个小作坊企业也比不上1个龙头企业。

三是绑定头部企业和杀手锏级的应用场景非常重要。假如没有波音公司的加持，碳纤维产业的大规模快速发展很难想象。日本东丽绑定了波音公司，为其碳纤维材料找到了强大的市场牵引。这应该是新材料产业发展的一个规律，绑定龙头企业，找到“杀手锏级”的应用场景，借力发力。

四是领头人和工匠群体，没有东丽公司不能说就没有碳纤维，但是有可能现在还处于起步阶段。所以一个领头人、一个领头组织、一个工匠群体极其重要。

我认为这四点就是新材料产业发展的共性的底层逻辑，虽然我这里讲的是碳纤维，但是我相信这是共性的东西，对石墨烯新材料产业也适用。

二、与国外相比，中国石墨烯行业的关注点不在一个频道上

下面开始讲石墨烯材料。我是做石墨烯的，不是做碳纤维的，大家千万不要误解。当然，石墨烯和碳纤维都属于石墨类的碳材料，有很多相像之处。

石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状的纯碳材料。我经常开玩笑说，我是做“高碳”材料的，因为石墨烯是纯碳材料，100%的碳。石墨烯是最薄、最轻、最强和最坚硬的材料，也是最好的导热材料和最好的导电材料。集这么多的优点于一身，可以说在元素周期表里只有碳元素的石墨烯。

如果说硅和碳纤维是20世纪的战略新兴材料的话，那么石墨烯应该可以称之为21世纪的战略新兴材料，当然它还在发展的初级阶段。

大家在高中课本里应该学过苯分子，苯分子由六个碳原子和六个氢原子构成，把苯环的氢原子拿掉后平面连接在一起就得到了石墨烯。石墨烯很软，是一种新型柔性材料。我们来看看石墨烯的能带结构，稍微难一点的知识。石墨烯的能带结构很好玩，我一直想用这个奇特的结构造一个小亭子，肯定是举世无双的创意。

当我们讲半导体材料的时候，例如大家熟知的硅材料，硅的导带和价带之间有一个空隙，1.1个电子伏特左右，称为带隙。石墨烯的导带和价带之间没有带隙，或者说带隙为零。单晶硅材料掺杂磷原子变成N型半导体，掺杂硼原子变成P型半导体。

石墨烯也可以通过掺杂来变成N型或P型半导体，所以石墨烯也是半导体材料。把两个石墨烯片堆叠在一起，可以形成双层石墨烯。这个双层石墨烯的性质跟堆叠的角度密切相关，当转角为1.1度时，人们发现了超导现象。

2018年这种魔角石墨烯的超导现象报道出来后，引起了不小的轰动。有关部门征求我的意见，是否应立即支持开展产业化研发工作，我给出了否定的意见。因为这属于基础研究范畴，还看不到任何实用前景。

石墨烯材料可以畅想的应用前景很多，但哪个能成为产业现实还不好说。石墨烯粉体材料作为锂离子电池的导电添加剂已经出现在市场上，究竟效果多大依然是一笔糊涂账。氧化石墨烯基散热膜已经用在华为手机上，效果还不错，与人工石墨散热膜有一拼。

石墨烯防腐涂料受到很多企业的青睐，国内有数千家企业在做相关工作。但是，还没有真正实现规模化的市场落地，还有很多技术问题需要攻关。石墨烯电热产品在市场上炒的很热，在医疗大健康领域做的最多，深圳是领头羊。石墨烯材料在触摸屏、传感器、电子报纸、电磁屏蔽以及超快光通信领域都有潜在的应用价值，尽管大多仍在探索之中。

我想从另一个角度强调一下石墨烯新材料的重要性。如果我们回顾一下人类文明的发展历史，你会发现碳材料这个家族是多子多孙的，石墨烯、碳纳米管、碳60、石墨等等都属于碳材料大家族的成员。碳材料大家族从诞生至今有着数千年的历史，并且一直在创生着新的产业，金刚石产业、石墨产业、炭黑产业、活性炭产业，还有现在也属于高科技产业的碳纤维产业。

那么碳材料大家族的下一个产业是什么呢？我认为它没有道理就此打住，我相信是石墨烯，我坚信是石墨烯。因此，石墨烯是碳材料家族产业树上的一颗新枝，是一个继往开来的新材料。我创作了一首诗，来表达对石墨烯产业的期待：

《石墨烯赞》

芳容初露化黑金，万千宠爱集一身。

赓续碳族红血脉，老树新枝惠黎民。

再强调一下，石墨烯值得重视，尤其值得企业家投资。

今天我讲的是新材料产业发展的底层逻辑，所以我愿意讲一点历史。石墨烯是怎么来的？石墨烯跟石墨密切相关，石墨是层状的碳材料，一层一层的石墨片是通过很弱的范德华力结合起来的，所以可以用胶带撕下来。当然，一次会撕下来很多层石墨片。如果幸运地撕下来一层，那就是石墨烯了。

其实这个材料还真是这么发现的。那么怎么知道是多少层呢？最简单的办法是拿显微镜观察，颜色越浅层数越少越薄，最后薄到看不见的时候就可能是石墨烯了。

安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫这两位学者就是靠着这种笨办法发现的石墨烯材料，所以他们获得的诺奖被大家开玩笑是胶带撕出来的。

安德烈·海姆是个调皮的学术玩家。他当年在荷兰奈梅亨大学做“青椒”老师的时候，管理着一台超导强磁铁。一次无聊的时候，他把青蛙扔进强磁场中，发现青蛙竟然能够悬浮在磁场中，为此获得了2000年度的搞笑诺贝尔奖。海姆实验室有一个“星期五晚间项目”，就是折腾一些不靠谱的东西，据说石墨烯就是这个不靠谱的项目诞生的。他也是唯一一个既拿到搞笑诺奖、十年后又拿到真正诺奖的人。

这个故事的背后隐藏着深刻的道理。那就是，从0到1的原创性基础研究突破常常是“无心载柳”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”。

所以从这个意义上讲，基础研究不能过于急功近利，需要培育创新性的文化土壤，打造自由宽松的文化环境，允许一些人做看似“毫无用处”的探索性工作，这是支持原始性创新的关键所在。当你问他“干嘛用”的时候，就已经偏离了基础研究的逻辑。基础研究是好奇心、是兴趣，一开始就问有啥用是做不出来真正的突破的。

当然我要说的是，大家都讲“基础研究”，其实每个人说的未必是一回事，这是一个大问题。我在全国政协常委会上也讲过，需要统一一下讨论的语言，否则就是驴唇不对马嘴了。

石墨烯这个新材料问世至今刚刚二十个年头，2004年10月22日在《Science》上发的第一篇热点文章。石墨烯这个词很早就有，只是没人把它当回事儿。2010年，两位发现者荣获诺贝尔物理学奖，石墨烯从此引起了全球范围的关注。

2013年欧盟启动“石墨烯旗舰计划”，十年投资10亿欧元，在业界影响很大。2014年石墨烯列入国家发改委、工信部等部委发布的《关键材料更新换代实施方案》，2015年曼彻斯特大学成立“国家石墨烯研究院（NGI）”，半年之后习总书记到访NGI。我去年第一次访问NGI，才知道盛名之下，其实只是一个公共的基础研究平台，而且如今石墨烯在其中占的比重并不大。

2018年底曼彻斯特大学又成立了石墨烯工程创新中心（NEIC）。北京石墨烯研究院（BGI）是北京市支持成立的新型研发机构，2018年10月25日揭牌至今，已有6个年头。2020年底欧盟正式批准“欧洲地平线计划”，石墨烯为首批支持项目。

2021年，北京石墨烯研究院发明的超级蒙烯材料在我国尖端武器上正式使用，这是石墨烯材料在军工领域的第一个“杀手锏级”应用。这就是石墨烯材料的大致发展简史，应该说才刚刚开始。

中国的石墨烯热，现在渐渐冷下来了，但是数据一直很强势。这是一年前从企查查上面搜到的，竟然有小7万家石墨烯企业。我在想的是，硅材料已经大半个世纪的历史了，有那么多的硅材料企业吗？

据不完全统计，中国现在有60个石墨烯产业园、113个石墨烯研究院、17个石墨烯创新中心，还有17个石墨烯产业联盟。咱们深圳南山也有石墨烯产业园，揭牌的时候我也去了。这些石墨烯相关组织，全世界加在一起也没我们多。

我们再看一下石墨烯专利申请情况，中国占了全球的72%，数量达9.2万件，而排名第二的美国只有9千多一点，是我们的十分之一。我在思考一个问题，我们为什么搞那么多的专利，真的有用吗？

还有石墨烯论文数量，全球总发表了石墨烯相关论文35万余篇，我们拥有26万余篇，占比74.5%，排名第二的美国是4.7万篇，比我们少得多。还是同一个问题，我们为什么发那么多论文，值得深思。

大家可能会说，谁让你们科学家那么用功啊？不要怪科学家，怪我们的评价体制，当今的学术评价体制就是，鼓励大家玩命发文章，这样可以得到诸多好处，尽管这种好处似乎只对自己有用。

我最近经常拿这些数据说事儿。我认为，统计数据永远反映不了真实情况，说明不了我们世界领先。

国内石墨烯行业关注的热点是什么呢？我经常讲是“三大件”，新能源、大健康和电热产品、涂料，占比超过80%。其中新能源占了一半，大健康电热产品占了23%，涂料占了8%。

（图二 国内石墨烯行业的关注热点）

与欧洲、美国、日本和韩国相比，我们关注的不在一个频道上。我经常被问到，中国的石墨烯产业处于什么水平？我无法正面回答，因为根本不在一个频道上，没法比较。他们关注的事不是我们关注的，而我们关注的事也不是他们关注的东西。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，而我们大多关注能立即赚到钱的实用性产品。

韩国在石墨烯领域是一匹黑马，其特点是以三星公司为核心，形成了一个石墨烯网络，大学、科研院所都围绕三星公司开展石墨烯新材料研发工作，很多石墨烯器件相关的核心专利都在三星公司，他们早在小20年前就布局了。

老实讲，我们申请的很多专利没多大意义，企业关注的是实用价值，而大学教授关注的是数量而已，未必真正当回事儿。

这个说明了什么问题呢？又回到那个底层逻辑了，龙头企业很重要，任何一个产业要想走得远，龙头企业特别重要，光靠科学家在那里折腾是搞不定的，因为科学家通常做不了企业。

中国的石墨烯新材料产业存在诸多挑战。我们的小作坊式石墨烯企业占了90%以上，缺少龙头领军企业，可持续发展能力很弱。2019年，我率领20人的调研组花了半年时间走遍全国14个省29个城市，实地考察了上百家石墨烯企业，这些企业都是精挑细选具有代表性的。我们发现了很多问题，令人忧心。一个普遍存在的问题是同质化现象非常严重，大炼钢铁式的低水平恶性竞争导致有限资源的高度分散和浪费。

在研发目标的选择上，急功近利现象严重，只关心现在，不关心未来。在石墨烯领域，科技与经济的两张皮现象十分严重，一大批科研人员搞文章，还有更多的企业家们做产业，缺少实质性的产学研协同创新。

不可否认，来自各级政府、各个部门的过度碎片化的政策引导，是造成一窝蜂的石墨烯产业园区建设和全民造烯运动的重要原因，也是造成产能过剩现状的根本原因。产业还没真正开始，我们的产能已经过剩了，这是一个现实问题。这种无序竞争很大程度上弱化了我国庞大的市场优势。

为什么会出现这种情况？我觉得“国家意志”和“市场意志”的有效协同，应该是我国石墨烯产业健康发展的关键，没有国家意志就没有长远布局，我们现在的企业有长远布局的不多，华为是个特例。与此同时，没有市场意志就会背离市场规律，导致市场无序竞争的乱象。

事实上，“国家意志”和“市场意志”是两只无形的大手，在高科技产业发展过程中发挥着至关重要的作用。今年的政府工作报告提出要“促进有效市场和有为政府更好结合”，这一点极为重要。“有效市场”也来自“有为政府”，希望尽快落到实处。

三、一个新材料要想站住脚，必须找到一个离开它不行的用途

一个新的材料、新的技术走进市场，通常经历技术萌芽期、期望顶峰、泡沫谷底期、爬坡期、稳定应用期等五个阶段，石墨烯也不例外。实际上，科学家在实验室里捣鼓的东西绝大多数走不完这条道，仅仅是实验室里的“实验样品”而已。从实验室里的样品变成规模化的产品，再到市场化的商品，这条路很长，也是个大浪淘沙的过程。

（图三 从高德纳技术成熟度曲线看新兴石墨烯产业）

石墨烯新材料从2004年问世至今，不足20年的历史，尚处于产业发展初级阶段，不能操之过急。就现状而已，至多处于期望顶峰稍后一点，还没有走到低谷，能不能走到未来我不知道，我希望能够走到未来，我们在全力做这个事儿。

（图四 石墨烯产业的卡脖子技术）

石墨烯新材料产业我认为是八个字：前途无量，任重道远。这个产业还存在很多“卡脖子”的问题，比如低成本的规模化制备技术现在还没有解决，也没有那么容易解决。批量剥离转移也是个大问题。

石墨烯薄膜通常高温生长在金属催化剂表面，使用时通常需要剥离转移到目标衬底上。这是一个巨大的技术挑战，因为涉及到的是单层原子厚度的剥离和转移技术。这个问题解决不了的话，最能体现石墨烯优良特性的连续态石墨烯薄膜基本上用处不大，石墨烯产业的一大半会丢掉。

单层石墨烯基元材料性能非常好，但是聚集态的石墨烯常常会损失掉大部分本征特性，如何实现从单层基元材料到实用宏观材料的过渡和性能传递也是有待解决的技术问题。

粉体石墨烯材料如何均匀分散到高分子等复合基体之中，决定着粉体材料的大部分性能特性。尤其需要指出的是，石墨烯尚未找到真正的“杀手锏级”用途，我们现在所有的尝试还处于当年碳纤维做钓鱼竿的阶段。

一个新材料要站住脚，必须有一个离开它不行的用途，可有可无的市场竞争力是有限的。上述问题如果不解决，就会变成一个一个的“卡脖子”问题。因此，石墨烯产业之路很长，急不得。

我一直认为，“卡脖子”技术是熬出来的，绝不是临时抱佛脚砸钱突击出来的，需要数十年如一日的不懈努力和持续的资源投入。“卡脖子”问题既是过去时也是现在时也是未来时，如果不改变急功近利的群众运动式的做法以及“物美价廉”的传统思维方式，我们在石墨烯等硬科技领域还会不断出现“卡脖子”问题。

石墨烯新材料产业是硬科技产业，需要解决“硬”问题，制备决定未来。材料是石墨烯产业的基石，没有规模化制备技术的突破，就不可能有石墨烯产业，这个过程是循序渐进的过程，不可能一蹴而就，需要去熬、需要去磨。

我们经常是太着急了，做碳纤维是这样，觉得没戏不做了，等到看人家做到有戏的时候就晚了。病急乱投医，玩命地砸钱也解决不了问题。这种现象不是“曾经”更是“现在”，如果认识和认知不改变，就会不断重复这种错误。

我特别喜欢比尔·盖茨讲过的一句话，他说“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”。什么意思呢？很多人对石墨烯就是这种态度，总以为一两年就能赚大钱，所以一拥而上。明知道十年后肯定赚大钱，也很少有人坚持。我们的企业不等，我们的政府也不等，这是我们的传统思维方式，改起来不容易。

那么石墨烯材料是怎么做出来的呢？首先，粉体石墨烯一般是用石墨剥离出来的，使用“汤汤水水”的化学化工过程。最简单的技术路线是用硫酸和高锰酸钾的水溶液去煮，再通过超声波等机械震动办法剥离下来，最后通过化学还原过程生成石墨烯微片。

显然，这种办法质量不易控制，薄的厚的、大片小片都有。还需要考虑环保问题，1公斤石墨烯需要一吨的水、50公斤的浓硫酸和3公斤的高锰酸钾，产生大量的废水。

我们再来看看连续态石墨烯薄膜的制备方法。连续态石墨烯薄膜通常是高温炉子里烧出来的，把作为生长催化剂的铜箔置于1000摄氏度的高温反应炉中，通上天然气和氢气的混合气体，就可以获得单层石墨烯薄膜。看起来过程很简单，想生长出高质量无缺陷的石墨烯薄膜并不容易。

2022年，我国石墨烯粉体的产能2.2万吨，薄膜产能540万平方米。粉体的利用率7%左右，薄膜的利用率0.23%作用，已经处于产能过剩的状态。必须强调的是，石墨烯材料制造业尚有巨大的提升空间，今天的石墨烯还不能支撑起石墨烯产业的大厦。现在这个石墨烯材料最多是制造钓鱼竿时期的碳纤维水平，不能太着急。

中国石墨烯新材料产业需要像东丽公司那样的领军企业，需要舍我其谁、志存高远的担当者，需要一大批追求极致的“匠人”。其实何止石墨烯，硬科技产业都应该这样。

四、如何破解科技和经济“两张皮”难题？

我是2008年进入石墨烯领域的。在此之前，做了十年的碳纳米管研究。碳纳米管和石墨烯是孪生姐妹，基本性质、制备方法都很像，就是长得不太像。2008年发生了很多大事，北京奥运会、“5·12”汶川大地震、次贷危机，还有我进入石墨烯领域，是个必定会留在历史上的一年。

2008年至今，已经十六年的光景。从象牙塔里的基础研究，走出舒适区，走向工程化和产业化的艰难旅程，可谓是波澜壮阔和可歌可泣的人生经历。2018年创建北京石墨烯研究院（BGI），这是一个全新的平台和全新的开始，从此拥有了我自己的石墨烯产业化之梦。

北京石墨烯研究院是北京市最早成立的新型研发机构，2016年10月25日正式注册，2017年6月1日启动大楼装修和实验室建设，2018年10月25日正式揭牌。开工之初，手中没有一分钱，以个人名义从首都发展集团借款4750万元，估计大学教授欠债最多的人曾经非我莫属。当年年底经费到账后，就还清了这笔借款，还多还了100万元利息。

尽管遭遇三年新冠疫情，BGI在过去五年多来取得了飞速发展。目前拥有两栋大楼，一栋是研发大楼，一栋是公司产业化大楼；员工规模已达410余人，成为全球最大规模的石墨烯新材料研发与产业化队伍。

2017年12月26日，注册成立北京石墨烯研究院有限公司，一手是研究院，一手是有限公司，一体两翼，一对一孵化，这是我们的制度设计。需要强调的是，我们既拥有基础研究团队，又拥有工艺研发团队，还有市场落地团队和专业化管理团队，因此是一个真正意义上的复合型团队。

我在北大做了31年教授，深知大学科研团队的局限性。通常情况下，大学和科研院所的研究团队（课题组）通常由导师、助手和单一专业背景的研究生和博士后组成，规模是几个人到几十人不等。

老实讲，这种研究团队能做的事情是有限的，比较适合于兴趣导向的发散性基础研究，可能折腾出诺贝尔奖来。但是，你想让这样的团队去攻关“卡脖子”技术和推动产业化落地几乎是不可能的，一方面人员构成过于单一，另一方面体量也远远不够。

去年10月25日，我们组织了隆重的研究院成立五周年庆典，同时举行自BGI成立以来一年一度的“北京石墨烯论坛（BGF-2023）”，与会人数达1200人。“北京石墨烯论坛”现在已成为石墨烯领域的一个国际知名品牌，是一年一度的石墨烯行业盛会。

那么，这么大的一支队伍，BGI的追求目标是什么呢？我们的战略定位和追求目标非常简单明了，从来没有变过。一个是向全球市场提供最具竞争力的石墨烯材料，另一个是向市场提供最好的石墨烯制备装备和规模化生产线。一手抓材料，一手抓装备，这是我们的核心发展战略，也是BGI的核心竞争力。BGI的中国梦是，打造全球石墨烯领军企业，向客户提供最佳材料解决方案。

BGI的研发布局都放在材料上面，通用石墨烯材料、新型石墨烯材料以及专用石墨烯材料三大板块。通用石墨烯材料包括石墨烯单晶晶圆、连续态石墨烯薄膜以及粉体石墨烯材料，参与全球市场的石墨烯竞争。

新型石墨烯材料致力于发展独创性的石墨烯材料，例如超级蒙烯材料、石墨烯高峰自复合纤维、以及柔性石墨材料。专用石墨烯材料重点布局石墨烯电热转换材料、导热散热材料和电磁功能材料。

过去五年来，BGI已经形成了一个从基础研发、中试示范到产业落地的一体化布局。BGI拥有四个国家级创新平台，国家自然科学基金委员会“石墨烯制备科学基础科学中心”、国家石墨烯材料产业计量测试中心、国家市场监管技术创新中心（石墨烯计量与标准技术）和京津冀国际技术创新中心石墨烯产业技术研究所。还拥有六个与知名高校共建的产学研协同创新中心、七个与客户共建的联合实验室、以及两个企业研发代工中心。

基础研究是BGI的强项，“石墨烯制备科学基础科学中心”于2021年11月获批成立，是石墨烯领域唯一的基础科学中心。基础研究十分重要，是新材料、新技术、新工艺、新装备的源头，没有基础研究不行。但是，漫无边际的发散性基础研究对新材料产业的贡献是有限的。我发表了数百篇学术论文，没有BGI这个平台，很难对石墨烯产业有实质性贡献。

基于上述考虑，BGI重点布局目标导向性的基础研究，致力于发展石墨烯材料制备的新方法、新工艺、新装备，以及石墨烯材料应用的新思路和“卡脖子”问题。

这与在实验室里做的基础研究完全不一样，不关注发文章，只关注如何解决实际问题，从基础研究出发，扎实推进产业化核心技术研发。发文章不应该是目的，应该是研究的副产品。把发文章变成追求的目标，别的变成副产品，完全是本末倒置。

（图五 创新链条布局）

我们经常讲技术创新链条，从实验室阶段到中试阶段再到产业化阶段，一般分为9级。BGI重点布局链接基础研究阶段和产业化阶段的中间环节，即材料工程化和规模化中试环节。我们的现状是，很多人做自由探索性的基础研究，还有一堆人做市场化的产业落地工作，恰恰中间这一块没有人管，这是我们的短板所在，必须引起足够的重视。

我们常常说“卡脖子”问题，其实技术创新链条的不完整是产生“卡脖子”问题的深层次的原因，表现为科技与经济的“两张皮”，科学家做科学家的事，产业界做产业界的事，中间没人管，导致技术创新链条是断的。

为什么会出现这样的问题？我身在其中，还是有一定体会的。一个是，我们现行人才评价体制让科技工作者满足于发表学术论文，没有动力把科研成果推向中试和产业化。而前行路上的巨大困难和挑战甚至是万丈深渊也让人望而却步。

另一个是，实验室里的科研成果很难被企业接住。我发表了数百篇石墨烯论文，但企业很难直接接得住，因为缺少工程化和规模化的环节。绝大多数企业没有能力和意愿填补这个空白。所以，一个不愿意往回来一步，一个不愿意往前走一步，卡在那儿，这是真正的问题。如果不重视解决这个问题，我们建再多的研发平台也是没有用的。

基于这样的现状，BGI特别重视中试示范中心建设。我们从BGI成立的第一天开始，就布局石墨烯材料的规模化中试环节，研究怎么把实验室的样品做成中试规模的产品。样品和产品有什么差别呢？样品做的再大，也不能称其为真正的材料，因为没必要重复地做很多个。而产品则是做众多的一模一样的样品，涉及到规模化制造工艺问题，也涉及到装备问题。像华为手机，同一个牌子，如果你用的跟我用的不一样，今天做出来的跟明天的不一样，谁敢买呢？

BGI还设有孵烯装备事业部。一代材料，一代装备。装备是材料制造工艺的“固化”，没有自己的独特装备很难做出具有竞争力的材料。抓住装备研发和装备制造就拥有了石墨烯材料市场的核心竞争力。

装备制造是我们国家高科技产业的薄弱环节，存在着严重的卡脖子问题。实施制造业技术改造工程，培育壮大先进制造业集群，是今年政府工作报告的重要内容。

那么BGI的优势是什么呢？我们拥有三支队伍：基础研究团队、工艺研发团队和装备制造团队，协同联动，缺一不可。这就是我们的竞争优势，一般的大学和科研院所没有，普通的企业也没有。

BGI成立五年来，跨越三年疫情难关，创造了奇迹。我们有11种材料实现了规模化中试生产、11台套的自研装备投放市场，BGI独创的蒙烯玻璃纤维材料实现了规模化产业落地，石墨烯TOC分离膜、石墨烯电镜载网陆续推向市场。

我们从石墨烯制备方法学研究出发，到石墨烯材料规模化制备工艺和装备研发，再到石墨烯应用技术研发和市场落地，走出了产学研协同创新的新路。我可以很自信地讲，BGI是引领全球的石墨烯材料研发和产业孵化基地，这也是全世界公认的。

从实验室样品到规模化产品，BGI扎扎实实地推进着石墨烯材料的规模化制造和产业落地工作。4英寸和6英寸单晶石墨烯晶圆是高品质石墨烯材料制备的圣杯，我们在全球最早实现了量产，年产能达到2万片。

卷对卷石墨烯薄膜、超洁净石墨烯薄膜、蒙烯玻璃纤维等，一个个石墨烯产品走出实验室，走进市场。与材料制备同步，规模化材料制造装备研发也不断取得突破，贴有BGI标签的石墨烯制造装备陆续走进市场，参与装备市场的竞争。

规模化材料制备工艺完全不同于实验室水平的样本制备，涉及产品良率问题。就四英寸石墨烯单晶晶圆而言，最初的良率不足30%，经不懈的技术攻关，目前良率达到80%，时间跨度是用“年”来计算的。这些努力跟发表学术论文没有任何关系，但是不做这个事情，这个材料永远都只是实验室里的样品而已。我们进一步完成了批量制备标准工艺包，生产人员照单操作就是了。

我们最早推出了A3尺寸大小的连续态石墨烯薄膜产品，年产能2万平方米，现在良率还没有达到80%。用户反馈信息表明，这种石墨烯薄膜如何保存是个大问题，放置时间久了性能严重下降。

为此我们组织攻关研究包装问题，包装盒设计搞了好几个月，这些都是做产品回避不了的，也是大学实验室里力所不能及的事情。

除了良率问题，价格也是个大问题。最初A3尺寸的石墨烯薄膜售价1万块钱一片，堪比黄金。如何降低成本也必须从基础研究和工艺研发上下功夫，绝不是简单的粗制滥造。利用最新的生产工艺，A3尺寸的高品质石墨烯薄膜可以降低到几百块钱一片。

连续态石墨烯薄膜的生长是一个高温过程，通常长在金属铜等生长催化剂表面。一般情况下，使用时需要从金属表面剥离下来，转移到目标衬底上。这是一个极为严峻的技术挑战，一个原子层厚度的薄膜如何实现完整无损的剥离转移呢？但是，如果解决不了这个“卡脖子”技术难题，石墨烯产业的半壁江山就会丢掉。

我们组织了30多人的攻关团队，进行了可谓是数年“艰苦卓绝”的研发探索，成功地研制出石墨烯单晶晶圆自动化剥离转移系统，产能达到300片/天。我们也初步完成了卷对卷石墨烯薄膜剥离转移产线，设计年产能达5万平方米。目前工艺问题还没完全解决，当然这是一个过程，需要耐心和坚持。

这些努力未必真正解决连续态石墨烯薄膜的大规模产业化应用问题，我们需要另辟蹊径，找到绕过这个难题的路径，超级蒙烯材料就是在这样的背景下诞生的。

五、探索杀手锏级应用——“超级蒙烯材料”

（图六 超级蒙烯材料概念的提出）

“超级蒙烯材料”是BGI首创的新概念材料。通过高温生长过程，在传统工程材料表面沉积连续态石墨烯薄膜。借助高性能石墨烯“蒙皮”，赋予传统工程材料全新的功能，让原子级厚度的石墨烯搭乘传统材料载体，走进市场。需要强调的是，这个石墨烯蒙皮是连续态的薄膜，完全不同于“石墨烯涂料”，后者是非连续态的石墨烯微片分散在涂料基体中，性能不可同日而语。

这种超级蒙烯材料可以直接拿来用，回避了高难度的剥离转移问题，无法自支撑的石墨烯薄膜载体问题也同时得以解决。尽管原理很简单，但这是一条连续态石墨烯薄膜走向实际应用的全新思路，其有效性已经得到证实。

超级蒙烯材料是一个全新的发明创造，是市场上没有的东西。理论的价值是不可估量的，我们在很短的时间内，陆续推出了蒙烯玻璃纤维、蒙烯氧化铝纤维、蒙烯碳化硅纤维、蒙烯氧化铝粉体等蒙烯系列材料。其中蒙烯玻璃纤维材料已经石墨烯了规模化量产和产业落地，同时完成了两代规模化装备研制。

当然，这里面学问很大，别人也轻易模仿不出来。石墨烯在铜和镍等金属表面可以长的很好，质量很高，但是在玻璃纤维等非金属表面很难实现石墨烯生长，我们前后做了十年才攻破相关技术。2013年开始，我们尝试在传统玻璃上生长石墨烯，后来移植到石英光纤上，最后在玻璃纤维上实现了规模化量产。

前不久我看了一本书，《变革中国——市场经济的中国之路》。这本书写的很好，我愿意郑重地推荐给大家。书中的一个观点是，“以绩效为基础的奖励体系可以强制学者们发表文章，但它必定会将学术动机与物质利益合二为一，没有什么比这更能扼杀科学工作者的创造力与原创性了。”

我完全赞同这个观点，我们现在的评价奖励体制是“诱导犯罪式”的。科研本来是因为喜欢才做，现在是因为有外在的好处才做。发表文章可以拿绩效奖金，有了成绩可以拿到各种“帽子”，杰青、长江学者、院士等等。

本来拿“帽子”是为了做研究，现在做研究是为了拿“帽子”，完全是本末倒置了。“帽子”满天飞，人人追“帽子”，这是我们的现状。有识之士都明白，原创性成果绝不是靠物质刺激取得的，它来自于科学家们心无旁骛、数十年如一日的刻苦专研，没有其他捷径。

下面讲一讲石墨烯的“杀手锏级”应用。石墨烯材料的“杀手锏级”应用到现在还没有找到，还没有找到其独到的无法替代的用途。我认为，石墨烯产业将建立在其“杀手锏级”应用的基础上，而不是仅仅作为万金油式的添加剂。

为了探索石墨烯材料的“杀手锏级”用途，BGI建立了“未来实验室”，架起链接“材料”与“市场”的桥梁。BGI未来实验室有三大板块：电热技术实验室、散热技术实验室和电磁技术实验室。这三大板块是我对石墨烯产业发展的预判，与当前市场上炒作的方向不完全一致。

第一，石墨烯是优异的新型电热转换材料，拥有电热转换效率高、升温速度快、柔性、透明等诸多优势。事实上，石墨烯电暖画和保暖衣、还有诸多石墨烯大健康产品都属于石墨烯电热技术产品，也是进入市场最早的石墨烯产品。

第二，石墨烯拥有已知最高的热导率，是非常好的导热散热材料，石墨烯导热散热技术拥有巨大的市场潜力。石墨烯散热膜已经用在华为手机上。

第三，石墨烯也是优良的电磁功能材料，在轻量化导线、电磁屏蔽等诸多方面有着广阔的应用前景。

基于上述原因，BGI未来实验室重点布局了这三大板块，客户需求导向，逆向材料研发。我们特别强调绑定用户，共同研发，实践证明这是行之有效的好办法。

举几个具体的研发实例。蒙烯玻璃纤维是我们开发的第一款超级蒙烯材料，已经成功地用在国防尖端武器上，这也是石墨烯材料在军工领域的第一个真正应用。蒙烯玻纤材料拥有隐身兼容、轻质、长寿命、加热均匀、电热转换效率高等诸多无与伦比的优势，可谓是某些领域不可替代的“杀手锏级”材料。

蒙烯玻璃纤维用于风电叶片的电热除冰，已经实现户外装机。像湖南、贵州等许多省份，因为湿度大，所以风电叶片的结冰问题非常严重，除冰是个难题。

2023年3月，拥有BGI标签的第一台蒙烯玻纤除冰叶片样机装吊成功。从无人机拍摄的现场红外照片可以看到，加热非常均匀，除冰效果非常好。目前，这项新技术已经通过了严苛的实验，包括耐久性实验、防雷击实验、高压实验等，大规模的市场应用指日可待。

蒙烯玻璃纤维还被用于地铁座椅的加热，北京亦庄地铁线已经正式装备，加热均匀、升温速度快、节能使其在众多竞争技术中脱颖而出。

蒙烯玻璃纤维有望在工业烘干设备上获得广泛应用，这一块的市场非常大。研究表明，利用蒙烯玻璃纤维材料的工业电池电极涂布烘干机，能降低40%，生产效率提升30%。

此外，我们正在尝试把蒙烯玻璃纤维用在卫星热管理上，与三个卫星所联合研发之中，已取得不错的阶段性成果。

作为一名科技工作者，我的体会是，要提升研究的品位，做点真正有成就感和获得感的工作。成就感是能够跟子孙炫耀的事情。真正的成就感绝不是发表了多少篇论文、拿到多少顶帽子，而是你的成果能够写进教科书里、留在科学史上，或者对国计民生有实实在在的贡献。

六、政府不能离科学前沿太近，否则会带来巨大的决策风险

我认为，我们不能满足于建立一堆研发平台。没有企业的介入和市场化机制，这些研发平台只能产生一大堆文章和专利、无数的“自嗨式”创新突破、以及众多小作坊式的公司。不经过市场竞争的洗礼，任何创新性成果都无法真正转化落地和创造市场价值。

北京石墨烯研究院高度重视体制机制的创新性探索。我们有一个全新的产学研协同创新模式，我们最先成立北京石墨烯研究院作为技术研发平台，接着成立北京石墨烯研究院有限公司，研究院与有限公司“一体两翼，一对一孵化”。

后来，我们又成立了北京大学石墨烯产业技术研究院，充分利用北大团队的基础研究优势并解决包括我本人在内的部分北大教师和学生的兼职身份问题。通过这种“三位一体”的体制机制设计，实现从基础研究到工程化再到产业化的全链条布局。

BGI有限公司团队规模已逾百人，拥有一个强大的高管班子和建制完整的专业化产业团队，其中高管班子成员都有丰富的创业经验和企业运营管理经历，战斗力非常强。

BGI材料制造部致力于打磨“BGI标签”的石墨烯材料产品，孵烯纤维事业部全力推进蒙烯玻纤材料的市场落地工作。新进成立的孵烯载网事业部，重点开发石墨烯薄膜在透射电镜载网上的应用，希望能够打破德国公司的垄断地位。

北京孵烯检测认证有限公司是BGI的第一个子公司，目的是抢占检测市场，构建产业标准。在材料行业没有标准的话语权是搞不定的，所以我们一手抓材料，一手抓装备，一手抓标准，全方位布局未来的石墨烯产业竞争。

正是因为有公司的战略布局和强力推动，我们的材料得以快速走进市场，我们的装备也陆续参与市场竞争之中。2024年3月8日，BGI签约全球首家海外代理商，高品质石墨烯材料将很快走进欧洲市场。

BGI是一个伟大的组织，我们的战略目标是打造一颗千亿级石墨烯产业树，形成以我为主、布局全国、联通世界的石墨烯产业生态。

具体分为三个发展阶段，第一阶段是研发总部建设（2018—2023），目前已经告一段落；第二阶段是怀柔产业示范基地建设，计划2026年上半年完成；第三阶段是快速产业推进阶段，到2035年初步完成BGI遍布全球的产业网络建设。

当然一切还在过程当中。BGI走向未来、走向成功的法宝是“六个”力量，即基础研究的力量、体制机制创新的力量、市场和资本的力量、个性和文化的力量，一个都不能少。

BGI的理念是：以人为本，创新驱动，追求卓越，共赢共生。我们将胸怀烯梦，奋勇前行，去创造属于BGI人的奇迹！

石墨烯材料的产业化需要科学家、工程师和企业家三者精诚合作，协同创新。科学家的研究思维、工程师的工程思维、加上企业家的市场思维有机地结合起来，将无往而不胜。

（图七 产学研协同创新的两种不同模式）

产学研协同创新的最佳模式是什么？我一直在思考这个问题，也一直在实践探索中。

我总结了两种截然不同的协同创新模式：一个是一台机器运转的模式，一个是多台机器协调运转的模式。一台机器运转模式就是通常的企业模式。例如华为，有自己的科学家、工程师和企业家，这些人是一条绳上的蚂蚱，拥有完全一致的追求目标和利益导向。

多台机器协调运转模式常见于政府主导的各种协同创新平台上，在政策和利益诱惑下，大学和科研院所的众多科学家、企业家和投资商等不同的利益主体共建共享一个创新平台，以期实现产学研协同创新。

显而易见，后者需要一个强有力的协调机制，让众多的机器协同运转起来，难度可想而知。毋庸置疑，一台机器运转的企业模式是最高效的产学研协同创新模式。

企业是产学研协同创新的最佳载体，在企业内部，科学家、工程师和企业家在明确的市场目标牵引下协同创新，拥有完全一致的利益。而现有的诸多协同创新平台在运行机制上有其固有的局限性，由于利益主体的多样性，很难聚焦一个明确的市场目标开展协同攻关。

所以，弘扬“企业家精神”，充分尊重和信任企业家，培育公平竞争的市场文化，让千千万万个企业成长起来，是推动高科技成果转化和繁荣市场经济的不二法宝。

我们不能过度模糊科学、技术和产业的边界。科学是天马行空，需要的是自由宽松的环境土壤，应该交给学术共同体。从某种意义上讲，政府不能离科学前沿太近，否则会带来巨大的决策风险，同时严重破坏学术生态。

技术是什么呢？技术是一招鲜，需要耐心和长时间的积淀，应该交给企业家。应重视培育“隐形冠军企业”，而不是万金油型的“杂货摊企业”。我们需要培育出众多的“华为”，这样“卡脖子”问题就自然解决了。

产业和市场需要敢吃螃蟹的创新生态和公平竞争的文化土壤，所以一切政策的导向必须以繁荣市场为准则，这是有为政府必须承担的重任。市场、技术、科学不是一回事，各有各的特点、责任和规律，不能过度混淆。

另外，我们不能混淆和无视原始创新、技术创新和产品创新的差异。像手机、特斯拉、星链都是产品创新，是已有技术的集大成者，并非原始创新。这些创新性产品通常始于一个大胆甚至疯狂的想法，马斯克、乔布斯这样的技术偏执狂才能创造出这种东西来。这里需要的是追求极致的工匠精神，并非从零到一的原始创新。

从原始创新到产品创新存在着巨大的鸿沟，时间跨度长达数十年甚至是上百年，直通车没有成功的先例，也不符合市场和产业发展规律，我们需要冷静地思考这个问题。

相对论是爱因斯坦一百多年前创立的，现在的GPS定位都需要相对论理论，但是从那个时候就开始抓起，自然是不现实的事情。我认为，技术创新链不能布局太长，否则很难走下去。

我国过去三十年的科技发展成就得益于国家和社会对科学家的尊重和投入，我坚信未来三十年的高科技产业竞争将依赖于企业家和中小企业创新创业人才的创新活力。科学家间接创造生产力，企业家直接创造生产力，应该像尊重和重视科学家那样对待企业家，企业家应该勇敢肩负起创新主体的重任。

时代赋予了我们前所未有的机遇，我们迎来了科技事业和高科技产业的又一个春天。这不是口号，百年未有的大变局逼着我们创新，不创新就会被“卡脖子”。

只要我们走对了路，扎扎实实地补上我们的创新链条之短板，当前的各种严峻挑战反而会变成发展的机遇，未来会证明这一点。

编辑排版 | 林美丹

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