石墨烯走入大众视野
智能手机、平板电脑的屏幕越来越大，携带却越发不方便?有了环保的电动汽车，却担心充电时间和续航能力不敢跑长途?广泛应用于保温领域的聚氨酯硬质泡沫却极易燃烧，该如何取舍?在云山碳业-哈尔滨工业大学石墨深加工技术研发中心，记者发现这些困扰消费者的问题已经不再是问题。
这些都得益于一种全新材料——石墨烯。很长时间里，石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中将石墨烯从石墨中分离，才证实了石墨烯可以单独存在。人们常见的石墨，是由一层层以蜂窝状有序排列的碳原子堆叠而成，层与层之间作用力较弱，可以相互剥离形成薄薄的石墨片。当石墨被剥离到单层、只有一个碳原子厚度时，所得到的石墨片就是石墨烯，它的厚度只有0.334纳米，20万片加在一起，才相当于一根头发丝的厚度。
6年后，海姆和诺沃肖洛夫因此获得了诺贝尔物理学奖。当时，诺贝尔奖委员会发言人激动地说，通常诺奖只奖励那些已经得到广泛实际应用的研究成果，但这一次，委员会强烈认为应当明确认可石墨烯这种有巨大潜能的新型材料。从此，目前世界上最薄、最硬的材料——石墨烯逐渐走入大众的视野，同时，它也在科学界激起了巨大的波澜，并在现代电子科技领域引发一轮革命。
中国研发占据天时、地利、人和
几乎与此同时，在地球的另一端——中国黑龙江省，也有着一批学者和企业正在致力于石墨烯新型材料的研发，并取得了一定成果。在那里，他们有着得天独厚的“地利”优势，据美国地质勘探局资料，中国石墨储量占世界的77%，这其中的70%以上在黑龙江。石墨烯受到诺贝尔奖认可也给中国的学者和企业带来了研发的“天时”。云山碳业有限公司就是其中极具代表性的企业之一，该公司位于“中国石墨之都”黑龙江省萝北县，占地10万平方米，拥有选矿厂一座，年产6万吨中高纯石墨精粉。自公司成立以来，即以“科技创新、驱动未来;不做中国制造要做中国创造”理念为指导，致力于石墨产业的发展，目前已拥有足够的中试及产业化基地。而学术研究方面的佼佼者，则来自哈尔滨工业大学材料科学与工程学科，该学科全国综合排名第3位，SCI论文数量全球排名第6位，在国内外都颇有影响。据了解，哈尔滨工业大学在石墨深加工领域的研发具有悠久的历史，早在上世纪90年代，以已故中国工程院院士雷廷权教授为代表的一批哈工大人，秉承“规格严格，功夫到家”的校训，积极投身石墨深加工研发事业，为我国的石墨产业进步做出了巨大的贡献。进入21世纪，哈工大周玉院士和温广武教授带领的科研团队传承和发扬老一辈科技工作者在石墨深加工领域的技术优势，在提升石墨深加工产品的研发水平，推进石墨技术的产业化进程等方面都取得了突破性成果。
2011年11月3日，云山碳业有限公司和哈尔滨工业大学强强联手，共同成立了“云山碳业-哈尔滨工业大学石墨深加工技术研发中心”，这让企业的发展如虎添翼，也让科研工作如鱼得水。中国的石墨烯研究也在占据天时、地利的基础上迎来了“人和”。据研发中心黄小萧副教授介绍，该中心坐落于哈尔滨工业大学威海校区，占地10亩，建筑面积5000平方米。中心现有全职研发人员21人，20人具有博士学历，其中14人具有海外博士学历。有中国工程院院士1人，国家百千万人才称号、有突出贡献中青年**1人，博士生导师3人。每年有约20名博士、硕士研究生参与科研活动。此外，该中心还每年选派优秀研发人员到国际顶尖研究机构、院校进行学术交流，不断增强自身研发能力。目前，中心已拥有透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、核磁共振谱仪、拉曼光谱仪等国际一流分析测试设备。这批石墨深加工领域的翘楚们，虽然在生活里各具特点，但在研究中有着共同目标，他们崇尚一种“狼的精神”，只要认定目标，就会不惧任何艰难险阻，用顽强的拼搏精神、永不停歇的进取精神、精诚协作的团队精神来攻克一道道科学难关。
新产学研合作模式推动成果转化
研发中心的成立搭建了在石墨深加工领域全新的产学研合作平台，即研发中心的建设和运行资金主要由企业承担，研究工作主要由大学承担，研究成果归合作双方共同所有。这种新的合作模式依托大学的研究力量，既整合了企业和市场资源，也具备了更强的创新性和可操作性，它克服了新产品研发过程中常遇到的资金、场地、技术等难题，有利于研究成果的迅速转化。对此，从硕士研究生阶段就开始从事石墨烯的制备及应用研究的黄小萧副教授深有感触，她介绍，在过去的研究中常有受资金、场地等问题制约而最终无法完成的情况，而现在这种合作模式则让实验室成果可以顺利通过中试(小批量成果测试)，以最快的速度形成最终可以投入市场的商品。
研发团队带头人温广武教授告诉记者，经过多年的不断努力，“云山碳业-哈尔滨工业大学石墨深加工技术研发中心”不仅有了一套自主知识产权的石墨烯分离方法，还利用石墨烯独特的二维结构所具备的优异性能研发了诸多成果。
比如，石墨烯的规模化生产已完成中试，其层厚约1-3nm，具有优异的导电、导热特性，产品质量跻身世界先进行列。目前公司正在进行年产30吨石墨烯生产装备设计制造及其生产线的设计安装等工作，2014年末可投入规模化生产;
再如，手机携带不方便?利用石墨烯轻薄、柔韧的特点，研发中心已经设计出可弯折全固态超级电容器，比能量可达传统物理电容器的300倍左右，该电容器具有柔性可穿戴的特点，可以制造出轻薄如纸可折叠入袋的手机、平板电脑，人们再也不用担心手机大而装不进口袋或包包里了;
电动车蓄电池不给力?石墨烯基锂离子电池和超级电容器会解决这一问题。由于石墨烯电阻率低，电子迁移的速度极快，表面积大以及导电性能良好等特点，不仅可以直接用作锂离子电池负极材料，还可以与其他储锂材料复合，以提高电极材料的综合性能，被研究者们认为是锂离子电池的理想电极材料。据测试，只要15分钟内，基于石墨烯技术的电池就可以充好，续航能力更可达500公里，且比现在通用的电池更小更轻，跑长途再也不是问题;该研发中心所研发的石墨烯基锂离子电池负极材料比容量可达800 mAh/g以上,是碳材料理论比容量(372 mAh/g)的两倍多。基于石墨烯的超级电容器比容量更高达1500 F/g以上，产品设计、初步性能评估等工作已经完成。
想要保温还担心火灾隐患?研发中心负责石墨阻燃研究的贾幸涛工程师让记者不用担心，他们自主研发的小尺寸、高膨胀倍数的可膨胀石墨作为无机阻燃添加剂，结合传统的阻燃剂一起协同使用就可极大提高保温材料——聚氨酯硬泡的阻燃性能。目前，利用研发技术制得的高阻燃聚氨酯硬质泡沫保温新材料阻燃级别达到B1级以上标准。单项测试显示氧指数最高达到35以上，新配方具有非常好的稳定性、流动性及相容性，能满足喷涂和浇注两种生产工艺，最重要的是，它可以增加建筑物防火性能，并能阻挡火势的蔓延。这样，将可极大降低火灾发生率，避免火灾给人民群众生命和财产带来的危害。
温广武教授表示，尽管起步较晚，但得益于先进的产学研合作模式，研发中心除了上述领域，在石墨烯导电、导热及航空航天应用方面的研究也都取得了突破性进展，这些研究在国际上亦处于领先水平。目前，中心有专利45项，其中和石墨深加工相关18项，他相信石墨烯及基于石墨烯的产品研发和应用前景都会十分美好。
日前，中国非金属矿业协会石墨专委会副秘书长向琦访问了研发中心，并高度赞扬了这种产学研合作模式，他说：“‘云山碳业-哈尔滨工业大学石墨深加工技术研发中心’真正把石墨的产学研做到了实处，实现了将高水平科研能力与资源及产业化实力高效的结合。这种结合既可以保持持续的创新精神，又可立足实践，推进高技术的产业化进程;这种结合将会是国内其他企业及高校合作的典范，值得进行广泛的推广。我们也期待在不久的将来，该中心会有更多的令人振奋的消息传来。”
云山碳业公司总经理周宏在看到一个个喜人的成果后，仍不忘保持清醒，他告诉记者，作为企业，他们必须认真面对并切实解决石墨烯产业化道路上存在的现实问题，他们需要尽最大努力将实验室的成果在最短时间内形成产品，来满足下游的应用和需求。今后，他们还会切实加大研发力度，使性质研究与制备工艺同步加强，基础研发与商业化发展并行推进。
如今，石墨烯材料已经引起了我国政府、学术界和企业界的高度重视。工业和信息化部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中前沿新材料就包含了石墨烯。国家科技重大专项、国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向也均部署了一批重大项目。通过在研发中心的采访，记者欣喜地看到了该中心在国家大力发展新能源、新技术等政策保障下取得的辉煌成果，并相信这支占据“天时”、“地利”，拥有“人和”的队伍能攻克全球石墨烯及其应用领域发展高地，实现该领域的“中国创造”。
