文件链接：工业和信息化部关于印发工业控制系统网络安全防护指南的通知

来源：工信部

原文链接：《2024全球石墨烯动态》第02期 

本文介绍了石墨烯作为高导热材料的研究现状和发展前景，总结了石墨烯材料的制备方法，包括机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法及氧化还原法等；探讨了不同类型石墨烯材料的导热机理，指出石墨烯材料通过声子和电子进行热传导，并以声子导热为主介绍了串联网络热阻模型和导热逾渗模型；归纳了单层或少层石墨烯、石墨烯膜、碳纳米管/石墨烯复合膜及相变高分子/石墨烯复合材料等类型的高导热石墨烯材料在热管理领域的研究和应用进展。

随着国防技术的发展，高速飞行器和微电子器件等对材料的导热性能提出了更高的要求。高速飞行器具有巡航速度快、航程远、突防能力强等优势，是未来飞行器的主要发展趋势，其在大气中飞行时，气动加热所产生的大量热量集中于飞行器头锥、翼缘等尖锐部位，形成局部高温热点。过高的温度将降低飞行器结构的力学性能和承载能力，缩减结构的使用寿命，甚至导致结构失效。先进计算机、雷达、通信、功率源等设备中的微电子器件在使用过程中也会产生大量热量，导致芯片单位面积内大热流密度的形成；热量一旦不能及时传导出去，将造成器件局部温度过高，导致结构发生损伤甚至失效。为满足未来电子元器件对体积、质量和功耗的要求，以美国国防部高级研究计划局为代表的国防机构和企业正积极开展散热技术的研究。

高速飞行器、微电子器件等领域热管理（thermal management）的主要作用是将诸如电子元器件中产生的热量快速传递至散热材料，避免其因过高的温度而发生失效。如果器件使用过程中出现了热点，其热通量将远远高于其他区域，因此要求导热材料具有较高的面内热导率。铜、铝等传统的导热材料，由于密度大、热膨胀系数高、易腐蚀、不耐氧化等缺点，难以满足航空航天等极端环境下导热、传热的要求，因此探索新型高效的热管理材料对于促进高速飞行器、微电子器件等发展具有重要意义。

石墨烯是由sp2杂化碳原子紧密排列而形成的具有六元环蜂窝状结构的单层碳原子晶体，石墨烯片层上每个碳原子都有一个未成键的p轨道电子，通过p轨道电子云相互作用形成共轭大π键。另外，石墨烯晶格振动的能量因子主要为声子，因此具备优异的热传导特性，在室温下的面内热导率高达~5300W/（m·K）。此外，石墨烯还具有密度低（<2.2g/cm3）、热膨胀系数小、热辐射率高、高温稳定性好（无氧环境下耐温可达约3000℃）、耐粒子冲击能力强等优点，因此石墨烯是一种理想的可适用于极端环境的高性能热管理材料。

1石墨烯材料的制备

石墨烯的制备方法主要有2类（图1）：一为“自上而下”法，即通过物理或者化学方法对碳材料进行剥离或者剪切，从而获得高品质石墨烯，主要包括机械剥离法、氧化还原法及电弧放电法等；另一种为“自下而上”法，即以含碳小分子为原料通过化学反应合成单层或寡层石墨烯，主要包括化学气相沉积法、外延生长法和有机合成法等。其中，机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法等在制备石墨烯材料中的应用较为广泛。

图1 “自上而下”法和“自下而上”法制备石墨烯

机械剥离法是最早发现石墨烯的方法，借助胶带机械力的作用，对高定向热解石墨的表面进行剥离，最后在SiO2/Si基底上获得高质量、结构完整的单层石墨烯，其力学、电学和热学等性能最接近理想的石墨烯。然而该方法制备成本高、效率低，且存在较大的随机性，因而难以实现大规模生产。

外延生长法是在高真空环境下，以诸如SiC材料作为基体，将Si原子从基底蒸发出来，从而得到连续的石墨烯薄膜。该方法获得的石墨烯，其质量与基体、催化剂、温度和真空度等因素紧密相关。外延生长法的优点是可以大面积制备具有高载流子迁移率的石墨烯薄膜，厚度可以控制至仅1~2层，但该方法同样存在制备条件苛刻、成本较高、石墨烯难以从基底转移等缺点。

化学气相沉积（CVD）法是制备大面积石墨烯的一种有效方法，该方法将含碳有机物作为碳源置于反应炉中，碳源在高温下发生分解，使碳原子沉积于催化剂基底表面，从而得到石墨烯。通过控制催化剂和碳源的种类、反应温度、通入气流量等参数可以实现石墨烯的可控生长。

氧化还原法是目前应用最广泛的石墨烯制备方法之一，该方法所用的原料便宜易得、制备流程简单，适合于大规模、低成本制备石墨烯。制备时首先通过Hummer法将石墨氧化得到氧化石墨烯（GO），GO可以组装成如泡沫、薄膜及气凝胶等形状。由于石墨的强氧化过程严重破坏了其sp2杂化碳结构，大幅降低了导电、导热性能，因此需要对GO进行高温热还原或化学还原而获得还原氧化石墨烯材料（rGO），rGO恢复了碳原子sp2杂化结构，从而具备优异的导热导电性能。通过氧化还原法制备的rGO薄膜热导率可达1100W/（m·K）。

2石墨烯材料的导热机理

热传导在本质上是物质内部的微观粒子相互碰撞和能量传递的结果。无机非金属材料主要通过晶格振动产生的声子传导热量，即声子导热；金属晶体主要通过电子的相互作用进行导热，即电子导热。根据Kiedemann-Franz定律，电子导热的热导率为

式中，λe为电子传导贡献的热导率，kB为波尔兹曼常数，e为电子电荷。

石墨烯作为无机非金属材料，同时具有自由移动的共轭电子，该独特的结构决定了石墨烯材料的导热性能是由声子导热和电子导热共同贡献。研究人员对石墨烯纸、石墨烯-碳纳米管以及石墨烯/聚合物复合材料等的导热机制开展了广泛研究。

石墨烯材料——声子导热为主

在室温下，对于具有高电导率的石墨烯材料来说，λe对整体热导率的贡献非常微小，因此本文中提及的石墨烯的热导率λ均为声子热导率，即声子导热贡献的部分，可通过Debey公式得到

式中，C为声子比热容，v为声子振动的平均速度，L为声子的平均自由程。

在固定温度下，石墨烯材料具有一定的C和稳定的v，因此其热导率的大小取决于L值。声子间相互碰撞引起的散射、声子与晶体的晶界及缺陷等相互作用引起的散射对L的大小产生明显的影响。在室温下，声子之间的相互作用较弱，可忽略不计，因此L的大小主要取决于声子与晶界及缺陷的相互作用。通过制备结构完整、缺陷较少的石墨烯材料，能够增大其声子的平均自由程，进而提高材料的导热性能。同时，Balandin等研究了层数对于石墨烯热导率的影响，结果表明当石墨烯层数增加时，由于声子相空间中倒逆散射增强，导致石墨烯面内热导率降低。

但在实际应用之前，需要将石墨烯片组装成石墨烯膜，其层状结构如图2（a）所示。石墨烯膜中的石墨烯片层通过范德华力等非键作用结合，因此在膜厚度方向传热主要是通过低频声子进行。声子在面内的传导受层状结构影响较小，而在厚度方向上的多重界面散射现象极大阻碍了声子传导，从而使石墨烯膜的导热性能呈各向异性，即面内热导率远远优于厚度方向的热导率。

图2 石墨烯膜微观结构示意（a）和石墨烯CNTs串联网络热阻模型示意（b）

碳纳米管/石墨烯复合膜——串联热阻网络模型

石墨烯膜和碳纳米管（CNTs）的热导率都具有各向异性，即石墨烯面内或CNTs轴向的热导率远大于其他方向（约高2~3个数量级），因此制备三维结构的CNTs/石墨烯复合膜是使材料在各方向均具备优异导热性能的一种重要方法。CNTs/石墨烯复合膜内部有序的孔洞、互联的三维网络结构及其与孔洞的协同作用是影响复合膜导热性能的主要因素。CNTs与石墨烯的连接方式包括非键（范德华力）和共价键2种方式。为研究键接结构对CNTs/石墨烯复合膜厚度方向热传导的影响，Shi等构建了串联热阻网络模型，如图2（b）所示。结果表明，相比仅有范德华力作用的CNTs/石墨烯复合膜连接热阻，共价键连接复合膜的热阻降低约3个数量级，因此CNTs/石墨烯复合膜厚度方向主要通过共价键连接CNTs进行热传导。并进一步通过分子动力学模型计算CNTs/石墨烯复合结构的热阻，计算值与串联热阻网络模型的结果基本一致。

石墨烯/聚合物三维导热网络

和石墨烯类似，大多数聚合物导热方式主要是依赖于声子振动，但由于聚合物以无定形结构为主，导致聚合物具有很低的热导率。将具有高导热的石墨烯材料与聚合物复合是提高聚合物导热性能的一种重要方法。目前，针对石墨烯/聚合物复合材料导热机制的研究涌现出大量的理论成果，包括导热通路理论、导热逾渗理论和热弹性系数理论（图3）。其中，导热通路理论应用最为广泛。在导热机制的研究基础上，石墨烯/聚合物的导热理论模型近年得以快速发展，研究者就预测石墨烯/聚合物热导率提出了均匀化法、逾渗理论、傅里叶定律计算法等。根据逾渗理论，石墨烯/聚合物复合材料的热导率计算公式为

图3 石墨烯/聚合物不同导电机制示意

式中，Kc、Km及Kp分别为复合材料、石墨烯及聚合物的热导率，f为石墨烯体积分数，RB为界面热阻，H为石墨烯片层厚度。

3石墨烯材料在热管理领域研究进展

美国加利福尼亚大学河滨校区Balandin课题组通过非接触光学方法（图4）测得室温下单层石墨烯的导热性能，面内热导率高达5300W/（m·K）；对2~10层石墨烯的热导率进行进一步表征，发现当层数由2增到4时，热导率从约2800W/（m·K）下降至约1300W/（m·K），但仍远高于铜、铝等金属的热导率（约200~400W/（m·K））。由于高面内热导率、超轻质（单层石墨烯理论面密度为0.77mg/m2）及优异的高温热电、热声性能等，石墨烯材料在微电子器件等热管理领域具有潜在的重要作用。

图4 共焦显微镜拉曼光谱测试石墨烯热导率

少层石墨烯——优异的面内热导率

英国曼切斯特大学Geim课题组通过CVD法在光子晶体上生长单层石墨烯（图5），发现在100μW光照条件下，与未覆盖石墨烯的光子晶体相比，其温度下降约45℃。上海大学刘建影课题组将CVD法生长的单层或多层（6~10层）石墨烯分别覆盖于集成电路片表面，使集成电路片的局部高温快速传导至表面低温区，增强了器件的整体散热效率；在热流密度高达430W/cm2时，单层或多层石墨烯使集成电路片的工作温度分别降低了13℃和8℃。然而，采用CVD法制备的石墨烯薄膜存在以下缺点：热导率受层数和石墨烯片尺寸的影响较大，且制备中的转移过程可能引入杂质或导致结构破坏。因此，虽然少层石墨烯具有优异热导率，但较高的制备成本和超薄厚度限制了其应用。

图5 基于少层石墨烯制备的实验器件SEM图

还原氧化石墨烯膜——兼具规模化生产和厚度

将石墨烯组装成具有微纳效应的宏观尺度结构是其作为热管理材料应用的重要途径，其中氧化还原法制备还原氧化石墨烯膜（rGO）的应用最为广泛。美国密歇根大学Drzal课题组通过液相剥离法制备了片径分别为1μm和15μm的石墨烯薄膜（记为rGO-1和rGO-15），以此研究石墨烯片的尺寸对薄膜导热性能的影响。结果表明，rGO-1具有较多的纳米界面，导致其接触热阻较大，热导率仅为22.6W/（m·K）；而rGO-15具有更规整的片层结构及较低的孔隙率，因此其热导率比rGO-1提高8倍左右。中国科学院大学吕春祥课题组研究了还原温度对rGO薄膜热导率的影响，采用的还原温度的范围为800~1200℃。结果表明，当还原温度从900℃提高至1000℃时，rGO薄膜的导热性能将发生质变，热导率从6.1W/（m·K）显著提高至862.5W/（m·K）；当还原温度为1200℃时，rGO薄膜的热导率进一步提高至1043.5W/（m·K）。中国科学院大学符显珠课题组在铜箔基底上制备GO薄膜，并在还原温度为900℃、Ar/H2体积比例为95∶5的混合气氛下，对GO/Cu进行还原，获得热导率高达1219W/（m·K）的rGO薄膜。实验结果表明，氢气和铜箔有利于GO还原，在低于1000℃的温度下即可制备高导热的rGO薄膜。纽约大学Koratkar课题组通过静电纺丝的方法大规模制备出GO薄膜，经过高温热还原或化学还原，获得具有高热导率的rGO薄膜。结果表明，提高还原温度有利于制备高导热的rGO薄膜，当热还原温度为2850℃时，薄膜的热导率高达1413W/（m·K）；对rGO薄膜施加不同压力进行致密化处理可获得不同密度的rGO薄膜（图6），当密度从0.5g/cm3增加至2.1g/cm3，热导率从173W/（m·K）提高至1413W/（m·K）。总之，通过氧化还原法制备的石墨烯薄膜的热导率主要受GO片径尺寸、热还原温度等因素影响，是大规模制备高热导率（>1000W/（m·K））石墨烯薄膜的重要方法。

图6 氧化还原法制备的石墨烯薄膜的数码照片（a）和截面SEM图（b）

通过氧化还原法制备的高导热石墨烯膜已经应用于飞行器、高性能电子产品的散热领域。张兴丽等研究不同厚度的石墨烯膜作为导热层已应用在某微小飞行器散热面，当石墨烯层铺设厚度为0.01mm时可显著加速微小飞行器的外板面内热量扩散，等温化程度提升50%，与有限元仿真结果一致。石墨烯导热层的引入可有效避免飞行器外板温度的急剧升高，有利于保障设备的正常运行。随着5G时代的到来，石墨烯膜作为导热层有望广泛应用于智能手机、平板、电脑等设备。国家工业和信息化部在2020年指出，石墨烯具有极高的热导率和热辐射系数，能够迅速应用于高性能、小型化电子设备的散热结构。华为等公司已经将石墨烯膜导热层应用于华为Mate20X手机、MatePadPro 5G平板等产品，其中MatePadPro 5G平板的石墨烯导热层厚度达到400μm。

碳纳米管/石墨烯复合膜——增强厚度方向热传导

作为典型的二维材料，石墨烯膜厚度方向的热导率比面内方向小2个数量级。因此，研究者通过在石墨烯膜层间引入碳纳米管等一维结构，构建共价键结合的三维石墨烯复合膜，以提高复合膜厚度方向的导热性能。理论上，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可达10000W/（m·K）。但由于杂质的存在，单壁CNTs和多壁CNTs热导率的实验测试值比理论值有所降低，但仍分别高达3500W/（m·K）和3000W/（m·K）。因此，通过具有优异导热性能的CNTs与石墨烯构建三维结构，有望提高石墨烯膜厚度方向的导热性能。

台湾成功大学Hsieh等分别制备了石墨烯膜、CNTs薄膜及石墨烯与CNTs三维复合膜，对比研究CNTs对三维复合膜导热性能的影响。面内方向热导率测试结果分别为CNTs（1526W/（m·K））<石墨烯（1637W/（m·K））

目前，CNTs/石墨烯复合膜的微观传热机制依然存在争议，且难以通过实验方法直接进行表征。借助分子动力学模拟方法，可以揭示实验中难以测量或观察到的一些物理现象。Shi等构建了CNTs/石墨烯复合膜模型，分别模拟了物理结合和共价交联对复合膜厚度方向热传导过程的影响。结果表明，相比共价交联的CNTs/石墨烯结构，范德华力作用结合复合薄膜的热阻增大约3个数量级；由此可见，复合薄膜厚度方向的热传导主要通过石墨烯与CNTs的共价连接结构进行。Varshney等通过分子动力学模拟研究了CNTs的间距和长度对CNTs/石墨烯复合结构热导率的影响（图7）。结果表明，CNTs/石墨烯异质结增强了对声子的散射，从而降低了复合膜的面内热导率；随着CNTs长度的增加，CNTs-graphene接头密度得到降低，从而减小了声子在厚度方向散射的可能性，使厚度方向的热导率得以提升。总体来说，CNTs/石墨烯复合薄膜通过发挥CNTs和石墨烯的协同增强作用，有望提高复合薄膜厚度方向和面内方向的导热性能。

图7 CNTs/石墨烯结构示意

石墨烯复合膜在航天航空领域具有广泛的应用前景，包括星载雷达的传输/接收组件、卫星电耦合相机的轴向均热、航天飞行器仪器舱高功率电子器件的热管理系统等。中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛团队针对先进航天飞行器上封装的高功率电子器件面内和厚度方向的散热问题展开研究，以GO和CNTs为原料通过真空过滤自组装以及高温热还原制备了CNTs/石墨烯复合膜，其面内和厚度方向热导率分别为933.37和6.27W/（m·K）。该复合膜厚度达到106μm，是其他导热膜的3~5倍，是先进航天飞行器导热和电磁屏蔽的理想材料。此外，该团队制备了热导率高达977W/（m·K）的碳纤维/石墨烯导热膜，其研制的多款型号石墨烯导热膜已经作为热管理材料应用于航空航天领域。

相变高分子/石墨烯——增强基体热传导

聚合物/石墨烯复合材料正被纳入航天热防护材料和热管理领域，对于提高航天用复合材料在热流动下的热稳定性和力学性能具有重要意义。为改善航天用耐烧蚀材料的导热性能，在石蜡等聚合物基体中引入高导热、高导电的石墨烯材料。这些复合材料可应用于高超声速飞行器前缘的热保护系统、火箭喷管和固体火箭发动机的内部绝缘结构以及导弹发射设施结构。另外，复合材料固体推进剂的导热问题是导弹、火箭系统安全性与可靠性研究中的重要课题。研究人员通过在推进剂基体中添加高导热石墨烯，提高了推进剂的热导率，不仅促使推进剂内部热量快速传递，降低内部热应力，而且提高了推进剂点火和燃烧性能。随着飞行器的飞行速度越来越快和搭载电子仪器性能全面增强，高速飞行器机体与空气摩擦将产生大量热能，在电子仪器设备中也将产生高密度热流。为避免飞行器机体及仪器舱温度急剧升高，从而保证飞行器的运行安全，唐晨龙等通过石墨烯对相变材料进行改性，利用真空抽滤法制备得到石墨烯泡沫，将其作为导热骨架，填充相变材料制备得到高导热相变复合材料，使相变材料热导率提高至10.17W/（m·K）。

电池是航天飞行器中电子器件的常用构件，在使用过程中会产生大量热能，导致锂离子电池的工作温度急剧升高，降低设备性能。相变材料能通过相变潜热储存热量并保持温度稳定，常用于传统高功率密度锂离子电池组的热管理。然而常用的相变材料热导率很低，室温热导率通常在0.17~0.35W/（m·K），极大限制了相变材料的应用。通过在多孔状的石墨烯泡沫中填充相变高分子制备得到的相变高分子/石墨烯泡沫复合材料，可以兼具石墨烯泡沫骨架的高导热性能和相变高分子的吸/储热能力。美国加利福尼亚大学Balandin课题组以石蜡作为固相相变材料，通过与多层石墨烯复合制备得到石蜡/石墨烯复合材料，其微观结构如图8所示。热导率测试结果表明，相比石蜡的热导率（0.25W/（m·K）），当石墨烯质量分数为20%时，石蜡/石墨烯复合材料的热导率提高至45W/（m·K）。上述结果表明，石墨烯能有效提高相变材料的热导率，相变高分子/石墨烯复合材料在高热流密度热管理领域具有广阔的发展空间。

图8 石蜡/石墨烯相变复合材料的数码照片（a）和SEM图（b）

在航空航天领域的实际应用中，导热材料的选用要同时考虑导热性能和尺寸的要求，表1对不同石墨烯材料的热导率和厚度进行了归纳和对比。如图9所示，GO高温热还原法制备的石墨烯膜厚度为220μm时，热导率高达1070W/（m·K）。结果表明，聚合物/石墨烯复合材料和少层石墨烯分别存在热导率较低、厚度较低的不足，而基于石墨烯氧化还原法可以大规模制备出具备一定厚度的高导热石墨烯膜；通过石墨烯膜与碳纳米管的共价交联能够提高膜厚度方向的热导率，改善厚度导热性能，有望广泛应用于航天航空热管理系统。

表1 铜箔及不同石墨烯材料导热性能与厚度对比

图9 不同石墨烯材料导热性能与厚度的对比

4结论

随着高速飞行器、微电子器件等设备性能的不断提高，散热已成为影响设备性能的关键问题之一。由于高比表面积、高载流子迁移率及完美的二维平面晶体结构，石墨烯具有优异的面内导热性能，且通过与碳纳米管共价交联有望改善石墨烯厚度方向的导热性能，使其在微电子、航空航天、船舶、高功率武器平台的热管理方面具有重大的战略前沿意义。

目前，氧化还原法是规模化生产高导热石墨烯材料的重要方法。同时，研究人员开展了石墨烯材料导热机制的研究，结果表明石墨烯主要通过声子进行热传导。针对石墨烯复合膜和石墨烯/聚合物，研究人员分别构建了串联网络热阻网络模型和导热逾渗模型，这些导热模型在一定条件下解释了石墨烯材料的导热机制，但对石墨烯的导热机制并未达成一致。虽然高导热石墨烯材料在高速飞行器、微电子器件等热管理领域得到了一定的应用，但目前仍存在很多亟需解决的问题。例如，如何通过化学气相沉积方法制备大尺寸、高品质石墨烯薄膜；氧化还原法制备石墨烯时，如何进一步提高薄膜的还原程度，并降低制备过程中形成的缺陷；如何制备尺寸可控、定向生长的碳纳米管/石墨烯复合薄膜；如何制备结构可控的石墨烯泡沫结构，并使之与相变高分子复合，有效提高相变高分子的热导率。针对上述问题，通过探索新方法、新工艺、提高性能并降低制备成本，从而推动石墨烯材料在热管理领域的应用。

本文作者：林少锋、石刚、江大志

作者简介：林少锋，国防科技大学国际关系学院，讲师，研究方向为纳米复合材料；江大志（通信作者），国防科技大学空天科学学院，教授，研究方向为纳米复合材料和复合材料结构设计。

样品制备已成为冷冻电镜技术解析生物样品高分辨率结构的主要限速步骤。在这个过程中，气液界面效应、背景噪音和优势取向等问题可能导致冷冻电镜结构解析失败，或者重复性较差。石墨烯，因其低背景噪音、高机械强度和高导电性等出色特性，被用作冷冻电镜样品制备支撑膜以提升样品质量。

2024年1月22日，清华大学/北京生物结构前沿研究中心王宏伟课题组和北京大学彭海琳课题组合作开发了一种基于石墨烯“三明治” 结构的冷冻电镜生物样品制备方法，以“石墨烯三明治技术用以生物冷冻电镜结构解析”（Graphene sandwich-based biological specimen preparation for cryo-EM analysis）为题发表于《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）期刊。该研究通过在两层石墨烯间封装生物样品溶液，制备冰层厚度适宜的石墨烯“三明治”样品（图1），用以高分辨冷冻电镜重构。

常规石墨烯膜制备冷冻电镜样品的方法能够增加颗粒吸附，减轻气液界面带来的干扰。然而，石墨烯支持膜仅存在于冰层一侧，不能消除另一侧气液界面对样品的影响；并且在支撑膜亲水性不佳时，容易出现样品脱水的现象（图1A）。为解决这一问题，研究团队开发了一种石墨烯“三明治”技术，在生物样品溶液两侧都铺设石墨烯支持膜，对生物样品进行封装，进而制备冷冻电镜样品，从而彻底避免气液界面等问题的影响（图1B）。

图1. 采用石墨烯作为支持膜的冷冻电镜样品制备示意图

在制备石墨烯“三明治”样品的过程中，先将生物样品溶液滴加到石墨烯电镜载网上，然后再将另一层石墨烯转移覆盖至上述载网表面。为解决上层石墨烯易于卷曲破碎而不便转移的问题，研究团队采用硬脂酸分子辅助石墨烯自支撑地悬浮在缓冲液表面，后将其转移至滴加样品溶液的石墨烯载网上。这种方法能够高成功率、高重复率地实现石墨烯“三明治”结构封装样品溶液。

和常规单侧石墨烯膜支撑的冷冻样品相比（图1a），这种石墨烯“三明治”结构有助于补偿因电子束照射而损失的二次电子，减小冷冻样品在透射电镜下的电荷积累效应。并且，由于石墨烯优异的机械强度，该方法还可以有效防止冰层形变，降低电镜成像过程中的颗粒漂移，从而进一步提高冷冻电镜照片的质量。采用这种方法制备冷冻样品，研究团队成功获得了成像质量更高的冷冻电镜数据，解析了去铁铁蛋白、20S蛋白酶体和新冠病毒刺突蛋白的高分辨冷冻电镜结构（图2）。

图2. 石墨烯“三明治”结构应用于冷冻电镜结构解析

清华大学/北京生物结构前沿研究中心王宏伟教授、北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授和清华大学生命学院刘楠博士为该论文的共同通讯作者，清华大学生命学院2019级博士生徐洁、北京大学化学与分子工程学院2020级博士生高啸寅、北京大学化学与分子工程学院郑黎明博士为该论文共同第一作者，清华大学生命学院2020级博士生贾霞、清华大学生命学院徐魁博士、北京大学工学院韦小丁教授及其研究生马瑜薇为该工作提供重要帮助。该课题得到了国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台的大力协助和国家自然科学基金、腾讯基金会以及清华大学水木学者计划的支持。

文章链接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309384121

文章来源：公众号“北京生物结构前沿研究中心”

1、两部委关于印发《制造业中试创新发展实施意见》的通知

据工业和信息化部消息，工业和信息化部、国家发展改革委发布关于印发《制造业中试创新发展实施意见》的通知。

到2025年，我国制造业中试发展取得积极进展，重点产业链中试能力基本全覆盖，数字化、网络化、智能化、高端化、绿色化水平显著提升，中试服务体系不断完善，建设具有国际先进水平的中试平台5个以上，中试发展生态进一步优化，一批自主研发的中试软硬件产品投入使用，中试对制造业支撑保障作用明显增强。

到2027年，我国制造业中试发展取得显著成效，先进中试能力加快形成，优质高效的中试服务体系更加完善，中试发展生态更加健全，为产业高质量发展提供有力支撑。

来源：工信部工业和信息化部 国家发展改革委关于印发《制造业中试创新发展实施意见》的通知

2、永安发布《2024年市政府工作主要任务分工方案》加力石墨和石墨烯产业建链成群

加力石墨和石墨烯产业建链成群，紧盯石墨负极、等静压石墨、石墨烯、高性能碳纤维等先进碳材料领域，全力推动福维高性能碳纤维项目落地开工，加快推进本地微晶石墨矿产业化应用攻关，打造全国有影响力的先进碳材料产业基地，力争产值增长20%以上。责任单位：市工信局，汽车工业园

来源：永安市人民政府办公室关于印发《2024年市政府工作主要任务分工方案》的通知

3、宁德时代在厦门成立储能研究院 注册资本5亿元

近日，厦门实证储能科技研究院有限公司成立，法定代表人为陈小波，注册资本5亿元，系宁德时代全资子公司。厦门实证储能科技研究院有限公司的经营范围，包含新兴能源技术研发、储能技术服务、工程和技术研究和试验发展、工业工程设计服务、专用设备制造等。

来源:中国证券网

4、提案摘登｜加快化工新材料产业高质量发展步伐

福建省政协委员、福州大学材料科学与工程学院副院长林梅金建议，加快攻克高端化工新材料产品供给不足、关键原料的产业链和供应链不配套、自主创新能力水平不够等问题，推动化工新材料产业的技术创新与高质量发展。

紧跟国际前沿，加强超前部署，形成一批具有自主知识产权的国际领先的原创核心技术。如突破一批新型催化、微反应等过程强化技术，开发一批新材料技术，抢占一批科技制高点；发展电子特气、电子级湿化学品、光刻胶、电子纸等高端电子化学品，加强石墨烯材料和3D打印材料的研发和应用研究等。

来源：东南网

5、2023年常州市创新产品拟认定名单公示

近日，常州市工信局发布2023年常州市创新产品拟认定名单公示，公示期为2024年1月26日至2月1日17:00时。常州第六元素材料科技股份有限公司“石墨烯SE1233”和“氧化石墨烯SE2430”两款产品和江苏杉元科技有限公司的“石墨烯复合导电浆料SY10E系列”产品进入2023年常州市首批次新材料拟认定名单。

6、石墨烯热管理技术交流会在国家石墨烯创新中心召开

1月25日，由中国石墨烯产业技术创新战略联盟组织的石墨烯热管理技术交流会在国家石墨烯创新中心顺利举行。墨睿科技有限公司、上海瑞烯新材料科技有限公司、中科院上海微系统所等企业、院所专家代表参加，中国石墨烯产业技术创新战略联盟理事长、国家新材料产业发展专家咨询委员会委员李义春，国家石墨烯创新中心主任、中国科学院宁波材料所研究员刘兆平等创新中心高管和相关项目负责人参会。

来源：国家石墨烯创新中心

7、御窑遗址跃然于墙，BGI让中国短视频大会“更有温度”

近日，北京石墨烯研究院(BGI)为第四届中国短视频大会提供特别定制石墨烯电暖画。石墨烯电暖画是在全民大健康背景下衍生出的时尚养生艺术产品。将石墨烯材料与装饰画进行完美结合，让石墨烯的发热功能具备了更美的外观形态。BGI为中国短视频大会专属定制的电暖画产品，其画面为琉璃烧制技艺和制品相关的元素，画质清晰、层次分明，不但宣传了国家级非遗琉璃烧制技艺，而且体现了金隅琉璃文化创意产业园作为元、明、清三朝皇宫御窑厂遗址的文化底蕴，是本次大会利用新科技提高艺术传播和推进中国好故事传播的重要体现。

来源：北京石墨烯研究院

石墨烯，一种被誉为“新材料之王”的二维晶体，以其超薄、超轻、超强的特性赢得了科研领域的广泛关注。然而，由于被过度炒作以至于被滥用在电暖气、化妆品，甚至内衣之类的产品中，石墨烯的名声一度大受影响。公众甚至将石墨烯类比成曾经的纳米水、光催化和负氧离子空气净化器，认为其产品全是“忽悠人的”。在大众的心目中，石墨烯几乎被营销“玩坏了”。

石墨烯的过度营销

两年前，中国科学院院士刘忠范曾表示，“后摩尔时代，放过石墨烯吧。”的确，在过去的一段时间里，石墨烯几乎成为各种概念的代表，被冠以各种神奇的属性，有时甚至超越了其真实的科学价值。

更为关键的问题是，直到最近，石墨烯一直没有解决的“带隙”问题。带隙是半导体材料中的一个关键概念，而石墨烯之前的带隙为零，即没有，使其成为导体而非半导体。这个难题困扰了科学家们几十年，阻碍了石墨烯在电子领域的应用。

石墨烯半导体的突破之路

然而，最新的研究给我们带来了一线希望。来自佐治亚理工学院和天津大学的研究团队创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体。他们通过在碳化硅晶圆上生长石墨烯，成功解决了石墨烯没有带隙的问题。这个突破性的发现让石墨烯具备了半导体的特性，为其在电子产品领域的广泛应用打开了新的大门。

石墨烯是一种单层石墨，由碳原子以六角形蜂巢晶格排列而成。它的特性超薄、超轻、超强，拥有高电荷载流子迁移率、双极场效应以及优异的电学和机械性能。在过去的研究中，科学家们一直试图克服石墨烯的“带隙”问题，以使其在半导体领域发挥作用。

在过去的研究中，科学家们曾尝试通过改变石墨烯的形状、量子约束和化学功能化等方法来引入带隙，但都未能成功制造出可行的半导体石墨烯。这次的突破来自于在特定碳化硅晶面上对石墨烯进行退火的方法，使其能够像硅一样工作。这一关键性的发现为石墨烯在电子领域的应用带来了巨大的希望。

挑战与前景：实现产业规模应用

尽管成功解决了带隙问题，但要让石墨烯半导体真正应用到产业，仍然面临挑战。首先，大规模生产仍是一个问题。然而，研究团队采用在碳化硅衬底上生长石墨烯的方法，省去了石墨烯转移步骤，使其更容易与现有硅工艺兼容，为实现大规模应用铺平了道路。

然而，要实现石墨烯半导体的大规模应用，仍有诸多挑战需要克服。首先，石墨烯的制备成本高，规模化生产面临困难。其次，作为二维平面材料，石墨烯受到量子效应的影响，需要深入研究其导电性。最后，石墨烯的一致性、稳定性和质量问题仍然需要解决，以确保其在产业中的可行性和竞争力。

结语

“石墨烯是过度炒作的受害者”，诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆这样形容。然而，现在随着一项重大的突破，石墨烯半导体才刚刚开始展现其潜力。这一突破让我们有理由重新审视这个被过度炒作的新材料，一种可能将在集成电路、场效应晶体管、大功率LED散热、可穿戴电子器件、石墨烯化学传感器等领域发光发热的新材料。当然并不是说就此大规模投资石墨烯，而是更好地理解石墨烯的价值，找到其真正的应用突破口。在前面的路上，石墨烯有望像碳化硅和氮化镓一样，为半导体制造及其下游产品提供更多选择，贡献自己独特的力量。

来源：百家号|涟漪杂谈

经过与聚合物和复合材料专业制造商合作多年的开发，Carbon Waters开发了一系列基于石墨烯的高性能添加剂，在这个专用的Graph’Up系列上进行的测试突显了热固性聚合物（环氧树脂）的机械性能的显着改善，已经与多家欧洲公司启动了资格认证阶段，特别是针对风力发电领域的应用。此外，Carbon Waters还与一家领先的特种聚合物公司启动了研发合作。目标是在非常特殊的聚合物系列中加入这一系列添加剂，以应对风能行业中使用的复合材料可回收性的挑战。

自20世纪90年代初以来，风力涡轮机，这些将风能转化为电能的现代风车，越来越多地出现在我们的景观中。作为能源转型的一部分，风力涡轮机市场正在不断增长，以提供更环保的能源并控制对环境的影响。据Ademe称，这种能源将是其整个生命周期中污染最少的能源之一。然而，该行业面临着一定的困难，特别是某些风力涡轮机部件的使用寿命和回收利用。Carbon Waters进行了盘点。

风力涡轮机带来显着的环境效益

如果风电场数量成倍增加，例如在法国，其发电量占总发电量的近10% ，这显然是为了发展可再生能源。无论是陆上还是海上，一台2兆瓦风力涡轮机每年平均发电4200兆瓦时，相当于法国约800个家庭的平均用电量。此外，根据国际能源署（IEA）的数据，风能有助于大幅减少CO2排放。2020年，风力发电避免了近1.7亿吨温室气体的排放。与核能或天然气等其他类型的能源生产不同，这种能源可以在不污染环境的情况下发电，从而保护动植物群。

风电行业存在的问题

尽管具有所有这些优势并且该行业蓬勃发展，但它仍然受到两个与组件寿命终止直接相关的困难的困扰：
1、叶片的可回收性：目前使用的复合材料（环氧树脂或聚酯树脂中混合的玻璃纤维和碳纤维）不可回收；
2、用于海上风力涡轮机的复合材料的脆弱性。

关于第一点，制造商（西门子能源、阿科玛）正在致力于生产用于海上风力涡轮机叶片的可回收树脂。西门子歌美飒 (Siemens Gamesa)是西门子能源集团旗下专注于风力发电的子公司，已经通过其RecyclableBlade系列提供解决方案。然而，对于陆上风力涡轮机来说，问题似乎更加复杂，该风力涡轮机由两部分组成，其胶接会在可回收性方面造成问题。

关于海上设备复合材料的脆弱性，当前发生的事件直接证明了这一点。最近，西门子歌美飒遭受了非常重大的财务损失。原因是技术问题，主要是叶片存在质量缺陷，导致断裂。全球第二大风力发电机制造商宣布，15%至30%的风电场将受到影响，即超过30GW的风力发电机，损失近30亿美元。该集团股价在股市也下跌超过30%。

石墨烯作为增强风力涡轮机并延长其使用寿命的解决方案

为了克服海上风力涡轮机的质量问题（顾名思义，海上风力涡轮机要承受恶劣的条件），可以采用解决方案来保持构成风力涡轮机的材料的完整性。为了增强由复合材料制成的风力涡轮机叶片的强度，同时提供极大的重量，石墨烯是理想的材料。美国凯斯西储大学的一项研究证明了碳在这两方面的有效性。用碳纳米管增强的叶片的强度是传统叶片的8倍，而且重量轻得多，从而可以减轻涡轮机的负载。对于海上设备，还必须考虑防腐因素。同样，石墨烯凭借其出色的阻隔性能，有助于保护材料免受氧化。以添加剂形式，它可以在风力涡轮机叶片的制造过程中直接融入树脂中。材料受到更好的保护，使用寿命更长。这些解决方案集成到风力涡轮机的复合材料中，可以减少某些风电场的更新，从而显着节省维护费用。

Graph’Up：基于石墨烯的高性能添加剂，适用于风能领域

经过与聚合物和复合材料专业制造商合作多年的开发，Carbon Waters开发了一系列基于石墨烯的高性能添加剂，可以直接应对这些挑战。因此，在这个专用的Graph’Up系列上进行的测试突显了热固性聚合物（环氧树脂）的机械性能的显着改善，包括在低浓度下：
1、牵引力和抗变形能力+30%；
2、刚性+50%；
3、+30°C耐温性（更多信息请垂询）。

此外，已经与多家欧洲公司启动了资格认证阶段，特别是针对风力发电领域的应用。此外，Carbon Waters还与一家领先的特种聚合物公司启动了研发合作。目标是在非常特殊的聚合物系列中加入这一系列添加剂，以应对风能行业中使用的复合材料可回收性的挑战。

信息来源：石墨烯网、Carbon Waters

1、宝泰隆石墨烯产品入选2023年黑龙江省重点新产品

日前，黑龙江省工信厅发布了2023年黑龙江省重点新产品专家评审结果公示名单，宝泰隆新材料股份有限公司一项石墨烯新产品通过省重点新产品认定，充分展现出宝泰隆石墨烯产业发展的竞争优势和创新研发水平。

公开资料显示，宝泰隆是国内领先的石墨烯生产企业，也是国家石墨烯创新中心和北京石墨烯研究院发起股东之一。依托国家石墨烯创新中心、北京石墨烯研究院、黑龙江省液相法石墨烯制备及产业化应用研究重点实验室等科研矩阵，宝泰隆具有强大的研发实力和创新能力，先后参与起草石墨烯产业创新联盟团体标准1项，起草黑龙江省石墨烯监测地方标准3项。

（摘自中国网）

2、BGI中标“中国华能集团风电机组叶片除冰电加热设备”项目

近日，经过激烈竞标和严格评审，北京石墨烯研究院有限公司（BGI），成功中标“中国华能集团风电机组叶片除冰电加热设备”项目。

BGI团队一直努力探索如何利用蒙烯玻纤材料的独特电学热力学特性解决风电机组冬季叶片覆冰的难题。在2023年3月成功吊装了全球首台使用蒙烯玻纤材料的风电机组除冰叶片样机。此次中标后，BGI与华能集团清能院展开合作，共同研发解决叶片覆冰问题的高效电热解决方案。（摘自北京石墨烯研究院）

3、国家自然科学基金基础科学中心项目“石墨烯制备科学”2023年度总结会顺利举行

1月17日，国家自然科学基金基础科学中心项目“石墨烯制备科学”2023年度总结会在北京石墨烯研究院（BGI）举行。中国科学院原院长白春礼院士，徐春明院士，张锦院士，自然科学基金委交叉科学部副主任潘庆等出席会议。

潘庆副主任代表自然科学基金委交叉科学部发言。他指出，“石墨烯制备科学”作为交叉科学部资助的首批两个基础科学中心之一，实施两年来在基础研究和技术研发方面进展显著。项目组在石墨烯薄膜大面积快速生长工艺上实现了4-6英寸石墨烯单晶晶圆；针对新型石墨烯材料，形成了石墨烯玻璃纤维和金属复合纤维生长方法，以及高稳增长板块设计；针对应用牵引石墨烯材料，完成了发展高迁移率，功率可调和石墨烯制备迁移方法等，较好地完成了项目既定的阶段性任务。希望BGI项目团队在后续3年的工作中不忘初心，圆满完成计划书规定的任务。（摘自北京石墨烯研究院）

4、宇航派蒙石墨烯热管理应用研发及产业化入选山东省2024年省重大项目名单

近日，山东省政府下达了2024年省重大项目名单，其中，石墨烯联盟（CGIA）理事单位宇航派蒙石墨烯热管理应用研发及产业化项目赫然在列。这不仅是对项目的高度认可和大力支持，更是对宇航派蒙在石墨烯热管理领域的技术实力和产业化能力的肯定。

此项目，旨在进一步提升石墨烯热管理材料的性能指标，推动其在实际应用中的产业化进程。建成后，将成为全球最大的石墨烯热应用材料生产基地，具备年产150万方石墨烯发热膜及500万件套石墨烯智能发热终端系列产品的生产能力，在热管理应用研发及产业化角度引领行业发展方向、拓展新材料石墨烯的应用领域，不仅有助于提升国际竞争力，还将为当地的经济发展创造贡献。（摘自石墨烯联盟（CGIA））

5、未来生物技术中石墨烯的跨界融合创新应用技术研讨会成功举办

1月17日由中科院苏州纳米所、江苏省生物医学工程学会、常州大学、常州科教城管委会、常州市科协、常州西太湖管委会联合指导，江苏省石墨烯产业技术创新战略联盟、常州市新能源之都产科教联盟、常州市生物医学工程学会、常州大学医学与健康工程学院、江南石墨烯研究院、江苏省石墨烯创新中心联合主办、常州医疗器械产业研究院、西太湖健康产业发展中心、常州市武进区石墨烯产业联合会、常州市石墨烯产业科学技术协会、常州市新能源产科教联盟公共服务平台联合承办的“未来生物技术中石墨烯的跨界融合创新应用技术研讨会”在都喜富都滨湖酒店成功举办。

会议邀请了常州市生物技术、医疗大健康、石墨烯等相关企业代表参会，采取线上直播、线下互动的方式进行，共计200余人参加了活动。（摘自墨烯大联播）

6、国家石墨烯创新中心技术成果产业化对接会举行

为加快推进石墨烯创新成果产业化，加强石墨烯与宁波市相关产业融合发展，1月21日上午，国家石墨烯创新中心技术成果产业化对接会顺利举行。市委常委、常务副市长赵海滨牵头召集会议，宁波市大优强以及行业龙头企业代表参加。

现场，雅戈尔集团、方太厨具、公牛集团、灏钻科技、吉田科技等5家企业与石墨烯创新中心达成应用合作意向，并进行签约。市经信、市科技、宁波城投和镇海区领导，分别从如何实现从关键共性技术到推动技术成果转化和加速商业化的体制机制优化，深化基础科研攻关，聚焦关键领域环节，强化资源整合和项目落地等方面提出相关意见建议。（摘自国家石墨烯创新中心）