新材料系列报告之二：石墨烯专题——新材料技术革命的引领者.pdf

敬请阅读末页的重要说明 证券 研究报告 | 行业 专题报告 原材料 | 钢铁 推荐 （ 维持 ） 新材料技术革命 的引领者 2014年 08月 04日 新材料系列报告之二 ： 石墨烯专题 上证指数 2185 行业规模 占比 % 股票家数（只） 50 2.1 总市值 （亿元） 4395 1.8 流通市值（亿元） 3798 1.9 行业指数 % 1m 6m 12m 绝对表现 11.1 16.9 15.7 相对表现 3.5 11.1 12.0 资料来源： 贝格数据 、招商证券 相关报告 1、 2014 年 7 月中旬钢铁行业产销数据点评 粗钢日均产量小幅下降，库存量略有上升 2014-07-29 2、建筑钢需求增加预期下的行业投资机会点评 下游基建加码 /地产放松预期增强，行业反弹 2014-07-18 3、 新材料系列报告之一 -否极“钛”来，“钛” 不简单 2013-01-30 石墨烯是二十一世纪以来新材料科学领域最为耀眼的一颗新星 ，未来有望在电子、新能源、高端制造、医疗等领域展开多种应用 。目前，中国石墨烯技术处于初级产业化阶段，未来在技术、工艺和产业链对接方面还需要投入大量资源。预计石墨烯未来有望最先应用于太阳能透明电极、散热材料和触摸屏等电子领域。我们充分看好石墨烯材料在未来的广泛应用空间 ， 建议关注相关 主题 性投资机会 。 石墨烯具备 多种优异 性质 ，未来下游应用市场有望达到万亿级别 。 石墨烯 具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质。它是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时具备透光性好，具备导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等众多普通材料不具备的性能，未来有望在电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料之一 ，未来的市场空间有望 超过万亿 。 石墨烯技术开发是材料科学领域中热点前沿 ，中国技术储备实力雄厚 。 目前美国、英国、中国、日本和韩国等国家的产业化开发处于相对前列。全球范围内都开展了相关的研究。截至 2014 年 7 月底 的最新数据表明，有关石墨烯产业化相关专利，中国排名第一，技术储备相对丰厚。 未来一旦石墨烯 大规模产业化成功，中国有望在未来全球石墨烯产业格局中占据先机。 石墨烯目前正处于产业化攻坚阶段。 目前石墨烯产业关键 和难点 是相关 材料的制备 、转移 技术和上下游产业链整合 ，上述进程推进尚需假以时日 。 鉴于石墨烯优良的性质和未来广阔的应用空间， 我们看好当前有相应技术储备的公司，或 与研究机构有广泛合作的 公司，未来一旦石墨烯顺利 产业化，此类公司的研究成果有望快速转化为公司业绩，在产业竞争格局中占据有利地位。 目前涉及到石墨烯 业务的上市公司较多，均处于研发试验或新涉阶段，尚未对业绩构成实质性影响，建议关注中国宝安、烯碳新材、金路集团、中泰化学、康得新、力合股份、华丽家族和方大碳素等涉及石墨烯业务的公司 ，未来主题性投资机会有望持续 。 风险提示：石墨烯尚未 正式 产业化，未来发展 存在一定 不确定性。 张士宝 0755-83734778 zhangsbcmschina S1090511040020 孙恒业 0755-25310971 sunhengyecmschina S1090512080004 重点公司主要财务指标 股价 12EPS 13EPS 14EPS 13PE 14PE PB 评级 包钢股份 4.2 0.04 0.03 0.06 140 70 1.2 强烈推荐 -A 钢研高纳 16.84 0.33 0.41 0.52 41 32 3.6 强烈推荐 -A 国瓷材料 32.86 0.53 0.69 0.86 48 38 6.7 强烈推荐 -A 久立特材 18.63 0.5 0.7 0.9 27 21 3.3 强烈推荐 -A 三钢闽光 5.08 -0.4 0.04 0.18 127 28 1.0 强烈推荐 -A 银邦股份 14.52 0.63 0.41 0.93 35 16 1.6 强烈推荐 -A 玉龙股份 12.99 0.37 0.46 0.62 28 21 2.1 强烈推荐 -A 宝钢股份 4.5 0.63 0.39 0.44 11 10 0.6 强烈推荐 -A 资料来源： 公司数据、 招商证券 -10 -5 0 5 10 15 Aug-13 Nov-13 Mar-14 Jul-14 (%) 钢铁 沪深 300 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 2 正文目录 一、石墨烯简介 . 5 二、石墨烯未来应用领域 . 6 1. 纳米传感器 . 8 2. 石墨烯电极 . 10 （ 1）应用于太阳能电池领域，替代多晶硅 . 11 （ 2）超级电容器 . 13 （ 3）石墨烯触摸屏 . 14 3. 石墨烯的其他应用 . 17 （ 1） LED 散热材料 . 17 （ 2）石墨烯集成电路 . 18 （ 3）石墨烯用于其他领域 . 19 三、全球石墨烯技术开发格局及产业化进程 . 20 1. 当前制备石墨烯的技术 . 20 2. 当前各国石墨烯技术开发格局及进程 . 22 3. 目前我国石墨烯研究进展情况 . 25 4. 上市公司有关石墨烯业务方面的进展 . 31 （ 1）中国宝安 -子公司贝 特瑞是全球最大的石墨负极材料生产商 . 31 （ 2）烯碳新材：转型至石墨烯等新材料领域 . 31 （ 3）金路集团：与中科院金属所合作 . 32 （ 4）中泰化学：参股厦门凯纳 . 33 （ 5）康得新：设立全资子公司康得新石墨烯应用科技 . 33 （ 6）其他涉及石墨烯业务的公司 . 34 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 3 图表目录 图 1： 石墨和多层取向石墨烯结构示意图 . 5 图 2： 碳单质家族（五环 /六环原子晶格） . 5 图 3： 单层石墨烯原子晶格结构图 . 5 图 4： 晶面扭曲确保了单层原子结构的稳定性 . 5 图 5：单层石墨烯主要性质 . 6 图 6：石墨烯卓越的导电性和透光性 . 6 图 7：石墨烯衍生物 . 7 图 8：未来石墨烯可能的应用领域 . 7 图 9：未来石墨烯可能的应用产品 . 8 图 10：纳米传感器分类 . 9 图 11：单壁碳纳米管传感器测量金原子质量 . 10 图 12：以钨基合金纳米晶 为催化剂生长单一手性单壁碳纳米管 . 10 图 13：石墨烯电极未来应用领域 . 11 图 14：石墨烯电极未来的应用领域 . 11 图 15：石墨烯制造的柔性太阳能电池板 . 12 图 16：厚度为 0.3 纳米的石 墨烯沉积在玻璃基板上 . 13 图 17：超级电容结构图 . 13 图 18： 全球智能手机出货量及增速（百万部） . 14 图 19： 中国智能手机出货量及增速（百万部） . 14 图 20：全球平板电脑出货量（百万部） . 14 图 21：石墨烯触摸屏工作原理 . 15 图 22：石墨烯触摸屏具备良好的机械柔 性 . 15 图 23：石墨烯触摸屏比之传统的液晶屏优势 . 16 图 24：石墨烯触摸屏主流技术 . 16 图 25：全球 LED 照明芯片产值 . 17 图 26：石墨烯晶体管原理示意图 . 18 图 27：首个用石墨烯制成的芯片 . 19 图 28：当前石墨烯主流制备方法 . 20 图 29：石墨烯 CVD 工艺流程 . 21 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 4 图 30：英国、欧盟、韩国及我国石墨烯相关重大支持政策 . 22 图 31：美国有关石墨烯重大支持政策 . 23 图 32：主导石墨烯研发各国家申请石墨烯专利数量 . 23 图 33：石墨烯相关专利的热点研究方向 . 24 图 34：技术生命周期主要阶段分类 . 26 图 35：当前石墨烯产业化难点 . 27 图 36： 铜基底石墨烯 . 28 图 37： 转移硅基底石墨烯 . 28 图 38： CVD 法制备石墨烯薄膜工艺流程图 . 28 图 39：公司硅基底石墨烯薄膜技术参数 . 29 图 40：公司铜基底石墨烯薄膜 技术参数 . 29 图 41：辉锐科技主要产品 . 30 图 42：先进的激光蚀刻技术 . 30 图 43：辉瑞科技的工艺流程线 . 30 图 44：辉锐科技开发的柔性屏 . 31 图 45：力合股份参股二维碳素 . 34 图 46：钢铁行业历史 PE Band . 35 图 47：钢铁行业历史 PB Band . 35 表 1：当前 ITO 薄膜和石墨烯薄膜主要性能对比 . 12 表 2：新材料发展六大重点领域 . 25 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 5 一、石墨烯 简介 近年来，新材料领域发展日新月异，而石墨烯无疑是新材料领域最耀眼的一颗新星 。 严格来说， 石墨烯是由 单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料，在实验室成功制备石墨烯样本之前，石墨烯通常被认为是假设性结构。 2004 年，英国科学家利用 特殊胶带将 石墨 薄片反复分离，最后得到由单层碳原子构成的薄膜，成功制备 石墨烯。自此以后，制备石墨烯的方法层出不穷，未来石墨烯有望快速进入工业化生产阶段。 图 1： 石墨和多层取向石墨烯结构示意图 图 2： 碳单质家族（五环 /六环原子晶格） 资料来源： 公司公告、 招商证券 资料来源： 公司公告、 招商证券 石墨烯的发现颠覆了凝聚态物理学界既往的二 维材料不能在有限温度下存在的 观念， 其结构非常稳定，各项物理性质优异。迄今为止，相关研究并未发现石墨烯样本中出现碳原子缺失的情形。 微观 碳原子 结构稳定，原子间作用力强，原子面出现弯曲变形以应对外部机械力，具备良好的承受外力作用。同时六角蜂巢晶体 的稳定 结构使得石墨烯具备良好的导电性，碳原子发生挤撞，电子 运动 基本不会受到影响。 图 3： 单层 石墨烯原子晶格结构图 图 4： 晶面扭曲确保了单层原子结构的稳定性 资料来源： 公司公告、 招商证券 资料来源： 公司公告、 招商证券 石墨烯 具备众多优异的力学、光学、电学和微观量子性质。它是目前最薄也是最坚硬的纳米材料，同时 具备透光性好 ，具备导热系数高、电子迁移率高、电阻率低 、机械强度高等众多普通材料不具备的性能 ，未来有望在 电极、电池、晶体管、触摸屏、太阳能、传感器、超轻材料、医疗、海水淡化 等众多领域应用，可以说是未来最有前景的先进材料之一。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 6 图 5： 单层石墨烯主要性质 资料 来源： 公司公告、招商证券 二、 石墨烯未来应用领域 由于石墨烯独特的原子排列方式和众多优异的性能，应用范围非常广泛 ， 针对不同的性能，可以延伸出诸多应用。 图 6： 石墨烯 卓越的导电性和透光性 资料 来源： 公司公告、招商证券 目前石墨烯材料分为两类，一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜，另一种是由多层石墨烯构成的微片。石墨烯薄膜又分为单晶薄膜和多晶薄膜。其中单晶薄膜可以用于集成电路等电子领域，但是产业化尚待时日。而多晶薄膜有望在 5-10 年内实现产业化应用，替代 ITO 玻璃用于制造触摸屏（特别是柔性制造屏） 和其他需要透明电极的领域。 除了纯石墨烯之外，另外还有很多石墨烯衍生物，未来也会有较为广泛的应用。 石墨烯性质 载流子迁移：电子移动速度达到光速的 1/300,远超其他导体 透明度：仅吸收 2.3%的可见光，几乎完全透明 机械强度：超高强度，是高性能钢铁强度的 200倍 导热性：优于金属银和铜，导热系数高达 5300W/m.K 电阻率：常温电阻率最小的材料，小于银和铜 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 7 图 7： 石墨烯衍生物 资料 来源： 公司公告、招商证券 总体而言，石墨烯 未来应用领域将主要集中在电子、新能源、生物医疗、 高精度制造业、水处理等高精尖技术领域。 图 8： 未来石墨烯可能的应用领域 资料 来源： 公司公告、招商证券 我们预计，石墨烯有望最先应用于电子技术领域。 未来应用 单分子气体侦测，原子级传感器 石墨烯太阳能电池 集成电路电子器件，场效应晶体管 透明导电电极（触摸屏、液晶、有机光伏电池、发光 LED） 场发射源及真空电子器件 超级电容器 海水淡化系统 生物医疗：分子闸、基因测序、抗菌器件 石墨烯感光元件 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 8 图 9： 未来石墨烯可能的应用产品 资料 来源： 公司公告、招商证券 1. 纳米传感器 与传统的传感器相比，纳米传感器具备尺寸小，精度高的特性。更为重要的是，原子级别的传感器与宏观传感器相比， 具备多种独有的微观性质，显著拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器广泛应用于生物、化学、机械、航空、军事等方面 。 目前主要的纳米传感器主要包括纳米磁敏传感器、纳米生物传感器和纳米光纤传感器。由于纳米传感器尺寸主要取决于探针针头大小，所以传感器尺寸显著减小，同时相应时间大大缩短， 满足微观高精度测量需要。 随着工业生产和环境监测的需要，纳米气敏传感器的研发获得了长足的进展， 未来有望 率先 实现 商业化应用 。 目前纳米气敏传感器可以用金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管、以及纳米薄膜等等制作。 与传统的传感器相比，纳米传感器 不仅尺寸有显著减少，同时具备诸多优点：其一，纳米传感器具备巨大的比表面积，传感器与气体充分接触，从而大大提升了检测的灵敏度；其二，由于纳米传感器非常灵敏，工作温度也大大降低。 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 9 图 10： 纳米传感器分类 资料 来源： 公司公告、招商证券 利用纳米材料的磁阻效应， 科学家研制出纳米磁阻传感器。 利用纳米颗粒研究制成纳米光纤生物传感器，不但具有光纤传感器的优点， 而且 由于此种传感器的尺寸主要取决于探针的大小， 测微传感器的体积和尺寸显著减小，相应时间大大缩短，完全可以实现微创动态测量。 目前，纳米气敏传感器 主要包括金属氧化物半导体纳米气敏传感器和单笔碳纳米管纳米气敏传感器。 基于金属氧化物半导体纳米颗粒的纳米气敏传感器 主要采用对气体 敏感 的 材料 ，如SnO2， ZnO， TiO2， Fe2O3 等，利用上述材料的 电导 变化特性 来制作气敏传感器。目前由纳米 SnO2 膜制成 的 气敏传感器 已经实现商业化 ，用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。 在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒（例如 Pt 和 Pd）， 可显著增强敏感材料对检测物质的 选择性 和 灵敏度， 同时使得工作温度显著降低。 其性能的具体改善程度与加入贵重金属纳米颗 粒的晶粒尺寸、化学状态及分布 相关 。 还有采用 TiO2/PtO2双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。 此种传感器 在空气中 ， 甚至在 CO、 NH3、CH4 等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性， 相比之前的 钛基探测氢气的传感器 灵敏度有显著提升 。 还有用 非电镀金属沉积法沉积 Pt在 SnO2纳米颗粒的表面， 试验 证明这种方法 可以显著 改善气敏传感器催化剂的性能。与传统方法相比，用非电镀沉积法形成的催化剂的不同化学状态，为研究催化剂对气体探测机制的影响提供了一种新的方法。 单壁碳纳米管气敏传感器 的工作原理 ： 碳纳米管具有一定的吸附特性， 吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测气体成分 。目前已经有 用化学气相沉积法在分散有催化剂的 SiO2/Si 基片上 制得 的 单个的单壁碳纳米管， 此种碳纳米管使得 传感器在复杂的气体环境中具有选择性 ，区分度和灵敏度较之传统的传感器有显著提升。 纳米传感器 生物化学传感器 流量 /压力 /温度 传感器 气敏传感器 金属氧化物半导体 颗粒传感器 单壁碳纳米管 传感器 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 10 图 21： 单壁碳纳米管传感器测量金原子质量 资料 来源： 公司公告、招商证券 单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能， 但是纳米管制备一直是难点 。实现结构和性质可控的制备是单壁碳纳米管应用的基础和关键， 同时也 成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。 北京大学 李彦课题组提出了一种利用具有固定结构的催化剂来调控生成的单壁碳纳米管结构的方案。他们 采用一种高熔点的 钨基合金催化剂，能够在单壁碳纳米管生长的高温 环境下保持其晶态结构和形貌。同时，这类催化剂本身具有独特的结构，有助于单壁碳纳米管的成型。 图 32： 以钨基合金纳米晶为催化剂生长单一手性 单壁碳纳米管 资料 来源： 公司公告、招商证券 该研究为解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一 难题提供了一种可行 的方案，为碳纳米管的应用 ， 尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。 2. 石墨烯 电极 石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。 试验证明，石墨烯比表面积高达 2600m2/g，导电性极高， 且储能效率是现有材料的近两倍， 是理想的电极材料。石墨烯作为电极使用时，其比表面积显著超过其他材料。因此，石墨烯在取代其他电极材料方面有广阔的应用前景，即便是目前商用超极电容器使用的活性炭等材料，比表面积也不过 1000-1800 m2/g 左右 ，石墨烯的电学综合性能显著超越当前的各种材料，未来有相当大的应用空间 。 未来石墨烯有望应用在多种领域，包括汽车、电子、电气化机械等。