纳米碳材料具有优异的电学、光学、力学、热学等性质，其优异的性质是由其特殊的结构所决定的。富勒烯（fullerene，亦称足球烯）是一类由碳元素构成的中空分子，形状以球形和椭球形为主。与石墨的成键结构不同，富勒烯中的碳原子不仅会形成六元环，还会形成五元环，并按照一定规则排列形成零维的立体构型。碳纳米管（carbon nanotube，CNT）可以看作由单层石墨片卷曲而成的中空管状一维纳米结构，具有优异的电学、力学和热学特性。根据结构的不同，碳纳米管可以细分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金属性碳纳米管、半导体性碳纳米管。石墨烯其实就是单层石墨片，是由sp² 杂化的碳原子构成的六方蜂窝状的二维晶体材料。人们一般把10 层以下的少层石墨片称为石墨烯，层数不同、层间堆垛结构不同，性质也有所差异。石墨烯号称“新材料之王”，是当今最炙手可热的新型纳米碳材料。石墨炔是以sp 和sp² 两种杂化态碳原子形成的二维碳同素异形体，正是由于碳碳双键、碳碳三键之间可以具有多种组合形式，石墨炔具有多种不同的结构，如α-石墨炔、β-石墨炔等，丰富的结构也对应着不同的电子结构和理化性质。

从1985 年发现至2020 年，短短35 年，纳米碳材料已走出实验室，走进了人们的生活。随着碳材料研究的深入，纳米碳材料的产业化脚步不断加快，因此，21 世纪或许可被称为碳世纪，纳米碳材料的战略意义不言而喻。纳米碳材料因其优异的性能已经成为主导未来高科技竞争的战略材料之一，碳纳米管的杨氏模量为0.27 T～1.34 TPa，抗拉强度为11 G～200 GPa，热导率高达约3500 W/(m·K)。在室温下，碳纳米管具有极高的本征载流子迁移率，超过了硅基半导体材料的本征载流子迁移率［典型的硅场效应晶体管的电子迁移率为1100 cm²/(V·s)］。金属性碳纳米管的费米面上的电子速度为8×10⁵ m/s，室温电阻率为10^-6 Ω·cm，性能优于最好的金属导体（如铜）。它可以承受超过10⁹ A/cm² 的电流，远远超过集成电路中铜互连所能承受的10⁶ A/cm² 的上限，而石墨烯是由单层碳原子构成的蜂窝状二维晶体材料。石墨烯集众多优异性能于一身，如超高的载流子迁移率、超高的机械强度、良好的柔性、超高的热导率、高透光性、良好的化学稳定性等。石墨烯是零带隙半金属材料。单层石墨烯的电子在狄拉克点附近的有效质量为零，为典型的狄拉克费米子特征，因此也称为狄拉克材料。石墨烯中电子的费米速度高达10⁶ m/s，是光速的1/300。石墨烯独特的能带结构带来诸多神奇的性质，如室温量子霍尔效应、整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、量子隧穿效应、双极性电场效应等。尤其需要强调的是，石墨烯是已知载流子迁移率最高的材料，室温迁移率大于150 000 cm²/(V·s)，理论电导率达10⁸ S/cm，比铜和银还高。石墨烯也是导热性能最好的材料，其热导率高达5300 W/(m·K)。石墨烯的卓越特性还体现在其力学性能上。它是已知材料中兼具强度和硬度最高的超级材料，力学强度达130 GPa，弹性模量达1.1 TPa，平均断裂强度达55 N/m，是相同厚度钢的100 倍。此外，单层石墨烯在可见光全波段的吸光率仅为2.3%，高透光率使其有望成为理想的柔性透明导电材料，也为高灵敏度宽光谱光电探测提供了新的材料选项。石墨炔作为新的碳同素异形体在具有能带带隙的同时，还保留着远高于硅材料的载流子迁移率。美国《科学》速评指出，这是可望超越石墨烯的新一代纳米碳材料。

基于纳米碳材料优异的材料性能，纳米碳材料在涉及国计民生的诸多领域有广阔的应用前景，其实用化将对国家安全、信息通信、新能源、航空航天、智能交通、资源高效利用、环境保护、生物医药及新兴产业的发展起到极大的推动作用。在电子信息技术领域，纳米碳材料为下一代纳电子器件开发提供了材料支撑。碳基电子学被认为是下一代电子技术的重要选项，可能在未来10～15 年显现出商业价值。碳纳米管基集成电路的大规模芯片有望未来实现大规模的产业应用，而石墨烯被认为是新一代柔性透明导电薄膜材料，有望替代传统的氧化铟锡透明导电玻璃，推动柔性显示器、柔性触摸屏、柔性可穿戴器件、电子标签、柔性电子等相关产业快速发展。在光电器件领域，人们正在研发基于纳米碳材料的光电探测器、传感器、电光调制器、锁模激光器、太赫兹发生器等相关应用。未来的碳基电子和光电子器件将体现出速度更快、功能更强大、质量更轻等无与伦比的特性。在新能源领域，纳米碳材料本身耦合了优异的导电性、极高的比表面积和可控的三维网络结构等特性，赋予了其在电化学储能领域巨大的应用潜力。在高强复合材料领域，碳纳米管具有非常优异的力学、电学、光学和热学等性能，是金属基复合材料理想的增强体。同时，纳米碳材料在热管理和电加热领域显示出巨大的发展潜力。毋庸置疑，纳米碳材料的实用化将对新兴产业链的发展起到积极的推动作用。这些纳米碳材料的新技术完全不同于已有的工业技术，可拥有自主的知识产权。我们需要抓住机遇，加大投入，整合我国在纳米碳材料可控制备方面的优势力量，同时强化“撒手锏”级的应用研发，打造具有国际竞争力的纳米碳材料高科技产业。

纳米碳材料也带来巨大的产业机遇和挑战。近二十年来，全球富勒烯、碳纳米管和石墨烯的产业化进程不断推进，市场价值逐年增加。纳米碳材料表现出巨大的商业价值。紧跟时代步伐，抓住纳米碳材料的产业化重大机遇，决定着我国未来高科技产业的核心竞争力。其中，富勒烯产业主要集中于制药工业、化妆品制造及超级电容器、储氢材料、催化剂等能源化工领域。富勒烯的商业化产品仍然集中在C60、C70 和C76。虽然受高成本和制备、分离技术所限，其应用仍处在起步阶段，但可以预期的巨大市场容量将促使各国对富勒烯的制备和应用研发投入巨资。全球富勒烯产业保持每年8%的增长速度。其中，中国、日本和印度等亚洲国家在富勒烯的产业化过程中起到了主导作用，应用领域主要集中在医疗和制药领域。碳纳米管的全球市场价值在2019 年达到45 亿美元，预计在2023年将达到98 亿美元，每年保持16% 的增长率。碳纳米管在集成电路芯片、高强复合材料、储能等领域的产业化推进速度较快。碳纳米管在纳米复合材料领域有巨大的应用潜力，约有69% 的碳纳米管用于复合材料领域。多壁碳纳米管仍是碳纳米管的主要产品，应用在透明导电薄膜、显示屏、传感器、超级电容器和锂离子电池等领域。碳纳米管的大规模制备为其产业化提供了坚实的基础。其中，化学气相沉积方法逐渐成为近几年大规模制备碳纳米管的主流方法，制备成本逐年下降。石墨烯的全球市场价值保持每年40%的增速。其中，中国石墨烯产业的市场规模在2015 年约为6 亿元，2016 年达到40 亿元，2017 年达到70 亿元，到2018 年已经上升到100 亿元规模，年均复合增长率超过100%。石墨烯作为复合材料和柔性电子器件占据主要份额。石墨烯产品主要包括石墨烯纳米片、氧化石墨烯和石墨烯薄膜。近几年，全球石墨烯产能迅速增长，其中化学气相沉积方法制备的石墨烯薄膜产量增长最迅速。

纳米碳材料领域的基础研究和产业推进可以有助于打造其在未来高科技产业领域中的核心竞争力，形成拳头优势。中国纳米碳材料产业发展面临着全球性的竞争。在重大机遇面前，各国政府出台各种资助政策，加大基础研究资助力度，刺激新兴产业快速发展。与此同时，全球性的产业竞争也带来全球性的合作机遇。因此，在全球化的大背景下，我国纳米碳材料的发展应该在结合自身特点的同时，加强国际合作、交流，吸引海外顶尖人才。总体上讲，人才竞争和知识产权竞争将是纳米碳材料领域的竞争焦点，也是形成拳头优势的关键抓手。

中国拥有全球最大的纳米碳材料研究队伍和产业大军，在基础研究、技术研发和产业化推进方面处于全球第一方阵，取得了举世瞩目的成就。我国科学家在纳米碳材料领域发表论文的数量早已跃居世界首位，且呈遥遥领先之势。在纳米碳材料的产业化应用方面也呈蓬勃发展之势，尤其在纳米碳材料的规模化生产和下游初级产品开发方面更是引领群雄。然而，机遇与挑战共存，中国纳米碳材料产业也面临诸多挑战：首先是大而不强、缺少原创性的成果和“撒手锏”级的核心技术。从统计数字上看，中国的纳米碳材料基础研究和产业化推进速度是独步全球的。但是，这些新材料都是舶来品，并非我们的0 到1 的原创性研究。急功近利的短平快追求模式极为普遍，且存在着简单重复和低水平竞争等严重问题。缺少对未来核心技术的关注和布局是必须引起重视的另一个严重问题。以石墨烯为例，大健康和电加热产品、导电添加剂、防腐涂料是我国石墨烯行业关注的“三大件”，占当前石墨烯产业的90% 以上。实际上，我们的关注点与美国、欧洲和日本等发达国家和地区根本不在一个频道上，后者更关注未来的技术研发，如碳基光电子技术和芯片、碳基传感器和物联网、碳基可穿戴技术、新一代碳基复合材料等。一方面的原因是投入力度不够和急功近利的成果评价机制。另一方面是创新主体的差异，我国的纳米碳材料产业主体是小微和初创企业，综合实力弱，大多没有自己的研发团队，关注的只是一些投入小、产出快的领域。反观美国、欧盟、日本、韩国等发达国家和地区，龙头企业发挥了主导作用，有足够的实力进行长远布局，久久为功，必将促进纳米碳材料产业的可持续性的高速发展。

其一，发挥制度优势，加强顶层设计：在时间维度上，在明确纳米碳材料未来发展的主线脉络基础上，制定纳米碳材料产业发展的路线图，通过五年规划、十年规划、二十年规划，稳步推进纳米碳材料产业的可持续发展，同时对各阶段的发展目标、关键技术、下游应用、产业布局等进行统一部署，分阶段长远布局，确保未来的核心竞争力。同时，根据国际和国内纳米碳材料产业发展的实时进展，合理规划、及时调整研发产业布局。在空间维度上，我国纳米碳材料产业发展的区域差异明显，应统筹合理规划全国纳米碳材料的产业发展布局，因地制宜，推进差异化、特色化、集群化发展，有效避免低水平重复建设和恶性竞争。

其二，聚焦“卡脖子”技术，加大经费支持力度，培育核心竞争力：真正把握纳米碳材料产业发展的主线脉络，加强对基础研究、关键共性技术、颠覆性技术创新等“卡脖子”技术的支持力度。纳米碳材料的制备是未来纳米碳材料产业的基石，也是制约纳米碳材料产业发展的主要“卡脖子”问题。因此，必须整合资源，加大投入力度，潜心攻坚克难，突破纳米碳材料规模化制备的核心技术。与此同时，布局未来，探索纳米碳材料的“撒手锏”级应用，方能使我国在未来纳米碳材料高端产业应用竞争中立于不败之地。我们不能只关注立竿见影的“味精”角色的纳米碳材料应用产品，而是应该探索真正意义上的战略新兴材料。

其三，加快纳米碳材料标准体系建设，建立行业准入标准：根据我国纳米碳材料发展现状，对下游快速发展的应用领域尽快完善相关产品统一的定义、检测和使用标准。同时，加快研究制定纳米碳材料行业准入标准，从产业布局、生产工艺与装备、环境保护、质量管理等方面加以规范，使纳米碳材料的应用及其产品有标准可依，有规范可循。此外，加强国际交流合作，积极参与国际标准制定，确保我国的纳米碳材料标准体系及时与国际接轨。

其四，试点“研发代工”，打造纳米碳材料领域产学研结合新模式：研发代工是指由科技研发机构针对特定企业的技术需求，组建由高水平专业人员构成的专门研发团队，面向市场需求开展订制化的技术研发，通过全过程利益捆绑，实现从基础研究到产业化落地的无缝衔接，解决研究缺乏应用牵引和企业创新能力不足的难题，推动纳米碳材料科技成果快速转化。

其五，释放政策红利，培育创新生态：通过及时有效的政策引导，极大限度地释放政策红利，营造适于创新的文化环境和高科技研发生态。与此同时，充分发挥政策和资金的引导作用，鼓励社会资本积极参与，共同设立产业基金，建立完善的投资和培育机制，实现人才、资金等资源向优质企业和科研单位汇聚，并促进产学研有机结合，协同创新。

其六，还需要加强国际交流合作，加快国际优秀人才引进，形成人才技术优势。