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  • 新材料產業發展特征與趨勢
  • 發布時間:2019-12-27
  • 新材料是指新出現的具有優異性能或特殊功能的材料,或是傳統材料改進后性能明顯提高或具有新功能的材料。融入了當代眾多學科先進成果的新材料產業是支撐國民經濟發展的基礎產業,是高技術產業的發展先導和重要內涵,逐漸成為促進經濟快速增長和提升企業及地區競爭力的源動力。

    我國新材料產業細分產業導向

    作為《中國制造2025》制造強國戰略提出的十大重點領域之一,新材料產業承擔著引領材料工業升級換代,支撐戰略性新興產業發展,保障國民經濟和國防軍工建設等重要使命。

    01國外新材料產業發展特征與趨勢

    (一)各國新材料產業發展現狀

    新材料產業的發展水平已成為衡量一個國家經濟社會發展、科技進步和國防實力的重要標志,因此世界各國紛紛在新材料領域制定出臺相應的規劃,竭力搶占新材料產業的制高點。

    目前,發達國家仍在國際新材料產業中占據領先地位,世界上新材料龍頭企業主要集中在美國、歐洲和日本,其中,日、美、德6家企業占全球碳纖維產能70%以上,日、美5家企業占全球12寸晶圓產量的90%以上,日本3家企業占全球液晶背光源發光材料產量的90%以上。

    (二)各國新材料產業發展趨勢

    1、高新技術發展促使材料不斷更新換代

    高新技術的快速發展對關鍵基礎材料提出新的挑戰和需求,同時材料更新換代又促進了高技術成果的產業化。

    如微電子芯片集成度及信息處理速度大幅提高,成本不斷降低,硅材料發揮了重要作用;新興產業如氮化鎵等化合物半導體材料的發展,催生了半導體照明技術;LED燈的光效給照明工業帶來革命性變化;太陽能電池轉換效率不斷提高,極大推動了新能源產業發展。鎂鈦合金等高性能結構材料的加工技術取得突破,成本不斷降低,研究與應用重點由航空、航天以及軍工擴展到高附加值民用領域。

    2、綠色、低碳成為新材料發展的重要趨勢

    新能源產業崛起,拉動上游產業如風機制造、光伏組件、多晶硅等一系列制造業和資源加工業的發展,促進智能電網、電動汽車等輸送與終端產品的開發和生產。

    歐美等發達國家已經通過立法,促進節能建筑和光伏發電建筑的發展,功能材料向微型化、多功能化、模塊集成化、智能化等方向發展以提升材料的性能;納米技術與先進制造技術的融合將產生體積更小、集成度更高、更加智能化、功能更優異的產品。綠色、低碳的新材料技術及產業化將成為未來發展的主要方向。

    3、跨國集團在新材料產業中仍占據主導地位

    目前,世界著名企業集團憑借其技術研發、資金和人才等優勢不斷向新材料領域拓展,在高附加值新材料產品中占據主導地位。

    尤尼明幾乎壟斷著國際市場上4N8及以上高端石英砂產品;信越、SUMCO、Siltronic、SunEdison等企業占據國際半導體硅材料市場份額的80%以上。半絕緣砷化鎵市場90%以上被日本日立電工、住友電工、三菱化學和德國FCM所占有。

    DuPont、Daikin、Hoechst、3M、Ausimont、ATO和ICI等7家公司擁有全球90%的有機氟材料生產能力。美國科銳(Cree)公司的碳化硅襯底制備技術具有很強市場競爭力,飛利浦(Philips)控股的美國Lumileds公司的功率型白光LED國際領先,美、日、德等國企業擁有70%LED外延生長和芯片制備核心專利。

    小絲束碳纖維的制造基本被日本的東麗纖維公司、東邦公司、三菱公司和美國的Hexel公司所壟斷,而大絲束碳纖維市場則幾乎由美國的Fortafil公司、Zoltek公司、Aldila公司和德國的SGL公司4家所占據。美鋁、德鋁、法鋁等世界先進企業在高強高韌鋁合金材料的研制生產領域居世界主導地位。美國的Timet、RMI和Allegen Teledyne等三大鈦生產企業的總產量占美國鈦加工總量的90%,是世界航空級鈦材的主要供應商。

    4、新材料研發模式變革成為關注的重點

    21世紀以來,發達國家逐漸意識到依賴于直覺與試錯的傳統材料研究方法已跟不上工業快速發展的步伐,甚至可能成為制約技術進步的瓶頸。因此,亟需革新材料研發方法,加速材料從研發到應用的進程。

    例如,美國政府“材料基因組計劃”(MGI),其新材料從發現到應用的速度至少提高一倍,成本至少降低一半,旨在發展以先進材料為基礎的高端制造業,并繼續保持其在核心科技領域的優勢。

    (三)產品和技術發展趨勢

    新材料關鍵核心技術的突破,推動新材料的產品最終實現多功能化、高性能化、智能一體化,進而提高新材料產品的附加值、提高其市場綜合競爭力。

    1、高端金屬結構材料

    新型金屬新材料一直是世界新材料發展的主要材料之一,在未來一段時間內,人造高端醫用金屬材料、新型鋁合金材料、鎳鈦智能合金材料等將成為高端金屬結構材料的主要發展方向。

    一是隨著英國牛津大學發現了一種具有超常受壓擴展能力的新材料——金氰化鋅,新型光學壓力傳感器和人造肌肉等將成為高端金屬結構材料的重要發展方向之一;

    二是隨著加拿大開發新型鋁合金技術新計劃的實施,未來將重點應用于小汽車、卡車、掛車、公交車以及火車等交通運輸設施上,用于減輕交通運輸設施的車重,提高運輸效率;

    三是隨著德國薩爾大學研制出的鎳鈦智能合金材料,將來會大量運用于醫用人工器官等領域,尤其是人工肌肉的制造等領域。

    2、碳納米半導體材料

    近幾年來,碳納米半導體材料逐步展現替代潛力,逐漸向實用化進發。第一代半導體硅材料在大道物理極限之前仍有一定發展潛力,通過改變材料和器件的結構,如絕緣體上的硅技術、多柵極晶體管技術和三維IC技術等,硅基半導體仍然能在一定程度上維持摩爾定律的發展。

    此外,基于多柵極晶體管技術的22nm工藝已經進入了批量生產階段,硅基14nm工藝產品也已經進入批量生產。

    3、第二代半導體Ⅲ-Ⅴ族半導體材料

    目前在高頻率晶體管領域應用較廣泛,但作為邏輯電路晶體管材料仍然處于研究過程當中。Ⅲ-Ⅴ族半導體在集成電路中的實際使用可能將在2015-2018年間實現。

    第三代半導體碳化硅、氮化鎵等已經在功率半導體器件領域逐漸商業化,但碳化硅功率器件目前成本較高,性能還有待進一步優化。

    4、石墨烯材料

    在電子器件、光子期間、能源、復合材料等領域業得到廣泛的應用研究。因制備石墨烯而獲諾貝爾獎的科學家NOVOSELOV,在2012年率領科學家團隊對石墨烯的應用前景做出了預測并勾勒了其未來發展路線圖,認為石墨烯的電子和光子學應用在2015年實現,而部分應用則要到2025-2030年才能實現。

    但發展過程中,帶隙、接觸電阻問題,以及高質量低成本石墨烯的制備等問題,仍是巨大的挑戰。

    5、智能材料

    主要是指電子信息材料、光電材料。智能材料的研究使現行的一些工程問題和安全可靠性檢測的概念發生了根本的變化,甚至可能萌發劃時代的技術革新。

    智能材料的研究已經取得了許多重要進展,以具有傳感、執行等功能的電子陶瓷集成在一起而制作的機敏材料及相關結構系統,已在高級轎車和家用電器中獲得應用。

    02國內新材料產業發展特征與趨勢

    (一)產業發展概況

    1、產業規模快速增長

    我國新材料產業體系已經初步形成,發展形勢良好。隨著《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》和《新材料產業“十三五”發展規劃》等國家層面戰略規劃的出臺,為新材料產業的發展創造了良好的政策環境。

    目前,我國新材料產業規模約2萬億元。新材料產業在金屬材料、紡織材料、化工材料等傳統領域基礎較好,稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、有機硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等產能居世界前列。

    半導體照明產業形成了從上游外延材料生長與芯片制造、中游器件封裝到下游集成應用的比較完整的研發與產業體系,產業規模超過5000億元。節能玻璃材料產業規模達300億元;稀土功能材料產量約占全球份額80%;主要功能陶瓷元器件產品的產業規模增長到250億元。

    2、關鍵技術實質突破

    通過產學研用結合,許多重要新材料技術指標大幅提升,研究成果推廣應用。大直徑硅材料在缺陷、幾何參數、顆粒、雜質等控制技術方面不斷完善,300mm硅材料可滿足45nm技術節點的集成電路要求,已成功拉制450mm硅單晶。

    人工晶體材料經過多年的發展,偏硼酸鋇和三硼酸鋰等紫外非線性光學晶體研究居國際領先水平并實現了商品化;激光晶體、太陽能電池關鍵技術指標達到國際先進水平,光伏發電成本降到1元/kWh)以下。

    鋰離子電池正負極材料、電解液均滿足小型電池要求,隔膜、電解質鋰鹽等關鍵材料替代進口;超高分子量聚乙烯纖維大幅縮小與發達國家差距。T300級碳纖維實現了穩定生產,單線產能提高到1200t;T700和T800級碳纖維實現了批量供貨能力已開始應用于航空航天裝備;開發出具有自主知識產權的銅帶、銅管拉鑄技術以及銅鋁復合技術;海底管線鋼X65、X70、X80及厚壁海洋油氣焊管、化學品船用中厚板均已實現國產化,低成本石墨烯已開始生產,并應用于觸摸屏、導熱膜等信息通訊器件。

    關鍵技術的不斷突破和新材料品種的不斷增加,使我國高端金屬結構材料、新型無機非金屬材料、高性能復合材料保障能力明顯增強,先進高分子材料和特種金屬功能材料自給水平逐步提高。

    3、區域集聚態勢明顯

    積極推動新材料產業基地建設,加強資源整合,區域特色逐步顯現,區域集聚態勢明顯,初步形成“東部沿海集聚,中西部特色發展”的空間格局。

    長三角已形成包括航空航天、新能源、電子信息、新型化工等領域的新材料產業集群。

    珠三角新材料產業集中度高,已形成較為完整產業鏈,在電子信息材料、改性工程塑料、陶瓷材料等領域具有較強優勢。

    環渤海地區技術創新推動作用明顯,在稀土功能材料、膜材料、硅材料、高技術陶瓷、磁性材料和特種纖維等多個領域均具有較大優勢。

    內蒙古稀土新材料,云貴稀貴金屬新材料,廣西有色金屬新材料,寧波釹鐵硼永磁材料,廣州、天津、青島等地的化工新材料,重慶、西安、甘肅金昌、湖南長株潭、陜西寶雞、山東威海及太原等地的航空航天材料、能源材料及重大裝備材料,江蘇徐州、河南洛陽、江蘇連云港等的多晶硅材料產業等也都形成了各自的區域特色。

    4、支撐作用日益顯現

    新材料支撐重大應用示范工程的作用日益顯現,為我國能源、資源環境、信息領域的發展提供了重要的技術支撐,是建設重大工程、鞏固國防軍工的重要保障。

    各級政府組織實施了節能產品惠民、十城萬盞、金太陽、物聯網等重大應用示范工程,2030年我國新能源汽車市場保有量有望達到1500萬輛。膜材料在海水淡化方面已經獲得應用,初步形成了反滲透海水淡化的生產能力,成為我國沿海地區供水安全保障體系的重要組成部分。

    以有色金屬結構新材料、高溫合金和碳纖維及其復合材料為代表的高性能結構材料,為高速鐵路、大飛機、載人航天、探月工程、超高壓電力輸送、深海油氣開發等重大工程的順利實施做出了貢獻。

    (二)行業發展趨勢

    傳統材料企業轉型升級速度加快。我國材料企業中,80-90%都是傳統金屬類和化工類的材料企業,這兩類企業市場份額最大,是材料行業的主導力量。未來10年,普通產品市場需求的下滑及對高端產品的需求,將倒逼這兩類傳統材料企業加快技術升級與改造,其轉型升級速度將明顯加快。

    其中,金屬類材料企業轉型升級的發展方向是大力發展如高純金屬、非晶合金等特殊金屬材料,以及可用于核電、超超臨界火電、海洋工程、汽車工程、軌道交通方面的高品質特殊鋼;化工類材料企業轉型升級的發展方向主要是合成橡膠、工程塑料、有機硅材料和氟材料。

    1、逐漸向高端、健康、綠色方向發展

    未來十年,高端裝備、汽車制造、電子信息、新能源、節能環保、新型建筑、生物醫用、智能電網、3D打印等新興產業領域預計將保持較快發展趨勢。因此,帶動新興產業發展的高端材料是未來我國新材料產業發展的主要方向,主要包括高品質特殊鋼、高強輕質合金、高性能纖維和復合材料、航空用陶瓷材料及航空級3D打印金屬粉末材料等。

    此外,隨著人民對健康、環保等需求的提高,對生物醫用材料、綠色環保材料、新型建筑材料和高性能膜材料等綠色健康材料的需求也越來越多。

    2、電子信息、鋰電池產業新材料有望加速增長

    隨著新一代信息技術產業的發展,電子信息材料的研發生產是未來發展的一個重要方向,低缺陷12英寸及以上電子級單晶硅、超薄8英寸及以上絕緣體上硅(SOI)、寬禁帶半導體與器件,以及AMOLED有機發光材料及器件、大尺寸光纖預制棒、光學膜、集成電路特種氣體都將逐漸實現產業化應用,部分產品也將逐漸取代進口。

    鋰電池材料方面,正極材料、負極材料、導電漿料、電池隔膜企業不斷涌現,核心技術逐步被研發成功,并實現產業化,發展潛力巨大。“十三五”期間,電子信息、鋰電池產業新材料這兩個領域,有望實現加速增長。

    3、高強輕質合金新材料可能得到大規模應用

    高性能的鋁合金、鎂合金、鈦合金在航空航天、軍工、汽車、電力設備等領域的應用越來越廣泛,特別是隨著汽車產業的發展,高性能合金在車輛上應用量快速增長,其市場需求越來越多。

    隨著電力裝備的高端化、智能化發展,鋁合金電纜技術和產品已逐步被市場熟知并接受,鋁合金材料憑借其性能優勢,在電力行業應用也將日益廣泛,“以鋁代銅”的相關產品,也逐步應用于電線電纜、變壓器、汽車熱交換器、空調散熱器等多方面,未來發展不可限量。

    (三)產品和技術發展趨勢

    隨著我國新材料材料技術的突破,在很大程度上使新材料產品實現智能化、多功能化、環保、復合化、低成本化、長壽命及個性化訂制。這些產品會加快信息產業和生物技術的革命性進展,也能夠給制造業、服務業及人們生活方式帶來重要影響。

    同時,新材料的開發與應用聯系更加緊密,根據新材料市場的需求,加快新材料研制速度,提高材料的使用性能,便于新材料迅速走向實際應用,減少材料的“性能浪費”。注重軍民融合,開拓軍民兩用產品市場是新材料發展的趨勢。寬禁帶碳化硅、氮化鎵基的下一代射頻高能效高功率器件即將成為有潛力的軍民融合的高端電子產品。

    1、電子功能材料

    “十二五”以來,我國新一代電子功能材料根據市場需求,開始發展低缺陷12英寸及以上電子級單晶硅、超薄8英寸及以上絕緣體上硅(SOI)、寬禁帶半導體與器件,以及AMOLED有機發光材料及器件產業化和示范應用,高能射線探測用碲鋅鎘半導體材料與器件實現產業化,碲鋅鎘晶體在工業CT及專用探測器等領域逐步實現規模應用。

    2、表面功能(納米)材料

    納米技術,是二十一世紀材料產業的重要基礎技術之一。當前,我國在納米產業方面已經具備了相當的基礎,未來10年,是納米技術發展和應用的黃金時期,特別是在光電、鋰電池、環保、建筑等重要行業,有可能獲得突破性進展。

    納米材料的發展重點是納米碳材料(如碳納米管、納米量子點),納米能源材料,氮化鎵等第三代半導體材料,納米銀、納米氧化鋁等納米金屬材料,納米功能復合材料以及納米生物醫用材料等領域。

    3、功能玻璃材料

    隨著新一代信息技術產業的發展,功能玻璃材料的研發生產成為新材料的重要研究方向。目前我國在新型TFT顯示超薄玻璃基板材料、高性能光纖預制棒材料、高性能特種光纖、高性能低成本石墨烯粉體及高性能薄膜材料方面均有所突破,并開始在新型顯示、先進電池等領域有所示范應用。

    4、先進碳材料

    先進碳材料產業主要包括碳纖維、石墨烯、石墨負極材料、碳納米管等。碳纖維方面,預計未來3-5年,國產T700碳纖維預計可實現低成本穩產及市場大規模應用,而T800也有望開始應用于國產高端裝備。

    石墨烯方面,在風電防護涂料及手機觸控屏上的應用也正在穩步推進,產能不斷擴大,即將迎來爆發式增長。隨著鋰電池產業的飛速發展,石墨負極材料、碳納米管導電漿料在鋰電池產業的應用也將快速增長。

    5、高端金屬材料

    隨著高端裝備產業的逐漸興起,我國海洋工程裝備所需材料逐漸受到關注,開始研發生產鋼板厚度大于180mm的高強結構鋼、大型油船貨油艙耐蝕鋼、深海油氣輸送用厚壁管線鋼、超深井及低溫開采急需的高性能鋁合金鉆桿及油套管鋼,以及TA2、TC4等級鈦合金材料等,已經在船舶及海洋工程裝備中得到示范應用。

    6、生態環境材料

    隨著節能環保產業的日益興盛,以大氣污染治理新材料為代表的生態環境材料成為節能環保產業的關鍵材料。我國已經逐步在大氣污染治理新材料方面取得了一定成就。開始研發生產工業用高性能PM2.5過濾材料、高性能脫硝材料、煙氣NOx脫除材料等。

    另外,工信部印發的《產業關鍵共性技術發展指南(2017年)》中明確指出,要開發用于工業廢水處理的礦物功能材料深加工技術,包括膨潤土等礦物功能材料的改性、改型技術;增加礦物功能材料比表面積、調整表面電荷等技術;礦物功能材料在工業廢水處理中的應用技術。

    (文章來源:戰略前沿技術)





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