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掘金石墨烯、液态金属、超导材料、碳纤维复材、稀土永磁等11种新材料 先要了解……
2020-09-18 00:00:00   来源:新材料在线   评论:0 点击:

新材料是传统产业升级和战略性新兴产业发展的基石,作为关键资源投入,一次次推动着技术革命的进步。


近年来,全球新材料产业快速发展,我国新材料产业处于第二梯队,年均复合增速超过20%,但目前上游关键材料、设备发展仍存在诸多“卡脖子”环节,国产替代需求迫切、市场巨大、进程加速。未来一段时间内,国产替代将成为行业成长主旋律。



新材料是指新发现或通过人工新合成或通过传统材料改性处理而产生的具有优异性能和特殊性能的材料。与传统材料产业进行比较,新材料产业具有技术密集、研发资金投入量大、产品附加值高等特点。


1.新材料发展历程:目前处于第三次工业革命的硅、碳时代


材料是人类一切社会生活和经济发展的基础性要素,作为关键资源投入,一次次推动着技术革命的进步。21世纪,新材料技术的突破将在很大程度上推动社会进入第四次工业革命。



2.全球市场和格局:美日欧等发达国家主导,中韩俄紧随其后


新材料是国际竞争的重点领域之一,也是决定一国高端制造及国防安全的关键因素。长期以来,新材料产业的创新主体是美国、日本和欧洲等发达国家和地区,中国、韩国、俄罗斯紧随其后,目前属于全球第二梯队。


(1)全球对新材料产业宏观引导不断增强


当前,发达国家都把新材料产业发展摆在十分突出的位置,密集出台重大规划政策,从研发投入、市场培育、法律制度方面给予大力支持,努力抢占未来发展先机。



(2)全球新材料产业规模不断扩大


全球新材料产业由2016年2.09万亿美元增长至2019年2.82万亿美元,年均复合增长达7.7%,其中2019年同比增长超过10%。从2019年新材料产业构成看,先进基础材料产值比重占49%,关键战略材料产值比重占43%,受3D打印材料、石墨烯、超导等新兴产业技术不断突破,前沿新材料比重由2018年的3.1%,上升到8%。



(3)全球新材料产业发展不均衡


发达国家拥有绝大部分大型跨国公司,在经济实力、核心技术、研发能力、市场占有率等多方面占据绝对优势,占据全球市场的垄断地位。其中,美国处于新材料产业发展全面领先的位置,日本在纳米科技、电子信息材料,欧洲在复合结构材料、化工材料、纳米材料,具有明显优势。中国在半导体照明、稀土永磁材料、人工晶体材料,韩国在显示材料、存储材料,俄罗斯在航空航天材料等方面具有比较优势。


(4)未来市场的重心正逐步向亚洲地区转移


伴随新一轮科技革命和产业大变革的来临,全球技术要素和市场要素配置方式将发生深刻变化,地区差异将会进一步加剧。从新材料市场来看,北美和欧洲拥有目前全球最大的新材料市场,且市场已经比较成熟,而在亚太地区,尤其是中国,新材料市场正处在一个快速发展的阶段。从宏观层面看,全球新材料市场的重心正逐步向亚洲地区转移。


3.中国市场和格局:目前正处于由大到强转变的关键时期


我国新材料产业从无到有,不断壮大,如今已经成为名副其实的材料大国,年均复合增速达到21.2%。然而,我国虽然已成为材料大国,但还不是材料强国,我国新材料目前正处于由大到强转变的关键时期。


(1)新材料产业发展正处于黄金时代


中国自“九五”开始就将新材料作为发展重点,自从“十二五”以来,国内的新材料技术发展取得了很大的进步。我国新材料产业产值从2011年0.8万亿增长至2019年4.5万亿,年均复合增速达到21.2%,增速十分显著,占全球新材料产值比重从2016年20%左右提升至2019年23%左右。



(2)新材料产业整体受到市场高度青睐


由于新材料的战略地位以及对其他新兴产业的支持、推动作用,新材料产业发展一直以来得到国家的大力支持,民间资本看好新材料的发展前景也大量涌入。2019年我国新材料行业投资数量为59起,单笔投资规模相比2011年增加近一倍,投资规模达到89.87亿元。



(3)三类新材料产业面临不同发展问题


我国新材料产业发展迅速,但并非一路坦途,三类新材料产业各自面临不同的发展问题。先进基础材料多个领域产量世界第一,但品质不高,出现产能过剩;关键战略材料产业链上下游脱节、成套技术不完备,部分产品对外依存度高且受海外严格管制;前沿新材料擅长跟踪模仿,原始创新不足,转化率较低。它们横亘在新材料发展之路上,亟待解决。



(4)关键材料成为科技发展“卡脖子”的核心环节


2018年,工信部对全国30多家大企业130多种关键基础材料进行了调研,结果显示:32%的关键材料在中国仍为空白,52%依赖进口,绝大多数计算机和服务器通用处理器95%的高端专用芯片,70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口;在装备制造领域,高档数控机床、高档装备仪器、运载火箭、大飞机、航空发动机、汽车等关键件精加工生产线上逾95%制造及检测设备依赖进口。




当今世界,科技革命迅猛发展,新材料产品日新月异,产业升级、应用更新换代步伐不断加快,新材料产业发展将会呈现以下趋势。


1.新材料的发展更注重可持续发展,更体现以人为本


目前,世界各国都把新材料的发展与可持续发展紧密结合起来,更加注重新材料的发展与自然资源和环境的协调,资源的高效和重复利用,使新材料的发展更有效地纳入循环经济的模式。


新材料的发展除强调与资源、能源和环境协调发展外,则更加注重以人为本。随着人民对健康、安全等需求的提高,对生物医用材料、绿色环保材料、新型建筑材料等绿色健康材料的需求也越来越多。


2.高新技术发展促使新材料产品不断更新换代


高新技术的快速发展对关键基础材料提出新的挑战和需求,同时材料更新换代又促进了高技术成果的产业化。随着万物互联、物联网、工业互联网等概念的加速落地,新材料技术正加速向科技化方向发展。未来,自修复材料、自适应材料、新型传感材料、3D打印材料等新材料技术将大量涌现,为生物医疗、国防军事以及航空航天等领域发展提供支撑。



3.人工智能与新材料技术互为促进,加快新材料“井喷”


传统的新材料研发过程,主要依赖科学直觉与实验判断,再加上大量的重复性实验来完成验证,可谓是历尽千辛万苦。而借助人工智能技术,新材料的研发和应用周期有望缩短一半以上。


新材料技术的突破将在很大程度上使材料产品实现智能化,拥有传感功能、反馈功能、信息识别和积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力以及自调解能力。这些智能材料可以满足人工智能发展的要求。


4.新材料产业上下游进一步融合,整合重组趋势加剧


高新技术的发展,使得新材料与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产业结合越来越越紧密,而激烈的市场竞争,优胜劣汰的自然规则,经济效益的强烈驱动,又加剧新材料产业整合重组,产业结构呈现出横向扩散和互相包容的特点。


元器件微型化、集成化的趋势,使得新材料与器件的制造一体化趋势日益明显,新材料产业与上下游产业相互合作与融合更加紧密,产业结构出现垂直扩散趋势。


随着新材料产业不断的整合和重组,跨国公司及其分支机构在新材料产业的发展中将发挥出更大作用。这些企业规模大、研发能力强、产业链完善,他们通过战略联盟、大量的研发投入,在竞争中处于优势甚至垄断地位。



5.中国加快承接产业转移,同时逐步实现进口替代


由于中国大陆拥有低廉的人工成本、庞大的市场需求和逐渐完善的产业链等优势,很多新材料细分领域均存在向中国产业转移的现象,且愈演愈烈。以半导体产业为例。世界集成电路发展历程经历了美欧垄断、日本崛起和亚太主导三个阶段,现正处于向中国大陆集中的阶段,产业东移趋势明显。


产业转移一般是将低附加值的劳动密集型产业转移至迁入国,而技术升级才是新材料产业发展的基础,其他驱动因素也均需以技术升级为基础。近年来国内5G、新能源、军工、航空航天等新兴行业迎来快速发展阶段,但在上游关键材料领域仍处于高度依赖进口的状态,未来国产化需求迫切,进口替代将是行业成长主旋律。




新材料等关键领域的突破将成为技术竞争的胜负手。作为多个产业链的上游环节,新材料产业的发展受到下游应用场景的极大制约,研发成果难以快速投入大规模使用等特点,同互联网等高速迭代的行业相比显得市场节奏较为缓慢。但缓慢的背后也积聚着巨大的能量,一旦释放将会导致市场格局的嬗变。



1.纳米材料:高端市场被海外垄断,国内存在千亿级市场蓝海


受益于纳米技术的不断革新、新应用领域不断开拓的影响,全球纳米材料市场快速增长,全球市场规模超过1000亿美元。中国2018年纳米材料行业市场规模达到1150亿元,以年均20%的增长速度快速爆发。


纳米生物材料、纳米电子材料及器件、纳米医疗诊断等高端市场均被日、欧、美企业占据。以纳米银浆为例,国外几家大型企业占据全球90%以上市场份额。中国纳米科技企业产量极小,尚未形成若干实力较大的厂商,产品以低端的纳米粉体和浆料为主,高端纳米材料多处于研发阶段,距离产业化还有较大的距离。



2.石墨烯:锂电材料和导热膜有望成为最大的下游应用


石墨烯是目前世界上最薄、最硬、导电、导热性能最强的材料,其优质的物理特性使其成为传统石墨散热膜的理想替代材料,广泛用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视等方面。


华为在2019年发布的Mate 20 X智能手机中,首次将石墨烯用做散热材料,石墨烯锂电池也有望在手机端实现商用推广。从市场规模来看,锂电池材料的市场空间最大,有望达到40~50亿元,其次是导热膜,有望达到15~20亿元,此外复合材料的市场空间也在20亿元左右。



3.3D打印材料:PLA和ABS占主导、金属和陶瓷材料前景好


随着3D打印技术应用领域的不断拓展和越来越多的3D材料面世,近5年来一直维持20%以上的增速,处于稳定快速的发展期,预计2019年3D打印材料市场规模超过42亿美元。3D打印材料向多元化发展,PLA材料和ABS塑料占主导、金属和陶瓷材料前景较好。


中国基础3D打印材料发展迅速专利申请数量逐年递增,已基本满足国产设备的增材制造需要,其中普材占据半壁江山,国内自行研发的终端材料约占40%,高性能金属粉末耗材等高品质材料以进口为主,约占10%左右。



4.超导材料:关注新型低温超导及低成本高温超导材料


超导材料商业化需求保持稳定,2017年全球超导产品市场规模高达61亿美元,商业、医疗保健和电力等工业领域的需求增加是主要增长因素。低温超导应用范围最广,但高温超导材料市场规模将随着技术进步而稳步扩大。据美国能源部预测到2020年低温超导材料应用市场将达到45%,高温超导材料市场占55%。


全球仅有少数几家企业掌握低温超导线生产技术,主要分布在英国、德国、日本和中国。西部超导是中是全球唯一的铌钛(NbTi)锭棒、超导线材、超导磁体的全流程生产企业,是目前国内唯一低温超导线材商业化生产企业。



5.液态金属:主导未来高科技竞争的超级材料之一


液态金属是电力电子、计算机、通讯等高新技术领域的关键材料,可部分替代传统的硅钢、坡莫合金和铁氧体材料。液态金属预计将占据行业重要地位,全球液态金属产品市场具有300亿美元左右的发展空间。



6.OLED材料:市场空间广阔,关注OLED有机发光材料


OLED被认为是替代LCD的新一代显示技术,在智能手机、可穿戴设备、VR等领域得到广泛应用,带动OLED材料产业规模超高速增长,2018年全球OLED材料市场规模达10.4亿美元,增速达25%。2018年中国OLED材料市场近10亿元,市场增速超100%。


目前OLED终端材料和有机发光材料存在较高的技术壁垒,日本idemitsu、韩国三星和LG化学、美国陶氏化学和UDC,德国默克和Novaled等垄断市场,有机发光材料中,日韩厂商占据约80%的市场份额,行业毛利率高达80%。中国OLED材料企业较少,主要从事OLED中间体和单体粗品生产,万润股份、西安瑞联、濮阳惠成等头部企业已实现规模量产并进入全球OLED材料供应链。



7.碳纤维复合材:汽车领域需求巨大,国内供应量持续上涨


就需求结构而言,碳纤维因其“轻而强”和“轻而硬”的特性,超50%的碳纤维材料应用在工业领域,2018年风电叶片、航空航天、体育休闲及汽车工业领域占比74%。从2013-2018全球碳纤维分领域需求增速情况来看,汽车零部件领域复合增长率达33%,发展前景巨大。


碳纤维需求总体呈现出供不应求状态,目前碳纤维供应主要还是依靠日韩美进口。2018年我国碳纤维的总需求为3.1万吨,同比增长32%,国产供应量占总需求比例由2014年的13.5%上升到2018年的29%,近几年以中复神鹰为代表的龙头企业在国际产能拥有一席之地。



8.功能性膜材料:锂电池隔膜市场需求空间巨大


功能性薄膜约占薄膜总产量的5%,然而市值却占接近15%,毛利率是普通薄膜的5-7倍。目前国际膜市场的75%分布在美国、欧洲国家和日本。我国膜产值仅占全球膜工业总产值的15%以下。


随我国新能源产业发展以及锂电池生产技术不断提升,我国已经成为世界上最大锂电池生产制造基地和第二大锂离子电池生产、出口国,对锂电池隔膜的需求也日益增长。预计2020年我国锂电池隔膜需求总量将达到27.33亿平方米。




9.稀土永磁材料:新能源汽车领域是主要的市场增长点


稀土永磁材料的明星产品是钕铁硼永磁材料,被称作当代“永磁之王”,高性能钕铁硼永磁材料下游应用领域主要分为两大类,一类为新能源和节能环保领域,一类为传统应用领域。目前汽车领域是高性能钕铁硼永磁材料应用最多的场景。


未来,新能源汽车领域是高端钕铁硼磁性材料需求的主要增长点。稀土永磁驱动电机性能优异,具有尽可能宽广的弱磁调速范围、高功率密度比、高效率、高可靠性等优势,能够有效地降低新能源汽车的重量和提高其效率,需求难以被替代。受益于新能源汽车的放量,高端钕铁硼的需求将快速增长。



10.形状记忆合金:重点关注医疗、汽车等领域形状记忆合金


形状记忆合金由两种以上金属元素所构成,在受外界条件强制变形后,再经一定条件处理,恢复为原来形状,实现材料的变形可逆性设计和应用,目前主要有镍钛基记忆合金、铜基记忆合金、铁基记忆合金三类,其下游行业主要包括生物医药、航空航天、机械电子、桥梁建筑、汽车制造等。



2009年以来中国形状记忆合金研发进展快速,生物医疗为最大的研发市场,占比约22%,2017年中国形状记忆合金行业市场约56.8亿元,同比增长13%,其中医疗领域占比约77%,医疗保健消费支出、手术需求增加映射行业市场增长。


11.超材料:广泛应用在军工领域,是战略重点前沿技术


超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,典型的超材料有左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等。


目前,超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐,在军事领域具有重大的应用前景。隐身是近年来出镜率最高的超材料应用,也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向,如美国DE F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来,超材料在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用,军事隐身技术将发生革命性变革。


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说明:本文由上海东滩顾问编辑整理发布,转载请联系原作者


本文封面图来源于图虫创意

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