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一文看懂当今全球新材料五大热门领域及未来发展趋势

来源:最有料 发表时间:2018-04-12 659
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材料被视为人类社会进化的里程碑,满足社会发展的需求是材料不断创新与发展的源动力。材料科学技术的发展在人类历史上具有重要的地位。历史上,对材料的认识和利用的能力,决定着社会的形态和人类生活的质量,历史学家也把材料及其器具作为划分时代的标志:如从旧石器时代开始,经过新石器时代、青铜器时代、铁器时代、钢铁时代、高分子时代、高性能陶瓷时代,直到复合材料时代。

材料是人类一切生产和生活的物质基础,历来是生产力的标志,对材料的认识和利用的能力,决定社会形态和人们的生活质量。科技的创新与发展能够让材料具有更优异的性质或者新功能来满足社会发展中层出不穷的新需求。

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人类文明的发展与材料科学息息相关


新材料是战略新兴产业发展的基石

新材料是指新出现或正在发展中的、具有传统材料所不具有的优异性能的材料。新材料又称先进材料,它不以生产规模,而以优异性能、高质量、高稳定性取胜的高知识、高技术密集型为特点。

新材料有结构材料和功能材料之分,前者主要利用新材料的力学性能,而后者以应用其各种物理、化学效应为主。主要包括电子信息、光电、超导材料;生物功能材料;能源材料和生态环境材料;高性能陶瓷材料及新型工程塑料;粉体、纳米、微孔材料和高纯金属及高纯材料;表面技术与涂层和薄膜材料;复合材料;智能材料;新结构功能助剂材料、优异性能的新型结构材料等。

美国MGI主要新型材料及其与国家需求的关系

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 备注:●首要、○ 次要

纵观历史,新材料可以导致颠覆性技术的出现,从而推动产业变革。如白光发光二极管(WLED)的出现,开辟了照明新纪元;液晶屏替代阴极摄像管,曾带来了显示革命;现在有机发光二极管(OLED)、印刷显示、激光显示又将崛起,可谓一代材料、一代器件、一代整机。经过多年努力,我国新材料产业取得了重要成就,技术水平日益提高,产业规模不断扩大,具有自主创新能力的新材料产业体系正在形成,为我国以航空航天、轨道交通、信息、生物、新能源等为代表的高技术产业突破技术瓶颈、实现跨越发展提供了强有力的支撑。

 

全球新材料产业的市场规模

从国际情况看,2008年金融危机以来,发达国家纷纷启动“再工业化”战略,不约而同地将新材料作为回归实体经济、抢占新一轮国际科技经济竞争制高点的重要基础,不断加大对新材料的支持力度,由新材料带动而产生的新产品和新技术市场不断扩大。

从细分子行业看,新材料重要子行业的市场规模逐年增长。其中,预计到2020 年,我国锂电池与材料、电子化学品、碳纤维、3D 打印、石墨烯分别将达到5,000/2,816/40/280/2.2亿元的市场规模,年均复合增速分别为35%/15%/15%/40%/40%。预计到2020 年,全球锂电池与材料、电子化学品、碳纤维、3D 打印、石墨烯分别将达到8,400/ 9,444/ 265 /1,400/18亿元的市场规模,年均复合增速分别为14%/5%/12%/35%/42%。

重要新材料子行业市场规模及预测

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▍高性能碳纤维 —— 战略性新材料

碳纤维是技术密集型和政治敏感型的关键材料,它作为国家战略性新兴产业中新材料领域的材料之王,是国家迫切需要短期内突破的高新技术纤维品种。在军事上,特别是航空航天领域得到广泛应用。

全球范围来看,日本企业处在技术领导者的地位,美国德国处于技术提升阶段,而中国则处于技术攻关阶段,较日美德都有较大差距。

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全球小丝束碳纤维市场份额

根据德国碳纤维复合材料联盟(CCeV)数据显示,2014年全球碳纤维需求5.1万吨,对应市场空间19.56亿美元,对应下游复合材料领域近200亿美元。预计2020年,全球碳纤维需求达到6.9万吨,对应下游复合材料领域成长至近270亿美元。下游应用领域中,航空航天用碳纤维售价接近其它领域的2倍。

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全球碳纤维市场需求量

目前国内有大批企业进入了碳纤维制造领域,主要是2006、2007年进入的4大企业位居行业前列:中复神鹰、江苏恒神、威海拓展、兰州蓝星。目前中复、恒神、蓝星已建有百吨级T800生产线,其中中复及蓝星实现了稳定量产。

 

锂电池材料:锂电池市场规模迅速扩张

锂离子电池是指正、负极为锂离子嵌入化合物的二次电池,属于离子浓差电池。在充、放电过程中,锂离子在两个电极之间往返嵌入和拖嵌,被形象地成为“摇椅电池”(Rocking Chair Batteries,缩写为RCB)。相比于大部分其他二次电池和储能技术,锂电池无论在体积比能量、质量比能量、质量比功率、循环寿命、充放电效率方面均处于领先,是当前最符合新应用发展趋势的储能技术。

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锂离子电池与其他电池性能对比

消费电子及新能源汽车的快速发展带动锂电池市场规模迅速增长。作为锂电池成本的大头,锂电池材料迎来了新一轮的景气周期。

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全球锂电池市场规模预测


电子材料:高端品种进口替代空间巨大

国家政策大力扶持,海外并购重组此起彼伏,芯片国产化率大幅提升,但集成电路生产所需电子材料的进口依赖程度仍然较高,部分高端电子材料的自给率低于10%。受生产技术壁垒、客户认证壁垒等限制,PCB 化学品、LED 化学品、半导体封装、LCD 化学品、芯片制造化学品的进口依赖程度依次加大。

据IHS 数据,2015 年全球半导体营收将达到3,670 亿美元,其中中国半导体市场约1,520 亿美元,近几年占比维持在40%以上。而国内PCB 化学品市场占比约37%,半导体封装化学品市场占比约18%,芯片制造化学品市场占比不足6%,进口替代空间巨大。

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全球电子材料市场规模及毛利率


3D 打印:产业规模化的前夜

2015 年全球3D 打印市场规模为52 亿美元,同比增长30%。据Wohlers Associates预计,2016~2018 年全球3D 打印将达到70~125 亿美元,到2020 年将达到212 亿美元。年均复合增速35%。

2015 年预计中国3D 打印市场为8 亿美元(50 亿元人民币),未来几年中国3D 打印市场仍将保持40%左右的增长速度,到2018 年有望达到25 亿美元(150 亿元人民币),中国有望超越美国成为全球最大的3D 打印市场。

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全球3D 打印市场规模

国内市场处于早期培育阶段,工业化大量应用正在起步。国内3D 打印市场起步晚于国际市场十几年,过去通过进口设备与技术,主要应用在科研领域。随着国内自主研发的设备、材料和软件走向市场,掌握研发核心技术的国内公司已在特定市场呈现出竞争优势,具备服务与拓展终端客户尤其是工业领域客户的能力,建立独特的创新链与产业链。

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中国3D 打印市场发展仍面临一定的挑战


石墨烯:产业化进程稳步推进

石墨烯材料性能卓越,被认为可以引发现代电子科技和信息技术的革命。石墨烯作为一种新型纳米材料,于2004 年被制造出来,是世界上最硬的、柔韧性最强的材料,也是目前发现的唯一的二维自由态原子晶体,被称为“奇迹材料”。

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,单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度,理论厚度仅为0.34 纳米,具有优良的导热性能、力学性能、较高的电子迁移率、较高的比表面积和量子霍尔效应等性质。石墨烯不仅是世界上最强、最坚硬、最薄的物质,石墨烯比钻石还坚硬,强度是世界上最好钢铁的上百倍,同时由于它在已知的材料中电阻率最小、导热系数最高,它电流密度是铜的100 万倍,导热率是铜的10 倍,因此也是最理想的电极和半导体材料。

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石墨烯的潜在应用领域

整体的石墨烯产业链分为上游、中游、下游。上游主要是制备石墨烯的原料及设备,中游主要是各类石墨烯,下游就是石墨烯的应用,包括复合材料、电子信息、储能等多个领域。

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石墨烯产业链

近几年石墨烯产业发展全球瞩目,但总体应用量较小,市场规模化需求还有待形成。目前石墨烯的大部分应用仍然停留在实验室阶段,虽然在实验室里的效果很好,但如果进行规模化生产,产品的稳定性尚待观察。石墨烯标准尚需进一步规范。

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石墨烯最具商业潜力的应用


全球新材料产业的发展特点与趋势

在全球化趋势日益加快的背景下,新材料产业呈现以下主要特点和趋势。


高新技术发展促使材料不断更新换代

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向生产力的转化。例如,微电子芯片集成度及信息处理速度大幅提高,成本不断降低,硅材料发挥了重要作用。目前,300 mm 硅片可满足 14 nm技术节点的集成电路要求,450 mm 硅片已产出样片。

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全球硅材料技术和产量按直径的演化


绿色、低碳成为新材料发展的重要趋势

以新能源为代表的新兴产业崛起,引起电力、建筑、汽车、通讯等多个产业发生重大变革,拉动上游产业如风机制造、光伏组件、多晶硅等一系列制造业和资源加工业的发展,促进智能电网、电动汽车等输送与终端产品的开发和生产。欧美等发达国家已经通过立法,促进节能建筑和光伏发电建筑的发展,目前欧洲 80 % 的中空玻璃使用 LOW–E玻璃,美国 LOW–E 中空玻璃普及率达 82 %;光伏装机容量不断提高。

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2006—2016年全球光伏累计装机容量


跨国集团在新材料产业中仍占据主导地位

目前,世界著名企业集团凭借其技术研发、资金和人才等优势不断向新材料领域拓展,在高附加值新材料产品中占据主导地位。信越、SUMCO、Siltronic、Sun Edison 等企业占据国际半导体硅材料市场份额的 80 % 以上。半绝缘砷化镓市场 90 %以上被日本的日立电工、住友电工、三菱化学和德 国 FCM 所 占 有。Dow Chemical 公 司、GE 公司、Wacker 公司和 Rhone–Poulenc 公司及日本一些公司基本控制了全球有机硅材料市场。

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国外主要化工企业波士顿矩阵分析

Du Pont、Daikin、Hoechst、3M、Ausimont、ATO 和 ICI 等 7家公司拥有全球 90 % 的有机氟材料生产能力。

美国科锐(Cree)公司的碳化硅衬底制备技术具有很强市场竞争力,飞利浦(Philips)控股的美国Lumileds 公司的功率型白光 LED 国际领先,美、日、德等国企业拥有 70 % LED 外延生长和芯片制备核心专利。

小丝束碳纤维的制造基本被日本的东丽纤维公司、东邦公司、三菱公司和美国的 Hexel公司所垄断,而大丝束碳纤维市场则几乎由美国的 Fortafi l 公 司、Zoltek 公 司、Aldila 公 司 和 德 国的 SGL 公司 4 家所占据。

美铝、德铝、法铝等世界先进企业在高强高韧铝合金材料的研制生产领域居世界主导地位。美国的 Timet、RMI  和 Allegen Teledyne 等三大钛生产企业的总产量占美国钛加工总量的 90 %,是世界航空级钛材的主要供应商。

部分新材料国际代表性企业

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新材料研发模式变革成为关注的重点

进入 21 世纪以来,发达国家逐渐意识到依赖于试错的传统材料研究方法已跟不上工业快速发展的步伐,甚至可能成为制约技术进步的瓶颈。因此,亟需革新材料研发方法,加速材料从研发到应用的进程。例如,作为美国政府“先进制造伙伴计划”(AMP)的重要组成部分, 2011 年启动的“材料基因组计划”(MGI),其新材料从发现到应用的速度至少提高一倍,成本至少降低一半,旨在发展以先进材料为基础的高端制造业,并继续保持其在核心科技领域的优势。

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材料基因组要素


亚太地区成为新的投资热点

随着国际新材料巨头在全球范围内产能的扩张,新材料产业链的中低端逐渐向亚太地区转移,亚太地区成为国际巨头的投资热门地区。如跨国公司通过对中国等后期国家投资规模的增加、投资形式和内容的多元化、设立研发中心等方式,不断提升新材料产业的投资布局,从而带动了中国新材料产业的发展。

部分国际新材料巨头亚太投资动作

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向多功能、智能化方向发展,开发与应用联系更加紧密

21世纪,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、多功能化、环保、复合化,以及低成本化、长寿命及按用户进行订制。这些产品会加快信息产业和生物技术的革命性进展,也能够给制造业、服务业及人们生活方式带来重要影响。新材料的发展正从革新走向革命,开发周期正在缩短,创新性已成为新材料发展的灵魂。同时新材料的开发与应用联系更加紧密,针对特定的应用目的开发新材料可以加快研制速度,提高材料的使用性能,便于新材料迅速走向实际应用,并且可以减少材料的“性能浪费”,从而节约了资源。

 

新材料产品标准化出现全球化趋势

在经济全球化日益加强的背景下,各国材料及其产品数据标准不一致将会引起混乱、低效并增加成本,不利于市场应用的国际化。因此对材料供应商和用户来说,不同的国家以相同方式测试材料特性是非常重要的,对于新材料,这种要求尤其强烈。

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