2019-04-03 09:13:03

材料被視為人類(lèi)社會(huì)進(jìn)化的里程碑，滿足社會(huì)發(fā)展的需求是材料不斷創(chuàng)新與發(fā)展的源動(dòng)力。材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展在人類(lèi)歷史上具有重要的地位。歷史上，對(duì)材料的認(rèn)識(shí)和利用的能力，決定著社會(huì)的形態(tài)和人類(lèi)生活的質(zhì)量，歷史學(xué)家也把材料及其器具作為劃分時(shí)代的標(biāo)志：如從舊石器時(shí)代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)新石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、高分子時(shí)代、高性能陶瓷時(shí)代，直到復(fù)合材料時(shí)代。

材料是人類(lèi)一切生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，歷來(lái)是生產(chǎn)力的標(biāo)志，對(duì)材料的認(rèn)識(shí)和利用的能力，決定社會(huì)形態(tài)和人們的生活質(zhì)量?？萍嫉膭?chuàng)新與發(fā)展能夠讓材料具有更優(yōu)異的性質(zhì)或者新功能來(lái)滿足社會(huì)發(fā)展中層出不窮的新需求。

一、新材料是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石

新材料是指新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的、具有傳統(tǒng)材料所不具有的優(yōu)異性能的材料。新材料又稱(chēng)先進(jìn)材料，它不以生產(chǎn)規(guī)模，而以優(yōu)異性能、高質(zhì)量、高穩(wěn)定性取勝的高知識(shí)、高技術(shù)密集型為特點(diǎn)。

新材料有結(jié)構(gòu)材料和功能材料之分，前者主要利用新材料的力學(xué)性能，而后者以應(yīng)用其各種物理、化學(xué)效應(yīng)為主。主要包括電子信息、光電、超導(dǎo)材料；生物功能材料；能源材料和生態(tài)環(huán)境材料；高性能陶瓷材料及新型工程塑料；粉體、納米、微孔材料和高純金屬及高純材料； 表面技術(shù)與涂層和薄膜材料；復(fù)合材料；智能材料；新結(jié)構(gòu)功能助劑材料、優(yōu)異性能的新型結(jié)構(gòu)材料等。

美國(guó)MGI主要新型材料及其與國(guó)家需求的關(guān)系 備注：●首要、○ 次要

縱觀歷史，新材料可以導(dǎo)致顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，從而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革。如白光發(fā)光二極管（WLED）的出現(xiàn)，開(kāi)辟了照明新紀(jì)元；液晶屏替代陰極攝像管，曾帶來(lái)了顯示革命；現(xiàn)在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）、印刷顯示、激光顯示又將崛起，可謂一代材料、一代器件、一代整機(jī)。經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)取得了重要成就，技術(shù)水平日益提高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，具有自主創(chuàng)新能力的新材料產(chǎn)業(yè)體系正在形成，為我國(guó)以航空航天、軌道交通、信息、生物、新能源等為代表的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)突破技術(shù)瓶頸、實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。

二、全球新材料產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模

從國(guó)際情況看，2008年金融危機(jī)以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛啟動(dòng)“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，不約而同地將新材料作為回歸實(shí)體經(jīng)濟(jì)、搶占新一輪國(guó)際科技經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要基礎(chǔ)，不斷加大對(duì)新材料的支持力度，由新材料帶動(dòng)而產(chǎn)生的新產(chǎn)品和新技術(shù)市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。

從細(xì)分子行業(yè)看，新材料重要子行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)。其中，預(yù)計(jì)到2020 年，我國(guó)鋰電池與材料、電子化學(xué)品、碳纖維、3D 打印、石墨烯分別將達(dá)到5,000/2,816/40/280/2.2億元的市場(chǎng)規(guī)模。

1、高性能碳纖維——戰(zhàn)略性新材料

碳纖維是技術(shù)密集型和政治敏感型的關(guān)鍵材料，它作為國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中新材料領(lǐng)域的材料之王，是國(guó)家迫切需要短期內(nèi)突破的高新技術(shù)纖維品種。在軍事上，特別是航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

全球范圍來(lái)看，日本企業(yè)處在技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者的地位，美國(guó)德國(guó)處于技術(shù)提升階段，而中國(guó)則處于技術(shù)攻關(guān)階段，較日美德都有較大差距。

2、鋰電池材料：鋰電池市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)張

鋰離子電池是指正、負(fù)極為鋰離子嵌入化合物的二次電池，屬于離子濃差電池。在充、放電過(guò)程中，鋰離子在兩個(gè)電極之間往返嵌入和拖嵌，被形象地成為“搖椅電池”（Rocking Chair Batteries，縮寫(xiě)為RCB）。相比于大部分其他二次電池和儲(chǔ)能技術(shù)，鋰電池?zé)o論在體積比能量、質(zhì)量比能量、質(zhì)量比功率、循環(huán)壽命、充放電效率方面均處于領(lǐng)先，是當(dāng)前最符合新應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)的儲(chǔ)能技術(shù)。

鋰離子電池與其他電池性能對(duì)比

消費(fèi)電子及新能源汽車(chē)的快速發(fā)展帶動(dòng)鋰電池市場(chǎng)規(guī)模迅速增長(zhǎng)。作為鋰電池成本的大頭，鋰電池材料迎來(lái)了新一輪的景氣周期。

2.1 電子材料：高端品種進(jìn)口替代空間巨大

國(guó)家政策大力扶持，海外并購(gòu)重組此起彼伏，芯片國(guó)產(chǎn)化率大幅提升，但集成電路生產(chǎn)所需電子材料的進(jìn)口依賴(lài)程度仍然較高，部分高端電子材料的自給率低于10%。受生產(chǎn)技術(shù)壁壘、客戶認(rèn)證壁壘等限制，PCB 化學(xué)品、LED 化學(xué)品、半導(dǎo)體封裝、LCD 化學(xué)品、芯片制造化學(xué)品的進(jìn)口依賴(lài)程度依次加大。

據(jù)IHS 數(shù)據(jù)，2015 年全球半導(dǎo)體營(yíng)收將達(dá)到3,670 億美元，其中中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)約1,520 億美元，近幾年占比維持在40%以上。而國(guó)內(nèi)PCB 化學(xué)品市場(chǎng)占比約37%，半導(dǎo)體封裝化學(xué)品市場(chǎng)占比約18%，芯片制造化學(xué)品市場(chǎng)占比不足6%，進(jìn)口替代空間巨大。

3、全球電子材料市場(chǎng)規(guī)模及毛利率

3.1. 3D 打印：產(chǎn)業(yè)規(guī)?；那耙?/p>2015 年全球3D 打印市場(chǎng)規(guī)模為52 億美元，同比增長(zhǎng)30%。據(jù)WohlersAssociates預(yù)計(jì)，2016~2018 年全球3D 打印將達(dá)到70~125 億美元，到2020 年將達(dá)到212 億美元。年均復(fù)合增速35%。2015年預(yù)計(jì)中國(guó)3D 打印市場(chǎng)為8 億美元（50 億元人民幣），未來(lái)幾年中國(guó)3D 打印市場(chǎng)仍將保持40%左右的增長(zhǎng)速度，到2018 年有望達(dá)到25 億美元（150 億元人民幣），中國(guó)有望超越美國(guó)成為全球最大的3D 打印市場(chǎng)。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)處于早期培育階段，工業(yè)化大量應(yīng)用正在起步。國(guó)內(nèi)3D 打印市場(chǎng)起步晚于國(guó)際市場(chǎng)十幾年，過(guò)去通過(guò)進(jìn)口設(shè)備與技術(shù)，主要應(yīng)用在科研領(lǐng)域。隨著國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的設(shè)備、材料和軟件走向市場(chǎng)，掌握研發(fā)核心技術(shù)的國(guó)內(nèi)公司已在特定市場(chǎng)呈現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，具備服務(wù)與拓展終端客戶尤其是工業(yè)領(lǐng)域客戶的能力，建立獨(dú)特的創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈。

3.2 石墨烯：產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)

石墨烯材料性能卓越，被認(rèn)為可以引發(fā)現(xiàn)代電子科技和信息技術(shù)的革命。石墨烯作為一種新型納米材料，于2004 年被制造出來(lái)，是世界上最硬的、柔韌性最強(qiáng)的材料，也是目前發(fā)現(xiàn)的唯一的二維自由態(tài)原子晶體，被稱(chēng)為“奇跡材料”。

石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的六角形蜂巢晶格的平面二維材料，單層的石墨烯只有一個(gè)碳原子的厚度，理論厚度僅為0.34 納米，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能、較高的電子遷移率、較高的比表面積和量子霍爾效應(yīng)等性質(zhì)。石墨烯不僅是世界上最強(qiáng)、最堅(jiān)硬、最薄的物質(zhì)，石墨烯比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度是世界上最好鋼鐵的上百倍，同時(shí)由于它在已知的材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高，它電流密度是銅的100 萬(wàn)倍，導(dǎo)熱率是銅的10 倍，因此也是最理想的電極和半導(dǎo)體材料。

整體的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈分為上游、中游、下游。上游主要是制備石墨烯的原料及設(shè)備，中游主要是各類(lèi)石墨烯，下游就是石墨烯的應(yīng)用，包括復(fù)合材料、電子信息、儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域。

石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈

近幾年石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展全球矚目，但總體應(yīng)用量較小，市場(chǎng)規(guī)?；枨筮€有待形成。目前石墨烯的大部分應(yīng)用仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，雖然在實(shí)驗(yàn)室里的效果很好，但如果進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品的穩(wěn)定性尚待觀察。石墨烯標(biāo)準(zhǔn)尚需進(jìn)一步規(guī)范。

3.3 高新技術(shù)發(fā)展促使材料不斷更新?lián)Q代

高新技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)材料提出新的挑戰(zhàn)和需求，同時(shí)材料更新?lián)Q代又促進(jìn)了高技術(shù)成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。例如，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(fā)揮了重要作用。目前，300 mm 硅片可滿足 14 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的集成電路要求，450 mm 硅片已產(chǎn)出樣片。

硅材料發(fā)展歷程

3.4 全球硅材料技術(shù)和產(chǎn)量按直徑的演化

以新能源為代表的新興產(chǎn)業(yè)崛起，引起電力、建筑、汽車(chē)、通訊等多個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)生重大變革，拉動(dòng)上游產(chǎn)業(yè)如風(fēng)機(jī)制造、光伏組件、多晶硅等一系列制造業(yè)和資源加工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)等輸送與終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)通過(guò)立法，促進(jìn)節(jié)能建筑和光伏發(fā)電建筑的發(fā)展，目前歐洲 80 % 的中空玻璃使用 LOW–E玻璃，美國(guó) LOW–E 中空玻璃普及率達(dá) 82 %；光伏裝機(jī)容量不斷提高。

2006—2016年全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量

3.5 新材料研發(fā)模式變革成為關(guān)注的重點(diǎn)

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸意識(shí)到依賴(lài)于試錯(cuò)的傳統(tǒng)材料研究方法已跟不上工業(yè)快速發(fā)展的步伐，甚至可能成為制約技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。因此，亟需革新材料研發(fā)方法，加速材料從研發(fā)到應(yīng)用的進(jìn)程。例如，作為美國(guó)政府“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”（AMP）的重要組成部分， 2011 年啟動(dòng)的“材料基因組計(jì)劃”（MGI），其新材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的速度至少提高一倍，成本至少降低一半，旨在發(fā)展以先進(jìn)材料為基礎(chǔ)的高端制造業(yè)，并繼續(xù)保持其在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

材料基因組要素

在經(jīng)濟(jì)全球化日益加強(qiáng)的背景下,各國(guó)材料及其產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致將會(huì)引起混亂、低效并增加成本,不利于市場(chǎng)應(yīng)用的國(guó)際化。因此對(duì)材料供應(yīng)商和用戶來(lái)說(shuō),不同的國(guó)家以相同方式測(cè)試材料特性是非常重要的,對(duì)于新材料,這種要求尤其強(qiáng)烈。