世界新材料产业发展动态

2015-07-30 15:25:03 江苏省企业技术改造协会 6

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一、世界新材料产业总体发展态势

(一)各国政府对于新材料创新的支持力度不减

(二)重视提高研究与发展基础研究工作

(三)加速新材料成果向现实生产力转化

(四)3D打印材料市场快速扩张

(五)纳米材料依然是研发重点

二、世界电子信息材料发展动态

(一)电子信息材料整体态势

(二)半导体材料

(三)显示材料

三、世界能源材料发展动态

(一)光伏材料

(二)风电材料

(三)锂电材料

四、生物及医用材料

(一)生物医用材料

(二)生物降解材料

五、多用途材料

(一)复合材料

(二)纳米材料... 22





世界新材料产业发展动态

(2014)

 

 

 “新材料产业”包括新材料及其相关产品和技术装备。与传统材料相比,新材料产业具有技术高度密集,研究与开发投入高,产品的附加值高,生产与市场的国际性强,以及应用范围广,发展前景好等特点,其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济、社会发展、科技进步和国防实力的重要标志,世界各国特别是发达国家都十分重视新材料产业的发展。

同传统材料一样,新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度进行分类,不同的分类之间相互交叉和嵌套。本报告按照应用领域分类,对能源、电子信息、生物医药等产业所涉及材料的最新进展进行分析,此外,一些涉及多个应用领域的材料,如复合材料和纳米材料,作为多用途材料进行单独分析,以完善整个新材料产业领域。

一、世界新材料产业总体发展态势

新材料是一种基础性和支柱性战略产业,是现代高新技术和产业的基础和先导。任何一种高新技术的突破都必须以该领域的新材料技术突破为前提,材料方面的突破将有可能引发新的产业性革命。因此,其发展一直是各国政府关注的重点。发达国家对于新材料的支持一直不遗余力,近年来,欧美不少国家开始建立材料创新中心。2013年,这些创新中心不断增大投入,期望开发出优异性能的材料,也使各国的新材料产业规模继续增长。不仅国外支持新材料,中国政府也持续看好新材料产业,据中国工业和信息化部统计,2012年中国新材料产业规模达到1万亿元,预计到2015年,中国新材料产业总产值将达到2万亿元,年均增长率超过25%。到2020年,新材料产业将成为国民经济的先导产业,主要产品能满足国民经济和国防建设的需要。

(一)各国政府对于新材料创新的支持力度不减

美国对于新材料的重视程度极高,近年来不断推出各种相关战略、计划等。如美国国家标准技术局在2013年底宣布对构建先进材料研究新中心的芝加哥财团资助2500万美元,该中心将主要研究分层材料设计,支持美国政府材料基因组计划,其由西北大学、芝加哥大学、美国阿贡国家实验室、美国材料信息协会等共同领导。此外,欧洲非常强调新材料的研发。英国工程和物理科学研究协会于2013年4月宣布,对于新材料投入3000万欧元的经费支持,其目的是加快英国在新材料领域的研究速度,使英国保持在科技与创新的前沿地位。在其他国家,各国政府也强调了新材料产业的基础地位,对其支持力量也在不断增加。

(二)重视提高研究与发展基础研究工作

各国政府都积极支持高起点、高水准的大学基础研究工作,从软件和硬件两个方面保证新材料国家实验室和工程技术研究中心的运作。在多个具有应用前景的新材料研究与发展项目出现后,多个国家政府即逐步减少对于该项目的财政资助,如德国对30个应用研究所的新材料合同研究的贡献仅仅为20%—40%,而对马克思·普朗克学会的新材料基础研究的项目拨款却始终是100%。

(三)加速新材料成果向现实生产力转化

目前,国外新材料政策重点集中在加速新材料研究与发展成果的推广和应用,目的在于提高其研究与发展的投资效益,加速新材料产业的发展,促进新材料市场的发育和成长,以新材料技术带动下游工业的发展,同肘克服工业界在适应和改造从国外引进的或从国家实验室和私人实验室转化来的技术方面经常存在的惰性。

美国的技术转让条例规定,国家实验室可以用自己的研究经费与工业界合作进行新材料的研究与开发。加拿大的工业研究援助计划甚至承诺负担把政府实验室开发的新材料技术转让给工业界所需的部分费用。德国重视从政策上引导科研院所和大学向中小企业转让新材料技术,注意加强材料科学家和企业工程技术人员间的交流,使企业人员更容易了解和利用各种科研中心开发的新材料技术。此外,国家努力建立和完善创新环境方面的基础设施,建立新材料知识库、数据库和系统网络,以促进新材料研究发展成果向现实生产力的转化。

(四)3D打印材料市场快速扩张

3D打印风潮依旧受人瞩目,带动3D打印材料行业的崛起。据Markets and Markets公司统计,北美和亚太地区在2012年占了3D打印材料销售收益的68.0%,从全球来看,美国,日本,中国,英国和德国3D打印材料的需求巨大。2012年北美地区的3D打印材料市场收入最高,亚太地区第二。全球3D打印塑性材料收入达到1.83亿美元,并将以23.4%的年均复合增长率继续增长,至2018年将达到5.83亿美元。

(五)纳米材料依然是研发重点

2013年,世界新材料不断推陈出新,不少高性能的材料或成果不断涌现。其中,出现最多的依旧是纳米材料。如美国密歇根理工大学开发出一种低成本阴极材料,被称为蜂窝状3D石墨烯,其合成过程既不困难也不昂贵,是制造阴极的理想材料,它能够取代此前在染料敏化太阳能电池生产中所必需的贵金属铂;曼彻斯特大学的研究人员设计出了一种新型石墨烯晶体管,可在室温下展现出高达1x 106的开关比率,这一优异性能使之有可能在后互补金属氧化物半导体(CMOS)设备时代占有一席之地;德国杜伊斯堡大学采用在磷酸钙纳米晶体表面包裹核酸物质的方法,制成一种膏状骨骼修复材料,可加速人体骨骼修复速度和改善修复过程;日本东丽公司的研究人员研制出世界上最细的纳米纤维。与这种直径150纳米的纤维一同研制成功的还有一种断面呈Y形的直径为300纳米的纤维。新研制的纤维在同等重量下表面积都要大于以往产品,而纤维之间的缝隙也可以任意调节,因此由此种纤维制成的产品在保湿性、吸水性、摩擦系数等方面比以往都有了很大提高;俄罗斯圣彼得堡“铁氧体域”科学研究所公开了一种最新研制的纳米隐身涂层。据称这种纳米隐身涂层如应用于海军装备会大幅提高水面舰艇的隐身性能,并降低被宽频雷达发现的可能性,能提高舰船对抗雷达制导、热源制导和激光制导等精确制导武器的能力;韩国基础科学研究院纳米结构物理研究小组开发出最多可拉长20%的透明电子元件,能用于像穿戴衣服一样套在电脑或贴在皮肤上的传感器中。

二、世界电子信息材料发展动态

(一)电子信息材料整体态势

电子信息材料是新材料中的重要组成部分,其不仅比重大,发展速度也极为迅速,近年来,推动信息产业进步的进程中,计算机、通信技术起到了重要作用,而电子信息材料则是这些技术的重要基础和保障。

1.电子信息材料恢复增长趋势

信息产业逐步复苏带动上游的电子信息材料,而半导体、封装、印刷电路板、平面显示器材料的景气也加速了电子信息材料产业的发展。据Markets and Markets公司调查数据,2013年全球电子化学品与材料市场的总收入已达到410亿美元,预计该市场将以6.3%的年均复合增长率继续增长,到2019年预计达到591亿美元。

2.亚太地区成为重点

2013年,全球电子化学与材料市场中,亚太地区占据了全球78%的市场份额,主要由于该市场的电子应用产品增长迅速,以及生产制造成本较低,而原材料易于获取等原因,特别是在中国地区,低成本和原材料的丰富使其发展更加迅速。而北美和欧洲市场预计到2019年只占据全球电子化学与材料19%的市场份额,其在2014至2019年间年均复合增长率分别只有4.1%和2.8%。

3.欧美公司主导电子信息材料市场

德国巴斯夫( BASF)、美国雅保公司(Albemarle Corporation)、美国空气化工产品有限公司(AirProducts & Chemicals Inc.).法国液化空气公司(Air Liquide Holdings Inc.)、英国AZ电子材料公司(AZElectronic Materials plc)和美国道化学公司(Dow Chemical Company)是电子化学与材料产业的主要活跃力量。这些公司在所有电子化学与材料公司中具有较高的地位和影响力,因此,这些公司几乎拥有整个电子化学与材料公司80%的市场活动。自2010 - 2014年,扩张成为这些公司的主要成长战略。如2013年上半年,美国KMG化学公司成功收购OM集团的超纯化学品子公司,德国林德集团(LindeGroup)也有两次扩张。此外,美国卡伯特微电子公司(Cabot Microelectronic Corporation)和霍尼韦尔公司(Honeywell International Inc.)也是该领域主要参与者。

(二)半导体材料

1.半导体材料市场连续两年下降

国际半导体设备与材料协会( SEMI)统计,2013全球半导体材料销售额为435亿美元,与2012年相比,增长5%,这意味着半导体材料市场连续第二年呈下降趋势。虽然2013年仍是下降态势,但由于半导体设备市场的增长,SEMI仍然对2014年的半导体材料市场保持乐观,其预计2014年全球半导体材料市场将出现增长,市场规模接近500亿美元(图1)。


 

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2.晶圆与封装材料市场均有所下降

2012年晶圆制造材料和封装材料销售额分别为234.4亿美元和213.6亿美元。而2013年晶圆制造材料销售额为227.6亿美元,封装材料为207亿美元。在硅、先进基板和键合线方面销售额连续两年的减少,导致了整个半导体材料市场规模减小。

晶圆方面,作为晶圆产品中最为基础的硅晶圆近年来表现不佳。2013年硅晶圆市场收入相比2012年下降了13%,但是全球的出货量小幅增长了0.4%。2013年全球硅晶圆出货量达到90.67亿平方英寸,比2012年的90.31亿平方英寸有少量增加,但市场规模从2012年的87亿美元下降到2013年的75亿美元(表1)。


 

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在封装材料右面,SEMI预计封装材料市场将在未来4年内继续保持200亿美元左右。尽管具有持续的价格压力,但有机基版仍保持封装材料中最大市场份额,2013年达到74亿美元,至2017年将达到87亿美元的市场。许多封装材料由于终端用户寻求低价格溶液,以及价格向下的压力,将面临较低的收入增长幅度。此外,使用铜和银接合线已经显著减少黄金价格的影响力。

也有一些领域正经历较强增长。如芯片封装材料受到移动计算机和通信设备所爆发式增长的驱动而增加。移动计算机和通讯设备也正推动晶圆级封装的成长,转而亦推动介电质材料的使用。而覆晶封装的成长有助于底胶填充材料市场扩展(图2)。


 

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3.我国台湾地区继续保持全球最大半导体材料市场

我国台湾地区以大型晶圆代工( Fab)和先进封装为坚实基础,尽管没有保持连年增长,但已连续四年成为半导体材料的最大市场。这些年,北美洲的材料市场规模一直保持平稳发展。受益于晶圆工厂材料的强大力量,2013年中国大陆和欧洲的材料市场规模有所扩大。日本的材料市场规模收缩了12%,而韩国和其余国家和地区(包括新加坡、马来西亚、菲律宾、东南亚地区和其他较小市场)的市场规模也有一定的萎缩(表2)。


 

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但是,在晶圆材料方面,日本由于众多设备制造商实施轻晶圆厂战略,使得日本仍然是全球最大的集成电路晶圆生产地区,占据全球22%份额,韩国和中国台湾分别以21%和19%紧随日本之后。但从晶圆制造材料看,这3个地区市场基本相当(图3)。


 

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4.第三代半导体或引发又一次照明革命

继硅引导的第一代半导体和砷化镓引导的第二代半导体后,以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的第三代半导体材料闪亮登场并逐步发展壮大。与第一、二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率和更高的抗辐射能力,因而更适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。此外,第三代半导体材料由于具有发光效率高、频率高等特点,因而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用。从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,较为成熟的是SiC和GaN半导体材料,而Zn0、金刚石和AIN等宽禁带半导体材料的研究尚属起步阶段。

2013年5月9日,美国奥巴马政府宣布成立3个新的国家制造业创新学院,分别是“数字化制造和设计创新( DMDI)学院”“轻量制造和现代金属制造创新(LM31)学院”及能源部领导的“清洁能源制造创新学院”。美国能源部网站显示,“清洁能源制造创新学院”将重点聚焦“宽禁带( WBG)半导体电力电子器件”技术的研究和发展,认为该技术将广泛应用于多个行业和市场,具备变革性的突破力量,将其上升到国家战略的高度,可确保美国在这一领域的优势地位。美国能源部对于宽禁带半导体的发展目标为体积更小、速度更快、效率更高。具体包括:实现较高的功率转换及照明效率;提升在高电压及高温下的运作能力;达到更高的频率。

同美国等国家相比,中国宽禁带半导体技术亟待突破。不过令人欣喜的是,国家层面已经在一定程度上认识到了相关技术对节能减排、信息技术和国防军工等产业的价值,不断投入科研经费,鼓励相关单位进行技术研究,以求早日实现产业化方面的突破。在半导体照明方面,中国的GaN基LED技术研发已接近国际先进水平。通过半导体照明技术的发展和普及,以及第三代半导体功率器件的研发和应用,到2020年,中国预计可实现年节电6000亿千瓦时。

(三)显示材料

1.整体态势

2012年全球电子显示材料市场收入达到766亿美元,2013年达到802亿美元,预计该市场将继增长,至2018年达到1199亿美元,2013- 2018年的复合年均增长率为8.4%。其中,市场份额最大的为平板显示材料.,其复合年均增长率为8.1%,预计到2018年将占整个显示材料市场的97.6%,达到1170亿美元市场。阴极射线管在2013年市场收入达到2.141亿美元,之后份额将趋于下降,2018年仅占100万美元的市场,复合年均增长率为-65.8%。BCC研究咨询公司认为,阴极射线管和背投显示将从市场消失,等离子也将逐步减少,如今液晶显示器主导市场,但面临有机发光二极管( OLED)和其他新技术,如柔韧透明显示材料的竞争。

2.液晶材料

(1)液晶单体市场继续增长

虽然有着众多竞争对手,但液晶( LCD)面板在未来5~7年里仍将是平板面板主流趋势。据NPD Display预计,2014年全球LCD屏幕需求量将增长7%,而全球LCD生产能力仅增加4%。LCD屏幕需求量的上升也增加了对LCD材料的需求。FPDisplay预计至2014年全球液晶单体的需求量起过800吨,市场规模接近50亿元,2012-2014年复合年均增长率接近9%。

(2)国际市场仍呈寡头垄断

目前,国际上主要有四家液晶材料公司,它们分别是德国默克( Merck)公司、日本智索(Chisso)公司等,主要生产中高档产品,如TFT、STN、中高档TN液晶材料。由于TFT液晶材料的高技术壁垒,导致中高端液晶材料市场多年来一直处于垄断状态。目前默克、智索和迪爱生( DIC)三家垄断TFT液晶市场,市场份额分别为50%、40%、6%。

从地区分析,日本TFT-LCD配套材料产业链最为完整,拥有液晶材料领先厂商智索和迪爱生。德国默克依靠其强大化工技术基础和先进的研发创新能力,在高档TFT液晶材料市场上处于绝对领先地位。在本土下游厂商带动下,韩国、中国台湾等加大对液晶材料的投入,努力突破德国、日本企业的垄断,液晶材料厂商如台湾地区的大立高分子、韩国东进等目前具备一定的液晶材料生产能力。    由于技术壁垒、相关人才缺乏等原因,中国大陆液晶面板行业起步较晚,一直落后于液晶电视等显示器件厂商的需求,液晶材料等上游配套产业的生产能力、技术水平也长期处在落后地位。自上世纪80年代以来,国内少数厂商依托高校和科研院所,开始了液晶材料的研发和产业化进程。但行业壁垒特征以及过去面板生产线的匮乏,使得国内液晶材料厂商远远落后于世界先进水平。直至近两年,因产业政策的多方面支持、国内高世代面板生产线的陆续投建以及同国外同行业企业的合作交流逐渐增加,液晶材料行业出现了几家代表性厂商,如混晶厂商诚志永华、江苏和成、八亿时空,以及单晶厂商烟台万润、西安瑞联等,其掌握了一定的核心技术与产能、产量基础,其中,诚志永华的国内市场占有率达65%以上,在全球五大液晶材料生产厂家中销量位居第三,但主要为TN、HTN、STN型系列的低中端液晶材料。总体看,中国大陆是全球液晶单体和中间体的最大产地和供应基地,在液晶中间体、单体以及TN、STN类混晶产品领域占据重要地位,并在TFT类混晶的研发、产能扩张方面逐渐加大投入。

(3)国际TFT-LCD材料重心转向中国市场

从全球来看,日本、韩国和中国台湾几乎没有新的LCD投资;同时,由于人力成本、采购成本、生产成本等优势,且交货周期短,加之中国大陆液晶材料的上下游配套企业比较完善,许多液晶材料生产基地转移至中国大陆。

为了抓住潜力巨大的中国市场,同时也顺应全球TFT产业重心转移的趋势,全球三大巨大的液晶材料生产商迪爱生计划在青岛兴建新的生产基地——迪爱生精细化学有限公司混晶新工厂。一年之后,另一个全球液晶材料巨头德国默克集团也在华设立工厂。默克在上海设立的默克液晶中国中心主要包括三个部分:液晶混合厂、液晶实验室和液晶中国业务中心。其中,液晶实验室早在2011年11月正式投用,而液晶混合厂则是其在亚洲继韩国、中国台湾和日本后的第四个混合工厂。

3.有机发光二极管( OLED)材料

(1) OLED材料市场预计放缓

根据NPD Display Search OLED Quarterly OLED Materials Report报告显示,2013年全球OLED材料市场规模达到5.29亿美元,但由于OLED电视出货的延迟,2014年OLED材料的产业规模预计可达到7.95亿美元,比之前的10忆美元预测有所下降。但是,从长远看,Nanomarkets认为由于移动终端和OLED电视的发展,2020年OLED材料市场规模将达到46亿美元。OLED关键材料将从2013年的2.65亿美元增长至2020年的16亿美元(图4)。

由于平板显示市场已很成熟且利润增长缓慢,因此在众多OLED技术中,主动矩阵式有机发光二极管( AMOLED)最为吸引显示器厂商的眼球。AMOLED显示器主要用于手机,但如今它也逐渐渗透到电视、平板电脑和其他大尺寸显示产品中,而OLED的材料预计将成为这种转型的关键要素。NPDDisplay Search认为:现在OLED材料厂商和相关投资者对OLED材料市场的前景表示担忧。如果OLED电视出货量能够增长,那么OLED显示面板尺寸的增大和低良率都将增加OLED电视面板制作过程中原材料的消耗,对OLED材料市场将起到积极作用。


 

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( 2) AMOLED需求带动发光材料市场增长

2014年除几乎垄断主动有机发光二极体( AMOLED)面板市场的三星显示公司,多家厂商可望投入市场或增加产量,将带动相关发光材料市场成长。

Displaybank表示,2013年AMOLED发光材料市场规模达3.5亿美元,2014年现有AMOLED制造厂需求量增加及新进业者的量产需求,发光材料产值可望增加1亿美元,达4.5亿美元。2014年,除三星显示公司在手机用AMOLED面板续领风骚外,LG显示、友达光电、日本显示公司(JDI)可望扩大AMOLED产能,或尝试初期量产,因此有机会带动发光材料需求成长。

( 3) OLED材料厂商研发各有侧重

目前OLED材料的主要生产商集中于韩国、日本、美国和德国,不同公司在开发的OLED材料方面也有各自的重点,这些材料制造商与面板或设备的主要制造商如韩国三星等有着密切的业务来往,共同推进OLED的不断发展(表3)。


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三、世界能源材料发展动态

(一)光伏材料

1.光伏材料需求趋于平稳增长

根据Lux Research研究报告,2012年全球光伏材料市场规模达到178亿美元,预计到2018年将达到272亿美元。在整个光伏材料中,金属(包括多晶硅、金属浆以及CIGS中金属吸收材料)将成为最大的市场,预计到2018年将达到128亿美元,其中多晶硅部分将创造出60亿美元市场。

2.光伏材料市场重心转向亚洲

亚洲的光伏材料市场受益于生产动向变化和政府支持,将自身定位于重要的光伏制造中心。许多光伏材料提供商将生产工艺移入亚洲,通过减少碳排放吸引政府,扩大其市场。Frost & Sullivan报道,2012年,亚洲的光伏材料市场规模为19.4亿美元,预计到2018年将增长到48亿美元,其主要通过光伏技术创新来提高效率,并降低成本。根据统计,中国大陆、日本和中国台湾共占据了亚洲光伏材料70%以上的市场份额。

由于受到经济压力等多重因素影响,Frost & Sullivan预测在2015年前,亚洲光伏材料市场将呈现温和增长态势,2014年由于较少的补贴和激励措施,行业不确定性将有所增加。但是,2015- 2020年亚洲光伏材料市场将可能迸入快速发展阶段,其原因是背板生产有望从欧洲转向亚洲,2015年后,日本和中国可能在光伏设备安装上超过欧洲,从而带动光伏材料市场的增长。

3.关键材料发展态势

(1)多晶硅

近年来,随着光伏产业的迅速发展,全球多晶硅产能进入上升通道,2005年为3.6万吨左右,2009年约16万吨,2012年增长到约41万吨。据估计,2013年全球多晶硅的产能基本与2012年持平。全球多晶硅产量发展也非常快,由2005年的约3.5万吨发展到2009年达9万多吨;2010年则翻一番,达到约18万吨;2011年约24万吨;2012与2011年基本持平。据估计,2013年全球多晶硅的产量比2012年略有增长估计在25万吨左右(图5,图6)。


 

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2013年全球光伏市场需求仅为36吉瓦,折算多晶硅需求仅为22万吨左右;加上每年全球半导体产业对多晶硅的需求3万吨左右,2013年全球多晶硅需求仅25万吨左右。而按照1吉瓦太阳电池需6000吨多晶硅计算,41万吨多晶硅产能就可满足约68吉瓦太阳电池需求。显然,目前和未来一段时间多晶硅产能都存在严重过剩现象,市场压力巨大。

从光伏市场的实际需求和多晶硅产量看,2012年全球多晶硅的生产和消耗约为24万吨,与2011年基本持平。估计2013年光伏市场略有增长,多晶硅需求也会略有增长,半导体对多晶硅的需求比较稳定,因此估计2013年全球多晶硅产量在25万吨左右。目前,世界四大多晶硅巨头——保利协鑫能源控股有限公司(简称“保利协鑫”)、韩国OCI、美国哈姆洛克(Hemlock)及德国瓦克(Wacker)的产能产量已可满足全球约20万吨的多晶硅需求。因此,在多晶硅市场需求增长仍有限而产能又严重过剩的情况下,多晶硅的价格回升幅度有限。当然,多晶硅生产成本是其市场价格的底线,美、韩、欧以低于生产成本价倾销的时间也有限,不可能持续太久,因此,未来多晶硅的市场价格可能会在一流多晶硅公司的生产成本价左右波劫。

(2)薄膜光伏材料

薄膜材料广泛用于多个工业领域中,Market Research预测,2018年用于光伏等的薄膜材料将达到102.5亿美元。在3种薄膜材料中,碲化镉(CdTe)最为成功,铜铟镓硒(CIGS)则受到最大资助,但由于封装问题等还未成功用于生产线。此外,非晶硅( a-Si)也正在得到一些亚洲公司的重新关注。

薄膜光伏材料市场具有一定数量的小公司以及几家大公司。这些公司受到地理位置影响,而关注特定技术。例如First Solar在碲化镉市场具有90%的份额,而其主要市场仅在于北美,因为在欧洲,镉的使用受到严格监管。而Hanergy具有CIS/CIGS技术市场约30%的份额,但其市场也仅局限于亚太和欧洲。

在薄膜光伏材料中,CIGS在使用上优势相当多,如CIGS日照太阳光的光谱吸收范围较广,对于日到的照射强度/角度弹性较大,由于可用可挠基板进行制作,电池模块亦可做可挠曲设计,布建发电电池板的施工弹性更大,而产制可采低成本的卷对卷生产,亦可产制大面积化的电池板设计方案,成本亦可因此大幅降低,制程能耗与材料用量也可相对较节省。相对于硅晶太阳能电池模块产品,CIGS的大面积化、可挠式基材优势,迎合了建筑整合太阳能光伏的绿色建筑趋势,但其在商业化进程中仍受到一些障碍。

即便市场对CIGS持有期待,但实际上CIGS相关技术成熟度毕竟无法与长时间发展的硅晶太阳能电池产品相抗衡,一方面硅晶太阳能电池在这几年价格持续探底,CIGS太阳能电池即便大量生产,使成本进一步优化,将两者相比较,仍以硅晶太阳能电池的单位成本较具优势,而硅晶太阳能电池的光电转换效率亦持续获得新制程改善,CIGS太阳能电池仍需在量产成本、市场应用积极探索。

现有投入可挠曲CIGS技术研发的太阳能电池相关公司尝试锁定高技术门槛的可挠曲CIGS技术,但实际上可挠曲的CIGS太阳能电池模块、与传统CIGS太阳能电池的制造技术差异相当大,即便开发者挟丰厚资金,透过收购商业手段进入可挠曲CIGS领域,但短期内要将原有的太阳能电池模块转换至可挠式设计方案,技术融合难度仍相当高。

(二)风电材料

1.市场处于恢复期,未来价格有所上涨

风能市场正遭受多种因素影响,如减少的政府支持,光伏材料的价格下降,电网连接等。2013年开始全球风能复合材料消耗量遭受下降,预计2014 - 2019年风能材料市场有所恢复。

虽然复合材料在风电市场正日益普及,但仍存在一些技术障碍,如需要更强硬度以防止叶片弯曲,防止屈曲,以及在可变风负荷条件下具有足够的疲劳寿命。为了解决这些问题,叶片制造商开始使用高性能材料,例如碳纤维,但碳纤维价格是玻璃纤维的8到10倍,阻碍了其在叶片中大量使用。在未来几年,由于叶片制造商采用更多的碳纤维及改进树脂,将使风能复合材料平均价格上涨。

2.亚太地区将成为风电材料最主要市场

从国家看,根据Composite Insights的报告,亚太地区风电行业的复合材料用量在2017年将达到45.36万吨。中国将可能成为最大的风电材料市场。欧洲和北美也对风电材料有着一定需求,如西班牙、英国和法国随着其沿欧洲西部和北部的海岸线兴建海上风电场的大型发电机组。

(三)锂电材料

1.市场平稳增长,中日韩垄断市场需求

2012年全球锂电材料市场规模达到51亿美元,预计2013- 2018年复合年均增长率为13%,至2018年将达到113亿美元,以日本、中国和韩国为首的亚太地区需求最为旺盛。

2013年锂电池材料市场继续中日韩三国绝对垄断的格局,但随着巴斯夫( BASF)、户田工业、Phostech、陶氏能源材料等公司材料工厂的投产和扩产,东亚三国的材料市场份额会有所缩减。而在东亚三国内部,市场格局也在不断发生着变化,总体特点是中韩走高而日本萎缩。

在正极材料、电解液、隔膜材料领域(分别以韩国优美科、厚成和SK创新为代表)取得快速发展之后,2013年韩国的负极材料产业也在中日两国的夹缝中伺机发展。因相关产能持续向中国、越南等地转移,在动力锂电池产业尚未大规模兴起之前,日本本土材料的市场份额在2013年进一步下降。

2.日韩竞争中国市场

虽然包括劳动力、土地等在内的各项成本不断走高,但丰富的资源和较为完善的产业链,以及庞大的基础人才的储备,还是使中国大陆成为全球锂电池及其材料产业发展中最具吸引力的地区,日本、韩国和中国台湾的企业持续不断地将相关产能迁移至中国大陆。估计2013年中国大陆在锂电池材料方面的全球市场份额进一步提高。

锂电池材料产业竞争空前激烈,参与企业的市场份额发生较大的波动,韩日两国的锂电池巨头竞争的焦点在于中国市场,其正极材料企业正大规模登陆中国。AGC清美控股的清美通达锂能科技(无锡)有限公司2012年计划投资4.5亿元,将钴酸锂和三元材料的年产能扩充到7000吨。韩国最大的NCM三元材料企业ECOPRO已与前驱体材料企业浙江嘉利珂牵手,在浙江上虞打造一个大型三元材料生产基地。韩国SK集团独资设立的重庆渝韩锂电池材料公司,正在重庆两江新区建设年产能高达9600吨的正极材料生产基地。

四、生物及医用材料

(一)生物医用材料

生物医用材料是当代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域之一,涉及材料、生物和医学等相关学科,是现代医学两大支柱——生物技术和生物医学工程的重要基础。由于当代材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展,在分子水平上深化了材料与机体间相互作用的认识,加之现代医学的进展和临床巨大需求的驱动,生物材料科学与产业正在发生革命性的变革。

1.各国重视生物医用材料发展

国际社会日益重视生物医用材料的研究与产业发展。生物医用材料的研究和产业化对社会和经济的重大作用正日益受到各国政府、产业界和科学界的高度重视,其研究与开发被许多国家列入高技术关键新材料发展计划,并迅速成为国际高技术制高点之一。美国国防部将生物医用材料列入5种高技术关键新材料发展规划。德国、日本、加拿大、法国、澳大利亚及韩国等国家和地区纷纷公布自己的生物医用材料研究计划及巨额投资来吸引人才或引导投资,以期能够在此领域内的世界性竞争中占一席之地。目前,美国、西欧、澳大利亚和日本均组建了10余个高级别多学科交叉的国家生物材料与工程中心。

生物材料产业的经济地位日益提高,近年来,世界生物材料市场发展势头迅速。根据Marketsand Markets报道,2013年全球医用高分子材料市场规模达到23亿美元,至2018年将达到35亿美元,其中,植入材料占全球医用高分子材料约50%的产量;诊断系统用医用高分子材科市场规模将达到10.4亿美元;2013年医用陶瓷市场规模为11亿美元,2018年可能达到23亿美元。

2.生物医用材料产业特点

生物医用材料及植入器械产业是学科交叉最多、知识密集的高技术产业,其发展需要上下游知识、技术和相关环境的支撑,多数聚集在经济、技术、人才较集中或临床资源较丰富的地区,因此,产业高度集中、产品多样或多角化是生物医用材料产业发展的重要特点和趋势。如美国集聚于技术资源丰富的硅谷、128号公路科技园、北卡罗来纳研究三角园,以及临床资源丰富的明尼阿波利斯及克利夫兰医学中心等;德国聚集于巴州艾尔格兰、图林根州等地区;日本聚集于筑波、神奈川、九州科技园等。

在全球的数万个医疗器械公司中,多数为中小企业。发达国家的中小企业主要从事新产品、新技术研发,通过向大公司转让技术或被大公司兼并维持生存。大规模产品生产及市场运作基本上由大公司进行。不同于中国医疗器械企业“多、小、散”,发达国家医疗器械产业已形成“寡头”统治的局面,全球市场也呈现类似的格局。为提高市场竞争力,保持优势,世界医疗器械行业的兼并和整合一直在进行,行业集中度或垄断度不断提高是生物医用材料产业发展的一个重要趋势。

生产和销售国际化是生物医用材料发展的突出趋势。几乎所有生物医用材料的大型企业均是跨国公司,其一部分销售额来自国际市场。为开拓国际市场,跨国公司通过向境外技术和资金输出,在国外建立子公司和研发中心,就地生产和研发。同时,为适应国际贸易的发展,国际标准化组织(ISO)不断制定和发布生物医用材料和制品的国际标准。

3.用于3D打印的生物医用材料进展

目前应用较多的3D打印技术主要包括光固化立体印刷(SLA)、熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结( SLS)和三维喷印(3DP)等,而根据不同工艺所选择的生物材料也不同。

(1)光固化立体印刷

目前常用于SLA技术制备生物可降解支架材料的高分子原料包括光敏分子修饰的聚富马酸二羟

丙酯( PPF)、聚D,L-丙交酯(PLA)、聚ε一己内酯(PCL)、聚碳酸酯,以及蛋白质、多糖等天然高分子。为了降低液态树脂原料的黏度,还需要加入小分子的溶剂或稀释剂,常用的如可参与光聚合反应的富马酸二乙酯( DEF)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP),以及不参与聚合反应的乳酸乙酯。此外,水凝胶由于被广泛应用于组织工程支架材料与药物的可控释放中,也可用于3D打印中。目前,适用于立体印刷技术制备水凝胶的常用原料包括(甲基)丙烯酸酯封端的PEG,并可通过引入细胞黏附肽RGD、肝素等生物分子,实现在微观结构上调控细胞的黏附或生长因子的释放。

(2)熔融沉积成型

熔融沉积成型技术所使用的原料通常为热缩性高分子,包括ABS、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等。该技术特点是成型产品精度高、表面质量好、成型机结构简单、无环境污染等,但是其缺点是操作温度较高。近年来,利用FDM技术制备生物医用高分子材料也受到越来越多的重视,尤其是以脂肪族聚酯为原料制备生物可降解支架材料,取得了相当乡的进展,材料的性质受到压力梯度、熔体流速、温度梯度等影响。

(3)选择性激光烧结(SLS)

选择性激光烧结技术常用的原料包括塑料、陶瓷、金属粉末等,其优点是加工速度快,且无需使用支撑材料,但缺点是成型产品表面较粗糙,需后处理,加工过程中会产生粉尘和有毒气体,而且持续高温可能造成高分子材料的降解,以及生物活性分子的变形或细胞的凋亡,该技术不能用于制备水凝胶支架。以生物可降解高分子为原料,利用SLS技术,也是制备外部形态和内部结构可控3D医用高分子材料的有效途径。对支架性能产生影响的主要参数包括颗粒尺寸、激光能量、激光扫描速率、部分床层温度等。

(4) 3D喷印

3D喷印(3DP)技术操作简便、产品具有高孔隙率、原料应用范围广,其缺点是产品力学强度较低,产品需进行后处理、只能使用粉末原料等。美国Therics公司通过3DP技术,制备了上层组分为PLGA/PLLA,下层为PLGA /TCP的软骨骨复合支架。上层软骨支架区的孔隙率为90%,而下层成骨区孔隙率控制在55%。研究发现软骨细胞更倾向于黏附于支架的软骨支架区,培养6周后可以看到软骨组织的形成。支架的成骨区力学强度可以达到与人新生松质骨同一数量级。

(5)直接携带细胞打印的生物打印技术

直接通过3D打印技术控制细胞在微观尺度的排列分布,对于调节细胞行为、细胞间的相互作用、细胞与材料间的相互作用,以及促进细胞最终形成功能组织具有十分重要的意义。另外,相比于在已成型的支架中种植细胞,直接携带细胞打印可以获得更高的细胞密度。因此,近年来通过直接携带细胞进行3D打印的细胞或组织打印技术受到了广泛的关注。由于水凝胶与天然软组织细胞外基质在结构、组成和力学性质上的相似性,目前的细胞和组织打印技术主要是基于携带细胞的水凝胶的3D沉积技术。

对于3D打印成型的携带细胞水凝胶支架的基本要求包括:水凝胶在工作台沉积后能快速原位成型,并维持初始沉积的形状;保持细胞活性和功能;打印成型的支架容易进行后处埋。目前一种常用的细胞打印技术是以双键封端的PEG(如PEG-DA或甲基丙烯酸酯封端的PEG(PEG-DMA))水溶液与含有细胞的培养液混合,形成可光固化高分子/细胞混合溶液,然后通过立体印刷技术,打印成型包覆细胞的3D水凝胶。

目前,3D打印技术在硬组织工程支架材料的制备方面获得了较多的关注和研究进展。然而,总的来说,3D打印技术在生物医用高分子材料的制备领域仍处于初始阶段。要实现3D打印技术在临床的应用还面临很多挑战。首先对于高分子原料的选择是影响3D成型材料应用的重要因素,其中主要包括高分子的生物相容性、生物响应性、降解性能、力学性质等。此外,在3D打印及后处理过程中需要保持成型材料的生物相容性,以及表面或内部细胞的存活率。最后,需要阐明细胞在3D支架材料内部的黏附、生长和分化的机制,尤其是材料与细胞相互作用的机制。

(二)生物降解材料

1.市场态势

根据BCC公司分析,由于受到不可预测的原油价格、温室气体排放、废物管理的新关注度等因素影响,生物降解高分子材料再次受到重视。2013年全球生物降解高分子材料产量约有13亿磅,预计2014年将增加到15亿磅。该市场预计在未来5年将保持10.4%的复合年均增长率,到2019年达到30亿磅的产量。相较于传统高分子材料,生物降解高分子材料已经在一些细分市场得到广泛关注,具体为包装(载体、垃圾袋、食品包装和容器)、农业(覆地膜、花盆和肥料控释包装)和医疗设备(骨科、牙科、药物缓释和组织工程)。

根据GIA公司分析,欧洲是目前生物降解高分子材料最大的市场,随着越来越多欧洲国家和企业关注可持续发展问题,以及不断增长的市场需求,GIA预计未来几年欧洲仍将保持领先地位。此外,由于具有庞大的生产量、塑料废品控制法规和日益增加的生态友好产品需求,以日本和中国为主的亚洲地区的生物降解高分子材料市场发展较快。在日本,生物降解聚合物正逐渐代替传统石油基聚合物产品。据统计,2012年全球可降解聚合物市场中,欧洲占约55%,北美29%,亚洲16%。

2.重点材料产业化态势

(1)聚乳酸生物塑料(PLA)

聚乳酸是一种可生物降解的新型高分子材料,它以绿色植物经过现代生物技术生产出的乳酸为原料,再经过特殊的聚合反应过程生成的高分子材料,也被称为生物质塑料。它是以可再生的生物资源而非石油资源为原料的生物基高分子,摆脱了人类对石油资源的过分依赖。目前聚乳酸是全球生物降解塑料需求最大的产品。

Allied Market Research分析,全球聚乳酸市场将以19.5%的复合年均增长率增长,至2020年可达到52亿美元。从地区看,北美是聚乳酸最大的市场,其在2011年占据全球聚乳酸市场的35%,欧洲和亚太地区紧随其后,两者市场比较接近。但是,未来亚太地区将成为增长速度最快的地区,其至2016年的复合年均增长率预计将达到29.3%,欧洲排在第二,北美地区的增长速度最小。

近年来,对PLA降解性能的研究虽然取得了较大成果,但由于PLA降解机理较为复杂,而且受外在因素影响较大,对其机制的研究依然需要开展大量的工作。由于研究还不够深入,因此,在开发高性能PLA复合材料的同时,须加大对PLA复合材料降解机制的研究尤其是添加剂对PLA降解性能的影响。通过不断拓宽PLA研究,逐渐深入其降解机制,期望能真正实现PLA的可控降解。

(2)聚乙烯醇(PVA)

据博思公司分析,2012年全球聚乙烯醇产量为122.4万吨,较2011年增长2.34%,需求量为118.4万吨,同比增长4.2%,2013年达到126.8万吨,整体而言全球聚乙烯醇市场基本处于供需平衡态势。

从地区看,2012年北美地区聚乙烯醇消费量为15.6万吨,占全球总量的13.18%;西欧地区消费量为15.4万吨,占比为13.01%;亚太地区是全球最大的聚乙烯醇消费市场,年度消费量为82.2万吨,占全球总量的69.43%。

在PVA产品消费结构方面,由于各国的PVA下游产业发展情况各不相同,致使各国消费结构差异较大。从世界平均消费量来看,用于聚合物助剂和织物浆料的消费量达40%以上,占PVA消费量的主要部分。其余用于聚乙烯醇缩丁醛、黏合剂、造纸浆料和涂层以及维尼龙纤维等产品消费量则基本持平,各占12%左右。

PVA由于具有优异的性能而得到广泛应用,产量和消耗量预计将在一段时间内继续增加,它所带来的环境负效应和相应的对策也将得到持续的关注。从污染治理的角度来看,纯培养和分子生态学手段相结合筛选PVA高效降解菌和相应降解基因,研制适合工业用的酶制剂,调控PVA降解基因表达,研究合适的降解工艺,依然是今后研发的重点;从循环经济的角度来看,回收退浆后PVA实现资源再利用是今后研究的一个方向。

(3)聚羟基脂肪酸酯(PHA)

随着生物降解材料的需求增加、政府对绿色政策的积极态度,以及原油价格升高影响,PHA市场吸引了许多公司投资。Markets and Markets数据显示,2013年全球PHA消耗量达到10 000吨,预计之后将以27.7%的复合年均增长率增长,至2018年达到34 000吨消耗量。目前,国内外与PHA规模化生产相关的公司超过20家,PHA和相关技术逐渐形成了一个从发酵、材料、能源到医学领域的工业价值链(表4)。



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五、多用途材料

(一)复合材料

1.市场态势

根据Lucintel分析,全球复合材料市场预计将较好的增长态势,且在不同领域有着新发展。2014年市场规模预计增长5%,之后将以6.6%的复合年均增长率增长,至2019年将达到351亿美元。  亚洲有望成为全球领先的复合材料市场,到2019年所占市场份额将达到49.5%;北美以28.4%的市场占有率排名第二。此外,相对较低的人均复合材料水平也促进了金砖四国市场在未来一段较长时间内呈现快速增长趋势。

中国是全球复合材料市场的佼佼者,且将继续保持领先,预计在2018年市场规模达到115亿美元,其中,复合材料最大的应用市场是电子电器领域,其次是管道领域。未来5年航空和国防、航海领域的复合材料也有所发展。

巴西虽然受经济影响,复合材料市场受到打击,但其在2013年第三季度的市场规模仍达到了3.65亿美元,比第二季度提高了3%,比2012年同期增长了8.1%。2013年7月至9月期间,巴西总共消耗53 600吨复合材料原材料,比2012年第三季度增加了4.4%。估计2013年第四季度复合材料将消耗54 100吨,2013年全年消耗210 000吨,同比上涨1.6%,

2.重点产品

(1)碳复合材料

95%的碳纤维用于复合材料中的碳纤维强增塑料(CRP),其余则为碳、金属或陶瓷。该材料主要用于特殊应用,如航空或车辆闸门等。2012年,全球共出售65 000吨CRP,市场规模达103亿~146亿美元。到2020年,预测该市场将达到252亿~360亿美元(根据不同方法计算的结果)(图7)。


 

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从应用领域看,风能、航空和体育休闲是最大的3个分领域,而汽车是增速潜力最大的市场。

风能领域:预计该领域市场消耗的复合材料量在2020年时将增长4倍,而市场规模将增加3倍。 2012年总计消耗9500吨复合材料,而到2020年,将增长为36 000吨。风能的复合材料增长在各个地区也有差异,欧洲是增长最快的区域,2012年消耗7000吨,预计之后以17%的复合年均增长率增加;而美国和亚洲在2012年总计消耗2500吨,之后将分别以20%和24%的速度增长。

航空领域:该领域的增长主要来自未来20年内新航空器的制造,空客预计2011- 2030年有27800架飞机的订单,波音则预计有33 500架飞机的订单。2012年该领域总计消耗8100吨碳复合材料,至2020年,该领域将以14%的速度增长,至2020年消耗23 000吨碳复合材料,欧洲和美国在 2012年占总需求的79%,2020年预计将维持该市场份额。

体育休闲领域:2012年,该领域总共消耗7800吨复合材料,但其相对风能和航空,增长速度较低,仅6%,预计2020年消耗量达到12 000吨,可能下降到第四大领域。但是该领域的市场规模增长速度有所不同,至2020年年均增长率仅为3%。

汽车领域:由于未来汽车重量的减轻,CO:排放降低、轻质结构、压力容器等原因,将主要驱动未来CRP市场。2012年,该领域消耗CRP 2150吨,预计之后将以34%的年均增长率增长,2020年预计达到23 000吨,届时可能超过运动休闲领域,成为碳复合材料三大市场之一(图8)。

受亚太地区,特别是中国和印度的建筑工程项目增多的影响,全球玻璃纤维增强塑料复合物市场有着较快增长,预计自2014至2019年将以7.4%的复合年均增长率增加,至2019年达到451.2亿美元。

交通与建筑是GFRP复合材料市场最大的部分,2013年占据全球53%的市场份额,而未来最快的增长领域则是风能与航空领域,此外,其还涉及电子电器、消费品等多个商用、民用领域。


 

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(2)玻璃纤维增强塑料(GFRP)

从地区看,2013年亚太和北美市场总计达到全球市场的67%。北美市场中,美国受到交通、建筑、航空和风能产业促进,成为最大GFRP消耗国。从全球角度看,中国是GFRP最大消耗国,同时也是最大提供国,中国和印度都具有巨大潜能和未来最快成长的国家。美国和欧洲则在研究开发高性能玻璃纤维产品方面走在了前面。欧盟中德国、法国、意大利、英国和西班牙是欧洲GFRP主要市场。而中东和北非由于受到政府促进刺激,也将驱动GFRP市场增长。

(二)纳米材料

1.整体态势分析

纳米技术是不断发展的跨学科技术。由于用途广泛,纳米技术持续吸引着全世界的关注。在太阳能发电行业,以纳米技术为基础的太阳能电池板正被开发,在生物医药行业,纳米技术已被证明有助于癌症的治疗。2014- 2020年预计全球纳米技术市场将以16.5%的复合年均增长率增长。

2012年纳米应用的关键材料市场约为65亿美元,2013年约为69亿美元,2018年将达到94亿美元,2013年至2018年复合年均增长率为6.5 %。

纳米陶瓷和先进陶瓷粉末将从2013年的90亿美元上升到2018年的121亿美元,复合年均增长率力6.2%。

2012年纳米医药市场规模达到785.4亿美元,预计2013- 2019年的复合年均增长率为12.3%,2019年将达到1776亿美元。

2.纳米技术发展趋势特点

目前,纳米产业发展趋势为:产业初具规模,呈现加速发展态势;全球大型企业越来越重视纳米技术研发;世界范围内,产业界对纳米技术的投资远远超过政府投资;纳米技术迅速向各个产业部门渗透,纳米器件和纳米生物医药产业化加速发展,纳米能源、环境领域的应用不断提升。

纳米技术与信息产业结合:过去10年是纳米材料制备和加工发展的活跃时期,出现了很多新的纳 米材料和纳米器件,与此同时,也诞生了许多新的加工制造技术。应用纳米加工技术已经制造了一些商业产品,包括存储器件、显示器件、运算器件和光学器件等,形式多种多样。目前,纳米技术与信息产业的结合正朝着应用新材料、高度集成化、高速度、低功耗、低成本、结构立体化方向发展。

纳米技术与生物医药产业结合:纳米技术在生物医药领域中的应用,已成为21世纪最重要的前沿科学技术之一。经过10多年的发展,纳米技术对生物医药发展产生了重要的推动作用,已为医学与生物学领域变革奠定了基础,早期的工作证明,基于纳米材料和纳米结构所具有的特殊性能,可以开发出有别于传统疾病检测、治疗和预防方法,并且具有巨大的市场潜力。在纳米科技与生物医药产业结合的过程中,疾病诊断、预防和治疗对纳米技术提出了具体的要求,如制造纳米止血材料,纳米伤口愈合材料,纳米干细胞诱导材料、口腔治疗材料、纳米诊断试剂等纳米生物医用材料等,成为纳米科技与生物医用交叉融合的新课题;此外,纳米材料在细胞层次和组织层次上、分别对生物产生的综合影响、药物或诊断试剂对纳米材料尺寸和其他性质的依赖程度、纳米材料在生物体内的分散及循环问题和纳米材料的生物效应等还需要进一步研究和探索。

纳米技术与环境产业结合:当前,发展环境治理新技术具有重要的意义且十分迫切。世界各国均开始限制污染物的排放量,逐步加大了对环境治理领域的投入,鼓励研究机构开展相关领域的科技研究,研制适合环境治理的新技术并实现工业化生产。由于纳米材料所具有的独特性质,近年来已经逐渐应用于空气净化、污水处理、污染土壤治理等环保领域。纳米技术与环境产业结合的目标是解决全球可持续性发展的问题,利用纳米技术提供洁净的水源,减少工业对环境的影响,减轻污染的影响,可持续的矿物提取与使用等。应用纳米新材料、绿色生产工艺、废物资源化等也成为近年来纳米技术的发展趋势。

纳米技术与能源产业结合:纳米材料与太阳能、风能、地热能、生物质能、潮汐能和核聚变能等新能源技术的结合,可以提高能源的利用效率,降低成本,使能源技术朝高转化率、高能量密度、高功率密度、高效节能方向发展。具体来说,利用纳米技术,通过控制光与固体材料的相互作用,可制 备低成本半导体光伏器件,制备将太阳能高效转换为化学能源的光催化剂,开发在多种能源应用中能满足不同分离需耍的新型纳米膜材料,将化学能源转换为电能(反之亦然),提高电池的能量及功率密度,解决显示、固态照明、热电转换、摩擦等领域的效率问题。

3.重点材料

(1)碳纳米管

2012年全球碳纳米管市场规模达到9.26亿美元,预计2014- 2018年将以15.5%的复合年均增长率增长,至2018年达到23.98亿美元。亚太地区将主导全球碳纳米管市场,该地区在2012年已占据全球42.1%的份额,北美排名第二。

从应用领域看,碳纳米管在电子和半导体及先进材料产业使用率最高。研发方面,仍然较为关注电子领域,同时,可印刷碳纳米管墨水也开始冲击市场。碳纳米管已用于制造晶体管,并在快速增长的触摸屏市场中得到大量应用。碳纳米管还被认为可在透明电导体中作为ITO(氧化铟锡)的替代品,由碳纳米管制造的透明导电膜可应用于柔性显示器和触摸屏。虽然碳纳米管的高成本一度让人望而却步,但近年来其价格已有所下降,一些化学公司在膜应用的碳纳米管制造方面,已下降到每克10美元的水平。此外,碳纳米管还在能源等方面有着较多应用。

(2)石墨烯

Yole D é veloppement估计2013年全球石墨烯市场规模达到1100万美元,随着石墨烯在电子等领域的应用增加,其在2013- 2019年将保持18.5%的复合年均增长率。2019年后,石墨烯市场将继续加速,2019- 2024年的年均复合增长率预计可达到35.7%,至2024年,全球石墨烯市场可达到1.41亿美元。

由于市场需求的驱动,石墨烯已从实验室进入包括航空航天、汽车、涂料、电子产品、能源储存、油漆、通信、传感器、太阳能、石油和润滑剂等领域。目前,石墨烯聚合物复合材料和电磁屏蔽涂料已进入市场,石墨烯基导电油墨在智能卡和射频识别标签中也获得应用。石墨烯产品有望在2014年进人中国消费电子产品市场。IBM和三星等公司致力于石墨烯的电子和光学应用。大部分锂离子电池制造商和电子公司开展石墨烯的研究活动,尤其是在亚洲。

石墨烯有望超越目前所有的纳米材料,许多碳纳米管的当前和潜在的应用可能被石墨烯所取代。在未来2—3年内,石墨烯有可能在超薄柔性锂离子电池、大型超级电容器、水分膜、生物传感器、光传感器、太阳能电池和导电复合材科等方面得到应用。增强导电性油墨和复合材料的应用则被视为短期的机会。石墨烯在电子领域将与半导体硅竞争,其他竞争技术还包括银纳米线、碳纳米管以及其他二维材料,如氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等。

目前大多数石墨烯生产商生产石墨烯纳米片和石墨烯氧化物。2013年,石墨烯生产商增加的产能大致相当。XG Sciences、Angstron Materials和Vorbeck的产能增加或正在计划增加20倍。不过,IBM和三星等公司对于石墨烯的需求,预计仍然需中长期才能得到满足。目前,大多数短期的需求集中于汽车、塑料、涂料、金属、电池、航天和能源市场的复合物和涂料。






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