世界新材料产业发展动态

2016-05-08 13:11:57 江苏省企业技术改造协会 17

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目  录

 

 

一、世界新材料产业总体发展态势

1.新材料研发资金稳中有升

2.新材料行业继续并购整合

3.欧美多项重大计划启动

4.政府、研究机构、行业组织支撑新材料创新发展

5.纳米材料仍然是各国最为关注的新材料

二、世界电子信息材料发展动态

(一)半导体材料

(二)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)超导材料

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)轻量化材料

(二)纳米材料

(三)3D打印材料



 

世界新材料产业发展动态

 

 

一、世界新材料产业总体发展态势

材料是社会进步的物质基础,新材料是现代高技术发展的先导和基石,世界各国历来重视新材料的发展。发达国家更是将其列为国家经济、科技、国防等重大发展计划,作为强化其经济与军事优势的手段。材料新产品新技术不断大量涌现,而且从研发到产业化的周期愈来愈短,形成了一个巨大的新材料市场。

1.新材料研发资金稳中有升

各国对于新材料的重视程度体现在研发资助上。2015年,各部委对于新材料的投入比2014年有所增加。美国科学基金会、能源部、国家技术标准院和国立卫生研究院的资助金额分别增加了1.2%、6.74%、0.72%、0.39%。欧洲最新的“尤里卡集群”计划正式启动,这项被称为“冶金欧洲”计划为期7年、投资达10亿欧元,该计划将围绕13个主题展开研究,潜在研究成果包括用于空间和核系统的新型耐热合金、基于超导合金的高效输电线路、将余热转换为动力的热电材料、用于生产塑料和药物的新型催化剂、用于医学移植物的金属植入物,以及高强度的磁性系统等。英国在2014年9月投资6000万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心(GEIC),打造新的尖端石墨烯研究设施,以开发和维持英国在石墨烯及有关2-D材料方面的世界领先地位。

2.新材料行业继续并购整合

目前,全球新材料行业的并购活动仍不断发生。2014年,特种化学品公司雅保公司宣布斥资大约62亿美元收购竞争对手洛克伍德(Rockwood);陶氏化学公司(DOW Chemical Company)通过出售三项化学品业务筹资20亿美元以上,此举是其此前宣布的通过出售资产筹资60亿美元计划的一部分。2015年,陶氏化学将剥离其氯业务中的大部分,并将剥离的业务与OlinCorp合并组建一家新企业,这项交易的估值达到50亿美元。合并后的新企业包括陶氏化学在美国墨西哥湾氯碱、乙烯基、氯化有机物和环氧树脂业务,预计新企业的营业收入将接近70亿美元。此外,德国赢创工业公司正在计划收购一家特种化学品企业,由此构建一个市场规模达200亿欧元的特种化学品巨头企业。

3.欧美多项重大计划启动

2014年,欧美启动了多个新材料相关计划。2014年2月,欧盟未来新兴技术(FET)石墨烯旗舰计划发布了首份招标公告和科技路线图,公布拟资助的研究课题和支持课题,以及根据领域划分的工作任务。根据路线图,石墨烯旗舰计划将分两阶段进行:初始阶段(2013年10月1日至2016年3月31日,共资助5400万欧元)和稳定阶段(2016年4月开始,预计每年资助5000万欧元)。2014年12月9日,美国白宫网站公布了正式版本的《材料基因组战略规划》,规划首次提出了生物材料、催化剂、高分子复合材料、光电材料、储能系统、轻质结构材料、有机电子材料等9个重点材料领域的61个发展方向。这项规划是美国国家层面的最高技术投资、发展规划,是继2001年“美国国家纳米技术战略规划”之后又一个国家级材料技术发展规划,对于促进美国国内材料研发转型,缩短美国新材料研发周期,满足高新技术产业发展和新一代军用装备发展具有重要意义。

4.政府、研究机构、行业组织支撑新材料创新发展

各国在构建创新体系时多以政府-产业-学校(或研究机构)为主体,经过三者共同协作促进新材料产业的提升,但由于各自目的不同,其重点也各有差异。在美国,政府与中介机构合作,为拥有核心技术的企业提供完善的服务,同时,一些国家实验室和大学不断合作研发新型材料以及理论,快速推动新材料产业发展;德国通过弗劳恩霍夫协会(Fraunhofer Society)、工业研究协会(Industrial Research Associations)和马克思普郎克协会(the Max Plank Society)等组织,为德国材料行业提供服务,其主导力量是产业联盟或协会。日本的新材料研究主要是大学和非赢利的研究机构,如产业综合研究所(the National Institute of Advanced Science and Technology)等。

5.纳米材料仍然是各国最为关注的新材料

虽然各国对于新材料的发展目标不同,但均不约而同的将纳米技术作为重点领域之一。纳米材料是美国优先发展的材料之一,美国在其新兴纳米技术项目中列举了1317个与纳米技术相关的产品。日本在其研究计划中特别强调了纳米技术的地位,纳米相关材料也成为日本重点研究领域。欧盟在第7框架计划中提出尽可能将材料、纳米技术和生产三者紧密联系。各国的积极推进也带动了新型纳米材料的不断涌现,如美国国家标准与技术研究院的研究人员通过在纳米尺度上采用一种独特的三明治结构,开发出一种多壁碳纳米管材料,其整体厚度还不到人类头发直径的百分之一,却可以大幅降低泡沫制品的可燃性。国家直线加速器实验室和斯坦福大学合作,首次揭示了石墨烯插层复合材料的超导机制,并发现一种潜在的工艺能使石墨烯具有超导性能。英国剑桥大学科学家开发出世界上首个基于石墨烯的柔性显示器。

二、世界电子信息材料发展动态

(一)半导体材料

1.半导体材料市场保持上涨

国际半导体设备与材料协会(SEMI)预计,基于2014年半导体行业有着较好发展,半导体材料市场也将紧跟半导体器件市场步伐,2014年半导体材料市场规模达到448亿美元,增长幅度达到3%,2015年有望继续增长4%。

与前两年不同,2014年,全球多个地区的半导体材料市场都预计有所增长。自2010年起,中国台湾地区一直是最大的半导体材料市场,这主要归因于具有强大的晶片生产能力和封装基础。2014年,中国台湾预计将继续增长7%以巩固其领先地位。日本、韩国及世界其他各国占全球近一半的半导体材料市场,其增长速度预计达到1%。2013年,中国的半导体材料市场增幅达到3%,而2014年中国市场趋于平稳,预计为1%的增幅。欧洲和北美地区市场也将趋好,增长幅度达到3%,其中以北美市场为主要驱动力量,见图1。

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图1   2014年全球半导体材料市场区域分布

资料来源:SEMI2014.8

2.封装材料与晶圆材料市场趋于一致

从半导体材料类别看,之前的半导体材料市场均以晶圆材料为主导,但自2009年开始,封装材料由于硅的价格压力急剧下降,其市场也快速增加。2014年晶圆材料市场有望增长6%,而封装材料则保持平稳态势,占据了整个半导体材料46%的市场份额,见图2。

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图2   2005—2015年全球半导体材料市场构成比例

说明:2014、2015年为估计值资料来源:SEMI 2014.8

3.半导体材料争相从10纳米向5纳米发展

随着晶体管向10纳米、7纳米甚至更小尺寸的发展,半导体行业面临着材料选择困扰。基板、沟道、栅和接触材料都迫切需要评估。对于10纳米和7纳米来说,高K值金属栅将占主导地位,但真正的挑战将是沟道本身。在向10纳米或7纳米发展的过程中,纯锗P场效应管无疑是极有价值的候选材料。在7纳米以后,由于栅极和接触部分之间没有了空间,逻辑电路方面可以采用多个不同的路径。5纳米及以后的工艺节点将如何发展目前还不清楚,但微缩可能是一个发展方向。

4.氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)依然是第三代半导体重点材料

当前,世界各国都在不遗余力地推动以第三代半导体为核心的下一代电子技术的发展,并展开全面战略布局。2014年年初,美国总统奥巴马在北卡罗来纳州大学宣布,以该校为核心建立“下一代电力电子技术国家制造业创新研究所”,这是继3D打印之后又一个美国国家级的制造业创新中心,成为全美振兴制造业计划的重要一环。

在第三代半导体材料中,氮化镓与碳化硅长期以来平分秋色,不分伯仲。然而,在发光二极管及晶体管等盛行的风潮下,氮化镓近年来发展势头更好,除去生产成本比竞争对手硅低之外,氮化镓在具体应用上也优势颇多。首先,在晶体管应用中,氮化镓晶体管可以比之前任何晶体管更快地切换更高电压和更大电流,由此带动一些新的应用;氮化镓场效应晶体管可以分立晶体管和单片半桥的形式来供应,其性能比目前最好的商用硅金氧半场效晶体管好10倍。其次,在发光二极管应用中,氮化镓在发光二极管(LED)照明产业取得重大突破,极大地带动了金属镓的消费。此外,目前常用的蓝宝石或碳化硅衬底LED晶片存在很大缺陷,如果采用氮化镓晶片作为衬底,不但可以有效解决发光时的散热问题,还能使单位面积亮度提升10倍。外太空环境中,氮化镓技术可被应用于卫星并缩小电子设备的尺寸,大幅改善其性能;无线电力传输系统中,氮化镓技术能以无线方式提供能量,为手机和平板电脑充电,未来遍布墙壁的电插座或许会被淘汰;医疗领域,氮化镓可以深入植入系统、成像及人造器官等多个细分系统,改善医疗技术,降低医疗费用。

根据MarketsandMarkets报告,从2014年至2022年,整个氮化镓半导体市场预计将保持22.2%的复合年均增长率,全球功率半导体组件市场的复合年均增长率更将超过60.5%。至2022年,整个市场将达到156.08亿美元的规模。

从GaN竞争格局看,目前,GaN功率半导体市场占整个功率半导体市场的1%还不到,但在未来10年里,整个功率半导体和电子参与企业预计将形成新的价值链,如欧洲多国联合开展的“可制造的基于碳化硅衬底的氮化镓器件和氮化镓外延层晶圆供应链”(MANGA)项目已成功为欧洲氮化镓基功率电子器件的实现建立了供应链。

GaN材料的一个主要用途在于微波功率器件,特别适合于制作高频、高压、高效、大功率微波器件,在军用和民用领域都具有广阔市场前景。目前,GaN基微波功率器件市场中,美国和日本处于世界先列。其中美国科锐(Cree)公司有3英寸和4英寸GaN基微电子材料产品。日本在GaN基微波功率器件的市场化方面稍落后于美国,但近几年发展很快,目前,有住友电气公司(SEDI)、东芝公司(Toshiba)、富士通公司(Fujitsu)等公司提供部分GaN基微电子材料产品。欧洲方面,德国的弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)和MicroGaN公司、比利时的微电子研究中心(IMEC)和EPiGaN等多家公司和研究所开展了GaN基微电子材料和器件研究,在Si基GaN电子材料方面取得进展,见表1。

表1   国外氮化镓基微电子材料生产企业

所属国家

公司

衬底及尺寸

产品情况

比利时

EPiGaN

6英寸Si

8英寸材料正在研究中

德国

Azzurro

6英寸Si

Si基GaN器件LED和HEMT用材料,尺寸可至6英寸,8英寸研制中

日本

电信电话株式会社(NTT)

6英寸Si

8英寸Si基材料正在研究中


3英寸SiC


美国

科锐(Cree)

3英寸和4英寸SiC

片内不均匀性小于5%

中国

中国科学院软件研究所  (ISCAS)

2英寸和3英寸SiC

片内不均匀性小于3%

资料来源:王丽,王翠梅.第3代半导体材料GaN基微波功率器件研究和应用进展[J].新材料产业,2014,(3):13-17.

第三代半导体材料中,碳化硅可算重量级成员。据MarketsandMarkets统计,碳化硅半导体市场将以42.03%的复合年均增长率增长,至2020年市场规模达到31.83亿美元。另据Transparency Market Research预测,碳化硅消费量预计2019年将会达到2377100吨。

碳化硅市场的主要企业是美国科锐(Cree)、飞兆半导体公司(Fairchild Semiconductor International Inc)、GeneSiC半导体公司(Genesic Semiconductor)、英飞凌(Infineon Technologies AG)、美高森美(Microsemi Corporation)、瑞典Norstel AB公司(Norstel AB)、日本瑞萨电子公司(Renesas Electronics Corporation)、罗姆公司(ROHM)、瑞士意法半导体公司(STMicroelectronics N.V)和东芝公司(Toshiba)。

黑碳化硅和绿碳化硅是目前两大主要产品,占到全部碳化硅市场销售额的90%。黑碳化硅预计在未来几年市场中稳定处于领先位置,预计2013年至2019年年增长率为15.4%。到2019年绿碳化硅消费量预计656100吨。涂附磨具、耐火材料和粉末冶金用的碳化硅与冶金煤以及碳化硅微粉占全部高性能技术应用市场很小份额。

(二)显示材料

1.薄膜场效应晶体管液晶(TFT-LCD)市场增长缓慢

在生产TFT-LCD面板的材料中,除了液晶和气体化学品外,其他七大主要化学材料——光阻剂、蚀刻剂、去光阻液、制造TFT阵列的显影液、RGB光刻胶、BM树脂和用于彩色滤光片生产的间隙控制材料市场规模不容小觑。2014年市场规模估计在27亿美元左右,预计之后5年内将以2%的复合年均增长率缓慢增长,见图3。

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图3   2011—2019年TFT-LCD7种主要材料市场规模

说明:2015—2019年为预测值

资料来源:IHS

2.有机发光二极管(OLED)

(1)OLED市场继续增长

根据UBI统计,2014年全球OLED材料需求量继续上升27%,达到4.45亿美元市场,而2013年仅为3.5亿美元。2015年OLED材料市场规模将达到5.6亿美元,并将继续以35%的复合年均增长率快速增加,至2020年达到25亿美元,见图4。

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图4   2015—2017年全球OLED材料市场规模

说明:2015、2017、2020年为预测值

资料来源:UBI RESEARCH

(2)AMOLED材料市场需求加大

2013年AMOLED发光材料市场规模以产线需求量为基准达到了3.5亿美元,进入2014年,基于新进企业的量产需求,AMOLED材料需求量明显增加,产值增加1亿美元达到4.5亿美元的规模。2014年除三星显示以外,乐金显示(LGD)、友达、日本显示(JDI)等公司开始大规模生产AMOLED,推动AMOLED材料的销量增加,材料生产商将在更为复杂的市场环境中展开竞争。

(3)高效长寿低成本是OLED研发方向

目前OLED已在手机终端等小尺寸显示领域得到应用,在大尺寸电视和照明领域的发展潜力也得到业界的认可。不过,市场总体仍处初始阶段,只有持续改良现有材料,同时开发新材料,找出兼具高性能与低成本的解决方案,才能推动OLED商用的加速发展。

随着OLED开始应用于照明领域,对OLED材料的效率与寿命必将提出更高的要求。显示领域OLED亮度达到100~300坎/厘米2就可以得到应用。然而在照明用途中,亮度至少要达到1000~3000坎/厘米2。如此一来,对材料的使用寿命必然提出更高的要求。此外,无论是显示还是照明应用,对OLED发光效率的要求也越来越高。光效的提高意味着功耗的降低,在节能减排受到广泛重视的背景下,提高效率和降低成本显得尤为重要。

3.量子点(quantum dot,QD)

(1)量子点市场被广泛看好

量子点技术逐渐成熟,有望掀起显示产业的新变革。多家咨询机构均对量子点持有乐观态度。据NPD Display Search的数据显示,2015年量子点显示在智能手机液晶面板中的渗透率将达3%,到2020年将增至26%;平板电脑用液晶面板中的渗透率,将从2015年的2%增至2020年的15%;在液晶电视用面板方面,2015年其渗透率将小于1%,而到2020年有望增至9%。

Allied Market Research数据显示,2013年全球量子点显示市场达3.16亿美元,预计2020年将达50.4亿美元,2014—2020年的复合年均增长率将达29.9%。

Displaybank预估,背光源采用量子点技术的显示产品产值有望从2013年的千万美元,增长至2020年的2亿美元,年平均增长率达110%。据推算,量子点显示产品出货量将从2013年的50万台,增长至2023年的8700万台,年平均增长率达109%。

(2)三家主要材料厂商技术处于领先

近年来,虽然有多家企业涉及量子点显示的研究,但目前量子点显示相关专利主要由Nanosys公司掌握,该公司共握有超过300项相关专利,三星电子为该公司的主要投资者之一。全球三大量子点材料制造商英国Nanoco、德国Nanosys及美国量子点图像有限公司(QDVision)在量子点显示技术方面的研究和技术处于领先水平。

英国量子点材料供应商Nanoco在无镉技术方面与美国陶氏化学合作,布局量子点市场。两公司合作试制的使用无镉(Cd)量子点的液晶显示器,于2014年6月在“SID 2014”期间进行了展示。

就量子点应用于液晶显示器的技术而言,美国QD Vision公司的技术已被索尼采用,美国3M公司和Nanosys公司的技术已被亚马逊采用。而以“无镉”为卖点的陶氏化学技术还没有固定的大客户。

(3)主流企业转产量子点显示技术

OLED在市场普及步伐缓慢,众多企业将目光转向量子点技术。2015年陶氏化学在韩国建造的工厂将投产量子点材料。而全球第二大电视制造商LG也于2014年下半年宣布除OLED电视外,计划生产量子点电视,并计划实行量子点和OLED的双轨战略。日本的索尼公司也启动量子点电视生产销售。而在2014年柏林IFA科技博览会上,中国TCL多媒体技术控股有限公司也展示了量子点电视。

(4)量子点技术面临诸多挑战

量子点显示材料虽然原型机和验证性的实验获得的结果鼓舞人心,但在一些系统性原理的研究上还需要有更大突破。就量子点本身的合成来讲,还有多项研究技术难题,如提高荧光效率问题、荧光稳定性更好的量子点大规模合成。

量子点的发光是由于吸收激发光以后产生电荷载体的重组,但是如果制备的量子点有大量的缺陷,就会发生电荷载体的无辐射重组从而影响量子产率。目前通过化学方法来在其表面覆盖另一种晶体结构相似、带隙更大的半导体材料使表面无辐射重组位置被钝化、减少激发缺陷而得到很大的改善,即核/壳型纳米量子点。此外,等离子处理技术也可以用来对量子点进行表面处理,以提高其稳定性和荧光效率。量子点显示材料除了上述的量子点本身的技术挑战外,在量子点泄露、温度热敏感性和克服能量共转移等方面还存在一些技术瓶颈需要解决。

三、世界能源材料发展动态

(一)光伏材料

1.光伏材料市场将快速增长

NanoMarkets对下一代太阳能材料绘制了路线图,并分析了未来市场潜力,预计2017年,先进多晶硅、薄膜、有机和染料敏化技术以及纳米材料等新兴太阳能技术市场规模将上升至2.62亿美元,至2021年将达到21亿美元。其中,硅材料的光伏技术需求在于n型电池、背接触电池、选择性发射极选项、背面钝化电池等,NanoMarkets预测晶体硅材料市场规模在2014年达到1600万美元,2019年将上涨到6.13亿美元,2021年达到15.7亿美元。

标准的薄膜光伏材料已很难与传统晶体硅相竞争,碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)在效率方面正面临强大挑战,特别是对未来新型和廉价工艺的开发,还受到包括铜锌锡硫(CZTS)、碲化镉镁(CdMgTe)等的竞争。预计薄膜光伏市场规模将在2019年达到4900万美元,2012年增长至2.23亿美元。

最令人兴奋的光伏材料也许是钙钛矿,其效率在2012年突破10%的这一瓶颈,2014年更接近了20%,很可能在商业化推出时达到30%。一些染料敏化太阳能电池的关键企业走在钙钛矿发展的前列,进行了大量钙钛矿材料优化和加工技术的研究。未来钙钛矿光伏电池可能很快就能加入与晶体硅竞争的行列,预计其在2019年市场规模将达到6000万美元,2021年增长至1.61亿美元。

2.关键材料发展态势

(1)多晶硅产能开始快速增加

根据NPD Solarbuzz研究,2014年全球太阳能和半导体多晶硅需求量快速增加到28.2万吨,比2013年增加25%。

对于多晶硅未来发展,另一家咨询公司GTM Research认为,鉴于价格持续反弹及终端市场持续扩张,原先停产的工厂陆续复产,多晶硅产能正以令人鼓舞的速度增长。预计2015年与2016年,多晶硅全球上线年产能分别达7万吨与6.1万吨,这将令全球多晶硅累计产能达到43.7万吨,足以支持85吉瓦的晶体硅光伏组件生产。

流化床反应器(FRB)的多晶硅将占到多晶硅生产中的绝大部分。预计FBR产能将从2014年的2.6万吨上升至2015年4.6万吨。未来两年产能有望进一步增长,见图5。

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图5   2010—2014年全球多晶硅需求量

资料来源:NPD Solarbuzz Polysilicon and Wafer Supply Chain Quarterly

(2)钙钛矿(Perovskite)转换效率逐步提高

钙钛矿太阳电池是由染料敏化电池演化而来,CH3NH3PbX3材料吸收系数高达105,通过调节钙钛矿材料的组成,可改变其带隙和电池的颜色,制备彩色电池。另外,钙钛矿太阳电池还具有成本低,制备工艺简单,以及可制备柔性、透明及叠层电池等一系列优点,而且其独特的缺陷特性,使钙钛矿晶体材料既可呈现n型半导体的性质,也可呈现p型半导体的性质,故而其应用更加多样化。CH3NH3PbX3还具有廉价、可溶液制备的特点,便于采用不需要真空条件的卷对卷技术制备,这为钙钛矿太阳电池的大规模、低成本制造提供可能。

钙钛矿太阳电池自2013年开始迅猛发展,先是采用两步沉积方法制备钙钛矿薄膜,电池效率达到15%。随后采用共蒸发方法制备钙钛矿薄膜,形成了一种全新的平面异质结电池,效率达到15.4%。2014年初,韩国的KRICT研究所已经将钙钛矿电池的转换效率提升到17.9%。现在KRICT研究所已经研制出转换效率为20.2%的钙钛矿太阳电池,并已经过认证,这种提升速度前所未有。

钙钛矿太阳电池发展现状良好,但仍有若干关键因素可能制约钙钛矿太阳电池的发展。首先是电池的稳定性问题。钙钛矿太阳电池在大气中效率衰减严重,提高其稳定性是未来急需解决的问题之一。其次是吸收层中含有可溶性重金属铅,易对环境造成污染。再者,现今钙钛矿应用最广的为旋涂法,但是旋涂法难于沉积大面积、连续的钙钛矿薄膜,故还需对其他方法进行改进,以期能制备高效的大面积钙钛矿太阳电池,便于以后的商业化生产。同时,目前对于钙钛矿太阳电池的理论研究还较为缺乏,今后有待增强。

(二)风电材料

1.全球风电市场回暖

2014年全球风电市场新增装机容量创历史新高,这也是继2013年全球风电装机出现低谷后的一次回暖。风电产业的复苏除来自风电自身实力的增强外,煤炭价格下跌亦“功不可没”,燃料成本的下降致使绝大多数电力企业的盈利创新高,从而可以扩大风电建设规模并加快给付机组欠款。业界普遍认为,风电行业未来将进入稳定增长的新常态,今后五年,每年新增装机容量或将至少达到2000万千瓦,开发商盈利提升仍存瓶颈。随着风电机组等设备的增产,也带动了风电材料的增长。MarketsandMarkets预计,2020年全球风电材料市场规模将达到55亿美元。其中,亚太地区有望成为全球最大的风电机组复合材料市场,中国是亚太地区风能复合材料的关键消费地区。

2.碳纤维复合材料优势明显

随着叶片长度的增加,风力发电装置对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求,玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限,因此,在发展更大功率风力发电装置和更长叶片时,寻求性能更好的复合材料势在必行。为了实现叶片大型化,大丝束碳纤维复合材料已被列为首选材料。根据测算,叶片越长,使用碳纤维材料就越有优势,因为碳纤维材料不但轻,而且强度很高,从而在使主梁重量有效降低的同时,还可以使叶片其他部分减重。换言之,更高的强度促使被减轻的重量在更长的叶片身上呈现几何式增长,从而使更长的叶片在使用碳纤维材料时,综合成本更低。

(三)超导材料

1.超导材料市场将持续增长

据Transparency Market Research报道,2013年全球超导材料市场规模达到4.275亿美元,预计在2014年至2020年间的复合年均增长率可达到17.2%,至2020年,全球超导材料市场规模将达到12.984亿美元。

其中,随着磁共振成像(MRI)技术在医学领域的使用量增加,超导材料在医学领域的使用频率预计将快速增加;电动汽车的需求量增加也促进了超导材料的发展;超导材料在高速列车、低温和生物磁学等领域的使用,有望提供新的市场机遇。不过,制造超导的稀土材料(如钇)存在价格波动现象,可能会阻碍未来超导材料市场增长。

2.高温超导成为未来主要驱动力量

2013年,超导材料需求量最多的是低温超导材料,因为低温超导材料在MRI和核磁共振(NMR)、高能物理研究和核聚变研究中使用量较大。高温超导材料也可能成为超导材料的主要驱动力量之一,预计高温超导材料在2014—2020年间的市场复合年均增长率为37%,大量的研究集聚在高温超导材料的临界超导温度。

3.室温超导期望从瞬态到稳态

室温超导体,即室温下电阻为零的导电体。电能因输电线存在电阻而变成热量而损耗,是远距离电力传输中的一大难题。随着低温超导体被发现,超导电缆逐渐投入应用,但是复杂的制冷设备和加工工艺,依然使输电成本难以降低。因此,研究人员希望能找到一种可以在常温下就实现超导的导电体。在2014年以前,学术界认为室温超导体是个理想化的概念,现实中基本不可能存在室温超导体。

2013年,德国马普研究所及其团队发现,当YBCO(氧化钇钡铜)被红外激光脉冲照亮时,在很短的一瞬间,它会暂时在室温下变成超导体。激光明显改变了这种晶体中双层之间的耦合。于是,研究人员决定采用美国的LCLS(直线加速器相干光源)――世界上最强大的X射线激光器,从实验上揭开这个谜题。2014年,该项研究取得新发现:红外脉冲不只是激发这些原子振荡,还使它们的位置在晶体中发生偏移。这会使双层氧化铜短时间内变得更厚一些,增厚了大约2皮米(差不多是一个原子直径的百分之一),而它们之间的夹层则相应变窄了那么多。进而,这样的变化增加了双层之间的耦合程度,使得这种晶体在几皮秒内变成了室温超导体。这一成果也刊登在了2014年12月4日的《自然》杂志上。这项成果将帮助材料科学家研发具有更高临界温度的超导材料,并最终实现可在室温下应用、完全无需冷却的超导材料的梦想。但也有不少物理学家对此提出了质疑:百万分之几微秒的超导现象是如何观察到的?

虽然这一结果可能只是试探性的,有待进一步审查,但如果最终被证实真是室温超导,那么意义很大,尽管只维持了几个皮秒。因为它将给人们一个希望,可能在其他材料实现更长时间的室温超导或获得稳态,如此一来,室温超导将引发人类社会的巨大革命。

四、生物及医用材料

(一)生物医用材料

1.生物医用材料稳步上升,新兴国家成主要推动力

生物医用材料可用于诊断、治疗、修复、替换或增强人体组织或器官。2013年全球生物医用材料市场规模已达到2035亿美元,并预计将以10%的复合年均增长率增加,至2020年将达到3980亿美元。新兴国家已成为拉动全球生物医用材料市场的主要动力,以中国和印度为代表的亚洲地区2009—2015年生物医用材料市场的复合年均增长率可达16.1%,见表2。

表2   2013—2020年全球生物医用材料主要产品销售额和预测

单位:亿美元

类别

类别

国际

国内

2013年

2013—2020

增长率/%

2020年

2013年

2013—2020

增长率/%

2020年

骨(牙)科材料及植入器械

593

8

1028

30

26

155

心血管系统介

(植)入材料和器械

380

11

783

41

24

173

医用高分子及耗材

793

8.7

1427

73

24

335

神经调节及植入性微电子器械等

100

15

266

其他

169

443

8

52

总计(约)

2035

10

3980

150

25

715

说明:2020年为预测值

资料来源:张兴栋,蔡开勇,张璇.生物医用材料展现经济转型步伐[J].中国战略新兴产业,2014,(22),50-51.

2.各种医用材料趋势看好,新兴市场极具市场潜力

从不同用途的材料看,2013年全球骨科软组织外壳手术材料市场规模达到73亿美元,预计2014—2020年间将以4.9%的复合年均增长率增长,至2020年达到102亿美元。

全球牙科植入物和齿科生物材料在2012—2014年的复合年均增长率分别为12.2%和10.5%,其中中国和印度是增长最快的市场,至2017年,这两个国家的牙科植入物市场将超过4亿美元,此外,巴西及一些潜在新兴市场也将以超过两位数的增长率增长。

工程和组织再生材料包括了合成和生物衍生材料,如胶原蛋白等,2013年该材料市场规模达到170亿美元,其在2014—2019年复合年均增长率将达到22.3%,至2019年市场规模升至569亿美元。2013年北美地区市场规模达到73亿美元市场,其在2014—2019年的复合年均增长率预计为20.5%,2019年市场规模有望达到228亿美元;2013年欧洲地区市场规模达到69亿美元,2014—2019年复合年均增长率预计为21.9%,2019年市场规模将达到223亿美元。

3.生物医用材料演进趋势

第一,国际生物医用材料的产品和技术面临革命性变革、研发经费投入增加、并购增多。大量产品和技术面临更新换代,可再生组织材料将成为未来生物材料产业的主体。发达国家企业研发经费投入已达企业销售额的9%,最高达15.3%,仅次于新药研发。鉴于生物医用材料产品上市审批及研发周期长,近年来不少公司通过兼并或收购来获取新技术。

第二,多元化(多品种)产品生产进一步发展。生物医用材料产业单一产品的市场容量有限,大多数销售额小于100亿美元。为回避风险,跨国公司已从最初的单一产品生产,通过企业内部技术创新等方式,不断延伸和扩大产品生产线,最终实现多品种生产。

第三,生产和销售进一步国际化。几乎所有生物医用材料的大型企业均是跨国公司,其销售额的相当部分来自国际市场,如2013年美国强生公司医疗器械及诊断产品销售额的51.6%,Boston Scientific销售额的47%,美敦力销售额的45%,均来自境外市场。2013年上海微创斥资2.9亿美元将美国Wright公司骨科业务收入旗下,也预示着中国生物医用材料企业开始走向国际。

(二)生物降解材料

1.市场将有明显增长

根据Future Market Insights公司分析,全球生物基生物降解塑料在2013年消耗了591000吨,占全球塑料消耗量的0.1%。目前来看,生物基生物降解塑料的需求比传统石油塑料低,但其在近期可能会有较明显的增长,预计2014—2020年,全球生物基生物降解塑料市场将以18%的速度增加。

从地区看,欧洲是全球生物基生物降阶塑料的领先市场,之后是北美地区。两者占全球市场的70%。北美地区预计在未来将呈现16.5%的年均复合增长率。此外,拉丁美洲地区的增长率可能达到22.6%,其次是亚太地区,年均复合增长率可能达到20.7%。预计未来5年,拉丁美洲和亚太地区的增长将达到400%。同时,日本在未来的发展速度要低于其他亚太地区国家。

2.聚乳酸生物塑料(PLA)市场持续增长,亚太未来增速最快

聚乳酸也称为聚丙交酯,属于聚酯家族。聚乳酸由可再生的植物资源(如玉米)所提取的淀粉原料制成,淀粉原料经由发酵过程制成乳酸,再通过化学合成转换成聚乳酸。聚乳酸的热稳定性好,加工温度为170~230℃,有较好的抗溶剂性,可用多种方式进行加工,如挤压、纺丝、双轴拉伸、注射吹塑等,在自然条件下可生物降解为二氧化碳和水,不会产生任何环境问题,被业界视为最有前途的生物降解塑料之一。

Allied Market Research分析,2020年全球聚乳酸市场规模将达到52亿美元。从地区看,北美地区是聚乳酸最大的市场,欧洲和亚太地区紧随其后,两者市场比较接近。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。

目前聚乳酸生产商有近20家,主要集中在美国、中国、日本和德国。美国Nature Works公司以玉米等谷物为原料,通过发酵得到乳酸,再聚合生产生物降解塑料聚乳酸,是目前世界上最大的聚乳酸生产厂家,年产能达到14万吨;2014年1月,Nature Works公司与3DOM公司合作,将聚乳酸纤维引进3D打印市场,作为3D打印的原料。日本三菱塑料公司对聚乳酸在包装领域的应用做了大量工作,开发出多种聚乳酸包装材料和技术,成为世界上聚乳酸包装材料开发的领军企业。国外聚乳酸主要生产企业还包括日本三井化学公司、油墨化学工业公司、岛津制作所、德国柏林EmsInventa-Fischer公司等。

3. 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)生产集中于美日

聚丁二酸丁二醇酯(PBS)由丁二酸和丁二醇经缩聚而得,是目前世界公认的综合性能最好的生物降解塑料之一,用途极为广泛,可用于包装、餐具、化妆品瓶及药品瓶、一次性医疗用品、农用薄膜、农药及化肥缓释材料、生物医用高分子材料等领域。

全球能够产业化并且已经市场化生产PBS的国家主要是美国和日本。20世纪90年代中期,日本昭和高分子公司采用异氰酸酯作为扩链剂,与传统缩聚合成的低相对分子质量PBS反应,制备出相对分子质量可达2×105的高相对分子质量PBS。目前年产能为5000吨,年产2万吨的新生产线正在建设中。美国伊士曼公司PBS生产规模为1.5万吨/年。

此外,生物降解材料还包括聚羟基脂肪酸酯(PHA)、二氧化碳基塑料(PPC)和淀粉基生物降解塑料等,表3列出了这些材料近年来的生产企业及规模。

表3   国外主要生物降解材料产业化现状

公司

所属国家

产品类型

品牌/注册商标

产业化规模

杜邦(DuPont)

美国

脂肪族/芳香族共聚酯

Biomax

万吨级

伊士曼化学

(Eastman Chemical)

美国

脂肪族/芳香族共聚酯

EastarBio

万吨级

NatureWorks

美国

聚乳酸

Ingeo

14万吨

Chronopol

美国

聚乳酸

HEPLON

三菱塑料公司

日本

聚乳酸

聚乳酸包装材料和技术

油墨化学工业公司

日本

聚乳酸

CPLA

岛津制作所

日本

聚乳酸

LACTY

三井化学公司

日本

聚乳酸

LACEA

EmsInventa-Fischer

德国

聚乳酸

采用连续发酵和膜分离技术生产高纯聚乳酸用于聚乳酸生产

Telles公司

美国

聚羟基脂肪酸酯

Mirel

5万吨

Bio-On公司

意大利

聚羟基脂肪酸酯

1万吨

慕尼黑Biomers公司

德国

聚羟基脂肪酸酯

1000吨/年

昭和高分子公司

日本

聚丁二酸丁二醇酯

目前产生为5000吨/每年,年产2万吨新生产线正在建设中

伊士曼(Eastman)

美国

聚丁二酸丁二醇酯

1.5万吨/年

沃尼尔·朗伯

有限责任公司 (Warner-Lambert)

 

美国

 

淀粉基塑料

 

 

CereplastInc

美国

淀粉基塑料

1.8万吨

Novamont公司

意大利

淀粉基塑料

Mater—Bi

7.5万吨

Biotec公司

德国

淀粉基塑料

Bioplast

资料来源:冯瑞华.生物降解材料研究和产业发展分析[J].材料导报,2014,28(9):119—123.

五、多用途材料

(一)轻量化材料

1.轻量化材料市场增长,北美与亚太为主要推动力量

据MarketsandMarkets报道,全球轻量化材料市场规模在2014年达到885亿美元,预计2019年将达到1331亿美元,复合年均增长率达到8.5%。

从地区角度看,2013年北美和亚太地区占据主导地位,轻量化材料用量占全球71%。快速增长的汽车和航天产业将促使这些区域进一步扩大轻量化材料需求。中国是其中最大的市场之一,其在2013年消耗材料体积占据整个亚太地区的52%,预计未来5年里,中国市场将以更高速率增长。

从使用领域看,汽车产业是轻量化材料最大使用领域,目前仍处于增长阶段,并预计未来增长更为迅猛。轻量化在汽车中正成为一种趋势,并逐步替代传统材料。航空航天是第二大市场的领域,其同样正朝着轻量化的方向发展。

2.减重作用日益突出

轻量化材料的使用,可以减轻交通工具自重,提高燃油经济性。汽车轻量材料和传统汽车材料低碳钢相比,轻量化材料较低碳钢可以减轻15%~60%的重量,如高强钢、铝、镁、玻璃纤维复合材料可分别减轻15%~25%、40%~50%、55%~60%、25%~35%的重量。为了实现轻量化,世界主要汽车厂商都相继在主要车型上使用轻量化材料,减重效果显著。如福特公司在悬架系统、车门、发动机罩、保险杠等部件使用铝合金的新款F-150车型,与现款车型相比,减重340千克,燃油经济性提升20%;凯德拉克ATS整车使用高强和超高强钢,前副车架和发动罩使用铝合金,悬挂构件和发动机支架使用镁合金,较钢制件减重近50%。从车身构造到内部配置,多种轻量化材料的使用不仅减轻了车身质量,也提高了安全性和舒适性。

飞机领域中,增材制造钛合金零部件已开始在空客A350XWB宽体飞机中应用,3D打印在飞机上的应用也将是一场技术革命。如今,飞机材料的发展已经进入第五阶段,在铝合金依然保持主流的情况下,钛合金和复合材料的用量将不断增多。比如,空客A380的复合材料用量22%,钛合金用量10%;波音787复合材料用量50%,钛合金用量15%;空客A350的复合材料用量52%,钛合金用量9%等等,都显示着飞机的轻量化材料使用率的上升,对于飞机的减重效果也越来越好。

3.轻量化材料在汽车减重中的应用

(1)碳纤维需求量不断加大

美国复合材料协会和AVK碳纤维复合材料研究所发布“2008—2020年碳纤维在汽车的消费变化及未来发展预测”显示,2015年后碳纤维市场推动力主要是汽车领域。据统计,汽车对于碳纤维的需求预期将从2013年的2600吨猛增至2020年的2.3万吨。

目前,德国赢创集团与美国江森自控有限公司、雅各布塑料以及东邦化学株式会社研发碳纤维增强塑料材料(CFRP);荷兰昙卡草坪集团与东丽株式会社建立供应协议;东丽与戴姆勒股份公司研发奔驰CFRP部件。

宝马集团与碳纤维生产商西格里集团投资1亿欧元对位于美国摩西湖的工厂进行扩建,碳纤维产量由3000吨/年提高到6000吨/年。该项目生产的碳纤维将用于满足宝马i系列电动汽车市场,同时应用于2014年底上市的宝马7系车上,以减轻新型宝马自重并降低二氧化碳的排放量。

国外汽车利用碳纤维减重的案例已有不少。美国道奇蝰蛇和2014款雪佛兰科尔维特使用碳纤维材料生产了发动机罩和其他部位,其中科尔维特计划实现年产销量2万辆。日本帝人公司计划2016年提高其全球碳纤维产能至36%,达到18900吨,同时扩大美国田纳西州工厂的产能,以满足丰田汽车公司和通用汽车公司的需求;德国大众高尔夫7使用碳纤维车顶,可减重18~20磅;宝马7系采用碳纤维材质后比老款减重230千克。2014年12月,宝马宣布与美国波音航空公司展开合作,共同开发碳纤维材料技术应用于新型汽车和飞行器。

(2)多个协会积极研究钢铁在汽车轻量化中的作用

钢铁材料是汽车制造的主要原材料,一般占汽车制造所用原材料的70%以上。汽车制造用钢材品种较多,包括板带材、优质钢棒材、型钢、管材及其他品种。板带材主要有冷轧板、镀锌板、热轧薄板、热轧中板及热轧酸洗板等。

近年来世界有关机构和组织进行了多项汽车轻量化项目的研究。尽管实现轻量化的技术路线不同,但目标均要实现减重20%~40%的效果。国际钢铁协会、欧洲钢铁协会、美国钢铁协会等组织,以及阿赛乐和蒂森等钢铁企业,从20世纪90年代初,就开展了汽车材料“轻量化”的研发。其中,阿赛洛集团和蒂森集团结合自身技术特点,分别开展了轻量化项目研究,其共同特点是通过大量采用高强度钢,实现了20%~25%的减重效果。ULSAB-ACV项目中,白车身高强度钢板比例100%,其中超高强度钢板比例超过60%(抗拉强度大于590兆帕),见表4。

表4   国外主要“轻量化”研究项目

项目名称

减重材料

实施机构

减重目标比率/%

超轻钢车身

(Ulitra Light Steel Auto Body)

高强钢

国际钢铁协会

20

超级轻型汽车

(SuperLight-Car)

多材料

(高强钢、铝、复合材料)

欧洲钢铁协会

40

新一代汽车伙伴计划

(Partnership for a New Generation of Vehicles)

多材料

(高强钢、铝、复合材料)

美国钢铁协会

30

ABC

高强钢

阿赛洛集团

30

NSC

高强钢

蒂森集团

20

资料来源:吕卫.汽车用钢需求趋势分析[J].新材料产业,2015(2):28—30.

(二)纳米材料

1.纳米材料前景广阔

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。

据统计,2013年全球纳米产品市场规模达到229亿美元,2014年增加到约260亿美元,预计该市场将以19.8%的复合年均增长率速度增长,至2019年达到642亿美元。

2.各国政府积极推进纳米技术发展

美国纳米计划(NNI)近年来一直保持对纳米技术的强大资助,从2001年起,累计已投资约220亿美元,2013年和2014年NNI投资额分别达到了15.5亿美元和15.7亿美元,特别是美国科学基金会、美国国防部的投入分别增加了10.4%和11.5%,体现了美国对纳米技术的重视。

2013年,由德国政府资助的纳米研究机构大约800家。在合作研究项目框架下,联邦教研部每年资助纳米技术研究的资金约为2.2亿欧元。同时,第三方研究资金也是德国纳米研究的重要资金来源,有85%的纳米研究机构超过1/4的预算资金来自于这个领域,积极的投资使德国纳米技术取得良好发展。

韩国政府正在酝酿一个纳米技术生态系统,并且正在制定一项详细的驱动战略。该项战略包括建立一个生态系统,建设纳米技术安全中心和纳米技术创新中心等基础设施。最终目标是通过韩国制造业和纳米技术的融合开创一个“制造3.0时代”,培育纳米融合技术,解决未来的社会经济问题。

3.重点材料

(1)碳纳米管用途广泛

TechNavio研究数据显示,全球碳纳米管市场在2014—2019年间将以14.84%的复合年均增长率增长,至2019年市场规模达到24亿美元。

从应用领域看,目前碳纳米管的最新研究领域主要是太阳能电池,一些研究中心已经开发出替代硅的碳纳米管,并作为太阳能电池材料。这种碳纳米管太阳能电池可能会增加电池的转换效率。碳纳米管有望替代价格昂贵的氧化铟锡薄膜,用于液晶显示屏、触摸屏和有机发光二极管等领域。此外,消费品、电子、能源和医疗健康领域的需求不断增加,也强烈驱动碳纳米管市场的快速前进,许多厂商都在大力投资新的生产设备以扩大生产能力。

由于碳纳米管具有优异的性能及纳米级尺寸的特点,在基础研究和应用领域有着十分重要的意义。目前重要研究方向是:以碳纳米管为模板,反应合成一维纳米结构材料;对碳纳米管进行填充;碳纳米管的包敷;对碳纳米管进行改性,合成各种新型纳米复合材料。

(2)石墨烯在多国均成为资助重点

IDTechEx数据显示,2014年石墨烯市场规模近2000万美元,至2019年将超过9000万美元。目前,石墨烯受关注程度依然不减,多家公司与研究机构的投资逐渐增多,见图6。

图片关键词

图6   2014—2019年全球石墨烯市场预测

说明:2015—2019年为预测值资料来源:IDTechEx

欧盟:“未来新兴技术旗舰项目”启动于2009年,2011年从收集到的23个备选项目中遴选出6个进行最终角逐。2013年初,石墨烯项目成功入围,将获得10年共计10亿欧元的资金支持,并由瑞典Chalmers大学亚里·基纳雷特(Jari Kinaret)教授领导,由100多个研究团队组成,主要研究人员有136人(包括4位诺贝尔奖获得者)。该项目已在2013年10月正式启动,分为2个阶段:第七框架计划下为期30个月(2013年10月1日至2016年3月31日)的起步阶段;地平线2020计划下的稳定阶段(2016年4月1日起)。

英国:英国在2014年3月公布的政府预算中宣布,将在未来5年投资设立3个研究所(中心),其中之一即为“石墨烯创新中心”,并作为英国孵化器网络(catapult network)的一部分。该中心坐落在塞奇菲尔德,以过程创新中心为基础,将致力于向中小企业提供设备入口以支持他们进行石墨烯产品的研究与开发。2014年9月,英国政府宣布将在曼彻斯特大学投资6000万英镑(其中,英格兰高等教育基金会下属的英国研究伙伴投资基金1500万英镑、技术战略委员会500万英镑、阿拉伯联合酋长国清洁及可再生能源企业Masdar3000万英镑,其他由该校从欧洲地区发展基金会等获得),建设“石墨烯工程创新中心”,加速石墨烯产品从实验室走向市场的进程。该中心将作为国家石墨烯研究所的有机补充,并彰显了英国致力于石墨烯研发的力度和决心。

美国:美国国家自然科学基金会(NSF)开展了多项有关石墨烯的研发项目,初步统计正在实施的项目有300多项,大多数资助额度介于10万~50万美元之间。如密歇根大学承担的“石墨烯和碳纳米管材料连续和大规模纳米制造”项目,源于NSF在2010年启动的可扩展纳米制造项目,研发经费130万美元,周期为2011年9月1日至2015年8月31日。该项目重点开发高通量可扩展纳米制造技术,用于石墨烯和碳纳米管材料的规模生产。

日本:经济产业省创新融合材料研究项目,就碳纳米管及石墨烯的批量合成技术进行重点支持,研究期间为2011—2016年,经费9亿日元。

(三)3D打印材料

1.3D打印材料以塑料为主,未来5年整体发展看好

3D打印材料主要分为4种类型:塑料、金属、陶瓷和其他。每种类型的材料包括范围广泛的产品,如塑料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚乳酸、尼龙、树脂等;金属包括钢、银、金、钛、铝等;陶瓷包括玻璃、石英;其他为Laywood,蜡、纸等。这些3D印刷材料应用对象、成本、效率有所差异,如塑料可用于消费品制造的打印,金属特别适合于高端行业,如航空航天与国防、汽车、医疗和牙科等;陶瓷则适合在家居装饰、餐桌、艺术雕塑使用。

MarketsandMarkets分析表明,预计2014—2019年3D打印材料市场复合年均增长率为20.4%,2019年市场规模增长至10.52亿美元市场。其中,2019年3D打印塑料材料市场规模将达到6.72亿美元,2014—2019年间的复合年均增长率为20.3%。

2.发达国家高度重视3D打印材料的研发应用

金融危机使美国、欧盟等发达国家和地区强烈意识到了制造业空心化在面对经济波动时的脆弱性,它们纷纷实行再工业化战略,将3D打印、新一代信息技术等作为发展重点。美国总统奥巴马宣布,投资5亿美元用于3D打印产业以确保美国先进制造业发展;欧盟在诺丁汉大学、谢菲尔德大学等成立3D打印中心并给予基金支持,以推动3D打印技术的产业化。同时,发达国家也意识到了材料在发展3D打印产业过程中的重要性,美国专门出台了“材料基因组计划”以适应3D打印技术对材料的要求,成立关键材料创新中心、国家增材制造创新研究所来推动材料与3D打印技术的融合发展。

3.材料对3D打印发展的制约因素

(1)材料性能达不到要求,影响3D打印的推广

区别于传统材料,3D打印技术对材料的性能和适用性提出了更高要求,最基本的要求是材料必须可以液化、丝化、粉末化,在程序控制下打印后还要能重新结合起来。除此之外,3D打印材料还必须性能稳定,满足3D打印连续生产的需要;功能丰富,具有导电、水溶、耐磨等特性;绿色环保,对人体安全且对环境友好。但在现阶段,3D打印材料的成熟度不够,材料精度、强度也不够,一时还无法实现流畅打印的效果,而且材料的安全性也无法保证。

(2)可用材料种类偏少,难以满足3D打印需求

目前,无论是从家用还是工业用的角度来看,与种类繁多、用途广泛的传统材料相比,3D打印材料的种类都比较少,无法满足普通民众和工业生产的需求。比如,适用于家用3D打印的材料主要有石膏、光敏树脂、塑料等;适用于工业用3D打印的金属材料有10多种,并且只有专用的金属粉末材料才能满足工业生产要求。即使是掌握打印材料最多的以色列Object公司,也仅能在14种基本材料基础上组合出107种材料,这与工业和民用领域成千上万种材料需求相比还远远不够。

(3)材料成本较高,限制应用积极性

尽管3D打印减少了切削、成型等方面的制造成本,却增加了材料、软件、设计等环节的成本,其中对材料成本的影响较大。由于适用于3D打印技术的材料有限,并且现阶段的3D打印更多是为了满足个性化生产需求,材料的专用性较强,无法实现规模化生产,这也致使3D打印材料成本居高不下。比如,2013年7月由美国北卡罗来纳州立大学研究出来的可用于液态打印的金属材料价格大约是塑料的100倍,要想通过该材料来实现生产柔性金属设备,如何降低材料成本就成为关键。较高的材料成本也限制了3D打印的应用,特别是在民用领域的应用,比如一台民用3D打印机的价格在2万元左右,而材料的价格却从最便宜的每千克几百元到最贵的4万元左右不等。


 

 




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