世界新材料产业发展动态

2019-02-25 14:22:50 caoyu 28

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目录

 

一、世界新材料产业总体发展态势 

二、电子信息材料 

三、节能环保材料 

四、新能源汽车材料 

五、新材料前沿领域 




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

(一)各地区新材料研发水平差异依旧明显

新材料是现代高新技术和产业的先导和基础,也是众多高新技术的突破基础。与传统材料相比,其具有技术高度密集的特点,对研究和开发的投入要求较高,技术壁垒也较高。目前,发达国家在新材料研发和生产技术上处于领先地位,除中国、印度、巴西等少数发展中国家之外,大多数发展中国家的新材料研发较为落后。

整体来看,美国在新材料方面处于全面领先地位,日本在纳米材料、电子信息材料,韩国在显示材料、存储材料,欧洲在结构材料、光学与光电材料、纳米材料,俄罗斯在耐高温材料、宇航材料方面有明显优势,而中国在纳米材料、非线性激光晶体、第三代半导体、半导体照明、稀土材料等方面的研究水平、成果与发达国家处于并跑竞争阶段,部分甚至处于领先水平,而在高性能纤维及其复合材料、高温合金、高密度信息存储材料、显示技术等方面,中国与国外还存在一定的差距。

(二)发达国家加快新材料技术标准制定

标准先行是发达国家争夺新兴产业话语权的突出特征,新材料产业也不例外,各国纷纷通过标准引领行业发展。以石墨烯为例,2017年10月,英国国家物理实验室领导制定并出版全球第一个ISO石墨烯标准,提出用于描述许多不同形式的石墨烯和相关2D材料的术语定义,为石墨烯的测试和验证提供依据和标准。2017年4月,加拿大国家研究理事会也组建石墨烯标准特别研究小组,其工作重点是开发一套从石墨剥离出石墨烯的标准方法,采用先进的设备研究并表征石墨烯材料的特性。再以增材制造(AM)为例,2018年6月28日美国制造研究所AmericaMakes(原增材制造创新研究所)与美国国家标准学会(ANSI)联合成立的增材制造标准化合作工作组(AMSC)发布《增材制造标准化路线图(2.0版)》,该路线图确认增材制造领域现有及正在制定的标准,评估尚欠缺标准的领域,并对需要研发额外标准和/或试行标准的优先领域提出建议,路线图2.0识别了93个增材制造领域缺乏的标准(即标准空白),其中有18个被确定为标准化工作的高度优先等级,其中与材料相关的高优先等级标准空白合计6个,具体内容详见表1。

表1 增材制造标准化路线图(2.0版)中与材料有关的6个高优先等级标准空白

序号

标题

空白点

1

前体材料:粉末特性:原料取样

差距PM5:金属粉末原料取样。虽然现有的粉末冶金标准可以用于AM应用,但它们需要根据AM具体情况进行调整。例如需要对已在AM构建周期中经过重复使用的粉末进行采样,来确定如何收集代表性粉末样品。实践中应考虑到不同位置处粉末构建接触所造成的变化

2

过程控制:前体物料处理:原料的使用、重复使用、混合和回收

差距PC7:材料的回收和再利用。在材料工业中有许多关于如何在生产中回收、再利用和还原材料的实践。它们和材料之间具有高度依赖性。最终用户需要了解鉴定各种前体材料流的最佳实践

3

过程控制:前体物料处理:原料的使用、重复使用、混合和回收

差距PC9:环境条件:对材料的影响。AM材料可能对环境条件的变化很敏感,包括温度、湿度和紫外线辐射。因此,必须提供通用指导以确保材料的使用和储存环境条件处在所有材料类型的可接受范围内。尚未有关于该主题的标准或规范

4

成品材料属性:材料属性

差距FMP1:材料属性。许多机器制造商为其机器使用某些材料所制成的零件提供了通用数值。但是,这些值未经过统计验证并且没有材料设计所需的谱系。出于上述原因,鉴于目前的知识状态,目前尚不能为AM材料生产提供包含鉴定程序的热性能和最小机械性能标准。目前尚不存在针对不均匀的AM部件设计/构建进行修改的测试标准

5

成品材料属性:医疗器械的生物相容性和清洁度:医疗AM部件的清洁度

差距FMP3:医疗AM零件的清洁度。与许多医疗设备一样,在包装或最终使用之前,医疗AM部件上的制造残留物和接触材料必须清除干净。在接触(直接和间接)患者的装置中,必须保证装置能够通过ISO10993中的生物反应性测试,例如细胞毒性和炎症。还应确保在使用前,除去AM材料,如粉末。残留在部件上的残留物可包括但不限于冷却流体或AM材料(粉末或未固化的单体),其可黏附在小的几何特征或晶格结构内。尚未存在任何标准化协议或验收标准,您可以使用相关的、基于风险的验收标准来重复测量和评估零件的清洁度

6

成品材料属性:设计允许值

差距FMP4:设计允许值。当前的标准和底层基础设施/技术还不够成熟,无法开发设计允许值。对于金属增材,金属材料性质发展和标准化(MMPDS)协调委员会发布了一份指南,标题为“11-40探索性金属和技术设计”。本指南手册中公布了设计允许的可能程序,并阐明了在纳入AM之前需要解决的问题。对于基于聚合物的添加制造材料,FAA赞助的研究计划目前正在开发允许的统计程序,最终将提交给CMH-17,以便考虑在新卷中发布

资料来源:增材制造标准化路线图(2.0版),2018.6

(三)绿色材料研发与应用受到重视

世界各国积极将新材料与绿色发展紧密结合,高度重视新材料与资源、环境和能源的协调发展,大力推进与绿色发展密切相关的新材料开发与应用。材料绿色化主要包括两大方向:一是开发绿色材料,二是开发绿色材料技术,两者之间存在内在联系,最终目标是要在从产品设计、选材、制造加工、包装运输、服役使用、回收再用的整个生命周期内,做到资源利用率最高,环境影响最小,实现“从诞生到消失”到“从诞生到再生”的根本性转变。尤其是欧美发达国家,对可持续发展的绿色材料尤为重视,根据意大利政府在2018年发布的报告中所提供的数据,意大利是欧盟国家中使用循环材料进行生产占比最高的国家,占欧盟总量18.5%,远远领先于制造业位居首位的德国,在原材料消耗效率和工业循环利用水平上,意大利分别仅次于英国和德国,均位居欧盟第二位,这与意大利近年来不断鼓励企业在创新能力、技术研发方面加大投入,希望通过将绿色环保产业转化为更强的生产力和竞争力直接相关。

(四)新材料研发成果层出不穷

2017年材料研究取得众多突破。其中,量子材料成为研发热点,例如美国莱斯大学和奥地利维也纳科技大学开发出一种名为“外尔-近藤半金属”的量子材料,其具有拓扑绝缘体、重费米子金属和高温超导体等各种不同材料的特性;再如美国普渡大学、麻省理工学院和阿贡国家实验室等科研机构合作研制出镍酸钐“量子材料”,有望推动模仿人类大脑的新算法研究。金属材料的研究依然火热,例如香港城市大学制备出一种双相纳米晶结构的镁合金材料,该材料的强度比现有超强镁合金晶体材料高10倍,变形能力较镁基金属玻璃高两倍,有望成为新型生物降解植入材料;再如京港台三地学者通过业界广泛采用的热轧、冷轧等常规工艺,前瞻性提出提高位错密度同时提升强度与延展性的新机理,显著提升屈服强度高于2×109帕的钢铁材料的延展性,使其的均匀延伸率达到16%。二维材料的研究突破不断,二维石墨烯已是强度最大的材料之一,科学家一直被如何将其改造成三维且性能不受损的问题所困扰,美国麻省理工学院的研究人员于2017年解决这个问题,通过试验研究得到一种超强超轻的三维石墨烯:强度比钢强10倍,但密度只有后者的5%。

二、电子信息材料

(一)半导体材料

1.全球半导体材料市场增长创新高

根据国际半导体产业协会(SEMI)公布的全球半导体材料市场报告,2017年全球半导体材料市场规模增长9.6%,2017年晶圆制造材料和封装材料的市场收入分别为278亿美元和191亿美元,相比于2016年晶圆制造材料和封装材料的247亿美元和182亿美元,同比增长12.7%和5.4%。具体到各个地区来看(表10.2),中国台湾以103亿美元的市场规模连续第8年成为全球最大半导体材料市场,市场份额达到10.29%,年增长率达12%;中国大陆巩固第二的位置,占比为7.62%,增长率同样为12%;再次是韩国和日本。整体来看,中国台湾、中国大陆、欧洲和韩国市场的增长较为强劲,而北美、日本和世界其他地区(指新加坡、马来西亚、菲律宾、东南亚其他地区以及规模较小的全球性市场)的市场增长幅度都在个位数之内。

表2 2016—2017年全球半导体材料市场规模

国家/地区

市场规模/10亿美元

增长率/%

2016年

2017年

中国台湾

9.2

10.29

12

中国大陆

6.8

7.82

12

韩国

6.77

7.51

11

日本

6.76

7.05

4

其他地区

5.39

5.39

8

北美

4.87

5.29

9

欧洲

3.03

3.36

11

总计

42.82

46.93

10

资料来源:SEMI,2018.4

2017年全球半导体材料市场的强劲增长主要推动力是半导体应用不再限于传统消费电子及计算机应用,逐渐进入到物联网、智能制造、人工智能与大数据、智慧医疗、智能汽车等领域,2018年半导体材料市场有望继续保持增长势头,SEMI预估增长率将在4%左右,中国台湾有望继续保持第一的地位。

2.第三代半导体材料追求更大尺寸和更低缺陷

第三代半导体材料指的是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)等为代表的第三代宽紧带半导体材料。相比于第一、二代半导体,第三代半导体材料具有宽带隙、高导热率、高临界击穿电压、高抗辐射能力、高电子饱和速率等优点,被视为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”和光电子和微电子产业的“新发动机”。从目前第三代半导体材料和器件的研究现状看,较为成熟的是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)半导体材料,两者是最具有发展前景的半导体材料。

SiC衬底方面,主流产品由4英寸向6英寸过渡,8英寸导电型衬底产品的开发已成功,目前,6英寸衬底的位错密度在100/平方厘米量级。II-VI公司开发出的8英寸N型SiC衬底的微管密度小于0.1个/平方厘米,穿透型螺位错密度约1000/平方厘米,基平面螺位错约900/平方厘米。SiC衬底将继续沿着扩大衬底尺寸和降低缺陷密度的路线发展。一方面,大尺寸SiC衬底的市场占比将逐年增加。由于现有的6英寸硅晶圆产线可升级改造用于生产SiC器件,所以6英寸SiC衬底的高市场占有率将维持一段较长的时间。另一方面,随着单晶生长技术的发展,SiC衬底缺陷密度将快速下降,预计未来5年,穿透型螺位错和基平面位错密度将下降到200/平方厘米。

GaN衬底方面,主流产品以2~3英寸为主,4英寸产品已实现商用。随着大功率蓝绿光激光二极管技术的逐渐成熟,GaN衬底材料的需求将持续增加,GaN外延方面,6英寸Si基GaN外延实现商用。比利时微电子研究中心已经研发得到8英寸Si基GaN的样品。此外,美国空军研究实验室开发出一种在氮化硼柔性衬底上生长和转移GaN材料的方法,未来有望开拓GaN材料在可穿戴设备中的应用。

3.超摩尔战略掀起半导体材料研究新方向

2018年5月,半导体行业首次不再以摩尔定律为基调制定路线图,作为替代,遵循的是所谓的“超摩尔战略”(morethanmoorestrategy),即不再以芯片技术驱动应用发展,而是以应用需求为驱动力,不过,摩尔定律的结束并不意味着技术发展的终结,目前主流研究解决方法有三种:一是延续摩尔(moremoore),继续走尺寸缩小,目前已达7纳米;二是扩充摩尔(morethanmoore),利用系统级封装(SiP)或者系统芯片(SoC)方法将众多不同制造工艺的芯片集成在一个封装内,该方法也被称为异质集成;三是超越摩尔(beyondmoore),采用新的材料及新晶体管架构,如Ⅲ-V、纳米线、纳米管、硅光电子等。

2017年3月,美国半导体工业协会(SIA)和以半导体研究联盟为首的全球科技、国防及航空航天工业领导者联盟(SRC)发布名为《半导体研究机遇:行业愿景与指南》的联合报告,该报告呼吁政府和业界加大在超越硅基半导体技术及发展下一代半导体制造方法等领域的投资力度;同样,韩国筹划启动总预算高达22亿美元的半导体研发项目,该项目目前尚处于前期可行性研究阶段。作为半导体技术领先的两个国家,美韩动向可被视为整个半导体行业加强新一代半导体材料和相关工艺技术研发的积极信号。

(二)显示材料

1.OLED材料市场呈火热增长态势

根据OFweek产业研究院数据,2017年全球OLED材料市场规模为8.56亿美元,同比大幅增长61%,采用AMOLED屏的苹果iPhoneX手机的问世对OLED市场起到明显拉动效应,带动AMOLED面板厂商和上游OLED材料厂商积极备货,预计2018年全球OLED材料市场规模将达到12.58亿美元,同比增长47%。目前,AMOLED面板主要应用市场是智能手机和OLED彩电,华为、OPPO、vivo、小米、苹果、三星等推出的旗舰机型均采用AMOLED显示技术,OLED面板及材料的需求大幅增加。

2.OLED材料供应商依然以日、韩、欧、美企业为主

OLED材料主要包括两部分:发光材料和基础材料,两者占OLED屏幕物料成本的30%左右。OLED发光材料主要包括红光材料、绿光材料、蓝光材料等。OLED基础材料主要包括电子传输层ETL、电子注入层EIL、空穴注入层HIL、空穴传输层HTL、空穴阻挡层HBL、电子阻挡层EBL等,目前,韩国企业三星和乐金(LG)在OLED领域具有主导地位,三星是中小型柔性OLED面板的龙头企业,市场占有率高达98%,正在建设全球最大的OLED面板工厂,新工厂产能最多可达每月27万片,预计可在2019年开始量产;乐金主攻OLED电视面板,拥有4.5代OLED产线、6代柔性OLED产线、8.5代OLED产线,其大尺寸OLED电视面板于2017年大幅提产。因此,韩国企业三星和LG选择哪家OLED材料供应商无疑是整个行业的风向标,从表10.3中可以看出,OLED材料供应商依然以日、韩、欧、美企业为主。

表3 三星及乐金(LG)的主要OLED材料供应商

类别

公司名称

地区

重点产品

发光材料

Cynora

德国

重点开发高效率长寿命的蓝色TADF(热激活延迟荧光)发光材料

UDC环宇显示技术

美国

拥有OLED知识产权,4000余件各类相关专利;提供红绿磷光为主的OLED材料;与爱普生联手研发打印OLED技术

BASFNewBusiness巴斯夫

德国

从事OLED技术研究超过15年,研发出透明OLED与OPV面板技术

DoosanElectroMaterials斗山电子

韩国(

主营OLED发光层基质材料、覆铜薄层压板CCL)、柔性CCL

DowChemical陶氏化学

美国

世界最大化工公司之一,从事OLED材料研发,主要向三星供应红光材料

DuksanHi-Metal德山金属

韩国

主营半导体与OLED材料,向三星提供功能层材料

Kyulux九州

日本

从事TADF研究,拥有九州大学50余项相关专利2016年先后分别获得三星与LG投资支持

LG乐金化学

韩国

开发销售偏光片、3DFPR、印刷电路板材料、感光材料、ITO膜及各种OLED相关材料

Orthogonal

美国

研发可直接用于柔性OLED的光刻胶与相关氟化物

PolarOLED

英国

结合OLED与液晶技术,研发更易生产的打印方式

PPGIndustries庞贝捷

美国

与UDC共建磷光材料生产研发基地

R-Display&Lighting

美国

由前柯达研发人员创建,生产OLED发射材料和载流子传输材料

SunFineChem

韩国

研发OLED精细化学品、有机TFT技术

物料堆

AglaiaTech阿格蕾雅

中国大陆

制造OLED传输层、注入层、发光掺杂剂、发射层材料

e-RayOptoelectronics

中国台湾

提供小分子OLED电子传输层、空穴注入层、空穴传输层、发射材料、发光掺杂剂

Hodogaya保土谷化学

日本

产品涵盖OLED各层材料


IdemitsuKosan出光兴产

日本

产品涵盖OLED各层材料,与索尼、LG、三井、斗山、UDC均有研发合作


奥来德

中国大陆

制造空穴传输层、空穴注入层、荧光层、电子传输层材料


JNC

日本

小分子的蓝光发光与ETL材料;2016开发出目前发光效率和色纯度最高的蓝色发光材料


KantoChemical关东化学

日本

提供应用NHK反应的空穴/电子阻挡材料


Lumtec

中国台湾

提供易挥发和易溶解的各功能层材料,同时有磷光和TADF发光材料


MitsuiChemicals三井

日本

提供小分子OLED相关材料


MolecularGlasses

美国

提供易挥发和易溶解的各功能层材料


Nissan日产化学

日本

研发印刷用OLED材料


Novaled

德国

被三星收购,研发并生产OLED各种功能层、夹层、耦合层材料


PowerOLEDs

英国

研发空穴传输、电子传输、电子注入、基体、发射材料


SDI三星显示

韩国

研发生产各类OLED材料,拥有世界上唯一一款量产柔性屏幕用TFE有机材料产品


WanHsiangOLED万翔材料

中国台湾

提供包括芴类和磷光材料在内的100余种OLED相关材料

中间体

BoronMolecular

澳洲

提供OLED中间体和相关定制材料

Borun宁波博润

中国大陆

生产OLED中间体,包括基体、传输材料、空穴注入材料、咔唑衍生物、芴衍生物

ChemPacific凯普化工

美国

生产小分子有机中间体

EverestScientific

美国

为部分生产企业和研究所提供OLED中间体

GreenGuardee北京绿人

中国大陆

提供高纯度OLED中间体

HohanceChemical上海昊航

中国大陆

提供多种OLED中间体

Ind-Swift

印度

提供多种OLED中间体

KaiyuanChemical天津瑞源

中国大陆

提供多种OLED中间体

资料来源:中泰证券研究所,2017

日本企业中,出光兴产在全球蓝色主体发光材料市场上占有一半以上的市场,2016年和2017年的市场占有率分别为89%和65.4%,其所持有的核心专利是其他竞争公司无法轻易进入蓝色材料市场的主要障碍,该专利将于2018年年底到期,随着进入门槛的降低,预计蓝色荧光材料的市场竞争将愈加激烈。保土谷化学公司的产品涵盖OLED各层材料,2017年营业收入增加11.38%,达到386亿日元。JNC是国际三大TFT混合液晶材料的供应商之一,其OLED材料产品主要是小分子的蓝光发光材料与电子传输材料,公司在2016年与日本科学振兴机构、关西学院大学联合宣布开发出发光效率和色纯度最高的蓝色发光材料“DABNA”。

韩国企业中,斗山公司提供红色发光材料、绿色发光材料、蓝色发光材料、空穴注入层、空穴传输层、电子传输层原材料,主营OLED发光层基质材料、覆铜薄层压板(CCL)、柔性CCL,其在空穴传输层领域占据20%市场份额,并于2016年与日本出光兴产合作开发新材料。新创企业Material Science开发出可取代日本出光兴产握有专利的蓝色OLED掺杂物,成为首家在未获得大企业的支援之下,成功将技术带入商用化水平的韩国材料企业。

美国UDC是OLED技术和材料研究领域的全球领导者,生产方面,公司主要提供小分子磷光红色和绿色发光材料;研发方面,UDC拥有超过4000项关于OLED材料、设备和工艺的专利,包括但不限于有机气相沉积(用于小分子制造)、可挠式FOLED加工、TFE(薄膜封装)、可列印PHOLED、有机气体喷墨印刷、透明阴极的OLED(顶部发光结构)相关技术。

三、节能环保材料

(一)新一代光伏材料

1.第三代太阳能电池是光伏材料研究热点

虽然现在太阳能光伏已经实现了大面积使用,但其在能源总消费中的占比依然相对较低,比起火电等传统能源,太阳能发电的成本偏高。据世界能源组织(IEA-PVPS)预测,到2050年光伏发电总量将占到世界年耗电量的34%,人类生产、生活用电的三分之一将来自于光伏发电,但是依靠何种光伏技术来实现规模化能源替代,目前仍然存在较大的不确定性。

太阳能电池发展大致分为三个阶段:第一代为晶硅太阳能电池,包括单晶硅和多晶硅电池,技术发展最为成熟,已主导现在的光伏市场,占有率约90%,但晶硅电池的问题在于光伏硅的纯度要求极高(99.999%),其原料提纯、组件生产过程中存在高污染和高能耗,通过进一步扩大生产规模能否实现平价上网,还存在不少争议,晶硅电池现在的超低成本是在未充分考虑人力成本、环境成本的情况下实现的。第二代为薄膜太阳能电池,包括CIGS、CdTe、GaAs、非晶硅等,都存在一定技术限制,市场化程度相对较低,占有率合计约10%,虽然薄膜电池通常具有材料用量少、温度系数好、弱光效率高、可制成柔性或透明组件、有利光伏建筑一体化等优点,但CIGS、CdTe、GaAs存在地壳中元素丰度不足的限制,难以规模化替代火电;非晶硅电池尽管不存在材料丰度的问题,但由于牺牲材料质量,效率过低影响其单位面积的发电量,在晶硅电池大幅降价的挤压下,非晶硅电池难以在市场上生存。

第三代是尚处在研发阶段的新型太阳能电池,包括染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、量子点太阳能电池、CZTS太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。染料敏化太阳能电池从原理上是最接近自然界中光合作用的光伏器件,但认证效率不高、使用液态电解质使其的稳定性受到很大挑战;有机太阳能电池是最适合做超轻薄柔性器件,但存在效率提升难度大和稳定性差的问题;钙钛矿太阳能电池是第三代太阳能电池中最热门的研究方向,具有更清洁、效率高、制造成本低、工艺简单等一系列优点。从2009年问世以来,钙钛矿太阳能电池的光电效率已经从3.8%提升至22.7%,是最有希望进入光伏市场的第三代光伏技术,存在颠覆光伏市场乃至规模替代火力发电的可能性。

2.科研机构担当钙钛矿太阳能电池研发主力

从国际研究布局来看,钙钛矿型太阳能电池起源自染料敏化太阳能电池,因此该领域的很多领军人物都来自染料敏化太阳能电池,比如著名钙钛矿型太阳能电池科学家、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Michael Grätzel有“染料敏化太阳能电池之父”之称,这也决定这些领军人物所在的研究小组普遍在太阳能电池领域有很深的积累。在该研究领域保持领先地位的国家包括:瑞士、英国、韩国、日本。中国在钙钛矿型太阳能电池上的研究已经接近一流水平,部分领域已经具有全球领先水准,领军研究机构包括上海交通大学、武汉光电国家实验室、中科院物理研究所。此外,不同实验室之间的合作也非常常见,并产生众多重量级研究成果,例如韩国成均馆大学的Nam-GyuPark与MichaelGrätzel合作开发的spiro-MeOTAD材料。

(1)瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)

瑞士洛桑联邦理工学院的MichaelGrätzel是钙钛矿型太阳能电池研究领域的领军人物,首创两步连续沉积钙钛矿薄膜制备法,并与韩国成均馆大学Nam-GyuPark研究小组合作,首次将固态空穴传输材料spiro-MeOTAD引入到钙钛矿太阳能电池中。该小组保持的认证效率记录为21.02%(0.105平方厘米)和19.6%(1.00平方厘米)。2017年10月,Michael Grätzel通过引入由薄层石墨烯氧化物保护的CuSCN作为无机空穴传输材料,大幅度提高电池稳定性,得到的钙钛矿电池初始效率超过20%,在60℃、持续全日照1000小时的环境下,该电池效率依然可维持在初始效率95%以上,这是目前钙钛矿太阳能电池稳定性的最好结果。

(2)英国牛津大学

2012年,英国牛津大学与日本桐荫横滨大学合作,采用宽禁带介孔Al2O3取代传统n型半导体介孔TiO2制备出全球首个“介孔超结构”钙钛矿太阳能电池,证实介孔TiO2在钙钛矿器件中的非必要性,实现从传统介观钙钛矿太阳能电池向平面钙钛矿太阳能电池的过渡。

(3)韩国成均馆大学

2012年,韩国成均馆大学与EPFL合作,采用固态空穴传输材料spiro-MeOTAD取代传统染料敏化太阳能电池(DSSCs)中的液态电解质,制备出全球首个全固态钙钛矿太阳能电池,显著提升器件稳定性,开启钙钛矿型太阳能电池研究的新进程。Nam-GyuPark研究小组通过多种方法开发高效、耐用和大面积的钙钛矿太阳能电池,比如尺寸控制、结构控制等。

(4)韩国蔚山国家科学技术大学

蔚山国家科学技术大学SangIlSeok研究小组在高质量钙钛矿薄膜制备方面的研究成果非常突出,至今为止,其在2014年首创的反溶剂萃取制膜方法仍被认为是制备最高质量钙钛矿薄膜的有效方法之一,该研究小组的钙钛矿太阳能电池效率经过第三方国际认证,目前该研究小组保持的认证效率记录为22.7%(0.0935平方厘米)和20.9%(0.991平方厘米)

(5)日本桐荫横滨大学

2009年,日本桐荫横滨大学的Tsutomu Miyasaka首次选用有机-无机杂化的钙钛矿材料CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3取代传统DSSCs中的染料作为新型光敏化剂,以介孔TiO2作为光阴极,制备出首个真正意义上的钙钛矿太阳能电池,从此拉开钙钛矿吸光材料的序幕。目前,TsutomuMiyasaka的研究工作范围比较广泛,钙钛矿太阳能电池也是他关注的焦点之一,具体包括IV曲线滞后机理以及其对电池稳定性的影响,不同金属氧化物材料对电池性能的影响,甲基铵-甲脒(MA-FA)杂化钙钛矿电池,以及混合卤化物钙钛矿太阳能电池。

(6)上海交通大学

上海交通大学研究团队制备出首个大面积高效反式平面结构钙钛矿电池,研究范围包括空穴阻挡层、钙钛矿膜沉积、无掺杂空穴传输材料、纯相甲基铵-甲脒(MA-FA)杂化钙钛矿以及反式结构钙钛矿电池等。研究小组保持的钙钛矿太阳能电池认证效率记录为20.65%(0.249平方厘米)、19.19%(1.025平方厘米)和12.07%(36.13平方厘米),其中36.1平方厘米下12.07%的认证效率是第一个大面积钙钛矿模块效率世界纪录,该研究团队提出一种新型的无溶剂免真空制备大面积均匀钙钛矿薄膜的方法,意味着未来钙钛矿光伏技术有望走出实验室、实现大规模产业化。

(7)武汉理工大学

武汉理工大学研究团队方向包括钙钛矿电池的稳定性,钙钛矿太阳能电池的微观机构,钙钛矿/硅叠层太阳能电池,新型钙钛矿及其功能层材料等,武汉理工大学研究团队的认证效率记录为19.43%(0.16平方厘米)、柔性钙钛矿太阳能电池组件11.4%(14.3平方厘米)、玻璃基板钙钛矿太阳能电池组件13.98%(57.2平方厘米)。

3.国内外企业加快钙钛矿太阳能电池布局

目前,国际上至少有40个国家对钙钛矿太阳能电池实用化展开研究,已涉及钙钛矿太阳能电池产业化研究的国外重点企业包括英国牛津大学的Henry J.Snaith创立的牛津光伏公司,该公司被MIT Technology Review杂志评为“2017年度全球最具创新力50家公司”之一,公布的认证电池产品效率达到20.1%(2014年),串联层应用可达到28%的转换效率,可用于标准玻璃镀膜设备;同期进行钙钛矿太阳能电池产业化研发的公司还包括:瑞士Solaronix,澳大利亚Dyesol,英国G24 Innovations,以色列3GSolar,爱尔兰SolarPrint,德国巴斯夫(BASF)、Heliatek、默克(Merck),日本镰仓(Fujikura)、索尼(Sony)、夏普(SharpSolar)、Peccell Technologies、写真印刷Nisasha等。

我国涉足钙钛矿太阳能电池研究的企业大多得到高校力量支持,部分企业直接由科研人员创立,钙钛矿太阳能电池商业化的情况和国际情况基本类似,都处于早期阶段,离大规模商业化应用还有着不小的距离。表现较为突出的企业主要是杭州纤纳光电科技有限公司以及厦门惟华光能有限公司,前者成立于2015年7月,是一家致力于商业化钙钛矿太阳能电池的创新型科技公司,其微组件(16.29立方厘米)效率达到17.4%,计划组建全球首条20兆瓦钙钛矿太阳能电池生产线,预计在2018年年中完成安装调试、开始量产;厦门惟华光能有限公司成立于2010年,公司公布的小面积电池的最高效率达到21.5%,45×65平方厘米大面积组件的效率达到10.3%。除此之外,大连七色光太阳能科技有限公司、西安宝莱特光电科技有限公司、北京华敏新材料科技有限公司、湖北万度光能有限责任公司、宁波博润新材料科技有限公司、上海造孚新材料科技有限公司、铜陵中科聚鑫太阳能科技有限责任公司、青岛黑金热工能源有限公司、昆山桑莱特新能源科技有限公司、上海迈拓威化工新材料科技有限公司和辽宁优选新材料有限公司等涉足钙钛矿太阳能电池技术研究与产业化。

(二)新型建筑材料

1.建筑材料业迎来市场新机遇

在美洲地区,从2015—2018年,绿色建筑开销将从1506亿美元增长至2244亿美元,预计2019年美国绿色建筑材料市场规模将达到690亿美元,政策上,美国计划在2050年前,所有建筑都实现净零能耗(NZE)。美国针对建筑,包括改建建筑,推出多种新能源效率措施,到2050年,这些措施将减少80%的排放量。

在欧洲地区,欧盟《能源效率指令》(Energy Efficiency Directive)和《建筑能源性能指令》(Energy Performanceof BuildingsDirective)着重通过脱碳处理提高现有建筑的翻新率,目前,欧洲当前非绿色公共建筑的翻新率只有3%,预计到2030年,通过整改措施,欧洲绿色建筑市场将新增收入238亿欧元,翻新市场将新增收入800亿~1200亿美元。

在亚太地区,日本已经颁布法案,意在改善新建筑的能源消耗性能。该法案计划已于2017年实施;中国政府通过综合政策框架严格实施能源效率标准,预期在2015—2020年期间,实现城镇新建建筑中绿色建筑推广比例超过50%,绿色建材应用比例超过40%,新建建筑执行标准能效比“十二五”期末提高20%的目标。

2.新型耐火材料

凡物理化学性质允许其在高温环境下使用的材料均称为耐火材料。耐火材料作为工业基础材料必需品,广泛用于钢铁、冶金、化工、石油、机械制造、电力、动力等工业领域。随着现代工业的发展,以及绿色建材材料的需要,新型耐火材料的研究愈来愈受到重视,取得一系列成果。

(1)耐火材料发展方向

对于耐火材料来说,从定形制品向不定形耐火材料(主要是耐火浇注料)发展成为主流趋势。使用不定形耐火材料不仅能增加高炉、钢包、中间包等传统冶金设备内衬寿命,而且能显著减少炉前劳动量和提高筑衬速度,譬如,红柱石制品的使用范围已经扩大到水泥回转窑、高炉及其热风炉上。

根据俄罗斯2018年耐火材料与冶金工作者国际会议上发布的报告显示,未来耐火材料的发展方向主要包括:在不定形耐火材料方面主要是耐火浇注料,用于高炉内衬(喷补技术)、高炉出铁场的铁沟,钢包和铁水包内衬,钢水炉外处理设备,干法水泥窑窑外循环热交换器,以及隔热材料和修补用耐火材料。在定形耐火材料方面,生产具有较高技术潜力的新型黏土砖和高铝砖:如水泥窑部分区域内衬用材料,流钢砖,高炉及其热风炉用耐火砖,高炉及热风炉用红柱石砖,阳极焙烧炉用制品,黏土质和高铝质隔热砖等等。

(2)无铬耐火材料尚待更大突破

六价铬在自然界不能被分解,易污染土壤和地下水,容易被人体吸收,并可通过消化、呼吸道、皮肤及黏膜在体内蓄积,现已被国际癌症研究机构确认为具有强致癌性,因此,六价铬的污染问题引起全世界范围的重视。在水泥窑中使用的含铬耐火材料镁铬残砖极易引起严重的环境污染问题,需要大量用水进行稀释,是水泥行业亟待解决的问题,目前,欧盟、美国、日本均已全面废除六价铬的使用,中国也已明确指出要取代含铬耐火材料。

目前常见的无铬耐火材料包括镁铝尖晶石砖、铁铝尖晶石砖、镁铁尖晶石砖、镁锆砖和白云石砖,但结果都不是非常理想。其原因在于,替代物并不完全具备镁铬尖晶石的优点。Cr2O3在镁铬质耐火材料中的作用包括:增大低熔相的润湿角,提高直接结合程度并降低侵蚀速率;形成镁铬尖晶石,改善抗热震性;降低黏附窑皮的度稳定侵蚀产物C2S。水泥熟料中的C3S将和耐火材料中的尖晶石反应,形成大量新生C2S。β-C2S向γ-C2S转变伴随14%的体积变化。如果C2S的晶相转化不能得到抑制,转化产生的应力将导致黏附在耐火材料表面的窑皮垮落。这些有利作用赋予了镁铬质材料良好的荷重软化度、高强度、抗侵蚀性、热震稳定性和较好的挂窑皮性。镁铝尖晶石和镁铁尖晶石只具备其中第二个和第三个优点。所以,现有的无铬砖不能全面替代镁铬质材料,一些镁铁砖中不得不掺有4%左右的Cr2O3。

3.新型生物质建材

新型生物质建材是以天然生物质材料为主材,通过高科技手段制成的、具有“节能、减排、安全、便利和可循环”特征的建材产品。在应对全球性气候变化,大力推进低碳发展、绿色发展和循环发展的今天,生物质建筑材料的特色和优势进一步凸显,而利用农作物秸秆、竹纤维、木屑等生物质制成的建材,使用纤维增强的新型木塑建材无疑结合了生物质材料的众多优势,具有极大的发展潜力。

(1)秸秆建材的特点与优势

秸秆是农作物收割后的残余资源,作为建材使用的历史非常悠久,但从20世纪40年代开始,由于受到二战后人口增长和混凝土等新型建筑材料和技术的影响,人们对秸秆建筑的重视程度有所降低。近年来随着环保节能理念的加强,秸秆建筑又逐渐被人们所重视。秸秆主要的化学成分和木材一样都是纤维素、半纤维素和木质素,但与木材相比,其纤维素和木质素含量较低,且含有蜡状表皮层和大量的无机硅,无法直接使用,多作为建材原料,加工后使用。目前主要的秸秆建材的种类包括:秸秆人造板、秸秆砌块、秸秆瓦等,目前使用最广泛的是秸秆板,国外秸秆板的主要生产厂商包括美国Primeboard公司、加拿大Isoboard公司和英国Compak公司。

秸秆建材隔热隔音性能非常好;纤维多、静曲强度高、抗冻融性好、平面垂直抗拉强度较大,且二氧化硅含量高、导热系数低,使得其具有良好的抗震防火性能;密度小,可以降低建筑自重,减少建材运输过程中的能耗;在生产和运输过程中的能耗比传统建材低很多;由不同部位秸秆生产的板材在性能上差异不大,边角料和废弃的秸秆建材可以得到充分的回收利用、达到无渣排放和循环再生利用及其节能的目的。

(2)纤维增强木塑复合材料

木塑复合材料是利用废弃木材、农作物秸秆等经粉碎而制成粉体后,与塑料一并作为原料,加入各种助剂,经热压复合或熔融挤出等加工工艺而制作的一种高性能、高附加值的新型复合材料,其属于生物质复合材料的范畴,是一种无毒、可循环利用的环境友好型材料。

随着木塑复合材料产量和应用范围的不断扩大,其韧性差、蠕变等问题逐渐暴露出来,目前针对木塑复合材料增强增韧的研究较多,因为增强纤维在高分子复合材料中已得到泛应用,所以其在木塑复合材料中应用推广相对较为容易。在纤维增强木塑复合材料中,纤维主要作用是承载外力、阻止裂纹扩散,从而提高木塑复合材料的力学强度和韧性,此外,纤维的加入可以改变木塑复合材料的内部结构,从而优化复合材料的吸湿行为和热性能。

纤维增强木塑复合材料中所使用的纤维主要包括天然纤维素纤维、合成纤维、非金属纤维、金属纤维,不同种类的纤维对木塑复合材料有不同程度的增强或增韧作用,具体来看,矿物质纤维中的玄武岩纤维被越来越多地应用在木塑复合材料中;岩棉增强木塑复合材料具有更好的环保效应;碳纤维在木塑复合材料中的应用由于成本关系还处于研究阶段;天然纤维素纤维在木塑复合材料中的应用虽然较少,但前在欧洲已被用于高附加值的汽车零部件领域。

四、新能源汽车材料

(一)汽车轻量化材料

随着汽车市场发展及大气污染愈加严重,汽车轻量化推行力度持续增加,尤其是新能源汽车,受动力电池重量、续航里程制约,对轻量化的需求更加迫切。据Frost&Sullivan分析,2017年全球轻量化汽车材料市场规模达到953.4亿美元,锂电池材料市场规模150亿美元。

表4 主要轻量化汽车材料

材料

优点

缺点

质量减轻比率/%(相比于钢制件)

价格/万元·吨-1

主要应用汽车部件

应用范围

高强度钢

制造技术成熟,成本低廉

比强度低,轻量化效果有限

小于10

1-1.5

车身钢板、纵梁

广泛应用

铝合金

质量轻、耐腐蚀、强度较高、易于加工、表面美观、回收成本低

加工难度较钢材高,焊接性能差,铝成本较高

30

1.8-2

发动机气体缸、气缸盖、活盖、进气歧管、摇臂、空压机连杆、传动器壳体、离合器壳体、车轮、制动器零件、壳体零件、车门、后盖车顶

发达国家广泛应用

镁合金

具有很高的比强度和比刚度、吸振能力强、切削性性能好

耐热耐蚀性有待提高,铸造性差,热处理工艺复杂、成本高

35-45

2-2.5

转向盘骨架、变速器箱体、离合器外壳、发动机阀盖、缸盖、座椅骨架、仪表板、进气歧管、车轮、车门框架

发展阶段

复合材料

密度小、设计灵活美观、易成型

一般无法作为应力件,碳纤维复合材料成本高

10-50

-

发动机罩、车顶、保险杠、仪表盘等内外饰及制动钳、传动轴、壳体等多种零件

工程塑料广泛应用,碳纤维复合材料和玻纤增强复合材料在发展阶段

资料来源:盖世汽车研究院,2017

1.铝合金轻量化效果显著,钢铝混合车成为新趋势

铝在新能源汽车轻量化过程中扮演非常重要的角色,重量只有铁的1/3,同时回收利用率高,汽车中铝的回收比例可以达到85%,是铁的两倍。

目前,捷豹是汽车厂商中推出全铝车型最多的之一,其在2003年第三代XJ车型上首次使用铝合金车身,在2006年发布的XK车型上,车身铝合金的比例达到100%。随着铝面板图层技术和铆钉的使用,车体70%都是铝合金。2013年发布的F-type,2015年第二代XE,2016年F-pace也都使用全铝车身。近年来,特斯拉在铝合金应用方面呈现赶超势头,ModelS(全铝车身)和ModelX车型上都采用大量铝材。

目前一些厂商只是部分使用铝合金,车身大部分结构还是钢铁,钢铝混合车成为新趋势,从奔驰S级、奥迪A8看,它们车身都是由多种材质混合搭配组成,奥迪A8的钢铁含量从上一代的8%升至40%。目前超高强度钢能够达到1500兆帕以上的屈服强度,更有利于提升车辆被动安全性,2017年新推出的MODEL3车身上主要在车尾采用铝合金,其他位置大都采用超高强度钢。

2.镁合金轻量化效果更好,应用难点更高

现阶段,车用镁合金在发达国家的应用愈加广泛,数据显示,北美产汽车的单车用镁量大约在5.8~26.3千克,使用和研发中的镁合金零部件达100多种;欧洲产汽车的单车用镁量范围在9.3~20.3千克,大众PASSAT和奥迪A4上的单车用镁量达到14千克,奔驰、宝马等豪华品牌部分车型镁合金用量已经突破每辆20千克;日本产汽车的平均单车用镁量达到9千克。

表5 欧美各车型用镁量

汽车公司

车型

用镁量/千克

通用

DMC-Savana,雪佛兰-Express

26.3

奔驰

SLKClass

24.9

宝马

6Series

23.8

奔驰

CLClass

23.7

奥迪

A6

20.3

通用

GMC-Safari,雪佛兰-Astro

16.7

福特

F-150

14.9

大众

Passat

14.5

捷豹

S-Type

12.7

奥迪

TT

12.5

保时捷

Boxster

9.9

通用

别克-ParkAvenue

9.5

大众

Golf,Polo

9.2

克莱斯勒

CrossfireRoadster

7.7

资料来源:兴业证券研究所,2017

镁合金在车辆上的大规模应用仍面临着难题,首先,镁合金强度没有铝的高。其次,基于镁的活泼性,其必须进行电化学电偶腐蚀防护,和其他材料的连接也需要更好的解决方案。再次,镁合金强度偏低,弹性模量不到45吉帕,抗变形能力太差。还有,镁合金材料生产成本高于铝、钢太多,造成成本增高的主要原因是材料后期成型性能差,材料利用率低,加工费用高,如表面处理费用更高。最后,镁的安全性能不够,镁合金耐热性较差,熔点比铝合金更低。

(二)动力电池

1.锂电池市场呈现中日韩三强格局

全球动力电池市场由亚洲五大公司长期盘踞,包括中国宁德时代、日本松下、韩国三星、韩国乐金、中国比亚迪。在2017年全球动力电池企业销量前10排名中,中国企业占7席,日韩系包括松下、乐金、三星。随着中国市场的进一步放开,巨头们极有可能大举进入中国市场,抢占国内企业的市场份额。中国电池企业正向以比亚迪、宁德时代、国轩高科等电池巨头为代表的垄断式发展,一些弱势的电池企业将逐渐被边缘化。

表6 2017年全球动力电池销量前10位企业

排名

企业

国家

销量/吉瓦·时

1

宁德时代

中国

12

2

松下电器

日本

10

3

比亚迪

中国

7.2

4

沃特玛

中国

5.5

5

LG化学

韩国

4.5

6

国轩高科

中国

3.2

7

三星SDI

韩国

2.8

8

北京国能

中国

1.9

9

比克

中国

1.6

10

孚能科技

中国

1.3

资料来源:中商产业研究院,2018

不少大型企业正在退出动力电池市场,2018年,全球最大的汽车零部件制造商德国博世宣布将放弃自制动力电池单元,转而外购电池单元;2017年日产与NEC将合资电池子公司AutomotiveEnergySupply(AESC)出售给中国私募股权投资基金金沙江资本,AESC在2016年名列全球动力电池出货量第四,仅次于松下、比亚迪和乐金,这是继索尼退出锂电池之后锂电池市场上发生的最大变动。

2.氢燃料电池的发展不可忽视

氢燃料电池在严格意义上来说不能称作“电池”,该电池采用一种被称为“质子交换膜”技术,实际效果更接近于一台发电机,和传统的锂电等化学电池迥然不同,整个过程不经过热能转换就能直接产生电流,不仅转化效率高而且没有噪声,产生的反应物只有水和热,对环境几乎没有影响。

氢燃料电池主要涉及的材料包括:质子交换膜和催化剂铂金。质子交换膜采用全氟化聚合物材料合成,具有稳定性好、使用寿命长等优势,可以保证良好的化学和电化学稳定性、高质子导电性、阻气性能、高机械强度、与电极较好的亲和性。但是它的开发和生产难度很大,制造成本过高,售价昂贵,现在应用较多的质子交换膜主要包括:美国杜邦公司Nafion系列膜、美国陶氏化学公司XUS-B204膜、日本旭化成Aciplex膜、日本旭硝子Flemion膜、日本氯工程公司C膜以及加拿大Ballard公司BAM型膜,应用最广泛的是由美国杜邦公司研制的Nafion系列全氟磺酸质子交换膜;催化剂方面,全球铂金产量每年200多吨,60%作为首饰加工,20%左右作为工业催化剂,高昂的价格显然难以满足产业化要求。

作为新能源汽车主要方向之一,氢燃料电池车的发展一直是业内关注的焦点。目前,氢燃料电池在实现应用在车辆的道路上还面临着一系列挑战,具体包括:氢燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高,远远超过目前的化石燃料和新能源汽车;无污染且低成本获取纯氢燃料存在技术难点;氢燃料电池汽车启动时间长,系统抗震能力还需提高;氢燃料供应设备复杂,且质量和体积较大;加氢站等基础配套设施配套不够充足。

整体来看,锂离子动力电池车与氢燃料电池车各有优势,将在较长的时期内共存于市场。其中,锂离子动力电池因其相对较低的能量密度而更适合用于乘用车和短途大巴,而氢燃料电池因其具有更高的续航里程与相对固定的线路而更适用于商用车,如长途大巴和货运车等。随着燃料电池系统及电堆成本的进一步下降、加氢站网络进一步完善,氢燃料电池车将占据更大的市场份额。

五、新材料前沿领域

(一)超导材料

目前人类发现的、具有超导特性的材料种类合计已经达到5000多种,包括金属、合金、金属化合物、有机物、金属氧化物等。在超导体应用上,通常按临界温度的高低分为低温超导体和高温超导体,一般把25K作为区分的界限,但这一界限也存在很大争议。目前,从工程应用的角度出发,将应用时使用液氦冷却的如纯金属、合金以及金属化合物等统称为低温超导体,将应用时使用液氮冷却的如铜基金属氧化物等统称为高温超导体。

1.超导材料主要应用

超导是凝聚态物质中电子的一种宏观多体量子态,超导材料在宏观和微观上都展现出独特的电磁特性,强电应用包括超导电力和超导磁体,弱电应用是指基于超导电子宏观量子态调控的一些电子学器件。

(1)超导材料在电力输送领域的应用

基于超导材料零电阻的特性,超导电缆成为大容量电力输送的最佳技术方案之一。国际上,德国和美国在超导电缆领域已经有所布局。2008年,美国纽约长岛电力局和美国超导公司联合宣布世界上第一条高温超导电缆已在商业电网中投入运行。2013年德国启动在埃森市区铺设世界上最长的高温超导电缆,这条输电电压为10千伏的陶瓷电缆,长1000米、直径仅15厘米,输电功率达40兆瓦。2014年该电缆还被成功接入德国埃森市电网并投入使用。

(2)超导磁悬浮列车

超导低空列车因其与地面不产生摩擦力,只受空气阻力影响,速度较高铁提高2~3倍。目前,国外科学家已利用该技术实现每小时603千米的全球轨道交通最高时速,并于2014年开始在东京与名古屋之间兴建第一条商用化的超导低空列车运行线。如果未来超导低空列车能实现在真空管道内运行,其运行时速有可能达到1500~2000千米以上。

(3)超导材料在可控核聚变领域的应用

超导材料在可控核聚变领域有重要应用。国际上,以国际热核聚变实验堆(ITER)项目为代表的基于托卡马克技术的可控核聚变发电装置已走入商用样机研制阶段,该类装置具有体积小、能耗低、无污染、无核废料等优势,有望改变未来世界能源格局。目前,全世界已有数十家机构开展相关研发工作。

国际热核聚变实验堆计划是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一,该项目由欧盟、中国、美国、印度、俄罗斯、韩国和日本七方合作完成,中方承建项目占比约为9%。项目从2006年启动到2017年3月13日中国超导股线竣工,历时大约10年时间。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克,俗称“人造太阳”,该装置使用了大量的低温超导材料。

2.拓扑超导材料成为研究亮点

超导材料与拓扑材料是近年来凝聚态物理研究的两大热点,应运而生的拓扑超导材料兼具两者特性,其内部是超导态,而表面或边界则是受拓扑保护的无能隙金属态,是一种有别于传统超导体的新型超导体。理论物理学家曾预言,拓扑超导材料在磁场下的涡旋中心会产生马约拉纳费米子。由于马约拉纳费米子的反粒子就是它本身,其状态非常稳定,不易被传统的电磁或物理干扰破坏,可以被用于定义量子计算中的量子比特,有助于解决传统量子比特的退相干问题,提高其存活时间。为了发挥量子计算的优势,硬件上需要保证量子比特的相干性,因此拓扑超导材料在量子计算中有着重要的应用前景。但实际上自然界中人们发现了成千上万种超导体,没有一种是拓扑超导体。也就是说,拓扑超导体在自然界中不存在的。

近年来,寻找一种新型拓扑超导单晶材料是当前拓扑超导研究中的一个挑战性课题。2010年,美国普利斯顿大学研究组宣布在Cu/Bi/Se中出现超导现象,引起国际上关于该体系是否拓扑超导体的广泛关注。然而,实验进展表明,Cu/Bi/Se超导体的超导体积比仅为50%左右,而且该材料在空气中极不稳定,这些不利因素极大地限制对其拓扑超导电性的进一步研究。2013年,中国强磁场科学中心研究团队在拓扑超导单晶体研究中取得重大突破,把碱土金属元素锶插入到典型的拓扑绝缘体材料Bi2Se3中,获得高质量的SrxBi2Se3单晶体,表现出高达91.5%的超导体积比。2018年中国科学院物理研究所和东京大学的研究人员合作发现,由铁、碲和硒等成分组成的一种晶体材料存在拓扑超导态,对这种晶体材料加磁场后,在受拓扑保护的金属态和超导态的边界会出现马约拉纳费米子。

(二)量子材料

量子材料是指由于其自身电子的量子力学特性而产生奇异物理特性的材料,包括铜氧化物高温超导体、铁基超导体、拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体等一系列材料。2016年发表于《自然·物理学》上的编辑评论(Editorial)《量子材料的兴起》一文中指出,随着研究不断进展,量子材料概念变得更为宽广,超越强关联电子体系。下文就铁基超导体、拓扑绝缘体的发展情况进行分析。

1.中日两国居于铁基超导材料研究领先地位

铁基超导材料是第二大高温超导材料家族,该材料的基本组合规则是:碱金属或碱土金属+稀土金属+过渡金属+磷族元素+氧族元素,自研究人员在铁基化合物中发现高温超导电性以来,已经陆续合成众多具有不同间隔层的体系,大致可以分为:①“1111”体系,包括LnOFePn(Ln=La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Y;Pn=P、As)以及DvFeAsF(Dv=Ca、Sr)等;②“122”体系,包括AFe2As2(A=Ba、Sr、K、Cs、Ca、Eu)等;③“111”体系,包括AFeAs(A=Li、Na)等;④“11”体系,包括硒化亚铁(FeSe)、碲化亚铁(FeTe)等。此外,近年来陆续还有一些新体系出现,如以Sr3Sc2O5Fe2As2为代表的“32522”体系、以Sr4Sc2O6Fe2P2为代表的“42622”体系,以及以La3O4Ni4P2为代表的“3442”体系等。

铁基超导材料具有金属性,相比其他超导材料更容易被加工成线材或带材,可承载的上临界电场/临界电流近乎铜基超导材料,有可能甚至更为优越。然而,在大多数情况下,铁基超导材料的制备需要用到砷化物、碱金属或碱土金属,但它们具有毒性,而且对空气敏感,从而在制备工艺和安全使用等方面上具有更高的要求。

中国和日本两国在铁基超导材料研究领域占据领先地位,继2008年日本科学家发现临界转变温度为26K的铁基超导体之后,新的铁砷化物和铁硒化物等铁基超导体系不断被发现,其中大量铁基超导体系都是由中国科学家所发现,中国科学院物理研究所和中国科学技术大学对于该领域的研究处于领先地位。

应用研究方面,自2008年以来,中国科学院电工研究所研究团队解决一系列实用超导材料制备工艺难题,推进实用化铁基超导材料的研制。该团队在2015年成功研制出国际第一根10米量级的高性能122型铁基超导长线,迈出长线制备第一步,实现铁基超导线带材制备的新突破;在2016年9月通过对超导长线的结构设计和加工技术进行试验优化,解决铁基超导线规模化制备中的均匀性和重复性等技术难点,成功研制国际首根100米量级铁基超导长线,测试结果显示,载流性能的均匀性良好,磁场衰减特性较弱,在磁场强度10特斯拉下的临界电流密度高于1.2×104安倍/平方厘米。该研究开创该类材料从实验室研究走向产业化进程的里程碑。

此外,中国研究人员利用铁基材料获得高质量的超导薄膜,如2012年,清华大学和中科院物理所研究团队利用分子束外延(MBE)等手段成功在SrTiO3衬底上制备出单个原子层厚度的FeSe薄膜,成功将体积超导体的临界温度带领到液氮温区附近。2015年,该团队成功实现100K以上的超导电性,单层FeSe薄膜成为继铜氧化物高温超导体之后第二个在常压下利用液氮即可实现超导的超导体,这一研究成果具有重大意义。

2.拓扑绝缘体有望用于量子计算机和“容错”量子计算机

拓扑绝缘体是近几年发现的一种全新的量子物态,是目前凝聚态物理学最活跃的研究前沿之一。简单而言,拓扑绝缘体是一种内部绝缘、表面导电的材料。拓扑绝缘体的这种特性,即其表面金属态是由材料的体电子态的拓扑性质所决定的这一特性,与表面的具体结构无关,因此该表面金属态的存在非常稳定,基本不受材料中杂质和材料所处外在条件的影响。拓扑绝缘体研究对探索和发现新的量子现象具有重要意义,如量子反常霍尔效应、拓扑超导态、马约拉纳费米子和磁单极等。

拓扑绝缘体只有一层薄薄的导电层,因此通过表面态操纵电子自旋相对容易。拓扑绝缘体提高建造自旋器件的可能性,为开发量子计算机铺平了道路。其用电子自旋给信息编码,而不是用电流开关。电子自旋能迅速旋转而无需消耗很多能量,所以自旋器件会比同类的电子设备效率更高,假如把量子霍尔效应引入计算机芯片,将克服电脑的发热和能量耗散问题。如Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3和HgTe一类的拓扑绝缘体可以作为量子计算机的潜在合成砌块,处理数据的速度将比目前的超级计算机快得多。

如果找到马约拉纳费米子,将使在固体中实现拓扑量子计算成为可能,这不仅能解决量子计算容错性问题,还能带来更大的运算空间。科学家已经在拓扑绝缘体上诱导出高温超导电性,这是通往容错量子计算道路上的重要一步。可靠的量子计算将有可能解决某些极其复杂的技术问题。除了用于量子计算机和“容错”量子计算机,拓扑绝缘体还在新兴技术如自旋电子器件和能量收集热电材料等方面有极大潜在应用。

(三)超材料

1.超材料的研究正在向多元化发展

“超材料”作为新型功能材料,本质上是一种人工微纳结构材料,其具备天然材料所不具备的特殊性质,通过特殊的微结构单元设计来调制电磁波和弹性波,展示出均匀材料所不具备的力、热、声、光学性能。研究人员希望能够像控制固体中电子的传输行为一样来控制和利用光子,使得光子最终能成为一种有用的信息载体。光作为信息载体在传播速度、信息容量以及能量损耗等方面优越于电子,极有可能在信息技术和产业发展中起重要作用,因而如何实现对光子的调控变得尤为重要与紧迫。随着电磁超材料研究应用的不断深入,超材料研究已被不断拓展到对声和其他元激发的调控领域,如弹性波方面的声学超材料;力学超材料;热学超材料和多物理场偶合等其他具有奇异特性的柔性智能超材料。

随着超材料研究和生产应用的不断拓展深入,超材料广泛涉及多种物理场的耦合效应,如电磁、机电、光热和光机耦合。尤其是整合二维柔性可编程超材料,金属/电解质的各种形式超表面材料,医学用的各种透镜构建和太赫兹物传感器研制开发,是超材料技术发展亮点,具体包括:

(1)电磁超材料

电磁超材料应用于可延展柔性光子/电子器件,由于独特的力学性质(如弯折、拉伸和卷曲等)对电磁波可以进行大范围的调控,使器件能够实现独特广泛的光学性能,这充分体现在不同波段产生响应的柔性光学超材料和等离子激元器件的发展和应用。

负折射材料是其中最为典型的一种材料,其可以获得没有衍射极限的完美透镜,能够对任何微细图形进行多次复制,这对微电子技术将产生重要影响。再者,电磁超材料对电磁波可以起到调控作用,实际应用包括:隐身衣、电磁黑洞、雷达幻觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型透镜天线、隐身表面、极化转换器、人工表面等离激元器件及混合集成电路等,其研究应用范围越来越广泛。尤其是利用空间编码和数字超材料(超表面)可调控电磁波逐渐实现所需的设计功能,如单一的超材料可在FPGA的实时控制下可实现多种功能(单波束、多波束、波束扫描、隐身功能等)。

(2)热学超材料

热学超材料是近些年出现的新型热能利用和调控方法。对于自然界存在的传统材料,其热导系数在空间均匀分布,热量将从温度高的一端直线流向温度低的一端。然而,如果能实现空间热导系数的非均匀分布,通过对宏观热扩散方程的空间变化,则可以实现对热流方向的调控作用,这种通过人工改造而实现热导系数非均匀分布的材料被称为热学超材料。智能热学超材料是可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及结构,潜在应用于微纳米结构的热电转换。一般可分为两大类:控制热流和利用热能;用声子进行信息传输和处理。

(3)多物理场耦合超材料

随着超材料研究的不断深入,超材料广泛涉及多种物理场的耦合效应,如电磁,机电,光热和光机耦合。不仅考量几何结构整体,也加入微结构单元中非均匀体系的智能耦合超材料,多个研究团队正致力于通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与位移矢量调控,利用微结构单元间的多物理场耦合效应去实现超材料的智能响应。

2.各国纷纷针对超材料进行布局

超材料主要研究机构分布在中国、新加坡、美国、德国、俄罗斯、荷兰和英国等国家,美国尤为重视超材料在国防军事领域的应用,美国能源部和国防部下属的国防高级研究计划局启动多项关于超材料的研究,包括Intel、AMD和IBM在内的公司积极响应,成立联合基金资助相关研究。受益于政府支持,美国发展超材料学术根基雄厚,众多高校和国家实验室积极参与,包括杜克大学、加州理工学院、劳伦斯利弗莫尔国家实验室等。欧洲超材料研究初显成效,例如德国的对雷达探测隐身的超材料、法国可转移地震波的防灾超材料、荷兰的力学可编程智能橡胶等。



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