世界新材料产业发展动态

2020-04-15 10:13:46 caoyu 14

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世界新材料产业发展动态


总报告

第一章 节能汽车技术发展动态

一、世界新材料产业总体发展态势

(一)各国政府制定并发布与材料相关的战略计划

美国国家科学技术委员会下属的先进制造技术委员会于2018年发布《美国先进制造业领导力战略》,在战略计划的实施着力点一开发和转化新的制造技术中重点强调了先进材料和加工技术,具体包括高性能材料、关键材料和增材制造,此外,生物组织与器官制造,以及领先集成电路设计与制造另外两项新制造技术也都强调了材料的重要性,同年发布的《2020财年行政机构研发预算优先事项》备忘录中的八大优先领域中的制造业以及推进太空探索与商业化也重点提及了材料;欧盟委员会在2018年6月发布的第九框架计划中确定了新的六大关键使能技术,其中先进材料和纳米技术被列为一类关键使能技术,涉及高性能材料、智能材料、可持续材料、纳米材料、生物材料和二维材料等;韩国未来创造科学部于2018年4月发布的《创新增长引擎》计划从战略上培育基于研发的新产业,将智能半导体和航空及汽车用先进材料列为产业基础类创新增长引擎,计划在2022年之前掌握智能半导体领域中的人工智能半导体核心技术,具体包括超低能耗纳米级器件和神经形态运算芯片,占据全球7%的市场份额,在航空及汽车用先进材料领城开发交通设备用强量化材料,实现加工系统的本地化运营(本地化比例超过50%),计划至2022年成为世界第四大先进村料出口国,出口份额升至全球第5位。

(二)新材料为下一代产业革命提供了坚实的基础

在新一轮产业革命中,以人工智能、量子计算为代表的先进信息技术,以固态锂电池、氢燃料电池为代表的新能源技术等新技术的发展与突破都离不开新材料的研发。新材料在经济发展中的作用逐渐从基础性、支撑性向颠覆性、引领性转变。2019年,先进信息材料、新能源材料、生物材料等领域将保持快速发展态势,继续引领前沿科技领域的颠覆性变革。有希望为下_代制造技术乃至产业革命提供支持的新材料美国矿物、金属与材料协会发布的《利用材料创新支持下一代制造技术》研究报告,在20个支撑技术领域中,与材料相关的数据收集、处理、挖掘、分析与决策,材料建模、制造、认证,用于不同应用的新材料在不同领域中被寄希望于成为未来研发的突破点,值得重点关注(表1)。

1 七大支持下一代制造技术的机遇领域及其相关支撑技术

序号

机遇

支撑技术

1

无损评估及传感器分析

新型传感技术和实时检测;

数据挖掘、压缩、存储与管理;

无损评估及传感器的预测建模工具

2

不同材料的连接

多材料设计、建模及快速表征工具;

用于多材料连接的新工艺与材料;

固态及沉积连接过程

3

机器学习加速材料发现和设计

机器可读的数据格式与模式;

快速生成数据;

计算机筛选和机器学习方法

4

新材料及工艺的认证

材料认证最佳实践的框架;

用于计算材料测试的基于模型的认证方法;

传感器和数据驱动的分析,以实现快速认证

5

下一代导电材料

超导材料和新型covetic纳米材料;

涂层及介电绝缘体;

用于能源存储和收集的导电材料

6

用于智能制造和数字线程技术的材料

可以详细测量材料和加工数据的传感器;

材料数据管理、分析与智能决策

计算材料建模工具

7

智能材料

新型智能材料与制造方法;

建模与数据分析

资料来源:The Minerals,Metals&Materials Society,Harnessing Materials Innovations to Support Next Generation Manufacturing Technologoes,2018

(三)材料基因工程、人工智能等新技术推动新材料研发

随着超级计算机、大数据、人工智能、量子计算等先进新技术的发展,新材料研发过程正在产生巨变,上述技术的应用,可使新材料的研发周期大幅缩短,制备成本显著下降。2019年,新材料研发将加速向第四范式转变,人工智能、大数据等技术在新材料开发中的作用将进一步突显。

以人工智能技术为例,其可以加速新材料开发过程,例如,瑞士洛桑联邦理工学院采用人工智能算法,对10万多种三维材料进行筛选后,发现大约2000种可剥离成二维结构的材料。美国西北大学将人工智能算法用于新型金属玻璃材料研发,使新材料的发现过程提速200倍。美国麻省理工学院利用人工智能算法自主从大量科技文献中搜集新材料的“配方”,检索包含“配方"段落的准确率高达99%,针对某个特定词语的检索准确率可达86%。

再以材料基因工程为例,其是近年来兴起的材料研究新理念,也是一种新方法,是材料科学研究方法的一次革命与飞跃。材料基因工程的实质是通过融合高通量材料计算设计、高通量材料实验和材料数据库三大组成要素,构建材料设计研发的协同创新网络,加速新材料从发现到应用的全过程。美国于2011年6月宣布启动的“材料基因组计划(materials genome initiative, MCI)"掀起了全球材料基因工程的发展热潮,欧盟、日本等国家纷纷开始在材料基因组领城展开行动。欧盟相继推出“加速冶金学(ACCMET)"计划、“2012-2022欧洲冶金复兴计划”,以及“新材料发现(NoMaD)"项目来推进材料基因工程的发展。日本也先后制定推行了“战略性创新创造计划( SIP )/革新性结构材料”项目、《科学技术创新综合战略2015》、“信息集成型物质.材料开发计划(MI21)"“超先端材料超高速开发基础技术项目”等来支持材料基因工程。韩国方面则宜布启动“创新材料发现项目( Greative Materials Discovery Project )”"加入材料基因组的竞争行列。

(四)多个发达国家对塑料再生报以热烈关注

自2013年中国的“绿篱行动”开展以来,中国再生塑料进口政策日益趋紧,2018年出台“禁废令”后,进口废塑料再生市场几无流通,这举措对世界废塑料市场格局产生了深远影响,2018年以来,东南亚市场也传出马来西亚、印度尼西亚等国拒绝进口固废的消息。受此趋势影响,世界上多个发达国家对塑料再生报以热烈关注。欧盟各国积极加速向循环经济过渡,通过经济手段加强废物等级制度执行,由生产者负责回收利用的物品、分类和处理,并在2025年、2030年和2035年实现减少废物的新约束性指标。英国政府于2018年12月18日发布国家资源与废弃物战略《我们的废弃物,我们的资源:英国战略》,提出包括研究和创新在内的八大举措,以提升英国资源利用效率并解决英国环境污染问题,其中重点关注塑料的回收、分选和分离,作为对该战略的响应,英国工程与自然科学研究理事会于同日宣布将投人800万英镑以探索全新的塑料生产、使用及循环利用之路。

二、电子信息材料

(一)半导体材料

1.全球半导体材料销售创历史新高

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,2018年全球半导体材料市场规模增长10.6%,市场收人达到519亿美元,刷新了2011年的471亿美元记录,2018年晶圆制造材料和封装材料的市场收入分别为322亿美元和197亿美元,相比于2017年晶圆制造材料和封装材料的市场收入278亿美元和191亿美元,同比增长15.9%和3%。

从各个地区表现看(表2),中国台湾以114亿美元的市场规模连续第9年成为全球最大半导体材料市场,年增长率为11%,韩国自2017年的75.1亿美元增长至2018年的87.2亿美元,超越中国大陆跃居第2位,中国大陆从2017年的76.3亿美元增长至2018年的84.4亿美元,但增长幅度较小,落居第3位,再次是日本。整体来看,韩国2018年半导体材料市场规模增加16%,增长幅度最大,接下来是欧洲增长14%,中国台湾与中国大陆各增长11%。北美、其他地区(包括新加坡、马来西亚、菲律宾、东南亚以及规模较小区城市场)和日本市场为个位数增长。

2 2017-2018年全球半导体材料市场规模

地区/总计

2017年市场规模/10亿美元

2018年市场规模/10亿美元

增长率/%

中国台湾

10.3

11.45

11

韩国

7.51

8.72

16

中国大陆

7.63

8.44

11

日本

7.05

7.69

9

其他地区

5.81

6.21

7

北美

5.29

5.61

6

欧洲

3.36

3.82

14

总计

46.94

51.94

11

资料来源:国际半导体产业协会,2019.4

根据国际半导体产业协会预测,2019年全球半导体材料市场增长率将在2%左右,未来年半导在半导体材料市场占有率达到包括中美贸易摩擦、汇率和国际金属价格变动等。而且,在日本企业在半导体材料市场占有率达到55%的情况下,日元汇率变化可能影响半导体材料市场发展。

2.第三代半导体国际竞争日趋激烈

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN ).氧化锌(Zn0)、金刚石和氮化铝(AIN)等材料为代表的宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料。与第一、第二代半导体材料相比,第三代半导体具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高抗辐射能力及高载流子迁移率等诸多优点,因而适宜制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,也被称为高温半导体材料。从目前第三代半导体材料和器件研究情况看,发展较为成熟的是GaN和SiC半导体材料,金刚石和AIN尚处于起步阶段。

研发投入方面,2018年,以美国、欧盟等为首的发达国家继续加大在SiC、GaN等第三代半导体领域的研发支持力度,其中美国力度最大,美国能源部、国防先期研究计划局和国家航空航天局和电力美国( Power America )等机构纷纷制定与第三代半导体相关的研究项目,2018年项目支持总金额合计超过4亿美元,欧盟先后启动“硅基高效毫米波欧洲系统集成平台(SERENA)"项目和“5G GaN2”项目,以抢占第五代移动通信(5G )发展先机,英国政府投资5100万英镑成立化合物半导体应用创新中心,支持化合物半导体实验室建设。

技术层面,目前应用最为广泛的第三代半导体材料--siC 同质外延和Si基GaN异质外延片的商业化最大尺寸为6英寸,2018年4月,无晶圆厂公司Qromis与比利时微电子中心IMEC宣布,Qromis将在MEC的Si晶圆先导工艺线上,基于200mm热膨胀系教(CTE)匹配衬底开发高性能增强型p-GaN电力电子器件。

产业层面上,受电动汽车、光伏等市场拉动,第三代半导体电力电子器件供不应求,国际电力电子器件厂商纷纷启动护产,如美国Ⅱ-VI、日本昭和电工、日本罗姆、美国X-Fab和中国台湾的汉磊科技等均已发布扩产计划。此外,2018年国际第三代半导体sic和GaN领城(除LED外)企业间并购活动也相对活跃,共有6起并购案例,披露交易金额接近100亿美元,其中,美国Mierochip收购Microsemi的交易对价达到83.5亿美元,是2018年国际第三代半导体领域最大的并购交易,从被收购企业所在产业链环节来看,以器件环节为主,其次是材料生长和加工环节,从并购类型来看,以产业链横向并购为主,此外,部分电路保护企业通过跨界收购的方式切人SiC电力电子器件领域。目前来看,虽然GaN射频器件价格基本达到用户可接受范围,但SiC、GaN电力电子器件价格仍然较高,未来行业重点方向包括进一步降低低成本、提高产晶可靠性、加大市场渗透力度等。

(二)电子陶瓷材料

1.关键核心材料一电子陶瓷材料具有重大战略意义

电子陶瓷是一种广泛应用于电子信息领城、具有独特的电学、光学、磁学等性质的新型陶瓷材料,多在电子设备用于安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电元件及器件,从使用功能分类,电子陶瓷的主要种类包括绝缘陶瓷、介质陶瓷、微波陶瓷、铁电与压电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、电致伸缩陶瓷、敏感陶瓷、高热导陶瓷、导电陶瓷、超导陶瓷等。《中国制造2025》重点领城技术路线图中明确提出:电子陶瓷是支撑和保障海洋工程、轨道交通、舰船车辆、核电、航空发动机、航天装备等领城高端应用的关键核心材料,也是实施智能制造、新能源、电动汽车、智能电网、环境治理、医疗卫生、新一代信息技术和国防尖端技术等重大战略需要的关键保障材料,具有十分重要的战略意义。

目前,传统塑料由于具有较好的经济性,在电子市场中居于统治地位,但是在许多特殊领域中,其有不少性能并不符合使用要求,市场上对电子陶瓷材料的需求十分迫切,其电阻高、高频特性突出,且具有热导率高、化学稳定性佳、热稳定性和熔点高等优点,被广泛用作不同厚膜、薄膜和电路的基板材料,还可以用作绝缘体,在热性能要求苛刻的电路中作为导热通路或用来制造各种电子元件。

2.电子陶瓷材料供应商以日、韩、欧、美企业为主

全球电子电器陶瓷市场2016年价值达124亿美元,Technavo的分析师预测到2022年底达到130亿美元,2016-2022复合年均增长率为1.92%。

从市场分布来看,目前全球领先的电子陶瓷供应商集申在日、韩、欧、美地区。日本企业所占比例最高、门类最多、应用领域最户、综合性能最好,在无铅压电陶瓷研发上,日本论文和专利数量最多、村田制造有限公司是全球最大的电子陶瓷生产商,日本京瓷主导产品为移动通信用的电子表面贴装用陶瓷元件、光电子器件和光纤用的陶瓷连接件、陶瓷电容器和钽电容器等。美国在电子陶瓷的技术研发方面走在世界前列,但是产业化应用落后于日本,大部分技术停留在实验室阶段,美国电子陶瓷产品市场份额居全球第2位。欧盟主要大力发展降低消费型环境负荷的陶瓷材料。我国电子陶瓷产业已初具规模,但与日本和美国等经济发达国家相比,尚属起步阶段。

三、新能源汽车材料

(一)锂电池材料

1.锂电池正极材料制造商扩大产能

锂离子电池主要构成材料包括电解液、隔离材料、正负极材料等。正极材料占有较大比例,其性能直接影响着锂离子电池性能,成本直接决定电池成本高低,在正极材料选择方面,不同的国家和制造商不尽相同,日本和韩国主要走锰酸锂和镍钴锰酸锂三元材料的路线,中国此前更倾向于发展磷酸铁锂,随着三元材料高容量优势显现,以及特斯拉选用镍钴铝三元材料所取得的成功,中国正极材料制造商开始着手开发三元材料,并取得一定进展。国外主要正极材料制造商包括日本的日亚化学、户田工业、住友金属矿山、消美化学,韩国的L&F公司和EVOPRO公司,比利时优美科,德国巴斯夫等。

日前,电池产业发展良好,国外部分巨头型企业为进一步抢占市场,纷纷投资建厂或扩大产能。国际正极材料巨头比利时优关科投资较为频繁,2016-2019年在韩国天安市以及中国的江门市投资4.6亿欧元,用于扩充三元材料正极材料产能,在动力电池回收环节,该公司与宝马、奥迪等国际车企达成动力电池回收相关战略合作。此外,优美科从3M处购得镍钴锰电池材料的专利权,覆盖韩国、中国、日本、欧洲和美国地区。

德国巴斯夫近年来在电池正极材料领域持续发力,一是联合其他资本或企业进行合资,不断加强与日本户田工业株式会社合作,将其在小野田工厂的高镍正极材料的产能提高3倍。二是加强与供应商的联系,于2018年投资4亿欧元在欧洲建造正极材料基地项目,新基地毗邻其位于俄罗斯的供应商诺镍( PJSCMMC Norilsk Nickel)。另外,巴斯夫和户田合并两家在美国的制造工厂,开拓日益增长的北美电池材料市场。

日本住友金属矿山不断扩大产能,2017年7月,该公司宣布将进一步增加投资,扩大镍酸锂正极材料的生产能力,以满足汽车电池不断增长的需求。通过此次扩建,住友金属矿山将有效地配合日本松下扩大锂离子充电电池的产能,美国著名电动汽车制造商特斯拉正是采用了松下的电池技术。

2.下一代锂电池材料产业化进程尚需时日

目前锂电池材料更新换代的主要希望在负极材料上,锂电池负极材料主要为改性天然石墨和人造石墨,尽管制备技术已相当成熟,但其理论比容量只有372mA/g,难以满足市场对大容量锂离子电池的需求,因此硅基负极材料作为下一代理电池负极材料引起了多方关注。

硅负极材料理论比容量达到4200mA/g以上,远高于石墨类负极,并且硅的嵌锂比容量是石墨的10倍,因此,硅负极材料有望成为未来负极料的重点发展方向。但是,硅负极材料具有一项显著缺点在充放电过程中,硅负极材料会体积膨胀300%,这将导致硅负极材料的结构发生破坏,最终致使材料粉化,降低硅负极材料的容量。为了解决这个问题,一般会采用掺杂工艺,目前主流的方案是将硅氧和硅碳复配石墨后再使用,常规的克容量型号有400、407、420、450、550、650mA/g.国际上,美国安普瑞斯公司、日本日立化成、日本信越化学、三星尖端技术研究所等企业都对硅基负极材料进行研究,美国特斯拉公司也使用硅基负极材料,通过在人造石墨中加入10%的硅基材料开发硅碳负极并应用于Model3车型上,以上国外企业以销售高容量硅碳材料为主,日系的高容量硅碳材料价格差距巨大,同一高容量的硅碳材料是国产价格的3倍以上,成本过高也成为硅负极材料应用推广面临的主要问题。

(二)镍氢电池材料

银氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池.制造成本低对环境无污势。目前混合动力车( HEV )搭载的电池85%以上都是镍氢动力电池,主要原因在于:一是镍氢电池在混动系统的充放电模式下(一般为40%-80% ),可以获得比锂电池更久的使用寿命、如丰田汽车上配装的镍氢动力电池在使用十年后依然处于正常使用状态,二是混合动力车电池瞬间功率输出高,电流也高,而大功率充放电是镍氢电池相比锂电池的一个重要优势,所以混合动力汽车的首选是镍氢动力电池,受到锂离子电池以及氢燃料电池技术进步的影响,镍氢电池市场有可能被逐渐压缩,未来发展方向尚不明确,在电池技术未有重大突破之前,镍氢电池依旧是对电池电量要求不高的混合动力汽车的最佳配置。

1.负极材料研发取得突破

在关键材料上,镍氢电池主要由正极、负极、隔膜和电解质构成:正极为镍电极(Ni (OH)2);电解质主要为液体,主要成分是氢氧化钾(KOH);负极材料体系主要包括: AB5型、AB2型、AB型、A_B型、BCC固溶体型合金等,其中A金属(La、Ti、Zr等)可以大量吸进氢气,形成稳定的氢化物,而B金属(Ni、Co、Fe、Mn)不能形成稳定的氢化物,但氢很容易在其中移动,也就是说,A金属控制着氢的吸藏量,而B金属控制着吸放氢气的可逆性,各类合金都存在优缺点,因此它们在实际中都有一定的适用范围:

AB5型以其优异的倍率性能及循环寿命,成为目前使用最广的镍氢电池负极材料,研究表明,AB型合金成分的优化、表面处理等方式均会大大影响其功率输出,最初研究使用的是LaNi5合金,由于价格上的问题,在实用化过程中通常采用混合稀土取代单一的稀土元素,制备成贮氢合金。

近年来,A2B7型储氢合金的研究取得突飞猛进的进展,它是一种计量比介于 AB5型和AB2型之间的新结构储氢合金,一般而言,A2B7型储氢合金的A侧主要由稀土元素和镁元素组成,B侧一般为过渡族金属元素,组成结构一般为RE-Mg -Ni, A2B7型储氢合金具有超堆垛结构,与传统AB5型合金相比结构更加复杂,A2B7工艺控制水平要求更高,具有更好的低自放电性能和更高的储氢容量,最初制约该类型合金产业化应用瓶颈主要是循环寿命问题,随着研究深人,通过元素替代和热处理工艺改善等措施,基本解决循环寿命差这一瓶颈,使该合金逐步开始在镍氢电池领域得到应用。A2B7型储氢合金的研究热点之一是采用廉价金属替代价格昂贵的Nd稀土金属及改进合金制备工艺。由于具有超堆垛结构的A2B7型储氢合金在制造过程中容易形成多相,导致材料的稳定性下降,材料组成中含有低蒸汽压的镁元素,使得成分难以保证且存在安全隐患,因此开发新的工艺技术破解上述难题业已成为A2B7型储氢合金研究重点。

2.镍氢电池回收利用备受业界关注

镍氢电池作为车用电池投放市场已超过十年,随着汽车报废,对应的镍氢电池如何处理引起业界广泛关注,虽然镍氢电池对环境影响要小于镍镉电池,但是考虑到废旧镍氢电池的回收经济价值很高,电池内部含有大量的镍,钻以及稀土等珍贵矿产资源,因此加大废旧镍氢电池的回收力度,不仅有益于减少电池成本,还能够有效促进社会经济效益的提升,国际上通用做法多由汽车公司牵头,对自身品牌汽车上的废旧镍氢电池进行回收处理,例如丰田对废旧镍氢电池的处理历程如表3。

3 丰田的废旧镍氢电池处理发展历程

年份

措施

涵盖范围

1998

启东废旧镍氢电池回收计划

逐步推进

2009

建立回收指导

全球范围内销售混合动力车辆的国家

2010

延长电池回收协议

在有条件的地区确保100%回收

2012

回收电机稀土材料

逐步推进

2013

梯次利用镍氢电池

试点

资料来源:上海科学技术情报研究院(ISTIS)分析整理

整体看来,丰田在不同地区执行的政策并不相同,回收都是从销量较大、实施较易的地区开始,先回收,实现有效储存,然后达到定量之后再进行处理利用,主要分为三类:一是进入维修体系。对电池进行充放电实验和相关信息的读取,如电池整体状况良好,只是个别单体到达使用寿命,则对这些单体更换后重新组装电池包,可以作为置换电池重新应用于新汽车上。二是梯次利用。通过检测,
如果回收电池还剩余规定容量,则可以进行梯次利用用,应用于分布式储能电池系统,用来平抑、稳定风能、太阳能等间歇式可再生能量发电的输出功率:或者应用于微电网,实施削峰填谷,减轻用电负荷供需矛盾。三是拆解。对于完全丧失再利用价介值的电池,则对电池进行拆解和化学处理,完全回收镍、钴等金属,用于生产新的电池,实现循环利用。总体来看,我因对于度旧镍氨电池的回收仍然处于起步阶段,回收利用水平与西方等发达国家仍然存在着定的差距。

四、航空航天材料

(一)特种工程塑料

特种工程塑料是指一种综合性能较高,长期使用温度在150℃以上的工程塑料,具有独特、优异的物理性能,主要应用于电子电气、航空航天、汽车、医疗等高科技领域。

1.聚酰亚胺技术被寡头垄断,在航空航天中应用范围不断扩大

聚酰亚胺材料具有优异的耐高温、耐低温、高强高模、高抗蠕变、高尺寸稳定、低热膨胀系数、高电绝缘、低介电常数与低损耗、耐辐射、耐腐蚀等优点,同时具有真空挥发分低、挥发可凝物少等空间材料的特点,可加工成聚酰亚胺薄膜、耐高温工程塑料、复合材料用基体树脂、耐高温黏结剂、纤维和泡沫等多种材料形式,因此在许多高新技术领域具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。

聚酰亚胺技术属于高技术壁垒,在世界范围内呈寡头垄断局面,技术封锁严密,包括美国杜邦、日本钟化、韩国SKPI、沙特基础工业公司以及日本宇部兴产株式会社等;聚酰亚胺纤维、聚酰亚胺涂料、聚酰亚胺工程塑料技术只集中在极少数公司手中,几乎是垄断市场,如聚酰亚胺纤维的供应主要集中在德国豪创的P84纤维和我国长春高琦的轶轮纤维,其应用领城广、需求市场正在扩大。

随着航空航天、汽车、电子工业等领域的高速发展,聚酰亚胺应用领域不断扩大:耐高温聚酰亚胺被应用在航空航天器各种耐高温结构件中,如发动机罩、机身、导管、轴承等;聚酰亚胺泡沫可以用作耐高温隔热材料,作为结构泡沫芯材应用于风机叶片、航空、航天等领域,通常与碳/玻璃纤维预浸料一起使用,常见的结构有机翼前缘、方向舵、起落架舱门、翼身和翼尖整流罩等;聚酰亚胺耐高温黏结剂可在260℃下持续使用,低温性能和绝缘性都优良,缺点是在碱性条件下易水解,在航天、飞机制造及机械工业中广泛用作铝合金,钛合金,以及陶瓷等非金属胶接的结构胶黏剂。

2.聚醚醚酮市场呈寡头竞争格局,高需求推动市场快速增长

聚醚醚酮是一种半结晶态芳香族热塑性工程塑料,被誉为“工程塑料综合性能之王”,自问世起就被称为战略性军工材料。由于聚酷酸丽具有极其出色的物理、化学及力学性能,在许多特殊领城可以替代金属、陶瓷等传统材料,在减轻质量,揭高性能方面贡献突出,成为当今最热的高性能工程塑料之一,2018年全球聚醚醚酮材料市场规模首次突破8亿大关,达到8.31亿美元,相比于2013年5.6亿美元、2016年7亿美元呈逐年稳定增长态势。

由于技术壁垒高,研发投入大,目前掌握聚醚醚酮聚合工艺的企业并不多,全球市场属于寡头竞争格局,主要集中在欧洲和中国。其中,国外主要以英国威格斯( Vietrex )、比利时索尔维( Solvay)、德国赢创工业( Evonik)为主,国内企业主要有吉林省中研高分子材料股份有限公司、盘锦中润特塑有限公司、长春吉大特塑工程研究有限公司和广州金发科技等。

应用到航空航天领域,聚醚醚酮作为关键发动机部件可以承受高温和干燥和润滑材料按触的摩擦相互作用;在飞机外部零件中,聚醚醚酮具有出色的抗雨水侵蚀性;在内部部件中,聚醚醚酮固有的阻燃性和低烟雾和有毒气体排放降低发生火火时的危险;聚醚醚酮可用于制造旋绕管,以保护飞机电气系统的电线和光纤灯丝。

(二)碳纤维材料

碳纤维指的是含碳量高于95%的无机高分子纤维,具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐摩擦等优异的基本物理及化学性能,以及高振动衰减性、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等。以高模量碳纤维作为增强材料的先进碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列的优异性能。

1.美日中企业在碳纤维产业中占据领先位置

近年来,随着碳纤维应用领城不断增加,碳纤维需求量呈稳步上升的趋势,根据前瞻产业研究院公布的数据显示:2017年全球碳纤维复合材料需求达到8.42万吨,预计2019年达到10.19万吨,受需求端稳步增长刺激,全球碳纤维理论产能不断增加,2017年,全球碳纤维理论产能达到14.71万吨。而且全球碳纤维产能集中于美国、日本、中国三大地区,呈现高度集中的特征。其中,美国的碳纤维理论产能最高,为3.86万吨,比重达到26%,日本和中国大陆分别为2.72和2.6万吨,超过第四名韩国一个数量级。

目前,全球最大的碳纤维及复合材料供应商主要集中在日本,无论质量还是数量均处于世界领先地位,尤其以日本东丽公司为代表,是世界首屈一指的碳纤维生产供应商,除了产能占绝对优势(2017年年产能为2.17万吨,排名全球第1位),在航空航天高端碳纤维(强度5GPa以上)领域处于技术垄断地位,所生产的高强度碳纤维T1000、T1100产品以及高模量碳纤维M60J、M70J代表碳纤维技术最高水平,最新开发出的“东丽卡"(TORAYCA ) MX系列碳纤维,实现了更高的拉伸强度和拉伸模量,这是世界范围内首次实现在量产的基础上,兼顾这两个功能的碳纤维。美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数几个发达国家之一,是碳纤维材料以及碳纤维复合材料的应用大国,在生产方面更加注重产能的提升和成本的降低,该国是聚丙烯腈( PAN )基大丝束碳纤维技术的主导国家。欧洲地区,德国西格里( SGL)是较为强势的供应商,其在汽车领域具有很强的竞争力,欧洲对轻量化材料、可持续材料的旺盛需求促进跨国集团在欧洲设立生产基地,并占据大部分产能比例,在欧洲设立生产基地的主要碳纤维生产商包括日本东丽、日本东邦、日本三菱、美国赫氏等。亚太地区的碳纤维企业经过十几年的发展,虽然仍然不能对传统巨头带来撼动,但是以中国为代表的碳纤维产业新增力量一直备受行业关注,中国该行业存在的问题是销量/产能比过低,2017年为28.46%,同期国际销量/产能比为57.2%,如不包括中国,世界其他国家的销量/产能比为63.4%,说明国内行业竞争力尚弱。

2.碳纤维在航空航天行业内需求强劲,具有高附加值

最早于20世纪70年代,碳纤维因其重量轻、刚性好的特征而在航天领域被用于制造人造卫星的天线和卫星支架,随后因其耐热耐疲劳的特性应用在固固体火箭发动机壳体和喷管上,随后,航空领域开始应用碳纤维复合材料,首先用于军用飞机的非受力的部分,如舵面、整流罩等,以及用于幅面较大的承力部位,如机身、机翼等。

目前,碱纤维复合材料被广泛应用于导弹、空间平台和运载火箭等航天领域,导弹方面,主要应用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱和发射简等主/次承力结构部件,以及洲际弹道导弹的鼻锥、发动机喷管和壳体,在空间平台方面,碳纤维复合材料可确保结构变形小、承载力大、抗辐射、耐老化和空间环境耐受性良好,主要用于制造卫星和空间站的承力简、蜂窝面板、基板、相机镜筒和抛物面天线等结构部件,在运载火箭方面,主要应用于制造箭体整流罩、仪器舱、壳体、级间段、发动机喷管喉衬等部件。

从价值上来看,2017年航空航天(含国防)行业碳纤维的价值约为11.52亿美元,占比达49.14%,远超第2位休闲体育的12.95%,体现出航空航天领域内碳纤维应用的高附加值属性,随着碳纤维及复合材料的成本逐渐降低,对成本要求更高的民用航天行业将成为未来市场应用增长点。

五、环境友好生物材料

随着世界能源、环境危机问题日益严重,推动环境友好型生物基材料的发展,以替代石化资源和减少白色污染,促进环境保护变得愈发重要。生物基材料指的是利用谷物、豆科,秸秆、竹木粉等可再生生物质为原料制造的新型材料和化学品等,包括生物合成、生物加工、生物炼制过程获得的生物醉、有机酸、烷烃、烯烃等基础生物基化学品,也包括生物基塑料,生物基纤维。糖工程产品、生物基橡胶以及生物质热塑性加得到塑料材料等,其具有绿色、环境友好、可再生和生物可降解等特性,近年来呈高速发展态势。

(一)聚乳酸(PLA)市场高速增长,前景看好

聚乳酸(PLA)又称为聚丙交酯,以乳酸为单体,通过脱水聚合生成,以玉米、木薯、秸秆等可再生物质为原料,来源广泛且可再生。据CRAND VIEW RSEARCH报告,2016年全球聚乳酸市场规模为12.9亿美元,随着包装、个人护理品和纺织品用材料使用量的日益激增,预计未来聚乳酸市场将出现大幅增长,其中包装业务占据最大份额,2016年市场份额达到59.1%。此外,预计未来8年(到2025年),可降解塑料在购物袋、一次性餐具等领域的需求将大幅增加。聚乳酸最大市场欧洲由于在各种终端应用领域(食品、饮料、化妆品、药品等)实施生物基塑料的监管规范,预计从2017年到2025年市场收人将以19.2%的复合年均增长率增长。

国外聚乳酸企业主要集中在美国、日本以及欧洲国家,整体来看,综合实力名列前茅的公司往往都是专门生产和销售聚乳酸。目前,美国Nature Works是全球领先的聚乳酸企业,其合作网络覆盖全球,长期古据聚乳度市场50%0以上,众多商均使用其生产的Ingeo树脂加工生产聚乳酸制品,近年来公司推出3D打印用聚乳酸配方。荷兰Corbion公司与Total公司共同开发的耐高温聚乳酸处于世界领先行列,位于泰国的新建工厂产能优势突出。浙江海正生物材料股份有限公司扩建聚乳酸生产线,产能在全球也位列前茅。

(二)聚羟基链烷酸酯(PHA)成本居高不下,期待技术突破

聚羟基链烷酸酯(PHA)是一系列带有-OH官能基与脂肪酸酯官能基的高分子聚合物,具有生物可再生、生物可降解和生物相容性等优良特性,可以在多种细菌胞内合成,实现全生物合成;聚合形成PHA的单体非常多样化,性能也随之具有多样化特点,应用领域广泛。PHA的发展共经历了如下4个阶段。

第一代聚羟基丁酸酯(PHB)是PHA中最常见,也是开发最早的产品,由于性能本身的缺陷,该产品一般不作为单体使用,主要和其他聚羟基脂肪酸酯共聚,目前全球PHB的生产企业主要包括巴西的PHB Industrial公司和德国Biomers公司。

第二代PHA材料是3-羟基丁酸(3HB)和3-羟基戊酸(3HV)的共聚物PHBV,和PHB相比,PHBV的硬度明显变小,弹性会随3HV含量的变化出现较大的变化,但是存在有比较明显的后结晶现象,影响产品性能的长期稳定,生产企业包括巴西的PHB Industrial公司和中国的宁波天安生物科技有限公司。

第三代PHA材料是3-羟基丁酸(3HB)和3-羟基己酸( 3HHx)的共聚物PHBHHx,但由于己酸单体成本太高,发酵和提取工艺还未能达到产业化的要求,目前尚在实验研究阶段。

第四代PHA材料是3-羟基丁酸(3HB)和4-羟基丁酸( 4HB)的共聚物P3HB4HB,其具有比现有PHA更加出色的物化性能和应用范围,随着4HB单体的增加,共聚物由结晶性的硬塑料向富有弹性的橡胶态过度,可加工成透明的薄膜和强度很高的纤维,也可以制备成可生物降解的弹性体,因此其材料本身除了可以制备众多可降解制品,还可以作为其他材料的改性剂。第四代PHA是目前发展的重点,天津国韵生物材料有限公司是全球最大生产企业,产能为1万吨/年,全球产能合计为20350吨/年。

从整体来看,PHA的高成本阻碍其大规模应用,其价格是PLA价格的3.5倍、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)价格的3.2倍、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)价格的2倍、聚碳酸亚丙酯(PPC)价格的2.5倍。作为全球最大的第四代PHA生产企业,天津国韵生物材料有限公司实际年产量不到千吨,发展较为缓慢。为了获得更高产量和更多种类的PHA以满足其在日常生活中的应用,对PHA的研究力度持续加大,包括底物成本、底物到产物的转化率、发酵生产过程的能耗等;对PHA生产菌株的改造也是研究热点之一,基因工程、代谢工程等传统生物学手段都已经被广泛应用于PHA生产菌株的代谢路径改造。

六、新材料前沿领域

(一)量子材料

量子材料指的是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,随着研究的不断进展,量子材料的概念变得更宽广,超越了原先的强关联电子体系,许多政府部门的网站和研究计划中都开始发展量子材料。

1.超导材料

(1)高温超导材料稳步发展。Business Wire公布的数据显示2017年全球超导产品市场规模高达61亿美元,20222 年将达到88亿美元,复合年均增长率约为75%超导材料应用领城,2017年低温超导材料在全球超导材料市场规模占比超过90%,高温超导材料市场份额呈现逐步上升趋势,据美国能源部预测:到2030年,低温超导材料应用市场规模占比将下降到31.3%.高温超号材料市场占比上升开到68.7%。

随着全球越来越关注高温超导输电技术的发展,多国计划开展超导电缆大规模商业化应用。如美国超导(ANSC)已经启动将三大电网实现完全互联和可再生能源发电并网的"Tes Amiges 超级变电站”项目,采用高压直流超导输电技术实现电网互联;韩国正在推动现有电力传输网采用高温超导电缆,预计在未来5年内将实现50千米高温超导电缆在实际商业电网中的使用和服务;中国设立在上海宝山的1.2千米长高温超导电缆示范工程业已开工建设,于2019年底实现挂网运行,将全面、系统验证自主高温超导技术在超大城市中心城区与电网耦合运行的可靠性、稳定性和经济性。此外,日本、德国、荷兰、丹麦等国家积极设计本国的超导电缆规划,构建超导电缆输电网络。

推动高温超导材料不断进步的主要动力来自于科研界取得的不断突破,截至2019年5月,超导材料中已证实的最高临界温度为250K,在该温度下,高压氢化钢具有超导性,比此前的最高临界温度(硫化氢)增加50K左右,硫化氢和氢化铜超导材料的共同特征是富含复元素,并且超导性仅在高于约10万信大气压的压力下出现。在该极端条件下,化学键会波大福改变,诱导形成不稳定的化合物,这研究结果表明.科学家对超导材料的研究可能进入一个新阶段,开始从靠经验规则,直觉或运气发现超导体转而向由具体理论预测指导研究过渡。

(2)美国和日本的实用化超导材料研究走在世界前列。国外超导材料市场化进程主要由美国和日本引领,欧洲和韩国紧随其后,在高温超导领域美国和日本的领先优势明显,臂如,在铋系高温超导材料BSCCO线材领城,日本住友电气工业株式会社优在BSCCO-2223线材的制备方面基本处于垄断地位,已投运的最长高温超导电缆位于德国埃森市,全长约为1千米,采用的是第一代超导材料BSCCO。钇钡铜氧( YBCO)高温超导线材领域呈现出日美韩互相竞争局面,日本古河电气工业株式会自2012年收购美国Super Power以后,领先优势愈加明显,日本藤仓公司(FujkuraLd.)、美国超导公司( American Superonduetor Coporation,AMSC )、韩国SuNAM公司在该领域的发展越来越迅速。在MgB2高温超导线材领域,日美欧处于较为领先的地位,代表企业有意大利Columbus Superconductors SpA、美国Hyper Tech公司以及日本日立制作所。

2.拓扑半金属

( 1 )拓扑半金属相关研究发展迅速,未来可期。从理论诞生到发展,拓扑领域仅用了10年左右时间就获得了空前成功,理论和实验的完美契合,促进拓扑领域的高速发展,每一种拓扑都会对应一种准粒子激发费米子或者波色子,而拓扑的形式定义可以用非平庸的能带交叉简并度或者交叉点附近费米面的拓扑特性来区分。该材料的交叉点在费米能上,可称之为拓扑半金属,不在费米能上,可称之为拓扑金属。由于拓扑半金属元激发在费来能上,所以其在输运中会具有更多独特的性能,包括独特的磁输运性质(如手性负磁阻、巨磁电阻)以及极高的载流子迁移率等特点,在未来低能耗电子学器件应用上具有重要价值,是国际凝聚态物理研究的前沿和热点研究方向之一。按照能带交叉点的简并情况,可以将拓扑半金属材料分为拓扑狄拉克半金属、外尔半金属和Node Line 半金属等,此外,近年来出现几种新型的拓扑半金属材料,如含有三重简并点的钨--碳型材料等,目前,已经有许多理论预测的拓扑半金属材料被成功地制备出来并得到验证。

值得强调的一点是:拓扑狄拉克半金属从具体材料预言到实验完全证实,仅仅用了两年时间,并且理论和实验很完美的符合一致,这些都显示了拓扑领城研究的巨大成功。从拓扑半金属被发现以后,一系列理论预言和实验如雨后春算般涌现,将拓扑半金属推到空前热门的领城。关于“半金属”有何作用,可以明确的一点是其必定是一种“低能耗”用材,例如外尔半金属,由于其受到拓扑保护,两个具有相反手性的外尔电子态之间的散射很弱,这种独特的物理特性有助于研发具有高效率低能耗的新型芯片,对室温低能耗电子学器件的应用具有潜在价值。这仅是初步的研究成果,随着研究的深入,此类材料必将会有更加广阔的应用空间。

(2)我国研究人员在拓扑半金属研究中表现突出。拓扑半金属的突出研究团队包括中科院物理所的方忠、戴希、翁红明等人分别带领的研究团队,普林斯顿大学的哈森( Hasen)研究团队和A.Bemevig研究团队,牛津大学的陈宇林研究团队等,以上研究团队在拓扑半金属的理论预测、实验证实过程中均扮演引领角色。此外,外尔半金属和狄拉克半金属中最重要的输运效应--手性反常导致的负磁阻现象是拓扑半金属的一个研究热点,多个研究团队通过输运实验研究其手性反常效应,包括普林斯顿大学的翁奇(P. Onge )小组、中国科学院物理所的陈根富小组、北京大学的贾爽小组和美国布鲁克海文国家实验室的李强小组等,以上研究团队都做出重要的开创性工作。我国在这一领城的发展经历了从零起步、跟踪国外先进水平、独立做出具有国际影响力的工作、引领学科发展的工作的过程。

(二)超材料

“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。美国智库“制造业前瞻联盟”( MForenight,由美国国家标准与技术研究院、国家科学基金会牵头组建)专门于2018年4月发布报告《超材料制造--通向工业竞争力之路》,认为超材料在2025年前将形成超过数十亿美元的市场,该报告提出4个优先技术领城:(1)规模化制造技术,涉及纳米印压光刻、图案转移、增材制造、自组装技术等。(2)利用多种不同材料制造超材料,涉及高效材料制造工艺、新型材料工艺、材料连接技术、通过分子设计或新合金开发识别新材料等。(3)测量,涉及先进的多尺度计量方法、多材料结构的评估方法等。(4)设计与仿真,涉及多尺度仿真能力、周期性设计和仿真代码、工艺技术模型、为可制造性设计的代码、多重物理量计算代码、有效的逆设计方法(自上而下)等。近期,声学超材料以及3D打印技术在该领城的应用发展非常快,主要进展如下。

1,声学超材料应用前景广泛

声学超材料这一概念来源于声子晶体,声子品体是一种通过布拉格散射原理来对波的散射造成影响的一种材料,声学超材料与声子晶体的不同之处在于其存在局域共振现象,因此可以产生负的有效质量与负的体积模量,这种双负性质类似于左手材料中电磁超材料的等下介电常数和磁导率为负的现象,类比之后,声学超材料由此而得名。

由于其具有一系列奇异的物理特性,因此声学超材料在波定向控制与超分辨成像等领城有着广泛的应用前景。纽约城市大学在DARPA Nascent项目的资助下开发出一种可沿着边缘传输声波的声学超材料,该声学超材村基于指扑原理,由特定排列方式的声波共振器组成,具有特殊的声学带隙特性,当频率在一定范围之内时,声波只能沿着超材料的边像传播、不受超材料中缺前的影响,具有很高的效率,该超材料有望应用于超声波成像、声呐技术和水下声学等领城。南开大学的研究人员将编码材料这一设计思路应用在声学系统中,并通过理论和实验表明该编码超材料表面具有实现复杂应用的实用性和潜力。

2、超材料借助3D打印技术实现快速发展

利用3D打印技术制备超材料可以增加制造柔性,充分发挥其在复杂结构制造上的优势来实现结构与功能的一体化。例如、美国哈佛大学研究人员通过多材料3D打印技术开发出一种可重构超材料的基础设计框架软件,基于计算模型,研究人员能够量化材料弯曲的各种不同方式,并计算这样的运动会如何影响刚度等多种特性,通过数字框架实现几百万种不同图案的快速循环,让电脑通过理想属性设置选定恰当的设计,帮助科学家们使用多材料3D打印机以及激光切割纸板、双面胶带等材料组合来创造超材料的原型。英国帝国理工学院模拟多晶材料,结合3D打印技术制成了一种材料强度大幅增加、质量依旧很轻的人造超材料,该材料内部品格的不同区城具有不同的取向、比传统超材料更坚固,更耐损。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员制得了一种由填充铁磁流体的空心3D打印晶格结构组成的场响应机械超材料,潜在用途包括软机器人、光学外壳、智能装甲,该团队的下一目标是制得不需要手动铁磁流体注入步骤的单相材料。

国内的超材料3D打印技术研究也十分活跃,中国人民解放军空军工程大学开发了一种基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法,利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特球形状,使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装。西安交通大学使用液态光敏树脂作为超材料基材的原材料,固体微粒作为人造微结构、最终得到了一种以固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料。

 


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