超硬新闻

材料委好文!52种高度依赖进口材料汇总及10大关键材料全球产业格局分析

有这样一个行业,它被称作“工业之母”,人类历史上每一次工业革命都离不开它的突破。不管是眼下最火的新能源、半导体等新兴产业,还是传统的制造业,必须以它的发展作为基础。


有这样一个行业,它具有很高的壁垒和难以替代的优异性能。从研发到商品上市,平均要耗时18年,甚至比新药研发平均12年的周期还要长出一半。


有这样一个行业,它同时入选国家高新技术产业、重点战略性新兴产业和《中国制造2025》十大重点领域,国家甚至还在2016年成立了专门指导这个产业发展的中央领导小组。


而恰恰是如此重要的一个行业,我们国家却面临着“卡脖子”的尴尬处境。这个行业就是新材料行业。


21.png


每一次技术革命一定伴随着材料的革新,“一代材料,一代产业”,在整个大科技领域乃至所有的产业领域中,新材料产业都是不可忽视的重点。根据工信部对全国30多家大型企业130多种关键基础材料的调研结果显示,有32%的关键材料尚属空白,52%依赖进口。主要依赖进口的材料包括半导体材料、显示材料、先进高分子材料、高性能纤维、高性能膜材料、新能源材料、生物医用材料等等。本篇文章小编针对我国重点应用领域急需的新材料产业情况进行了深度研究,整理了50+种高度依赖进口的新材料清单,并对这些行业中10大高度依赖进口的关键材料进行了分析。


22.png


以下为新材料行业10大高度依赖进口的关键材料分析:

光刻胶


23.png

光刻胶是由主干聚合物、光敏感成分、刻蚀阻挡基团、保护基团、溶剂为主要成分的一种光敏感混合物,又被称为“光致抗蚀剂”。光刻胶对光非常敏感,通过光照,其化学性质就会发生变化。将光刻胶涂敷在硅晶圆上,再经过曝光、显影、刻蚀等光刻工艺,就可以将设计好的电路图形复刻到硅晶圆上制造半导体芯片,因此光刻胶被广泛用于半导体芯片制造产业中,是该产业中的关键性材料之一。


中国光刻胶生产水平与国际相比差距较大,尽管紫外线负胶已经国产化,紫外线正胶也达到了1μm的水平,但高分辨率的g线、i线正胶,248nm和193nm深紫外胶绝大部分依赖进口。





全球产业技术格局


全球半导体光刻胶市场整体呈现高度集中、寡头垄断的局面,核心技术掌握在少数国际大型企业手中。其中,日本处于绝对的优势地位,仅东京应化工业株式会社(TOK)、日本合成橡胶公司(Japan Synthetic Rubber,JSR)、信越化学工业株式会社(Shin-Etsu Chemical)、富士胶片股份有限公司(Fujifilm)、住友化学株式会社(SUMITOMO CHEMICAL)少数几家供应商就占据了全球70%以上的市场份额。美国位列日本之后,以美国杜邦公司(Dupont)的技术实力和市场竞争力最为突出。而中国光刻胶企业在全球市场中几乎全部依赖进口。





国内产业技术格局


根据Cision的数据,2019年中国光刻胶的市场规模约为88亿元人民币,预计2019~2022年仍将以年均15%的速度增长,至2022年中国光刻胶的市场规模将超过117亿元人民币。同时,半导体光刻胶领域,随着2020~2022年中国大陆境内的圆晶厂迎来投产高峰期,下游产能的增长将推动对上游光刻胶等材料的需求放量。据国内晶圆厂的建设速度和规划,预计2022年国内半导体光刻胶市场将是2019年的两倍,半导体光刻胶的市场规模将升至约55亿元。其中,g线/i线光刻胶仍占据着极高的市场份额。

碳化硅


24.png


碳化硅(SiC)是第三代半导体的代表材料,也是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料之一。因具备耐高压、耐高温、抗辐射等优异的电气特性,SiC器件在新能源汽车、轨道交通、智能电网等领域的应用需求持续增长,发展增速尤为可观。另外,SiC还可作为宽禁带GaN外延材料的衬底,SiC衬底上GaN微波功率器件在国防军工、5G移动通信基站、卫星通讯等领域也具有极为广阔的发展前景。





全球产业格局


近年来, 新能源汽车、5G通信等领域进入发展快车道,电动汽车配套设备、5G通讯基站及数据中心建设的需求驱动SiC市场迎来爆发式增长。根据法国市场研究公司Yole Développement预测,全球SiC市场预计将从2019年的2.25亿美元增长到2025年的25亿美元以上,复合年增长率(CAGR)约30%。到2026年整个SiC市场规模有望达到50亿美元,其中仅新能源汽车行业将占比60%以上。





国内产业技术格局


国内因对SiC晶体材料的研究自20世纪90年代末才起步,2000年以后开始工业化生产的探索,现仍处于产业发展初期。近年来,国家政策的大力支持和新兴产业的发展热潮给国产SiC行业带来了巨大的发展动力,国产替代迎来黄金期,国内SiC企业正在努力追赶与海外的差距。

OLED发光材料


25.png

柔性显示是指由柔软材料制成的可变形、可弯曲的显示装置,其基本单元为有机发光二极管(Oganic Light-Emitting Diode,OLED)。OLED是一种自发光显示技术,发光机理为有机材料电致发光,可以通过调节电压大小来控制光的亮度,不需要背光源,因此结构相对简单,可以做到像纸一样的薄。目前,OLED发光材料中的最核心发光材料具有较高的专利壁垒,主要被韩日德美企业所掌控,国内企业主要从事OLED中间体和单体粗品生产。





全球产业格局


有机发光材料的终端用材料对于升华提纯的要求高,技术壁垒高,行业集中度高,主要集中在韩国、日本、美国、德国等国家的企业。中间体及粗单体材料技术壁垒相对较低,我国企业可量产且成为上述国家龙头企业的供应商。目前蓝光主要使用第一代荧光材料,红光、绿光使用第二代磷光材料。其中荧光和磷光材料已经商业化,TADF 则被认为是有潜力应用的下一代发光材料。OLED 发光材料专利基本被国外厂商垄断,以美国 UDC 公司(Universal Display Corporation)、日本出光兴产株式会社(Idemitsu Kosan)、德国默克公司(Merck)、韩国

斗山集团(DOOSAN)、韩国德山公司(DUKSAN)、韩国 LG 集团为代表的企业结合自身优势分别对不同材料实行专利封锁和保护,建立了强大的专利网。





国内产业格局


国内近八成的OLED有机材料市场被美日韩巨头企业所垄断。中间体和前端材料技术壁垒相对较低,在此方面国产化水平较高。终端材料国产化程度较低,通用辅助材料国产供应占比约12%,发光材料占比不足5%。


精细金属掩模版


26.png



精细金属掩模版是有机发光二极管(OLED)显示面板生产中用于真空蒸镀的模具组件,包括精细金属掩模版(Fine Metal Mask,FMM)和框架。其中FMM是以金属主材,特定位置开有微孔的超薄板材料,在真空蒸镀法中用于有机蒸发材料的定位沉积。由于蒸镀过程中有机材料释放热量使FMM温度升高,FMM一般选用热膨胀系数较小的Invar合金。由于FMM较薄(30~200μm)且具有延展性,使用过程中很容易因为受力不均或热效应造成损坏或移位。为避免重复使用时的残留材料造成图案缺陷,FMM还应定期清洗,清洗也容易造成FMM花样损坏,因此需要定期更换,是有机发光二极管(OLED)显示器生产过程中的核心耗材。





全球产业技术格局


据QY Research研究显示,2021年全球金属掩模版市场规模从2020年的6.218亿美元增至7.9697亿美元,预计在未来五年还将以34%的复合年增长率增长。由于技术壁垒高,全球FMM市场集中度大,主要制造商包括:大日本印刷株式会社(Dai Nippon Printing,DNP)、凸版印刷有限公司(Toppan Printing)、达运精密工业股份有限公司(Darwin Precisions),合计约占 85%的全球市场份额,其他主要参与者来自韩国。





国内产业技术格局


虽然中国在OLED显示面板制造能力上拥有一定优势,是目前全球FMM主要需求市场,但我国FMM行业参与者较少。

聚砜(PSF)

27.png


聚砜(polysulfone)是在20世纪60年代出现的一种新型热塑性特种工程塑料,最早由美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation,UCC)研发成功,属于非结晶性高分子材料,具有优异的力学性能、热稳定性、抗氧化性和绝缘性等特点,可制成薄膜、纤维、复合材料等多种产品形式,广泛应用于航空航天、电子电气、汽车、医疗、食品等领域。目前商业化较为成熟的聚砜主要有三种,分别是双酚A型聚砜(PSF/PSU)、聚亚苯基砜(PPSU)和聚醚砜(PES/PESU)。





全球产业格局


目前,全球聚砜市场被比利时、德国、日本等国垄断,代表企业有比利时索尔维集团(Solvay S.A.)、德国巴斯夫公司(BASF)和日本住友化学株式会社(Sumitomo Chemical)。经过多年技术发展和积累,国内也涌现了一批聚砜生产企业。随着应用领域的拓展,全球聚砜市场规模正在扩大,据Global Market Insights报告显示,2020年砜类聚合物市场规模为16.6亿美元,预计2027年将达到23亿美元,年复合增长率为4.9%





国内产业格局


我国聚砜材料研发较晚,且产能小,导致早期主要依赖进口满足国内需求。近些年随着国内企业技术取得突破,已能够规模化生产中低端聚砜产品,并应用于食品、电子塑料和水处理领域,但在航空航天、汽车、生物医疗等高端领域应用的产品依然严重依赖进口。

聚醚醚酮(PEEK)

28.png


聚醚醚酮(PEEK)是20世纪70年代末由英国帝国化学工业公司(ICI)开发出来的一种半结晶态芳香族热塑性高分子材料。PEEK的分子结构中含有大量的刚性苯环、柔性醚键和强化分子间作用力的羰基,赋予了材料优异的耐热性,长期耐热温度超过250℃,以及出色的耐腐蚀、耐辐射、耐疲劳性和尺寸稳定性,无毒无臭,可采用注塑成型、挤出成型、模压成型、熔融沉积成型、选择性激光烧结等多种方式加工成PEEK棒、PEEK片材、PEEK管、PEEK薄膜、PEEK纤维等多种制品,被广泛应用于航空航天、电子设备、医疗、汽车制造等领域





全球产业格局


目前,全球PEEK的产能主要集中在欧洲,代表性企业包括英国威格斯(Victrex)、比利时索尔维(Solvay)和德国赢创(Evonik),这三家企业集中了全球80%以上的PEEK材料产能。


据Research And Markets报告显示,2020年全球PEEK市场规模达到5.751亿美元,预计2027年将达到8.607亿美元,2020~2027年的复合年增长率为5.9%。其中,2020年在航空航天领域的市场规模约为0.822亿美元,预计2027 年将达到1.208 亿美元,而中国将是该领域增长最快的国际市场之一。





国内产业格局


国内吉林大学在上世纪末自主研发并成功攻克PEEK生产技术,2002年与长春吉大高科技股份有限公司合资组建了长春吉大特塑工程研究有限公司并开始PEEK的产业化生产。目前,吉大特塑依托吉林大学从事特种工程塑料的研发,主要生产聚醚醚酮、聚醚醚酮酮、聚醚砜等高性能树脂及其改性料,已建成年产500吨的PEEK生产线。随后,吉林大学还通过技术输出入股吉林省中研高分子材料股份有限公司等企业,使国内PEEK生产规模不断扩大。

高性能碳纤维


29.png


高性能碳纤维是一种由有机纤维经碳化以及石墨化处理而得到的含碳量在95%以上的新型纤维材料。根据原料不同可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维。其中PAN基碳纤维凭借制备方法较为简单、成本较低、产品性能优异成为目前碳纤维市场的主流,产量约占碳纤维总量的90%以上。


碳纤维具有高比强度、高比模量、抗蠕变、导电、导热等特性,强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀,集优异的电学、热学和力学性能于一身。碳纤维一般与树脂基体制成复合材料使用,最初被广泛的用于航空航天,随后也成功应用于民用航空、土木建筑、体育器材、风电及汽车领域。





全球产业格局


目前国际碳纤维市场主要被日本和欧美企业所掌控,并占据了较为稳定的市场份额,大陆企业暂时无法占据有利地位。日本作为全球领先的碳纤维生产国,无论产能还是产量均占据绝对优势地位,仅东丽株式会社、帝人株式会社(TEIJIN)、三菱化学株式会社(Mitsubishi Chemical)三大巨头就已经占据了近70%的全球市场;美国是继日本之后少数几个掌握碳纤维生产技术的发达国家之一,也是碳纤维及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,是PAN基大丝束碳纤维技术的主导国家。欧洲碳纤维材料的起步和发展紧随日美,欧洲市场对轻量化材料、可持续材料的旺盛需求也促使了各大跨国集团在欧洲设立生产基地,欧洲很大一部分碳纤维产能来自于这些跨国企业。





国内产业格局


当前我国国内主要的碳纤维(及原丝)制造商为吉林碳谷、吉林宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材、兰州蓝星和上海石化等。其中,吉林碳谷以原丝生产为主;吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主,江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力;其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。基于碳纤维极高壁垒的行业属性,其全球供应呈现明显的垄断格局。其中,吉林碳谷+宝笙、中复神鹰产能占比均为24%,其次江苏恒神占比15%、光威复材14%。

超高分子量聚乙烯

30.png


超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种线性结构的热塑性工程塑料,一般是指黏均分子量在100万以上的聚乙烯材料。UHMWPE继承了PE具有良好化学稳定性的特点,能耐各种化学试剂的腐蚀,同时,高的分子量赋予了UHMWPE出色的抗冲击性、耐磨性等众多优异性能。由于UHMWPE具有较大的分子链柔性,该材料比较容易结晶,在常温下结晶程度较高,表现出较大的蠕变性,一旦温度高于结晶熔融温度,分子就能自由移动。UHMWPE通常被加工成纤维、薄膜、管材、板材等制品,广泛用于航空航天、国防军工、轨道交通、石油化工等领域。





全球产业格局


UHMWPE以其重量轻、自润滑性、出色的化学稳定性以及优异的机械性和抗冲击性等特点,逐渐受到市场的青睐,其纤维等制品的需求量正在日益增长。据Research and Markets报告显示,2021年全球UHMWPE的市场规模为18.5亿美元,预计2027年将达到28.8亿美元,期间年复合增长率为7.63%。市场规模增长的推动因素包括航空航天和国防领域对UHMWPE需求的不断增长,以及工业和骨科植入物对UHMWPE需求的增加等。





国内产业格


超高分子量聚乙烯纤维产品涉及领域全面。根据数据显示,中国高分子量聚乙烯产能在2021年呈现爆发性的增长,2021年中国高分子量聚乙烯产能达到10万吨,同比2020年增长138.1%,说明我国高分子量聚乙烯市场规模正在逐步扩大。2022年上半年,中国超高分子聚乙烯产能为16.8万吨。

聚酰亚胺薄膜


31.png



聚酰亚胺(PI)是指由二酐和二胺经聚合反应制得的分子主链上含有酰亚胺基团的一类高分子化合物。按照化学结构的不同,其可分为脂肪族、脂环族和芳香族聚酰亚胺。目前应用最为广泛的是芳香族聚酰亚胺。聚酰亚胺是目前已经商业化的聚合物中热稳定性最高的材料之一,此外还兼具低介电损耗、高绝缘性、高机械强度、低弹性模量等众多优异的性能,可加工成薄膜、纤维、泡沫、复合材料、特种工程塑料、胶黏剂等多种材料形式,广泛应用于航空航天、军工、电子信息、轨道交通、汽车等若干领域。





全球产业格局


聚酰亚胺薄膜市场基本被美国、日本、韩国等公司垄断,代表型企业包括美国杜邦公司(DuPont)、 韩 国PI Advanced Materials公 司, 以及日本的宇部兴产株式会社(UBE Industries)、株式会社钟化(KANEKA CORPORATION)等。全球聚酰亚胺薄膜的市场规模正在逐步扩大,据 Allied Market Research 报告显示,2020年全球聚酰亚胺薄膜的市场规模达到了17亿美元,预计到2030年将达到30亿美元,从2021年至2030年的复合年增长率为5.6%。





国内产业格局


我国聚酰亚胺薄膜产业起步较晚,目前生产工艺还处于追赶阶段。国内现有聚酰亚胺薄膜企业70余家,产能规模多在百吨上下。2020年国内聚酰亚胺薄膜总产能大约为1万吨,但大部分为电工级产品,高端聚酰亚胺薄膜80%左右依赖进口。近年来,随着技术和资本的不断积累,我国高性能聚酰亚胺薄膜的产业化水平虽然得到了很大的提高,已有部分企业采用流延双向拉伸-化学亚胺化工艺制造聚酰亚胺薄膜,但大部分企业仍然处于初期探索阶段。

燃料电池催化剂


32.png


燃料电池是一种以氢气、甲醇或者甲烷等氢化合物为燃料,空气或纯氧为氧化剂,将化学能直接转化为电能的发电装置,被称为继水力发电、热能发电和原子能发电后的第四种发电技术,是21世纪最具希望的化石燃料替代技术。国内外研究者一般将燃料电池按照电解质不同进行分类,包括:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC),这五类燃料电池虽然工作原理大体相同,但其特点各异且应用领域也各不相同。其中,PEMFC 具有功率密度高、能量转换效率高、工作温度低和启动快速等优点,因此在电动汽车、便携式移动电源中具有非常广阔的应用前景。同时PEMFC以氢和氧为燃料,理想产物只有水,无污染物排放,对于实现碳中和具有重要意义。





全球产业技术格局


目前燃料电池催化剂市场主要由美国、德国、英国以及日本的企业所掌控,中国燃料电池催化剂严重依赖进口,80%左右的市场份额均被国外企业占据。我国尽管在全球市场尚无法撼动头部企业地位,但部分产品实现了研发突破和小规模量产,已初步形成打破国外垄断之势。





国内产业技术格局


随着氢燃料电池在全球范围内的应用提速,国内的氢燃料电池市场发展潜力巨大。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测,至2025年中国氢燃料电池车保有量达到5万辆;2035年和2050年燃料电池车将分别达到130万辆和500万辆。催化剂作为氢燃料电池的核心组成,同样面临着空前巨大的市场需求。目前,市场上应用的产品多为掺杂铂贵金属的催化剂,国内燃料电池催化剂以进口为主。为努力提升燃料电池催化剂产品的国产化程度,我国有许多企业从事燃料电池催化剂的研发与生产,已取得了一定的进展。


注:文中数据来源于中国新材料技术发展蓝皮书(2021~2022)及其他平台


标签:

行业期刊