《新材料全球格局分析:欧美日韩技术领先、我国存在这些差距》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2019-11-07
  • 进入“十三五”以来,我国连续出台了多项涉及新材料产业发展的国家级规划政策,提出《中国制造2025》作为我国实施制造强国战略的第一个十年行动纲领。在“十三五”多项政策及《中国制造2025》的引领下,新材料产业技术得到了进一步的发展。但是立足全球,欧美等制造强国占领优势地位,我国新材料产业还需要更大力度的投入,持续的进步。

    纵观全球,欧美和日韩在材料领域处于技术领先地位,产业发展也各有所长。

    美国作为经济技术发展强国,其材料领域全面发展、领跑国际,自奥巴马政府以来,美国在国家层面上对新材料产业的发展提出多项计划,包括材料基因组计划、先进制造业国家战略计划、国家纳米计划及国家制造业创新网络计划,涉及纳米材料、先进材料及碳纤维复合材料等多个领域,强有力的政策支持及资本年投入,加之美国积累多年的材料产业巨头、国际顶尖科研机构等优势条件,使美国在新材料产业技术上全面发展,掌握众多核心技术。

    紧跟其后的是科技强国日本,得益于强大的材料科技基础,日本在全球高技术领域有着举足轻重的地位,特别是在电子信息材料、纳米材料、半导体材料、碳纤维复合材料、特种钢等领域。

    韩国作为新材料产业技术的一大优秀成员实力不容小觑,韩国发展新材料技术秉承“先驱者而非追随者”的理念,依托强大的科研团队及诸如三星、LG等制造业巨头,在显示材料、存储材料、石墨烯材料等领域保持着优势地位。

    此外,欧洲在化工新材料领域一直占据较大的市场份额,在结构材料、高性能聚合物、半导体材料等领域保有优势。

    相对而言,我国材料行业存在众多不足,与发达国家相比存在一定差距。

    一方面,基础原材料整体技术水平不高、物耗能耗排放较高,环境污染严重(材料行业能耗在工业总能耗和全国能源消费总量中的比重分别达到了60%和44%),产业竞争力不强,利润率低,部分行业产能严重过剩,核心技术、工艺及装备仍然部分依赖进口。

    另一方面,新材料行业研发跟踪国外较多,原始性创新较少,国家重大工程和国防建设对新材料需求强烈,但新材料配套与工程化能力较弱,高端产品产业化程度偏低;新兴材料产业市场巨大,需求强劲,国际竞争激烈,我国高端材料制造业的竞争力和市场份额急需提高。

    近年来,为了缩小我国高科技产业与国外的差距,我国在政策、研发、人才引进、产业经济、收并购投资等方面做了大量工作,取得了一定成效,同时也积累了丰富的经验。就新材料产业而言,我国与美国、德国等技术强国还存在明显的差距,一些重要核心技术由其掌握,形成了部分材料/设备垄断的局面。

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  • 《超导材料国内外产业发展分析:美日欧领先,中国实际应用待拓展》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-05-31
    • 超导材料具有零电阻、抗磁性以及宏观量子效应等特殊物理性质,应用领域非常广泛。在电工学领域,超导材料的主要应用领域包括超导电缆、超导限流器、超导磁悬浮、医疗核磁共振成像、超导储能以及超导电机等。目前各国研究人员研发和生产的重点是YBCO超导材料(也可称为第二代高温超导材料),并认为其是未来超导材料发展的主要方向。 根据2017年Stratistics MRC公布的调查预测数据显示,2015年全球超导产品市场规模为8.2亿美元,到2022年该市场规模将扩大至27.1亿美元,复合年均增长率(CAGR)达到18.6%。从整条超导产业链价值的角度来分析,超导材料可占超导设备成本的40%-50%。从产业链盈利能力的角度来分析,超导材料的盈利能力最强,毛利率可达50%左右。而目前国内超导材料主要从美国和日本进口,成本昂贵,约占超导应用产品成本的50%左右。 全球格局:美日欧领先,中国实际应用待拓展 近年来,以美国、日本和欧盟为代表的发达国家不断地积极推进高温超导材料及其应用领域的研究,取得多项重大突破。我国在超导材料领域的研究进展基本与国际同步。其中,低温超导材料、超导电子学应用以及超导电工学应用领域的研究已达到或接近国际先进水平,但在实际应用方面的研究进展与发达国家还有一定差距。 国外进展:美日引领,欧韩紧随 国外超导材料发展主要由美国和日本引领,欧洲和韩国紧随其后。在BSCCO高温超导线材领域,日本住友电气工业株式会社(Sumitomo Electric Industries, Ltd.,简称SEI)优势较大,尤其是在BSCCO-2223线材的制备方面,基本处于垄断地位。YBCO高温超导线材领域则基本呈现出日美韩互相竞争的局面,在2001年发现的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HyperTech公司(HyperTech Research Inc.),以及日本的株式会社日立制作所(Hitachi, Ltd.)。 国内进展:一代产业化,二代与国际先进水平仍有差距 目前我国已经全面突破了实用化低温超导线材制备技术,已具备批量制备千米级实用化MgB2超导线材的能力。我国第一代高温超导带材(BSCCO-2223)与国际先进水平的差距已经大大缩小,关键技术指标基本达到了实用化的要求,已经进入产业化发展阶段。在第二代高温超导带材(YBCO)方面,我国与国际先进水平的差距迅速缩小。上海和苏州等地均以企业形式制备出了千米级的YBCO二代带材,而且已经有一定量的销售和使用。 发展趋势及建议 在NbTi和Nb3Sn超导材料方面,我国在国际市场中的份额将会逐渐扩大。 国际著名的医用磁共振成像企业均逐渐加大了超导材料在中国的采购量。此外 我国科学仪器用超导磁体发展迅速,对低温超导线材的需求量也将迅速提高。 在MgB2超导材料方面,随着开放式插电直冷磁共振成像装置的发展,MgB2导线的使用量将会获得较大发展。研发人员通过进一步研究提高材料致密度和磁通钉扎能力,将有利于材料临界电流的提高,满足市场需求。 在BSCCO和YBCO超导材料方面,BSCCO-2223 超导导线在高温电缆和限流器方面还将有进一步的发展,但是会逐渐被性能更优越的YBCO二代高温超导带材所取代。基于BSCCO-2212圆型导线的低温高磁场磁体将会有进一步的发展。基于YBCO的超导磁体也将会逐渐出现。 在铁基超导方面,铁基超导材料实用化方面的研究将会有进一步的发展。我国将进一步研发千米级铁基超导线材。针对上述情况,在未来实用化超导材料的研究及应用方面,国家新材料产业发展战略咨询委员会天津研究院提出了4条发展建议。 注:本文为2018年撰写,部分数据为旧数据,仅供参考。
  • 《美日韩已战略布局 我国机会何在?全面解析柔性电子常用材料及应用》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-04-10
    • 相对于传统硅电子,柔性电子是指可以弯曲、折叠、扭曲、压缩、拉伸、甚至变形成任意形状但仍保持高效光电性能、可靠性和集成度的薄膜电子器件。 美日韩等国已战略布局柔性电子项目,其在高精尖领域将长期保持高速增长态势,也是我国应该尽量抓住的历史机遇。 柔性电子常用材料 1、柔性基底 为了满足柔性电子器件的要求,轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质成为了柔性基底的关键指标。 常见的柔性材料有:聚乙烯醇( PVA ) 、聚酯 ( PET ) 、聚酰亚胺 ( PI ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( PEN ) 、纸片 、纺织材料等 。 聚亚酰胺材料具有耐高温、耐低温、耐化性与良好电气特性的优点,是柔性电子基本最具潜力的材料,唯在柔性基材选择上除了耐高温的特性要考虑以外,柔性基板的光穿透率、表面粗糙度与材料成本都是选择须考虑的因素。 聚二甲基硅氧烷(PDMS)也是被广泛认可的柔性材料,它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等。尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易地粘附电子材料。 PET虽然转化温度低,约70~80℃之间,但是PET价格低廉,光穿透性佳,是透明导电膜性价比很高的材料。 2、金属材料 金属材料一般为金银铜等导体材料,主要用于电极和导线。对于现代印刷工艺而言,导电材料多选用导电纳米油墨,包括纳米颗粒和纳米线等。金属的纳米粒子除了具有良好的导电性外,还可以烧结成薄膜或导线。 3、有机材料 大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展非常重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在信号串扰,导致了测量的不准确,这个问题成为发展可穿戴传感器最大的挑战之一。 由于晶体管完美的信号转换和放大性能,晶体管的使用为减少信号串扰提供了可能。因此,在可穿戴传感器和人工智能领域的很多研究都是围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开的。 传统上用于场效应晶体管研究的p型聚合物材料主要是噻吩类聚合物,其中最为成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)体系。萘四酰亚二胺和苝四酰亚二胺显示了良好的n型场效应性能,是研究最为广泛的n型半导体材料,被广泛应用于小分子n型场效应晶体管当中。 4、无机半导体材料 以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料由于其出色的压电特性,在可穿戴柔性电子传感器领域显示出了广阔的应用前景。 比如有一种基于直接将机械能转换为光学信号的柔性压力传感器被开发出来。这种矩阵利用了ZnS:Mn颗粒的力致发光性质。 力致发光的核心是压电效应引发的光子发射。 压电ZnS的电子能带在压力作用下产生压伏效应而产生倾斜,这样可以促进锰离子的激发,接下来的去激发过程发射出黄光。 5、碳材料 柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯等。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制、比表面利用率可达100%的特点。 石墨烯具有轻薄透明,导电导热性好等特点。在传感技术、移动通讯、信息技术和电动汽车等方面具有极其重要和广阔的应用前景; 在碳纳米管的应用上,利用多臂碳纳米管和银复合并通过印刷方式得到的导电聚合物传感器,在140%的拉伸下,导电性仍然高达20S/cm。 当碳纳米管和石墨烯综合应用时,可以制备高度拉伸的透明场效应晶体管。其结合了石墨烯/单壁碳纳米管电极和具有褶皱的无机介电层单壁碳纳米管网格通道。由于存在褶皱的氧化铝介电层,在超过一千次20%幅度的拉伸-舒张循环下,没有漏极电流变化,显示出了很好的可持续性。 柔性电子的应用领域 1、柔性电子显示 柔性电子显示器是在柔性电子技术平台上研发出来的全新产品,是由柔软材料制成,可变型可弯曲的显示装置。目前可实现柔性显示模式(电子纸技术、LCD、OLED等)制作在柔性基板上的显示器件,比如可书写的电子书、U盘容量显示等。 2、柔性储能 柔性储能是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴储能技术,以其独特的柔性/延 展性以及高效、低成本制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景,现已成功应用于柔性电子 显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴等。 比如三星做的一种可折叠的210毫安/时小电池,用在可穿戴设备里,电池本身的厚度可以做到0.3毫米厚,能够在人的手腕上进行5万次的弯曲折叠,而且不出现任何的故障。 3、柔性医疗电子 柔性医疗电子基本特征是将各种电子元器件集成在柔性基板之上,从而形成皮肤状的柔性电路板,像皮肤一样具有很高的柔韧性和弹性。 柔性医疗电子可与人体组织长期自然融合,能精准测量医学指标,如体温、呼吸、血压、心电等,为大数据医疗提供实时基础数据。 4、柔性电路板 柔性电路板(Flexible Printed Circuit 简称FPC)是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性,绝佳的可挠性印刷电路板。具有配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点,完美地契合了轻薄化、小型化的发展主旋律。 FPC行业由日美韩主导,近年来生产成本增加促使FPC产业重心逐渐转向国内。FPC处于电子产业链的中上游,其直接原材料上游为挠性覆铜板FCCL,下游为终端消费电子产品。 目前日资企业以先发优势占据产业链上游的主导地位,国内起步较晚,相对较为弱势。 近几年柔性电子市场迅速扩张,成为一些国家支柱产业,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。 根据IDTechEX预测,2018年全球柔性电子市场为469.4亿美元,2028年为3010亿美元,是各个国家争先抢占的科技制高点,也是我们国家应该重视,并抓住的机遇。