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        【推薦】“進口替代”催生的萬億級新市場,都有哪些新材料?

        來源:|發布時間:2019-06-29 13:28:49

        國家制造強國建設戰略咨詢委員會表示,新材料領域產業前景良好,到“十三五”末市場規模將達萬億之巨。


        而據公開資料報道,工信部對全國30多家大型企業130多種關鍵基礎材料調研結果顯示:國內32%的關鍵材料仍為空白,52%依舊依賴進口,關鍵材料的國產化已經刻不容緩


        基于此,新材料在線?梳理出部分亟需進口替代的關鍵材料,并對其目前的國內外發展情況,以及國產化的主要難點進行簡要分析。


        如有疏漏不足之處,歡迎與小編聯系指正。



        半導體材料


        半導體作為信息技術的核心,是一個回報慢,產業鏈長,資本、技術和專利壁壘高的產業。生產半導體芯片需要19種必須的材料,缺一不可,且大多數材料具備極高的技術壁壘。



        中國是全球最大的半導體消費市場,半導體需求量全球占比由2000年的7%攀升至2016年的42%。然而我國半導體產業發展與其龐大的市場需求并不匹配,許多材料仍然依賴進口。


        1、電子級多晶硅


        電子級多晶硅是純度最高的多晶硅材料,純度要求達到99.999999999%,也是半導體集成電路的關鍵基礎材料。


        圖片來源:Slide Player


        過去中國市場上的半導體用多晶硅材料完全依賴進口,世界范圍內能生產電子級多晶硅的僅有Wacker、hemlock等企業,關鍵技術主要由德國、日本和美國的企業掌握。



        2018年6月,江蘇鑫華半導體研發團隊在歷經了317次電子級多晶硅生產試驗,對629項技術、設備優化改進,以70%的國產設備,系統性解決了雜質釋放問題,終于實現了國產電子級多晶硅的量產,目前年產能0.5萬噸。


        然而僅2017年,我國多晶硅進口數量達14.4萬噸。雖然鑫華半導體的量產在一定程度上能緩解巨頭壟斷,但國內高品質電子級多晶硅缺口仍然十分巨大。



        2、硅片


        硅片也稱硅晶圓,其主要作用是可以加工制作成各類電路結構,使之成為具有特定電性能的半導體產品,2017年市場規模達 86.8 億美元。


        圖片來源:WaferPro官網


        硅片的直徑越大,其所能刻制的集成電路就越多,芯片的成本也隨之降低。目前常用的硅片有6英寸、8英寸和12英寸,未來則將朝著18英寸發展。



        但大尺寸硅片對技術的要求很高,主要原因在于:1 在大尺寸硅片的拉晶過程,晶柱的慢速旋轉難以穩定,容易導致晶格結構缺陷;2晶柱的直徑越大也意味著其重量越大,邊緣處容易出現翹曲。這兩個因素導致大尺寸硅片的良品率極低,進入壁壘極高。



        因此,在全球的硅片市場中,日本信越、日本盛高的市占率為51%;但在大尺寸硅片領域(8英寸和12英寸),二者的市占率則提升至70%以上,形成寡頭壟斷。


        據報道,國內目前8英寸硅片產能約為23.3萬片/月,而需求量達到80萬片/月; 12英寸硅片目前僅有上海新昇半導體實現了量產,但受限于產能,目前的需求仍舊大量依賴于進口。



        目前國內雖有一些企業已經聚焦大硅片的生產,但產品的認證和產能的釋放還需要一定的時間。如果沒有關鍵技術、核心原物料的支持,未來會有一波大量的無效產能問題涌現。


        3、光刻膠


        光刻膠是一種耐蝕刻材料,主要應用于微電子領域的精細線路圖形加工,是微制造領域最為關鍵的材料之一。



        在光刻膠生產種類上,我國光刻膠廠商主要生產PCB光刻膠,而技術要求較高的顯示光刻膠和半導體光刻膠生產規模較小,市占率極低;高分辨率的KrF(248nm)和ArF(193nm) 是技術壁壘極高的光刻膠材料,國內幾乎全部依賴于進口。


        放眼國際市場,該領域主要被日本合成橡膠、東京應化、住友化學、陶氏杜邦、德國巴斯夫等化工巨頭壟斷。



        光刻膠的研發,難點在于其成分復雜、工藝技術難以掌握。關鍵生產原料如光引發劑、光增感劑等被外資壟斷,開發所涉及的技術難題眾多,導致高端光刻膠自給能力嚴重不足。



        4、光罩


        光罩是半導體核心工藝——光刻的關鍵器件,2017年市場營收為37.5億美元。它是由石英玻璃作為襯底,并在上面鍍上一層金屬鉻和感光膠的一種感光材料。它的主要作用是將半導體回路圖,通過光刻制版工藝,將微米或納米級的精細圖案制成掩模版。


        圖片來源:Nikon官網


        全球光罩產業生態分為半導體廠附屬的光罩部門,以及獨立型光罩供應商兩大類。兩者比重約為65% 和 35%,半導體大廠英特爾、臺積電、三星、中芯國際內部都有附屬的光罩部門,而獨立型的光罩供應商主要有日本凸板Toppan 、大日本印刷DNP 、美國Photronics Inc等,三者的合計市場份額超過80%。


        國內也有光罩供應商,但多數都停留在提供八英寸晶圓和低端工藝技術上。原因在于,光罩產業的機械設備投入十分龐大,且主要的高端技術還掌握在外商手中。



        5、CMP拋光材料


        CMP(Chemical Mechanical Polishing),即化學機械拋光,是集成電路制造過程中實現晶圓全局均勻平坦化的關鍵工藝。


        圖片來源:AGC官網


        拋光材料是CMP工藝過程中必不可少的耗材。根據功能的不同,可劃分為拋光墊、拋光液、調節器、以及清潔劑等,其中主要以拋光液和拋光墊為主。



        CMP拋光材料具有技術壁壘高,客戶認證時間長的特點,全球市場一直以來處于寡頭壟斷的格局。拋光液的市場主要由日韓和美國公司所壟斷,占據全球90%以上的市場份額;拋光墊是市場主要被陶氏化學公司所壟斷,市場份額超過80%。


        國內企業的拋光液生產以中低端產品為主,僅能用于金屬、手機玻璃蓋板等領域的拋光。上海安集微電子于2007年正式上線半導體用拋光液,率先打破高品質拋光液的國外壟斷,但還受限于產能。


        2017年12月,鼎龍股份公告稱其第一款拋光墊產品通過了客戶驗證,并進入該客戶供應商體系。這意味著中國自主研發的半導體拋光墊材料首次進入商業市場,中國也成為繼美國和日本之后第三個拋光墊商業化生產的國家。



        拋光墊的技術壁壘在于溝槽設計,合理的溝槽設計可以改善拋光液的流動并帶走切削的細屑,使晶圓表面最終能形成完美的鏡面效果;


        拋光液的技術壁壘在于調整拋光液的組成以改善拋光效果,其配方則是影響拋光效果的決定性因素。


        6、濕電子化學品


        濕電子化學品是在微電子、光電子濕法工藝制程中使用的各種電子化工材料。其品種類繁多,主要應用于面板、半導體及太陽能電池三大領域。



        當前世界濕電子化學品的市場格局主要可分為三大塊:歐美傳統化工企業的市場份額約為35%;日本約十家濕電子化學品企業的市場份額約為28%;中國和韓國的市場份額約為35%。



        目前,國內濕電子化學品的研發水平,大部分集中在G2水平,在中低端市場的應用勢頭良好。



        隨著國家02專項的大力支持和優秀企業的自主研發,江化微等本土企業的純化工藝技術取得突破,部分領域的產品已經達到G3標準,有望進一步打開國內的高端應用領域市場。


        7、濺射靶材


        濺射靶材是制備電子薄膜的關鍵材料,主要應用于半導體芯片、液晶顯示器、太陽能電池等領域,其中半導體芯片對濺射靶材的金屬純度要求最高。


        圖片來源:德國亥姆霍茲聯合會官網


        超高純金屬濺射靶材在半導體芯片制造領域,美國和日本的少數公司,占據了 80%以上的市場份額。


        近年來部分國內企業如江豐電子、晶聯光電等企業在高純濺射靶材生產技術及市場方面均取得了關鍵突破,部分產品已打入核心客戶主流供應鏈中,并批量供貨。



        由于高純濺射靶材的認證時間長達2-3年,想要實現產品大規模的國產化還需要一定的時間。


        8、封裝材料


        半導體封裝是指將晶圓按照產品型號及功能需求加工得到獨立芯片的過程。目前的封裝材料主要采用環氧模塑料(EMC),占比在97%左右,EMC中70%-90%的成分為硅微粉。據CNCET估算,2017年全球EMC市場約23.9億美元。


        圖片來源:nichetech官網


        EMC的生產關鍵在于配方,針對不同的細分用途使用不同的配方。日本企業以其產品在操作性和可靠性上的技術優勢而在中高端市場占據著較大市場份額,而歐美系、韓系和國內企業則以成本優勢占據相對低端的市場。



        2017年我國EMC年產能達14.3萬噸,行業龍頭企業如衡所華威已經能夠參與國際市場競爭,現有生產線13條,涉及一百多個品種,市場占有率國內第一、全球第五。


        近年來以華飛電子為代表的國內企業突破國外技術封鎖,掌握高純小粒度球形硅微粉的生產技術,其產品占據國內70%的份額,并和國外兩家龍頭企業共同瓜分50%的國際份額。



        國產EMC和硅微粉具有本土化優勢,完全可以替代進口,未來市場前景非常廣闊。


        顯示材料


        2017年國內面板產能超過韓國位列全球第一,占了全球市場超過22%的份額,產業規模超過3000億元。根據IHS預計,未來五年,全球平板顯示市場中大尺寸超高清面板年復合增長率將超過25%。



        雖然我國面板產業規模大,但基本屬于加工組裝型,不但生產線要從國外進口,而且制造面板的關鍵材料中有約70%也都嚴重依賴進口,國有化率很低,進口替代需求緊迫。


        1、平板顯示玻璃基板


        平板顯示玻璃基板是平板顯示產業的核心材料,其質量關系到顯示面板成品的分辨率、透光度、厚度、重量、可視角度等指標,約占整個顯示面板產品成本的20%。


        圖片來源:Corning官網


        發達國家在平板顯示玻璃基板制造領域處于壟斷地位,全球TFT-LCD用玻璃基板市場份額,90%以上集中在美國康寧、日本旭硝子、電氣硝子、安瀚視特等幾大廠商。



        大尺寸化、輕薄化液晶面板是今后基板玻璃市場的需求重點。彩虹集團、東旭集團、中國建材國際工程集團等本土企業大力推進玻璃基板國產化,目前已經取得突破性進展,中小尺寸面板市場份額已達80%。



        但國內目前玻璃基板產品的供應缺口依然高達一半左右,尤其是G8.5+、G6LTPS高精細玻璃基板等產品,幾乎100%依賴于進口。


        2、微球


        微球是一種現代工業基礎材料,應用于多個領域。



        目前液晶顯示屏里的微球基本上全被日本壟斷了,生物制藥的微球基本上被美國GE公司壟斷。僅微電子領域,國內每年就要進口價值約幾百億元人民幣的微球。



        微球附加值高,制備技術要求苛刻,如粒徑精確性、粒徑分布、機械強度、表面性能、潔凈度控制等。



        3、偏光片


        偏光片是一種復合材料,可實現液晶顯示高亮度、高對比度的特性,是液晶面板的三大關鍵原材料之一,占其成本的10%左右。LCD模組中需要兩張偏光片,分別位于玻璃基板兩側,缺少任何一張偏光片都無法顯示畫面。


        圖片來源:LG化學官網



        偏光片行業具備較高的技術,人才,資金和客戶認證壁壘,市場集中度較高。韓國LG化學,日本日東電工和住友化學三足鼎立,占據全球 65%的市場份額,前五大廠商占據全球84%的市場份額。



        根據有關數據顯示,2017年國內偏光膜市場規模為30.4億美元,同比快速增長13.4%,占全球市場份額29.9%。預計到2020年,國內偏光片市場規模可達53.2億美元,占全球市場份額提高至40.2%。(數據盡量用圖表)但目前國產偏光片占國內需求比例不足40%,仍需大量進口。


        關鍵材料依賴進口,阻礙偏光片國產化進程。偏光片的上游核心原材料PVA和TAC膜目前仍然主要依賴日韓供應商,。


        4、液晶材料


        液晶材料是液晶面板的關鍵基礎材料。


        任何液晶單體都只具有一方面或幾方面的優良性能,因此通常選用多種液晶單體,調制成綜合性能優異的混合液晶,以滿足顯示用液晶材料的各項性能要求。


        圖片來源:群創光電官網


        液晶材料的制備對原料純度和生產工藝要求嚴格,目前全球高端液晶材料的供應商主要以三大廠商為主,德國MERCK、日本CHISSO、日本DIC,三家企業構建了嚴密的專利網,占據了全球大約95%的市場份額,長期壟斷該高端產品市場。



        目前,國內生產液晶材料的企業多數以生產中間體、單體為主,且以TN、HTN、STN型系列的中低端液晶材料為主,TFT混合液晶則主要依賴進口。


        國內企業生產的液晶中間體和單體液晶,出口給國外廠商合成TFT混合液晶產品。由于中間體化合物到成品液晶材料技術難度大,外企獲取了超過67%的壟斷利潤。


        圖片來源:顯華化工官網


        5、OLED發光材料


        OLED發光材料是OLED顯示面板配套的關鍵材料,其在OLED中的面板成本占比約為12%,是OLED產業鏈中技術壁壘最高的領域,市場競爭小、毛利率高。



        目前全球OLED發光材料的供應權基本掌握在海外廠商手中。綠光材料的主要供應商為三星SDI、默克公司;紅光材料的主要供應商為陶氏化學;藍光材料主要由出光興產供應。



        國內OLED有機材料產品主要是技術含量低的中間體和單體粗品,高純度升華品較少。



        究其原因,主要是國內企業在終端材料上的研發起步較晚,缺乏關鍵的材料專利,限制了單體材料向終端材料制造工藝的發展。



        航空材料


        航空材料泛指用于制造航空飛行器的材料,其中機體材料和發動機材料是重要的結構材料。


        據《2025年航空技術發展預測報告》中指出,在43項航空技術中,航空材料重要性位居第二,“一代材料,一代飛機” 成了世界航空發展史的一個真實寫照。


        我國目前的航空材料現狀與新一代航空產品對材料的需求之間尚存在較大的差距,成為制約我國航空產業發展的重要因素。



        1、高溫合金


        高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基,能在600°C以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料,是制造航空發動機熱端部件的關鍵材料。


        在世界先進航空發動機研制中,高溫合金用量已占到發動機總量的40%-60%。


        圖片來源:HuffPost官網


        目前,高溫合金主要應用于航空發動機的四大熱端部件:燃料室,導向器,渦輪葉片和渦輪盤。此外,還用于機匣,環件和尾噴口等部件。由于航空發動機結構較為復雜,各部位溫度和受力情況等,差別較大,因此對材料的要求和選用就各不相同。



        經過多年的發展,我國的高溫合金產業在研發和生產上都形成了一定的規模和水平,但與發達國家相比還存著一些差距,主要產品還是集中在中低端的應用上。



        我國高溫合金總產能約為1.26萬噸,實際產量約0.8-0.9噸。根據測算,國內高溫合金需求約為3.93萬噸,年市場缺口2萬余噸,特別是航空航天等高端領域的應用主要依賴于進口,進口替代需求緊迫。



        目前,全球每年消費高溫合金材料近28萬噸,市場規模達100億美元。全球范圍內能夠生產航空航天用高溫合金的企業不超過50家,主要集中在美國、俄羅斯、英國、法國、德國、日本和中國。



        隨著我國科技實力的發展,以鋼研高納為代表的一部分企業,已經在科研創新和生產工藝上取得了突破,部分產品可以替代進口,可以預期整個行業也會向著高端化的方向發展。


        2、鋁鋰合金


        鋁鋰合金中鋰既能降低鋁的密度又能提高彈性模量,向鋁金屬中每添加1%的鋰,鋁合金的密度就下降約3%,而其彈性模量則會上升約6%。


        鋁鋰合金的成本大約只是碳纖維增強塑料的10%,從而成為碳纖維增強塑料強有力的競爭產品,是航空航天材料中發展最為迅速的一種先進輕量化結構材料。國產大型客機C919就大范圍采用了鋁鋰合金。


        圖片來源:aeronauticapy.com



        據統計,美國鋁業公司是全球鋁鋰合金產能、產量最大的生產企業,約占全球份額的55%;俄羅斯鋁業聯合公司約占25%,其他企業合計約占20%。


        國內的西南鋁業也能生產鋁鋰合金,不過還未形成大規模量產的能力,遠遠不能滿足國產大飛機的需求。江蘇豪然采用的是噴射成形制造鋁鋰合金,但目前還未進行規模化生產。



        未來,獨立開發和研制新型高強、高損傷容限鋁鋰合金是我國鋁鋰合金發展的重要方向。


        3、高端合金鋼


        每架大飛機的起落架用特種高強度鋼約有15噸,目前美國九成以上飛機起落架材料由美國國際鎳公司研發的300M鋼擔綱,其強度在1900-2100MPa,相當于20000個大氣壓。



        世界高品質不銹鋼生產國主要集中在西歐、美國、日本等,其年產量約占世界總產量的75%。其中,瑞典的高品質不銹鋼在世界不銹鋼產量中的比例最高。


        在鋼鐵行業,5個PPM的頂級鋼是高端軸承所需要的。高端軸承用鋼的研發、制造與銷售基本上被世界軸承巨頭美國鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。



        目前,我國的高端合金鋼材研制水準與歐洲、俄羅斯相比基本相當或略有優勢,但在材料創新基礎研究能力,尤其是高純度熔煉技術方面與美國還有較大差距,存在很大提升空間。



        此外,在新一代數字化和智能化控軋控冷技術、先進熱處理技術、變截面軋制技術、溫度梯度軋制技術、高精度軋制技術方面,我們與美國、日本還有不小的差距,有的還停留在實驗室階段。


        4、碳纖維


        碳纖維是指由碳元素組成的纖維,標準彈性率碳纖維的碳素含量在90%以上,高彈性率碳纖維就幾乎是由100%的碳素組成,主要特點是質量輕且強度高,高端應用集中在飛機的機身、主翼、尾翼等部位。


        圖片來源:Composites Manufacturing Magazine


        目前我國碳纖維的‘卡脖子’問題主要在下游應用環節,即復合材料和制品方面。



        碳纖維復合材料中的關鍵復合輔材是環氧樹脂,它的附著力很強,能將碳纖維粘接在一起。但目前國內生產的高端碳纖維,所使用的環氧樹脂全部依賴于進口。


        2018年中復神鷹T1000級碳纖維工程化取得突破性進展,其百噸級T1000碳纖維生產線實現投產且運行平穩,但受限于產能原因高端材料仍然依賴進口。



        現在國際碳纖維材料市場,小絲束碳纖維技術目前被日本東麗、帝人東邦和三菱化學等企業控制,市場占有率70%;大絲束碳纖維由美國卓爾泰克(2013年已被日本東麗收購)、德國西格里、福塔菲爾、阿爾迪拉控制,市場占有率80%左右。



        碳纖維及其復合材料對支撐我國制造業轉型升級、保障國防安全等具有重要作用,因此提高國產碳纖維的研發和大批量穩定生產能力迫在眉睫。


        5、聚酰亞胺


        聚酰亞胺是指主鏈上含有酰亞胺環(-CO-NH-CO-)的一類聚合物,是綜合性能最佳的有機高分子材料之一,其耐高溫達400℃以上,長期使用溫度范圍為-200-300℃,無明顯熔點,絕緣性能佳,應用前景廣闊。



        聚酰亞胺材料在航空航天、軍事、高端電子等敏感領域有著難以替代的作用,國外的大多數聚酰亞胺原材料、技術和產品對我國實行了嚴格的封鎖。


        德國、英國、法國,美國,日本,韓國等掌握著核心科技。國內目前僅在中低端聚酰亞胺薄膜及聚酰亞胺纖維等少數領域實現了量產,但還存在生產規模小、產品較為單一、產品精細化程度不夠等問題。





        據相關報告顯示,2017年國內聚酰亞胺的進口量為2846噸,進口依賴度達到了41.6%。


        6、對位芳綸




        對位芳綸是一種綜合性能優異的纖維絲,具有高強、高模、阻燃等性能,是航空航天、信息技術、國防和汽車工業等領域重要的基礎材料,具有廣闊的市場前景。




        自20世紀70年代美國杜邦成功進行對位芳綸產業化之后,主要生產技術始終掌握在美日等國際巨頭手中,被視作一種戰略性物資材料,對中國實行禁運禁售。


        2011年5月,泰和新材率先發布公告宣布實現對位芳綸的產業化生產,完成了從實驗室到商業化生產的飛躍,進入國內市場。




        泰和新材和中藍晨光已經掌握千噸級對位芳綸生產技術,國產化進程中的問題和機遇并存。




        當下,國內對位芳綸的市場局面是國產率不足。據相關數據統計,2017年國產對位芳綸消耗量在9000噸左右,國產供給占比僅占10%-15%,其余全部來自進口。


        未來,國內對位芳綸生產企業應該推進對位芳綸產品集群建設,突出鏈條化、多元化、規模化發展,提升產品集群綜合競爭力,盡早實現大規模的進口替代。



        新能源電池


        1、鋰離子電池隔膜



        鋰離子電池隔膜的主要作用是使電池的正、負極分隔開來,防止兩極接觸而短路,此外還具有能使電解質離子通過的功能,是電池的四大核心材料之一。


        圖片來源:Science Direct



        目前,全球鋰離子電池隔膜材料的市場份額主要由日韓企業掌握。旭化成、東麗和SKI三家企業占據了全球超過50%的市場份額。


        國內隔膜行業結構性產能過剩,市場上出現兩極分化的局面。一方面,供應于3C類電池市場的中低端產品產能明顯過剩,產能利用率在50%左右。另一方面,高端動力電池隔膜供不應求,其中高端濕法隔膜進口比例超過90%。





        鋰離子電池隔膜制備的技術難點在于造孔的工程技術和制造設備。


        國產隔膜普遍存在的問題是一致性有待提高,主要體現在不規律的缺陷、厚度、孔隙率、孔隙分布以及孔徑分布等方面。




        以上為小編梳理的20種亟需進口替代的關鍵材料。材料作為先進制造業等新興產業的基石,其研發和產業進程將成為我國實現制造業強國的關鍵支撐。



        那么,進口替代浪潮下,新材料企業都有哪些的機遇與挑戰?


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        2018中國鋰電產業發展峰會

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