我國新材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以特種功能材料、現(xiàn)代高分子材料和高端金屬結(jié)構(gòu)材料為主，分別占比32%、24%和19%。具體而言，江蘇、山東、浙江和廣東4省新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過1萬億元。福建、安徽、湖北次之，規(guī)模超5000億元。長三角新材料產(chǎn)業(yè)關(guān)注新能源汽車、生物、電子等領(lǐng)域，珠三角側(cè)重于高性能復(fù)合材料等的研發(fā)，環(huán)渤海地區(qū)則對特種材料、前沿材料較為重視。
預(yù)計(jì)到2025年，我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值實(shí)現(xiàn)10萬億元。那么，在現(xiàn)已取得成績的基礎(chǔ)上，下一步，我國新材料產(chǎn)業(yè)需要在哪些方向上發(fā)力？
方向一：輕量化材料
碳纖維
碳纖維是由聚丙烯腈或?yàn)r青、粘膠等有機(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈結(jié)構(gòu)無機(jī)纖維，作為高性能材料誕生于上世紀(jì)50年代。
碳纖維具備出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。作為目前實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高比強(qiáng)度（強(qiáng)度比密度）和最高比剛度（模度比密度）的纖維，是新材料領(lǐng)域用途最廣泛、市場化最高的材料，被譽(yù)為“新材料之王”。按照每束碳纖維中單絲根數(shù)，碳纖維一般分為小絲束和大絲束兩個(gè)類別。小絲束性能更優(yōu)但價(jià)格較高，一般用于航天軍工等高科技領(lǐng)域以及高端體育用品；大絲束成本較低，往往應(yīng)用于基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域，包括土木建筑、交通運(yùn)輸和能源設(shè)備等。
此外，碳纖維在其他應(yīng)用領(lǐng)域還有很大潛力可以挖掘。比如，碳纖維和鋁合金同屬替換鋼材的輕量化材料，碳纖維在強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等性能上都占優(yōu)，并且在飛機(jī)部件、高性能汽車車架、自行車架等產(chǎn)品上比鋁合金都有更好的表現(xiàn)。
2020年，全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能為17.165萬噸，比2019年增加10.8%。美國、中國、日本承擔(dān)了主要產(chǎn)能，分別占21.7%、21.1%、17%。
作為資本密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，全球碳纖維核心生產(chǎn)技術(shù)集中在日本、美國和歐洲。中國、韓國屬于近年來快速增長的產(chǎn)業(yè)區(qū)域。
企業(yè)方面，日本東麗株式會社在收購美國卓爾泰克公司后從技術(shù)和產(chǎn)能上都明顯領(lǐng)跑業(yè)界，擁有全球約30%的產(chǎn)能，是絕對的龍頭企業(yè)。其他主要的海外廠商包括日本東邦化學(xué)工業(yè)株式會社、日本三菱麗陽株式會社、美國赫氏公司、德國西德里集團(tuán)、臺灣臺塑集團(tuán)等。
中國作為世界第二大碳纖維生產(chǎn)國，多年來一直有企業(yè)多、需求大、產(chǎn)能高、產(chǎn)量低的特點(diǎn)。主要原因在于與國外產(chǎn)品競爭處于劣勢，導(dǎo)致國產(chǎn)碳纖維需求低。再加上企業(yè)技術(shù)落后，導(dǎo)致產(chǎn)能無法充分釋放。在產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用方面，長期“摸著日本東麗公司過河”，以仿制為主。
鋁合金汽車車身板
鋁合金是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的合金，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。在國家節(jié)能減排政策導(dǎo)向下，汽車行業(yè)僅僅通過設(shè)計(jì)優(yōu)化汽車能耗已很難達(dá)到國家越來越嚴(yán)格的燃油排放標(biāo)準(zhǔn)，因此汽車的輕質(zhì)化是行業(yè)確定的發(fā)展方向。而鋁合金是汽車實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)的關(guān)鍵材料。汽車用鋁合金主要分為4種：鑄造鋁材、鍛造鋁材、擠壓鋁材和壓延鋁材。使用最多的是鑄造鋁材，占比超過70%。鋁合金車身板屬于壓延鋁材，約占汽車用鋁量的10%～15%，可用于生產(chǎn)如引擎蓋等多個(gè)汽車車身的大型部件。
2020年全球汽車鋁板年產(chǎn)能在390萬噸附近，集中在歐洲、北美和日本。規(guī)模較大的公司主要有：歐洲海德魯鋁業(yè)公司、奧地利金屬公司，北美美國鋁業(yè)公司、美國肯聯(lián)鋁業(yè)公司、美國特殊合金公司，日本株式會社神戶制鋼所、日本聯(lián)合鋁業(yè)公司，印度諾貝麗斯公司等。其中，美國企業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展和全球化布局，逐漸在市場取得領(lǐng)先地位。歐洲企業(yè)在市場競爭中舉步維艱。日本企業(yè)則選擇了擁抱美國企業(yè)，合作建立工廠。
中國汽車鋁板年產(chǎn)能約102萬噸，占全球比重約26.2%，居世界第二，但產(chǎn)能多為淘汰產(chǎn)能和落后產(chǎn)能，2020年綜合開工率僅20%，產(chǎn)能利用率嚴(yán)重偏低。目前中國在汽車鋁合金零部件的生產(chǎn)使用上已經(jīng)形成規(guī)模，但鋁合金車身板的研發(fā)生產(chǎn)進(jìn)步緩慢，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。
方向二：航空航天材料
聚酰亞胺
聚酰亞胺是綜合性能突出的有機(jī)高分子材料，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)最有希望的工程塑料之一”。聚酰亞胺沒有明顯熔點(diǎn)，是目前能夠?qū)嶋H應(yīng)用的最耐高溫的高分子材料。同時(shí)，該材料還具有高絕緣強(qiáng)度、耐溶、耐輻照、保溫絕熱、無毒、吸聲降噪、易安裝維護(hù)等特點(diǎn)，在航空航天、高端電子元器件、半導(dǎo)體等多個(gè)尖端領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值，在材料更新迭代方面扮演著重要角色。目前，全球聚酰亞胺市場需求不斷增長，但很多高端聚酰亞胺產(chǎn)品、特種功能聚酰亞胺產(chǎn)品的生產(chǎn)仍被少數(shù)發(fā)達(dá)國家壟斷，相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)被嚴(yán)格保護(hù)。
2017年，全球聚酰亞胺總產(chǎn)量達(dá)14.9萬噸左右，2010～2017年間年復(fù)合增長率約4.98%。同年，全球聚酰亞胺消費(fèi)量達(dá)14.7萬噸，2010～2017年間年復(fù)合增長率約4.92%。由于各國技術(shù)水平、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)等方面的差異，不同國家生產(chǎn)的聚酰亞胺產(chǎn)品結(jié)構(gòu)明顯不同。以美國、日本為代表的發(fā)達(dá)國家擁有比較完善的技術(shù)儲備和產(chǎn)業(yè)布局，具備大規(guī)模生產(chǎn)多種聚酰亞胺產(chǎn)品的能力。90%以上的市場份額掌握在這些國家的生產(chǎn)商手中。這些國家對聚酰亞胺薄膜的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)。美國杜邦公司，日本宇部興產(chǎn)株式會社、鐘淵化學(xué)工業(yè)株式會社、三菱瓦斯化學(xué)株式會社，韓國聚酰亞胺尖端素材公司以及中國臺灣地區(qū)達(dá)邁科技公司是當(dāng)前全球聚酰亞胺薄膜的主要生產(chǎn)商。
目前中國已在中低端聚酰亞胺薄膜、聚酰亞胺纖維領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，在電工級聚酰亞胺薄膜領(lǐng)域也獲得全球競爭力。但是，高端聚酰亞胺薄膜以及其他高端聚酰亞胺產(chǎn)品仍面臨“卡脖子”或產(chǎn)能不足的問題，導(dǎo)致明顯的結(jié)構(gòu)性供需失衡。
碳化硅纖維
碳化硅纖維是繼碳纖維之后發(fā)展的又一種新型高性能纖維，屬于國家戰(zhàn)略性新興材料。碳化硅纖維是一種以有機(jī)硅化合物為原料，經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得的具有β-碳化硅結(jié)構(gòu)的無機(jī)纖維，屬于陶瓷纖維一類。自20世紀(jì)80年代問世以來，碳化硅纖維已有3次明顯的產(chǎn)品迭代，其耐熱性與強(qiáng)度都得到了明顯增強(qiáng)。目前，第三代碳化硅纖維的最高耐熱溫度達(dá)1800～1900攝氏度，耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維。材料強(qiáng)度方面，第三代碳化硅纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)2.5～4吉帕，拉伸模量達(dá)290～400吉帕，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80%以上。碳化硅纖維的潛在應(yīng)用包括耐熱材料、耐腐蝕材料、纖維增強(qiáng)金屬、裝甲陶瓷、增強(qiáng)材料等方向，在航空航天、軍工裝備、民用航空器等領(lǐng)域有較高使用價(jià)值。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2015年全球連續(xù)碳化硅纖維的總產(chǎn)量達(dá)300噸，市場估值為2.5億美元左右。隨著美日主要生產(chǎn)商進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)，中國、中東生產(chǎn)商入局，預(yù)計(jì)世界碳化硅纖維總產(chǎn)量至2025年有望增長至500噸左右，2026年市場規(guī)模將增長至35.87億美元。
1975年，日本東北大學(xué)矢島圣使教授使用聚碳硅烷作為原材料，利用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法，成功制作出無機(jī)碳化硅纖維。20世紀(jì)80年代末，日本宇部興產(chǎn)公司和日本碳素公司先后實(shí)現(xiàn)了碳化硅纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，碳化硅纖維的大規(guī)模生產(chǎn)在日本率先展開。目前這兩家日本企業(yè)的碳化硅纖維產(chǎn)品產(chǎn)量最大，能達(dá)到百噸級。
中國對高性能連續(xù)碳化硅纖維產(chǎn)品的研究始于上世紀(jì)80年代，經(jīng)過30余年的發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)質(zhì)性突破。截至目前，國產(chǎn)碳化硅纖維產(chǎn)品性能已接近國外第二代產(chǎn)品水平。但由于連續(xù)碳化硅纖維在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域有極高的應(yīng)用價(jià)值，屬于軍事敏感物資，因此發(fā)達(dá)國家對碳化硅纖維產(chǎn)品、技術(shù)實(shí)施嚴(yán)格的保密封鎖。中國只能依靠自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)高性能碳化硅纖維的國產(chǎn)化并進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。
方向三：半導(dǎo)體材料
硅片
硅片位于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游，是半導(dǎo)體器件和太陽能電池的主要原材料，主要應(yīng)用于光伏和半導(dǎo)體兩個(gè)領(lǐng)域。12英寸硅片仍然是當(dāng)今硅片市場的主流。
2020年，全球前五大硅片提供商分別為日本信越化學(xué)工業(yè)株式會社、日本勝高科技株式會社、中國臺灣環(huán)球晶圓公司、德國世創(chuàng)公司、韓國鮮京矽特隆公司，市場占有率合計(jì)超過80%。
中國是世界上最大的光伏用單晶硅片生產(chǎn)國。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，中國單晶硅片產(chǎn)能為115吉瓦，占全球的97.6%。但中國在2017年以前12英寸硅片全部依賴進(jìn)口。目前也僅有少數(shù)幾家企業(yè)具有8英寸硅片的生產(chǎn)力。
碳化硅
碳化硅是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，也是第三代半導(dǎo)體的代表材料。碳化硅材料具有化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。采用碳化硅材料的產(chǎn)品，與相同電氣參數(shù)的產(chǎn)品比較，可縮小50%體積，降低80%能量損耗。由于這些特性，世界各國對碳化硅材料非常重視，紛紛投入大量精力促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)研發(fā)。隨著技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降，應(yīng)用在各類功率器件上。近年來碳化硅功率器件在新能源汽車領(lǐng)域滲透率持續(xù)上升，碳化硅將是未來新能源、5G通信領(lǐng)域中器件的重要原材料。
碳化硅生產(chǎn)過程分為單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。碳化硅產(chǎn)業(yè)存在較高的技術(shù)門檻，研發(fā)時(shí)間長，美國、歐洲、日本等國家與地區(qū)多年來不斷改良碳化硅單晶的制備技術(shù)、研發(fā)制造相關(guān)設(shè)備，在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都具有較大優(yōu)勢。
目前，全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國獨(dú)大的特點(diǎn)。以重要產(chǎn)品導(dǎo)電型碳化硅晶片為例。2018年美國占有全球產(chǎn)量的70%以上，僅科銳公司一家就占據(jù)62%的市場份額。其旗下的沃爾夫斯比得公司擁有垂直一體化的生產(chǎn)能力，在功率和射頻器件市場具有領(lǐng)導(dǎo)地位。剩余大部分被日本和歐洲的其他企業(yè)占據(jù)。中國企業(yè)僅占1.7%的份額。
近年來代工企業(yè)也在增多。大陸與中國臺灣地區(qū)企業(yè)逐步進(jìn)入，代工企業(yè)包括大陸的廈門三安集成電路有限公司、中國臺灣的漢磊科技股份有限公司等。
濺射靶材
濺射靶材是集成電路的核心材料之一，其下游應(yīng)用場景主要包括半導(dǎo)體、面板、太陽能電池。隨著消費(fèi)電子終端市場的發(fā)展與完善，高純金屬濺射靶材的下游需求不斷上升。2013～2020年全球靶材市場規(guī)模的復(fù)合增速達(dá)14%，市場規(guī)模逐漸擴(kuò)大。
濺射靶材的產(chǎn)業(yè)壁壘較高。全球范圍內(nèi)，濺射靶材產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)參與企業(yè)數(shù)量基本呈金字塔型分布。高純?yōu)R射靶材制造環(huán)節(jié)技術(shù)門檻高、設(shè)備投資大，具有規(guī)模化生產(chǎn)能力的企業(yè)數(shù)量相對較少，主要分布在美國、日本等國家和地區(qū)。目前全球?yàn)R射靶材主要有4家企業(yè)，分別是日本JX日礦日石金屬株式會社、美國霍尼韋爾公司、日本東曹株式會社和美國普萊克斯公司，市場占比分別為30%、20%、20%和10%，合計(jì)占據(jù)全球80%的市場份額。
中國濺射靶材產(chǎn)業(yè)起步較晚，較為落后，國產(chǎn)替代空間大。據(jù)測算，2019年國內(nèi)需求占全球?yàn)R射靶材市場規(guī)模超過30%，而本土廠商供給約占國內(nèi)市場的30%，高端濺射靶材主要從美日韓進(jìn)口，國內(nèi)濺射靶材市場至少有10倍的進(jìn)口替代空間。僅就半導(dǎo)體用戶濺射靶材而言，據(jù)中國電子材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2020年國內(nèi)半導(dǎo)體領(lǐng)域用濺射靶材市場規(guī)模為16.15億元人民幣。預(yù)計(jì)到2025年，國內(nèi)晶圓制造用濺射靶材市場規(guī)模將增長至2.17億美元，封裝領(lǐng)域用濺射靶材將增長至1.18億美元，合計(jì)3.35億美元，大約是23.45億元人民幣左右。
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