我國新材料產業(yè)正處于由中低端產品自給自足向中高端產品自主研發(fā)、進口替代的過渡階段;國內高端新材料技術和生產偏弱,近年來產能雖有顯著提高, 但未能滿足國內高端產品需求,材料強國之路任重而道遠。
我國新材料產業(yè)正處于由中低端產品自給自足向中高端產品自主研發(fā)、進口替代的過渡階段;國內高端新材料技術和生產偏弱,近年來產能雖有顯著提高, 但未能滿足國內高端產品需求,材料強國之路任重而道遠。
本文對于具有國產化提升潛力的新材料細分領域進行梳理,共七個主要方向供讀者參考。
碳纖維以其出色的性能被用于航空航天、汽車等多個領域。我國碳纖維產業(yè)存在產能利用低、高端產品少的問題。實現碳纖維規(guī)模生產和應用開發(fā)的雙自主化,是提升我國國防實力和保障供應鏈穩(wěn)定的關鍵。鋁合金車身板應用在汽車最重的車身,是實現輕量化目標的關鍵材料。我國生產工藝復雜的鋁合金車身板部分已經開始出口。鋁合金車身 板國產化是我國汽車產業(yè)提高競爭力,幫助國家實現節(jié)能減排目標的關鍵。
聚酰亞胺(PI)在航空航天、高端電子元器件、半導體等多個尖端領域有很高應用價值。我國在高端 PI 薄膜以及其他高端 PI 產品仍面臨“卡脖子”問題。碳化硅纖維(SiC 纖維)是繼碳纖維之后發(fā)展的又一種新型高性能纖維。全球來看碳化硅纖維技術仍在快速發(fā)展和迭代,中國企業(yè)有望迎來彎道超車的機遇。
硅片是半導體器件和太陽能電池的主要原材料。光伏用硅片產能大多集中在我國,生產技術水平全球領先。半導體硅片制作工藝更為復雜,部分國內企業(yè)正努力打破技術壁壘。碳化硅是功率器件的重要原材料,產業(yè)格局呈現美國獨大的特點;近年來該材料不斷在電動車、 光伏、智能電網等領域滲透,擁有強勁的下游需求。濺射靶材是集成電路的 核心材料之一;2013-2020 年全球靶材市場規(guī)模的復合增速達14%。
聚酰胺(PA)材料受制于國外企業(yè)對于原材料生產技術的技術壁壘。在“碳中和”及“以塑代鋼”政策背景下,該材料國產替代對我國新能源產業(yè)、電子通信、交通運輸等領域的發(fā)展進步具有重大意義。聚苯硫醚是一種具備優(yōu)異的物理化學性質的特種工程塑料,對汽車輕量化、大氣污染防治做出了重要的貢獻。聚乳酸因其優(yōu)異的機械性、環(huán)保性等特點而廣泛應用于醫(yī)藥設備及 3D 打印等諸多領域,但進口依存度較大。
電子漿料是制造厚膜電阻等電子元件的關鍵,廣泛應用于在光伏、航空、軍事等領域;目前國內電子漿料龍頭企業(yè)正致力于生產高質量、高性價比的電子漿料,市占率有較大提升空間。電子陶瓷可廣泛應用于通信、工業(yè)、汽車等領域,其中 MLCC 作為產量和需 求量最大的電子陶瓷,與電子元器件市場發(fā)展趨勢和國家政策導向相匹配。
聚苯醚樹脂被廣泛用于電氣機械、IT、汽 車、軍工等,改性聚苯醚在全球的市場需求和消費量逐年上升。對位芳綸產 業(yè)集中程度較高,目前國內對位芳綸產能自給率約 20%左右,進口依賴嚴重。高吸水性樹脂(SAP)具有吸水性好、價格適中、安全性好等特點,預計 2025 年全球 SAP 需求量將增長至 440 萬噸。國內人口老齡化趨勢加重,疊加生育政策放開,預計 2023 年中國 SAP 市場規(guī)模將達到 145.1 億元。
光學膜廣泛應用在電子顯示、建筑、 汽車、新能源等,目前我國在中低端光學膜領域已經實現國產替代。在高端光學膜領域,我國企業(yè)正通過內生、外延兩種方式尋求技術突破和產業(yè)升級。光刻膠是一種在半導體制造、PCB、面板行業(yè)中使用的尖端材料。當前我國光刻膠國產化比例很低,高端半導體光刻膠基本完全依賴進口,突破光刻膠的海外技術壟斷已經成為我國科技前沿攻關的關鍵環(huán)節(jié)。OLED是全球新一代顯示技術的代表,有望在手機面板領域成為主流顯示技術。我國生產商在OLED面板產業(yè)中積極擴產,未來產能增長較快,國產化OLED材料潛在需求旺盛。在高價值的發(fā)光材料成品領域中,我國已經初步實現國產替代,部 分細分產品已實現向國內面板廠商的大批量供貨,但在技術和產能上和國際領先水平仍有差距,國際競爭力仍有較大增強空間。
我國新材料產業(yè)正處于由中低端產品自給自足向中高端產品自主研發(fā)、進口替代的過渡階段,位于全球新材料產業(yè)的第二梯隊,與美、日等優(yōu)勢企業(yè)還有一定的差距。2020 年 我國新材料總產值達到 5.3 萬億元,較上一年增長 15%,預計 2025 年新材料產業(yè)總產 值增加至 10 萬億,年復合增長率約為 13.5%。產業(yè)結構呈以特種功能材料、現代高分 子材料和高端金屬結構材料為主要分布,分別占比 32%、24%和 19%。
新材料產業(yè)集聚效應顯著,細分方向領域地理分布各有側重。江蘇、山東、浙江和廣東四省新能源規(guī)模超過 10000 億,福建、安徽、湖北次之,規(guī)模超 5000 億。長三角新材 料產業(yè)關注新能源汽車、生物、電子等領域,珠三角側重于高性能復合材料等的研發(fā), 環(huán)渤海地區(qū)則對特種材料、前沿材料較為重視。
隨著國家政策對航天航空、軍事、光伏電子、生物醫(yī)療領域新材料及其下游產品的支持, 市場需求不斷擴大,同時對產品性能的要求持續(xù)提升,新材料企業(yè)產業(yè)規(guī)模急劇擴大、 對企業(yè)、科研人員研發(fā)能力的要求不斷提高。下游消費電子、新能源、半導體、碳纖維等行業(yè)加速向國內轉移,新材料國產化需求迫切,進口替代仍將繼續(xù)推動我國新材料產業(yè)投資的未來發(fā)展。我國新材料領域投資在 2013-2017 年間顯著增加,之后有所回落,其原因是高端材料的開發(fā)技術壁壘高、研發(fā) 周期長、資本需求大、較難凸顯成本優(yōu)勢??苿?chuàng)板的推出正扶持著一批初創(chuàng)期新材料企 業(yè),打通其融資渠道,鼓勵企業(yè)加大研發(fā)創(chuàng)新,從而促進整體行業(yè)轉型升級。
新材料方向之一——輕量化材料
碳纖維材料以其出色的性能被用于航空航天、風電、體育休閑、汽車等多個領域,是新材料領域用途最廣泛、市場化最高的材料,被譽為“新材料之王”。全球碳纖維市場需 求近年快速增長,我國也抓住機遇,發(fā)展成為全球第二大碳纖維生產國。但是,我國碳纖維產業(yè)相比起國外還存在企業(yè)產能利用低、高端產品少、應用開發(fā)難的問題,下游行 業(yè)還是嚴重依賴進口碳纖維產品。在當前國際環(huán)境下,實現碳纖維規(guī)模生產和應用開發(fā) 的雙自主化,是提升我國國防和制造業(yè)實力,保障供應鏈穩(wěn)定的關鍵。
碳纖維(Carbon Fiber)是由聚丙烯腈(PAN)(或瀝青、粘膠)等有機纖維在高溫環(huán)境下裂解 碳化形成的含碳量高于 90%的碳主鏈結構無機纖維,作為高性能材料產于上世紀 60 年 代。碳纖維具備出色的力學性能和化學穩(wěn)定性:作為目前實現大批量生產的高性能纖維 中具有最高比強度(強度比密度)和最高比剛度(模度比密度)的纖維,碳纖維是航空 航天、風電葉片、新能源汽車等具有輕量化需求領域的理想材料。耐腐蝕、耐高溫、膨 脹系數小的特點使其得以作為惡劣環(huán)境下金屬材料的替代;另外,導電導熱特性拓展了 其在通訊電子領域的應用。按照每束碳纖維中單絲根數,碳纖維一般分為小絲束和大絲束兩個類別。小絲束性能更 優(yōu)但價格較高,一般用于航天軍工等高科技領域,以及高端體育用品;大絲束成本較低, 往往應用于基礎工業(yè)領域,包括土木建筑、交通運輸和能源設備等。2020 年,全球碳纖維運行產能為 171650 噸,相比 2019 年增加了 16750 噸,增長率 10.8%。美國、中國、日本承擔了主要的產能,分別占據 21.7%、21.1%、17.0%。當 前各大生產商大約還有 8 萬噸/年未建設完成的擴產計劃,這也體現了廠家對行業(yè)前景 的樂觀預期。需求層面,碳纖維市場的四大應用行業(yè)是航空航天、風電葉片、體育休閑、汽車,2020 年四大下游行業(yè)碳纖維需求量的占比超過 70%,產值占比超過 76%。自 2015 年來,行業(yè)估計世界碳纖維需求量一直保持約 12%的增長,但受疫情影響 2020 年全球對碳纖維需求量總計 10.7 萬噸,相比 2019 年僅增長 3%??備N售金額約 26.15 億美元,同比下降 8.8%,主要原因在于疫情導致航空業(yè)重挫影響了高價值的高性能碳 纖維銷售。風電領域則成為行業(yè)維持增長的主要推動力,碳纖維需求量在疫情下依然保持了 20%的年增長。短期來看,2021 年世界航空業(yè)的恢復和風電設備的大量鋪設能夠讓碳纖維市場回到快 速增長的通道。長期來看,航空業(yè)需要消化 2020 年多余的產能,風電將繼續(xù)作為未來 碳纖維市場增長的主推動力。2020 年 10 月,全球 400 余家風能企業(yè)代表共同發(fā)布《風能北京宣言》,規(guī)劃 2020-2025 年年度新增裝機 5000 萬千瓦以上。在各大風電廠家都 擴產的背景下,目前碳纖維在風電機中的應用還未大規(guī)模鋪開,僅世界風電巨頭維斯塔 斯一家形成了規(guī)?;瘧谩kS著其他風電企業(yè)對碳纖維符合材料的應用開發(fā),風電行業(yè) 對碳纖維的需求可能會成倍增長。預計到 2025 年,世界碳纖維總需求量將超過 20 萬 噸,折合年增長率 13.3%。
此外,碳纖維在其他應用領域還有很大潛力可以挖掘。以主要競爭對手鋁合金為例,碳 纖維和鋁合金同屬替換鋼材的輕量化材料,碳纖維在強度、化學穩(wěn)定性等性能上都占優(yōu), 并且在飛機部件、高性能汽車車架、自行車架等產品相比鋁合金都有更好的表現。但受 累于高昂的價格,目前碳纖維應用大多局限于高附加值產品。2016 年世界鋁材年需求 量約是碳纖維的 500-600 倍,行業(yè)產值約為 50 倍,且受益于汽車工業(yè)的發(fā)展鋁材需求 近年也在快速增長。隨著技術的進步壓低碳纖維的成本,未來碳纖維還有廣闊的市場空 間。
碳纖維產業(yè)作為資本密集型和技術密集型產業(yè),全球碳纖維核心生產技術集中在日本、美國和歐洲。中國、韓國屬于近年來快速增長的產業(yè)區(qū)域。企業(yè)方面,日本東麗(Toray)在收購美國卓爾泰克后從技術和產能上都明顯領跑業(yè)界,擁有世界約 30%的產能,是絕對的龍頭企業(yè)。其他主要的海外廠商包括日本東邦 (Toho/Teijin)、日本三菱麗陽(MCCFC)、美國赫氏(Hexcel)、德國西德里(SGL)、 臺塑(FPC)等。中國作為世界第二大碳纖維生產國,也涌現了諸如吉林碳谷、中復神 鷹、光威復材等碳纖維生產企業(yè),但總體來說低端產品較多,產能較為分散,在高性能 碳纖維領域少有建樹,離行業(yè)巨頭們都還有較大距離。(4)我國的發(fā)展水平、技術壁壘、需求缺口、進口依存度
我國國產碳纖維產業(yè)多年來一直有“企業(yè)多,需求大,高產能,低產量”的特點,主要原因在于與國外產品的競爭劣勢導致國產碳纖維需求低,再加上企業(yè)技術的落后導致無 法充分釋放產能。在產品研發(fā)應用方面,長期“摸著日本東麗過河”,以仿制為主,比較缺乏創(chuàng)新性。碳纖維作為國家重點關注的戰(zhàn)略物資,其產業(yè)發(fā)展直接關系到我國國防 和制造業(yè)的穩(wěn)定。
雖然我國碳纖維產業(yè)發(fā)展態(tài)勢喜人,但從產業(yè)綜合發(fā)展角度看,我國依然只能處于世界中游水平,主要體現在我國的碳纖維應用市場與國際市場有較大不同。
目前,我國有望在風電領域碳纖維應用開拓取得較大進步,2018 年我國生產風電葉片用碳纖維所用 8000 噸全部依賴進口,且客戶大多在國外,2019 年則有 1000 噸來自國 內供應商,實現了零的突破。風電葉片碳纖維當前已經成長為數萬噸級別的市場,如果國內企業(yè)能夠在生產上突破對外國原材料的依賴,并在應用上完成突破,能夠大大改善 國內碳纖維企業(yè)的盈利空間,提高中國碳纖維產業(yè)在國際上的地位,對中國碳纖維產業(yè) 是一次極大提振。
鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的合金,在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè) 中已大量應用。在國家節(jié)能減排的政策導向下,汽車行業(yè)僅僅通過設計優(yōu)化汽車能耗已 很難達到國家越來越嚴格的燃油排放標準,因此汽車的輕質化是行業(yè)確定的發(fā)展方向。鋁合金是汽車行業(yè)輕量化的主力材料,其中鋁合金車身板(Automotive body sheet, ABS)應用在汽車最重的車身,是實現輕量化目標的關鍵材料。目前我國已逐漸打開國 產車用鋁合金市場甚至部分企業(yè)已經開始出口,其中國內企業(yè)和外企在國內工廠均有生 產。鋁合金車身板的國產化是我國汽車產業(yè)提高競爭力,幫助國家實現節(jié)能減排目標的 關鍵。鋁合金是鋁和鎂、銅、硅、錳各種金屬元素的產物,在和鋼結構保持相同強度的條件下, 依舊比鋼架構 50%。鋁合金塑性好,可加工成各種型材,且具有優(yōu)良的導電性、導熱性 和抗蝕性。鋁是自然界含量最多的金屬元素,原材料礦物方便取得。目前鋁材工業(yè)上廣 泛使用,使用量僅次于鋼。且鋁合金的回收率達到 80%,對環(huán)境的破壞較小,是理想 的輕量化材料,被廣泛應用于飛機、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)。以中國為例,中國規(guī)劃 2035 年國內乘用車平均油耗由 2019 年的 5.6L/km 下降到 2L/km,汽車碳排放總量減少 20%。
汽車輕量化作為有效優(yōu)化汽車能耗的方法,成為了行業(yè)節(jié)能減排的重點發(fā)展方向。依照 世界鋁業(yè)協(xié)會的數據,汽車每減少 10%的重量,可減少 6%-8%的排放;每減少 100kg 重量,汽車百公里燃油消耗量能減少 0.4-0.5 升,鋁合金成了各國汽車制造商滿足環(huán)保 政策采用的主要減重手段之一。汽車用鋁合金主要分為四種: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% ,可用于生產如引擎蓋等多個汽車車身的大型部件。中國是世界上最大的原鋁和鋁合金生產國。目前我國在汽車鋁合金零部件的生產使用上 已經形成規(guī)模,但鋁合金車身板的研發(fā)生產進步緩慢,嚴重依賴進口。汽車車身約占汽 車總重量的 30%,是汽車中重量最大的部件,使用鋁合金板代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的鋼板生產汽 車內外板最多可使整車減重 10% 左右,可見鋁合金車身板是汽車輕量化重要的部件。(2)全球產能規(guī)模以及未來對該材料的需求預期2020 年全球汽車鋁板帶年產能約在 390 萬噸附近,集中在北美洲、歐洲和亞洲地區(qū), 中國產能占全球比重約 26.2%,年產能約 102 萬噸,居于世界第二,產能多為淘汰產能和落后產能。從產量和排產計劃看,訂單少,需求量低,產品也大多處于研發(fā)和驗證 階段(部分產品不達標因此接單量較低),2020 年綜合開工率僅 20%,產能利用率嚴 重偏低。在汽車輕量化需求增長的大趨勢下,汽車用鋁需求有很大增長空間。目前汽車產業(yè)用鋁 量在整車重量占比 20%-40%,單車耗鋁量 120-200 公斤。當前燃油車銷量占據市場超 過 90%的份額,是汽車鋁材消耗的主力。未來新能源車市場將成為汽車用鋁的主要增量 市場:多國政府表示希望在 2025 年將新能源車市場占有率提升至 20%及以上,而純電 動車作為主力新能源車品種,平均單車耗鋁量比燃油車高約 30kg。從 2018 年到 2020 年,全球新能源車銷量從約 200 萬輛躍升至 331 萬輛,預計到 2025 年能夠增長至千萬 輛級別。
汽車鋁板是汽車用鋁部件中增長最快的部分:依據 duckerworldwide 的估計,2015 至 2020 年,北美汽車平均用鋁量增長了約 18%,期間汽車“四門兩蓋“平均用鋁量增長 高達 163%。其中,北美汽車引擎蓋鋁化率從 2015 年的 50%升至 2020 年的 63%, 2025 年鋁化率可能超過 80%;車門的鋁化率從 2015 年的 5%升至 2020 年的 21%,至 2025 年可能超過 30%。在需求端的良好預期下,預計至 2025 年世界車用鋁板需求能 夠從現在的 250 萬噸增至超過 400 萬噸。目前全球范圍內汽車鋁板有效產能主要分布在歐洲,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、年邦鋁業(yè)(AMAG);北美美國鋁業(yè)公司、肯聯鋁業(yè) (Constellium)、諾貝麗斯公司、特殊合金公司;日本神戶鋼鐵、日本聯合鋁業(yè)(UACJ) 等公司。美國企業(yè)經過多年發(fā)展和全球化布局的優(yōu)勢,逐漸在市場取得領先地位。美國幾大公司 在世界各大汽車產地投資開設汽車鋁板工廠,利用供應鏈優(yōu)勢占領市場。歐洲企業(yè)在市場競爭中舉步維艱,挪威海德魯公司已宣布于今年 3 月份出售了自己的壓延鋁產線;日 本企業(yè)則選擇了擁抱美國企業(yè),合作建立工廠,2017 年神戶鋼鐵還爆發(fā)了造假事件, 市場地位進一步下降。中國企業(yè)自 2013 年來陸續(xù)開始對汽車鋁板進行研發(fā),目前已小范圍供貨國內外車企。 但目前國內生產廠家 90%的產量為內板,生產技術較為復雜的外板產能以合資廠商諾 貝麗斯、神戶鋼鐵為主。高性能汽車鋁板產能的提升是增強我國企業(yè)競爭力的關鍵。
(4)我國的發(fā)展水平、技術壁壘、需求缺口、進口依存度中國汽車輕量化起步不足十年,對于汽車用鋁的研究較為滯后。在汽車鋁板的研發(fā)上, 存在技術難度高、資金投入大、產品認證緩慢的問題。國內生產企業(yè)大多都沒有技術基礎,整條生產線生產設備均需進口,生產工藝多處于仿制國外階段,目前國外產品依然有較大競爭優(yōu)勢。車用鋁板作為當前汽車輕量化領域發(fā)展最快的方向。新能源車的快速發(fā)展給予了國內企業(yè)機遇:2020年新能源汽車年產量達到136.7萬輛, 自 2018 年復合增長率 11.1%。隨著國家對新能源車產業(yè)的大力支持,部分省市已開始 制定禁售燃油車的時間表,新能源車銷量還會進一步提升。2020 年我國汽車平均單車 用鋁量僅 130 公斤,國產新能源車用鋁量也只有 160 公斤,離歐洲的 179 公斤、北美 的 211 公斤有較大差距,這提升了汽車銷量增長和汽車用鋁量預期,也表明國內汽車用 鋁產業(yè)都還有很大增長潛力。
新材料方向之二——航空航天材料
聚酰亞胺(PI)材料在航空航天、高端電子元器件、半導體等多個尖端領域有著很高的 應用價值,在材料更新迭代方面扮演著重要的角色。目前,全球聚酰亞胺市場需求不斷 增長,但很多高端 PI 產品、特種功能 PI 產品的大批量生產仍被少數發(fā)達國家壟斷,相 關生產技術被嚴格保護。目前,我國已在中低端 PI 薄膜、PI 纖維領域實現大規(guī)模生產, 并在電工級 PI 薄膜領域獲得全球競爭力。但是,高端 PI 薄膜以及其他高端 PI 產品仍 面臨“卡脖子”或產能不足的問題,導致明顯的結構性供需失衡。突破高端聚酰亞胺產 品的大規(guī)模量產對我國制造業(yè)升級、軍備升級換代、自主可控有著重要意義。
聚酰亞胺(PI)是綜合性能突出的有機高分子材料, 被譽為“二十一世紀最有希望的工 程塑料之一”。該材料的使用溫度范圍很廣,能在-200~300℃的環(huán)境下長期工作,短時間耐受 400℃以上的高溫。聚酰亞胺沒有明顯熔點,是目前能夠實際應用的最耐高溫的 高分子材料。同時,該材料還具有高絕緣強度、耐溶、耐輻照、保溫絕熱、無毒、吸聲 降噪、易安裝維護等特點。當前,聚酰亞胺已廣泛應用在航空航天、船舶制造、半導體、 電子工業(yè)、納米材料、柔性顯示、激光等領域。根據具體產品形式的不同,聚酰亞胺可 以細分為 PI 泡沫、PI 薄膜、PI 纖維、PI 基復合材料、PSPI 等多種產品。(2)全球產能規(guī)模以及未來對該材料的需求預期2017 年,全球聚酰亞胺總產量達 14.9 萬噸左右,2010-2017 年間復合年增長率約 4.98%。同年,全球聚酰亞胺消費量達 14.7 萬噸,2010-2017 年間復合年增長率約 4.92%。但 是,由于各國技術水平、主導產業(yè)等方面的差異,不同國家生產的聚酰亞胺產品結構明 顯不同。以美國、日本為代表的發(fā)達國家擁有比較完善的技術儲備和產業(yè)布局,具備大 規(guī)模生產多種聚酰亞胺產品的能力。
PI 薄膜是市場規(guī)模最大的聚酰亞胺細分領域。2010 年以來,智能手機、電子顯示、柔 性電路板等領域快速發(fā)展,驅動 PI 薄膜產業(yè)快速發(fā)展。在 5G 與消費電子創(chuàng)新周期的 驅動下,天線材料、電子元器件、柔性顯示等領域有望維持強勁的發(fā)展勢頭。另外,主 要國家在航空航天領域加大投入,將會拉動高性能特種 PI 膜的需求。
在 PI 泡沫領域,目前產品以滿足軍用艦船、航空器的需求為主,在民用航空業(yè)、豪華 游輪、液化天然氣船方面也有一定使用價值。相比于聚酰亞胺薄膜,聚酰亞胺泡沫材料 的軍事敏感度更高,發(fā)達國家技術封鎖力度更大。隨著全球主要國家軍費開支的穩(wěn)步上 升,聚酰亞胺泡沫材料在軍品更新換代過程中的滲透率有望逐漸上升,驅動該領域市場 穩(wěn)步擴容。PI 薄膜是最主要的聚酰亞胺產品,目前這一領域呈現寡頭壟斷的競爭格局,90%以上 的市場份額掌握在美國、日本、韓國生產商的手中。發(fā)達國家行業(yè)寡頭對 PI 薄膜生產 技術、生產工藝進行嚴格保護。杜邦(Dupont)、日本宇部興產(Ube)、鐘淵化學(Kaneka)、 日本三菱瓦斯 MGC、韓國PI尖端素材(原 SKPI)以及中國臺灣地區(qū)達邁科技(Taimide) 是當前全球聚酰亞胺薄膜的主要生產商。生產高性能 PI 膜對設備定制、制作工藝、技 術人才等方面要求苛刻,且產品具備定制化、差異化的特征。生產商需要豐富的經驗積 累和充足的研發(fā)投入才能產出高性能 PI 膜。因此,高性能、高價值量 PI 膜的進入壁壘很高。
其他聚酰亞胺產品市場與 PI 薄膜市場類似,主要市場份額掌握在少數企業(yè)手中,且以 海外知名公司為主,呈現寡頭競爭的市場格局。其中,光敏型聚酰亞胺的生產基本被日本和美國企業(yè)壟斷。
碳化硅纖維(SiC 纖維)是繼碳纖維之后發(fā)展的又一種新型高性能纖維,屬國家戰(zhàn)略性新興材料。當前,采用碳化硅纖維制造的陶瓷基復合材料在航空發(fā)動機領域的應用價值 非常顯著,西方發(fā)達國家已成功應用此類產品改良航空發(fā)動機多個部件,提升了航空發(fā) 動機的效率。隨著碳化硅纖維性能進一步改善,生產工藝逐步優(yōu)化,未來該材料有望在更多航空 發(fā)動機部件上應用,并有望擴展至其他高價值民用領域,潛在市場空間廣闊。SiC 纖維是一種以有機硅化合物為原料,經紡絲、碳化或氣相沉積而制得的具有β-碳化 硅結構的無機纖維,屬于陶瓷纖維一類。自 20 世紀 80 年代 SiC 纖維問世以來,SiC 纖 維已有三次明顯的產品迭代,其耐熱性與強度都得到了明顯增強。目前,第三代碳化硅 纖維的最高耐熱溫度達 1800-1900℃,耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維。材料強度方面, 第三代碳化硅纖維拉伸強度達 2.5~4GPa,拉伸模量達 290~400GPa,在最高使用溫 度下強度保持率在 80%以上。目前,碳化硅纖維的潛在應用包括耐熱材料、耐腐蝕材 料、纖維增強金屬、裝甲陶瓷、增強材料等方向,在航空航天、軍工裝備、民用航空器 等領域有較高使用價值。SiC 纖維的一個主要用途是制作 SiC 復合陶瓷基材料(CMC 材料)。這種材料是在 SiC 陶瓷基體的基礎上,將 SiC 纖維作為增強材料引入基體中制作而成的,是一種尖端復合 材料。CMC 材料是高溫合金的替代品,相比于高溫合金具有更強的耐熱性、抗氧化性, 同時具有更低的密度。在航空發(fā)動機領域,應用 CMC 材料可以進一步提高渦輪進氣溫 度,進而提升發(fā)動機效率。同時,CMC 材料降低了結構密度,實現了輕量化,提升了 航空器的推重比。因此,SiC 復合陶瓷基材料被認為是臨近空間飛行器、可重復使用航 天器的熱結構部件的理想材料,其研發(fā)和應用得到了主流機構與航空發(fā)動機制造商的高度重視。目前,西方發(fā)達國家生產商已將 CMC 材料應用于多個航空發(fā)動機熱端部件,主要包括 發(fā)動機尾噴口、渦輪靜子葉片、噴管調節(jié)片、燃燒室火焰筒等部位。但是,由于 CMC 材料具有脆性易斷、加工性弱的缺點,其在渦輪轉子、高壓渦輪領域的運用仍在探索中。
(2)全球產能規(guī)模以及未來對該材料的需求預期
據不完全統(tǒng)計,2015 年全球連續(xù)碳化硅纖維的總產量達 300 噸。未來幾年,隨著美日 主要生產商進一步擴產,中國、中東生產商入局,預計世界碳化硅纖維總產量至 2025 年有望增長至 500 噸左右。根據 Stratistics MRC 預測,SiC 纖維市場 2017 年的估值為 2.5 億美元左右。隨著 SiC 纖維的研究工作不斷深入、使用場景逐步增加,其市場需求 有望快速擴大。預計到 2026 年 SiC 纖維的市場規(guī)模將增長至 35.87 億美元,復合年增 長率將達到 34.4%。SiC 下游最主要的應用之一是 CMC 材料,根據 MarketsandMarkets 預測,2021 年全 球 CMC 材料市場的市場規(guī)模達到 88 億美元。未來十年,伴隨著綜合國力的增強以及 國際形勢的不確定性,以中國為代表的主要發(fā)展中國家有望加大航空航天領域的投入力 度,對新一代的航空器及航空發(fā)動機的需求有望大幅提升。在此背景下,憑借輕量化、 高耐熱、抗氧化的顯著優(yōu)勢,SiC 纖維復合陶瓷基材料(CMC 材料)的使用率有望大幅增長。
1975 年,日本東北大學 Yajima(矢島圣使)教授使用聚碳硅烷作為原材料,利用先驅 體轉化法,成功制作出連續(xù)的無機 SiC 纖維。20 世紀 80 年代末,宇部興產公司(Ube Industries)和日本碳素公司(Nippon Carbon)先后實現了 SiC 纖維的工業(yè)化生產,SiC 纖維的大規(guī)模生產在日本率先展開。經歷了幾十年的發(fā)展,美日等發(fā)達國家已經形成了多個代際的 SiC 纖維產品體系,并 推出了高性能、高純度、高價值的第三代 SiC 纖維產品。目前,日本碳素公司(Nippon Carbon)和宇部興產公司(Ube Industries)的 SiC 纖維產品產量最大,能達到百噸 級。(4)我國的發(fā)展水平、技術壁壘、需求缺口、進口依存度連續(xù)碳化硅纖維在航空航天、國防軍工等領域有極高的應用價值,屬于軍事敏感物資。因此,西方發(fā)達國家對碳化硅纖維產品、技術實施嚴格的保密封鎖,中國只能依靠自主 研發(fā)實現高性能碳化硅纖維的國產化。突破碳化硅纖維新材料的大規(guī)模量產,是我國實 現空軍現代化、高性能航空發(fā)動機國產化的重要一環(huán)。考慮到國防安全、自主可控的戰(zhàn) 略意義,以及我國航空制造、空軍裝備的廣闊升級空間,國產高性能碳化硅纖維的潛在 需求巨大。當前,在建軍百年奮斗目標的指引下,國防、軍隊現代化進程有望加速推進, 我國碳化硅纖維行業(yè)將迎來歷史性的發(fā)展機遇。
我國對高性能連續(xù) SiC 纖維產品的研究始于上世紀 80 年代,經過 30 余年的發(fā)展,目 前已經實現了多項關鍵技術的實質性突破。截至目前,中國國產 SiC 纖維產品性能已接近國外第二代 SiC 纖維 產品。
硅片位于半導體產業(yè)鏈上游,是半導體器件和太陽能電池的主要原材料,主要應用于光 伏和半導體兩個領域,下游需求近年來不斷增長。分領域來看,光伏用硅片的產能大多 集中在我國,中環(huán)、隆基等龍頭公司實力強勁,生產技術水平全球領先;半導體硅片相 對于光伏用硅片而言制作工藝更為復雜,應用場景也更多,市場價值更高,然而我國的 半導體硅片產業(yè)起步晚,發(fā)展水平較為落后,全球市場被日本廠家壟斷,市場主流的 12 寸硅片在我國仍未達到規(guī)?;a,嚴重依賴進口,以滬硅產業(yè)為代表的國內企業(yè)正努力打破技術壁壘,國產化替代的空間廣闊。
(1)硅片下游應用廣泛,是半導體器件和光伏電池的重要材料硅是一種良好的半導體材料,耐高溫、抗輻射性能較好,特別適宜制作大功率器件。以 硅為原材料,通過拉單晶制作成硅棒,然后進行切割就形成了硅片。硅片主要用于半導 體、光伏兩大領域,半導體硅片在晶體、形狀、尺寸大小、純度等方面要比光伏用晶片 要求更高,光伏用硅片的純度要求硅含量為 4N-6N 之間(99.99%-99.9999%),半導體 用硅片在 9N-11N(99.9999999%-99.999999999%)左右,制作工藝更加復雜,下游應 用也更為廣泛。半導體用硅片位于產業(yè)鏈的最上游,主要應用于集成電路、分立器件及 傳感器,是制造芯片的關鍵材料,影響著更下游的汽車、計算機等產業(yè)的發(fā)展,是半導 體產業(yè)鏈的基石。(2)光伏用硅片:我國產能領先,龍頭企業(yè)實力強勁光伏產業(yè)是國家戰(zhàn)略新興產業(yè)之一,光伏用硅片位于光伏產業(yè)鏈的上游,近年來其需求 在不斷上升,據 CPIA 預測,全球光伏市場的年裝機量在 2021 年將會達到 150GW, 具有廣闊的市場和發(fā)展前景。我國是世界上最大的光伏用單晶硅片的生產國,據中國有 色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會統(tǒng)計,截至 2019 年底,我國單晶硅片產能為 115GW,占全 球的 97.6%。龍頭企業(yè)隆基和中環(huán)占據國內單晶硅片 50%以上的市場份額,并在持續(xù) 擴張產能的進程之中,新勢力公司上機數控和京運通也在加速擴產。受益于半導體產品的技術進步和下游相關電子消費品的品類增加,半導體硅片的需求量 逐年上升,規(guī)模不斷增長,2020 年全球半導體硅片的出貨量達到 12.41 億平方英寸, 根據 Gartner 的預測,2020 年全球硅片市場的規(guī)模將達到 110 億美元左右,半導體硅 片的市場前景廣闊。
由于半導體硅片行業(yè)技術壁壘較高,當今全球半導體硅片行業(yè)被巨頭壟斷,集中度高, 中國大陸地區(qū)廠商體量小。2020 年全球前五大硅片提供商日本信越化學(Shin-Etsu)、 日本勝高(SUMCO)、中國臺灣環(huán)球晶圓(GlobalWafers)、德國世創(chuàng)(Silitronic)、韓 國鮮京矽特?。⊿KSiltron)市占率合計超過 80%,我國大陸本土廠商滬硅產業(yè)市占率 約 2.2%,體量較小。
硅片尺寸越大,單位晶圓生產效率越高。從 20 世紀 70 年代開始硅片就朝著大尺寸方 向發(fā)展,當今全球最大尺寸的量產型硅片尺寸為 300mm,也就是 12 英寸硅片。12 英 寸晶圓的需求近年來不斷上升,據日本勝高預測,12 英寸晶圓 2020-2024 年的 CAGR 可達 5.1%。全球的半導體硅片產能主要集中在行業(yè)巨頭,我國半導體硅片起步晚,發(fā) 展較為落后,僅有少數幾家企業(yè)具有 200mm(8 英寸)硅片的生產力,我國的 12 英寸 硅片在 2017 年以前全部依賴進口。
制作大硅片對硅的純度要求很高,對倒角、精密磨削的加工工藝也有非常高的要求,我 國的工藝水平落后,尚未實現 12 英寸硅片的規(guī)?;a。滬硅產業(yè)在 2018 年實現了 12 寸硅片規(guī)?;N售,打破了大尺寸硅片國產率為 0 的局面。12 英寸硅片仍然是當今 硅片市場的主流,國內廠商具備追趕機會,大尺寸硅片的國產替代仍然具有較大的空間。為推動半導體硅片這一重要材料的國產化進程,我國政府也出臺了一系列政策來支持產業(yè)發(fā)展,推動大尺寸硅片的研發(fā)制造,促進半導體產業(yè)的發(fā)展。
碳化硅是第三代半導體材料,具有非常優(yōu)越的性能,是功率器件的重要原材料,近年來 各國都投入大量人力物力發(fā)展相關產業(yè)。碳化硅行業(yè)門檻比較高,我國生產技術水平及 較為落后,目前產業(yè)格局呈現美國獨大的特點,僅Cree 一家公司就占據導電型碳化硅 晶片全球 62%的份額。碳化硅市場的發(fā)展前景廣闊,近年來不斷在電動車、光伏、軌道 交通、智能電網等領域滲透,擁有強勁的下游需求,市場規(guī)模不斷擴大。我國也在對碳 化硅全產業(yè)鏈進行布局,今年來相關專利數量不斷上升,以天科合達為代表的晶片生產 廠商的市占率也在逐年提高,我國的碳化硅產業(yè)的未來發(fā)展空間較大。碳化硅是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料,也是第三代半導體材料的代表材料。碳 化硅材料具有很多優(yōu)點:化學性能穩(wěn)定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨耐高壓。采 用碳化硅材料的產品,與相同電氣參數的產品比較,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相關產 業(yè)發(fā)展,國際上的各大半導體巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅器件。隨著技術工藝的成熟、 制備成本的下降,應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域滲 透率持續(xù)上升,是未來新能源、5G 通信領域中 SiC、GaN 器件的重要原材料。碳化硅生產過程分為單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟,對應的是產業(yè)鏈襯底、 外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。碳化硅行業(yè)存在較高的技術門檻,研發(fā)時間長,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、研發(fā)制造相關設備,在 碳化硅產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)都具有較大優(yōu)勢。行業(yè)巨頭 CREE 實力強勁,其旗下的 Wolfspeed 擁有垂直一體化的生產能力,在功率和射頻器件市場具有領導地位;歐洲的英飛凌、意 法半導體等公司擁有完整的碳化硅生產以及應用產業(yè)鏈;日本的羅姆半導體、三菱電機 等在碳化硅功率模塊開發(fā)方面領先;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 步進入,代工企業(yè)包括大陸的三安集成、中國臺灣地區(qū)的漢磊科技等。目前,碳化硅產業(yè)格局呈現美國獨大的特點。以重要產品導電型碳化硅晶片為例,2018 年美國占有全球產量的 70%以上,僅 CREE 一家公司就占據 62%的市場份額,剩余份 額大部分被日本和歐洲的其他企業(yè)占據,中國企業(yè)僅占 1.7%的份額。
(3)新能源汽車、光伏產業(yè)發(fā)展促進碳化硅市場成長
碳化硅是極限功率器件的理想材料,耐高溫高壓,能源轉換效率高,應用領域廣闊。目 前碳化硅功率器件有四個主要應用場景:1)新能源汽車:電機驅動系統(tǒng)中的主逆變器;4)智能電網:固態(tài)變壓器、 柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)。隨著碳化硅功率器件的進一步發(fā)展,其在各個領域的滲透率不斷提高,據 Yole,全球車載 SiC 功率器件的市場空間 為預計到 2024 年可以達到 19.3 億美金,對應 2018-2024 年復合增速達到 29%。據天 科合達招股說明書預測,碳化硅功率器件在光伏逆變器中的占比在2025年將達到50%, 軌道交通中碳化硅器件應用占比也將逐步上升。在電動車和光伏逆變器需求的拉動下,根據 Omdia 預測,碳化硅和氮化鎵功率半導體 的新興市場預計在 2021 年突破 10 億美元;根據 IHS Markit 數據,2018 年碳化硅功率 器件市場規(guī)模約 3.9 億美元,受益于新能源汽車需求增長以及光伏產業(yè)的發(fā)展,預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過 100 億美元,碳化硅行業(yè)的成長動力充足。濺射靶材是集成電路的核心材料之一,近年來向著高濺射率、高純金屬的方向發(fā)展。其 下游應用場景主要包括半導體、面板、太陽能電池,隨著消費電子終端市場的發(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)模的復合增 速達 14%,市場規(guī)模逐漸擴大。濺射靶材的行業(yè)壁壘較高,美國與日本企業(yè)掌握核心技 術,壟斷全球市場。我國的濺射靶材行業(yè)起步較晚,較為落后,但市場需求全球領先, 國產替代空間大。國內企業(yè)正在逐漸突破技術瓶頸,為打破美日壟斷高端靶材市場的不 利局面而努力。濺射是制備薄膜材料的重要技術之一,濺射是指利用離子源產生的離子,在真空中經過 加速聚集而形成高速度能的離子束流,轟擊固體表面,離子和固體表面原子發(fā)生動能交 換,使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面,被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜 的原材料,稱為濺射靶材。集成電路中單元器件內部的介質層、導體層甚至保護層都要 用到濺射鍍膜工藝。超高純金屬及濺射靶材是電子材料的重要組成部分,濺射靶材產業(yè)鏈主要包括金屬提純、 靶材制造、濺射鍍膜和終端應用等環(huán)節(jié)。靶材制造和濺射鍍膜環(huán)節(jié)是整個濺射靶材產業(yè) 鏈中的關鍵環(huán)節(jié),對工藝水平要求高,存在較高的進入壁壘。靶材如今向著高濺射率、 晶粒晶向控制、大尺寸、高純金屬的方向發(fā)展。現在主要的高純金屬濺射靶材包括鋁靶、 鈦靶、鉭靶、鎢鈦靶等,是制備集成電路的核心材料。高純?yōu)R射靶材產品的下游產業(yè)市場容量近年來在逐步擴大:1)半導體產業(yè):隨著智能 手機、平板電腦等終端消費領域對半導體需求的持續(xù)增長,半導體市場容量進一步提升, 半導體行業(yè)所需濺射靶材品種繁多,需求量大,穩(wěn)定的下游市場增速將有力地促進濺射 靶材銷售規(guī)模的增長;2)平板顯示器產業(yè):近年來,液晶顯示器逐漸成為全球主流的 顯示技術,在平面顯示市場中得到了廣泛的應用。為了保證平板顯示器大面積膜層的均 勻性,濺射技術越來越多地被用來制備這些膜層。20 世紀 90 年代以來,消費電子等終端應用市場的飛速發(fā)展推動高純?yōu)R射靶材產業(yè)的發(fā) 展,市場規(guī)模高速增長。2013-2020 年,全球濺射靶材市場規(guī)模預計將從 75.6 億美元 上升至 195.63 億美元,復合增速為 14.42%。國外知名靶材公司在靶材研發(fā)生產方面已有幾十年的沉淀。全球范圍內,濺射靶材產業(yè) 鏈各環(huán)節(jié)參與企業(yè)數量基本呈金字塔型分布,高純?yōu)R射靶材制造環(huán)節(jié)技術門檻高、設備 投資大,具有規(guī)模化生產能力的企業(yè)數量相對較少,主要分布在美國、日本等國家和地 區(qū)。目前全球濺射靶材市場內主要有四家企業(yè),分別是 JX 日礦金屬、霍尼韋爾、東曹 和普萊克斯,市場份額占比分別為 30%、20%、20%和 10%,合計壟斷了全球 80%的 市場份額。其中最高端的晶圓制造靶材市場基本被這四家公司所壟斷,合計約占全球晶 圓制造靶材市場份額的 90%,JX 日礦金屬規(guī)模最大,占全球晶圓制造靶材市場份額比 例為 30%。據測算 2019 年國內需求占全球靶材市場規(guī)模超過 30%,而本土廠商供給約占國內市 場的 30%,高端靶材主要從美日韓進口,國內靶材市場至少有十倍的進口替代空間。僅 就半導體用戶靶材而言,據中國電子材料行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,2020 年國內半導體領域用濺 射靶材市場規(guī)模 16.15 億元人民幣。預計到 2025 年,國內晶圓制造用濺射靶材市場規(guī) 模將增長至 2.17 億美元,封裝領域用濺射靶材將增長至 1.18 億美元,合計 3.35 億美 元,大約是人民幣 23.45 億元人民幣左右。
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