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全球新材料产业发展特征与趋势(附图)

2018-04-13 16:17
科技之窗
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2、各国新材料产业发展趋势

(1)、高新技术发展促使材料不断更新换代

高新技术的快速发展对关键基础材料提出新的挑战和需求,同时材料更新换代又促进了高技术成果的产业化。

如微电子芯片集成度及信息处理速度大幅提高,成本不断降低,硅材料发挥了重要作用;新兴产业如氮化镓等化合物半导体材料的发展,催生了半导体照明技术;LED灯的光效给照明工业带来革命性变化;太阳能电池转换效率不断提高,极大推动了新能源产业发展。镁钛合金等高性能结构材料的加工技术取得突破,成本不断降低,研究与应用重点由航空、航天以及军工扩展到高附加值民用领域。

(2)、绿色、低碳成为新材料发展的重要趋势

新能源产业崛起,拉动上游产业如风机制造、光伏组件、多晶硅等一系列制造业和资源加工业的发展,促进智能电网、电动汽车等输送与终端产品的开发和生产。

欧美等发达国家已经通过立法,促进节能建筑和光伏发电建筑的发展,功能材料向微型化、多功能化、模块集成化、智能化等方向发展以提升材料的性能;纳米技术与先进制造技术的融合将产生体积更小、集成度更高、更加智能化、功能更优异的产品。绿色、低碳的新材料技术及产业化将成为未来发展的主要方向。

(3)、跨国集团在新材料产业中仍占据主导地位

目前,世界著名企业集团凭借其技术研发、资金和人才等优势不断向新材料领域拓展,在高附加值新材料产品中占据主导地位。

尤尼明几乎垄断着国际市场上4N8及以上高端石英砂产品;信越、SUMCO、Siltronic、SunEdison等企业占据国际半导体硅材料市场份额的80%以上。半绝缘砷化镓市场90%以上被日本日立电工、住友电工、三菱化学和德国FCM所占有。

DuPont、Daikin、Hoechst、3M、Ausimont、ATO和ICI等7家公司拥有全球90%的有机氟材料生产能力。美国科锐(Cree)公司的碳化硅衬底制备技术具有很强市场竞争力,飞利浦(Philips)控股的美国Lumileds公司的功率型白光LED国际领先,美、日、德等国企业拥有70%LED外延生长和芯片制备核心专利。

小丝束碳纤维的制造基本被日本的东丽纤维公司、东邦公司、三菱公司和美国的Hexel公司所垄断,而大丝束碳纤维市场则几乎由美国的Fortafil公司、Zoltek公司、Aldila公司和德国的SGL公司4家所占据。美铝、德铝、法铝等世界先进企业在高强高韧铝合金材料的研制生产领域居世界主导地位。美国的Timet、RMI和Allegen Teledyne等三大钛生产企业的总产量占美国钛加工总量的90%,是世界航空级钛材的主要供应商。

(4)、新材料研发模式变革成为关注的重点

21世纪以来,发达国家逐渐意识到依赖于直觉与试错的传统材料研究方法已跟不上工业快速发展的步伐,甚至可能成为制约技术进步的瓶颈。因此,亟需革新材料研发方法,加速材料从研发到应用的进程。

例如,美国政府“材料基因组计划”(MGI),其新材料从发现到应用的速度至少提高一倍,成本至少降低一半,旨在发展以先进材料为基础的高端制造业,并继续保持其在核心科技领域的优势。

3、产品和技术发展趋势

新材料关键核心技术的突破,推动新材料的产品最终实现多功能化、高性能化、智能一体化,进而提高新材料产品的附加值、提高其市场综合竞争力。

(1)、高端金属结构材料

新型金属新材料一直是世界新材料发展的主要材料之一,在未来一段时间内,人造高端医用金属材料、新型铝合金材料、镍钛智能合金材料等将成为高端金属结构材料的主要发展方向。

一是随着英国牛津大学发现了一种具有超常受压扩展能力的新材料——金氰化锌,新型光学压力传感器和人造肌肉等将成为高端金属结构材料的重要发展方向之一;

二是随着加拿大开发新型铝合金技术新计划的实施,未来将重点应用于小汽车、卡车、挂车、公交车以及火车等交通运输设施上,用于减轻交通运输设施的车重,提高运输效率;

三是随着德国萨尔大学研制出的镍钛智能合金材料,将来会大量运用于医用人工器官等领域,尤其是人工肌肉的制造等领域。

(2)、碳纳米半导体材料

近几年来,碳纳米半导体材料逐步展现替代潜力,逐渐向实用化进发。第一代半导体硅材料在大道物理极限之前仍有一定发展潜力,通过改变材料和器件的结构,如绝缘体上的硅技术、多栅极晶体管技术和三维IC技术等,硅基半导体仍然能在一定程度上维持摩尔定律的发展。

此外,基于多栅极晶体管技术的22nm工艺已经进入了批量生产阶段,硅基14nm工艺产品也已经进入批量生产。

(3)、第二代半导体Ⅲ-Ⅴ族半导体材料

目前在高频率晶体管领域应用较广泛,但作为逻辑电路晶体管材料仍然处于研究过程当中。Ⅲ-Ⅴ族半导体在集成电路中的实际使用可能将在2015-2018年间实现。

第三代半导体碳化硅、氮化镓等已经在功率半导体器件领域逐渐商业化,但碳化硅功率器件目前成本较高,性能还有待进一步优化。

(4)、石墨烯材料

在电子器件、光子期间、能源、复合材料等领域业得到广泛的应用研究。因制备石墨烯而获诺贝尔奖的科学家NOVOSELOV,在2012年率领科学家团队对石墨烯的应用前景做出了预测并勾勒了其未来发展路线图,认为石墨烯的电子和光子学应用在2015年实现,而部分应用则要到2025-2030年才能实现。

但发展过程中,带隙、接触电阻问题,以及高质量低成本石墨烯的制备等问题,仍是巨大的挑战。

(5)、智能材料

主要是指电子信息材料、光电材料。智能材料的研究使现行的一些工程问题和安全可靠性检测的概念发生了根本的变化,甚至可能萌发划时代的技术革新。

智能材料的研究已经取得了许多重要进展,以具有传感、执行等功能的电子陶瓷集成在一起而制作的机敏材料及相关结构系统,已在高级轿车和家用电器中获得应用。

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