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孕育中的新材料产业体系的革命变革
基金从业人员远程培训课程：传感器聚焦应用场景较多/增长较快的细分；芯片制造中的前端材料；芯片封装中的后端材料。
编辑于2022-11-17 11:46:28 浙江省- 新材料
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孕育中的新材料产业体系的革命变革
材料产业的挑战
科技创新和产业发展重点领域，新材料是硬科技集群基础
梳理国家三大规划，新材料有众多投资机会
孵化期：天使基金-纳入储备
实验室原始创新概念形成到形成产品原型，尚未商业化或仅少量示范应用
氢气储能
超导磁体储能
功率半导体GaN
柔性电子
形状记忆合金
层状LiPMO4正极
Si/O复合负极
飞秒激光材料表面处理
钙钛矿型（perovskite)太阳能电池
无机固态电解质
移动式氢燃料电池
化学分子感应芯片
锂金属负极
固定式氢化物燃料电池
移动式甲醇燃料电池
氢气储能合金
尖晶石正极
锂硫电池
高温超导线材
单层石墨烯
压电陶瓷
聚合物电解质
低温脱硫脱硝储化剂
固态锂电池
关节/支架生物材料 PES/PEEK
微孔多聚糖止血粉/耗材
立方碳化硼
自修复材料
碳封存材料
锡烯等二维材料
二氧化碳分离膜
介电弹性体
3D打印器官
生物用量子点材料
起步期：成长基金-即将爆发
产品性能达到可商业化程度，实现目标市场渗透率5-10%
稀土发光材料
分子筛膜（渗透汽化膜）
碳纳米管
气凝胶
氟代碳酸酯电解质
高镍NMC正极
超级电容
大尺寸硅材料
固定式氢燃料电池
NCA正极
功率半导体SiC
碳纳米管
3D打印高温合金粉末
大规模海水淡化膜
液态金属
稀土闪烁晶体（碲锌镉CZT)
医用壳聚糖/聚乳酸/海藻酸钠
成长期：并购基金-快速成长中
成本持续下降，性能不断满足大众需求，商业化进程加速 市场渗透率达40-50%
特种镁铝钛合金
电子化学品
透析膜
单晶高温合金
稀土三元储化材料
高纯度多晶硅
稀土磁铁
碳纤维复合材料
纳米墨水材料
柔性显示塑料基板材料
高性能芳纶
离子交换树脂
医疗增强玻璃纤维
生物塑料
ACCC碳纤维复合芯导线
成熟期：并购基金-快速成长中
产品渗透率上升导致商业化速度放缓 市场渗透率持续提升到70-100%
特种橡胶
水处理器
电子纸屏
玻璃纤维冷却塔
特种玻璃
复合绝缘子
非晶合金变压器
衰退期：吸引力低-成熟
技术更迭，需求萎缩 市场渗透率开始下降
铅酸电池
新材料应用领域与技术路线杂乱、碎片化
政府：产业聚集，产业上下游配套，不同产业间协同
资本：下游应用领域与市场需求，不同技术路线竞争比较
行业自身也将面临如何将供给端和需求端快速对接的问题
材料供给端：技术
材料需求端：性能
新能源汽车：高强度、轻量化
光伏：高光电转化效率
锂电池电极：高电导性、高容量密度、高循环次数
风电叶片：轻量化、抗腐蚀
燃料电池：高离子通过速率
医用仿生器械：人体组织亲和性、可降解
航空发动机叶片：超高温条件工况稳定性
碳纤维：高弹性模量、高温性能
传统矛盾：以试错法为主，周期长，无法快速对接
一个跨时代颠覆性的新材料产业体系呼之欲出：类似上世纪80年代末的半导体行业，eg台积电
顶层设计与规划
有吸引力的投资机会
制造技术及装备体系
半导体产业体系提供的模板
80年代末的台积电为代表
设计平台
装备提供商
加工制造、封装、测试：根据测试结果和应用结果迭代芯片设计
未来的材料产业体系
面临全面变革机会
材料计算设计平台
材料装备提供商
加工制造、封装、测试：根据测试结果和应用结果迭代芯片设计
产业体系构建
1.材料计算设计平台
实现材料精准设计的指南针与地图
材料计算设计
数字化信息库
材料实验方法
国外企业举例：Citrine Informatics
业务模式：学术论文-计算平台-设计咨询
核心价值：学术网络效应-大规模获客&AI数据-稳定现金流及行业认可
设计案例：助力波音和通用用于3D打印航空级铝合金，1000万种+10-20年vs100种+3-6个月
融资情况：2018年腾讯携手B&Cholding（比利时）A轮800万美元
2.新能源车
新能源车材料设计
以技术为驱动的三大颠覆性趋势
互联化
轻量化
新能源化
汽车电动化产业链布局
锂电池
上游：材料组件
材料开发
正极
负极
电解质
隔膜
中游：模块集成
电芯生产、下一代锂电池
电池组集成
锂电池系统集成
下游：应用服务
整车集成（碳纤维等整车部件）
共享出行服务
资源回收
梯度利用
燃料电池
上游：材料组件
电池组件
电极
气体扩散
薄膜
催化剂
中游：模块集成
膜电极组件（MEA）
叠层制造
燃料电池系统集成
下游：应用服务
整车集成（碳纤维等整车部件）
共享出行服务
资源回收
梯度利用
电驱系统
上游：材料组件
材料生产
稀土磁体（电机）
半导体材料（电控）
中游：模块集成
模块集成
转子/定子
IGBT等
系统集成
电机
电机控制器
整车控制器
下游：应用服务
整车集成（碳纤维等整车部件）
共享出行服务
资源回收
梯度利用
自动驾驶
上游：材料组件
感应识别设备
摄像头
雷达
识别芯片
识别算法
中游：模块集成
运营服务
电子刹车
电子转向
车身稳定
计算芯片
MCU
ECU
自动驾驶控制程序
下游：应用服务
整车集成（碳纤维等整车部件）
共享出行服务
资源回收
梯度利用
材料设计举例
动力装置
核心零部件
模拟测量保护电路
电池电压转换量测模块
电池平衡驱动芯片
锂电子电池
核心材料
石墨烯
锂电池正极材料
硅基碳纳米管
纳米银浆
公司：CATL、先丰纳米、HYPERION氢
驱动系统
核心零部件
HEV电动机控IGBT模块
变速箱控制功率IC
整车控制VCU
电机控制MCU
核心材料
离子液体
导电聚合物
生物基塑料
气凝胶
公司：BAIC BJEV北汽新能源、HITACHI、DENSO、infineon英飞凌
车身
核心零部件
MOSFET
激光雷达、毫米波雷达等传感器
识别算法芯片
轻质高强度车身部件
核心材料
碳纤维复合材料
减震合金、记忆合金
OLED电极材料
热塑性聚稀氢类材料
公司：LEO、BOSCH、PASTERNACK
新材料对新能源车关键组件带来的变革
电机控制器
绝缘栅双极晶体管（主要半导体元件）
氮化铝-直接敷铜板（热/绝缘性能改善的基板）
元器件及关键材料
成本分解
折旧60-10%
材料360-60%
人工60-10%
管理120-20%
功率模块 200
IGBT/MOSFET
二极管
AlN-DCB层
被动元器件 150
电容器
感应器
材料
石墨烯
离子液体
导电聚合物
电机控制单元 150
电池监控传感
硬件保护
材料
砷化镓（GaAs）
生物基塑料
外壳及冷却 100
外壳
冷却基板
材料
碳纤维树脂
气凝胶
其中 功率模块
成本拆解
折旧20-10%
材料100-50%
人工30-15%
管理50-25%
模块
为功率半导体设备（如IGBT）提供物理防护
允许冷却并与外电路相连
元器件
IGBT/MOSFET 140
材料
大尺寸硅材料
碳化硅（SiC）
氮化镓（GaN）
纳米银浆
AlN-DCB层 30
材料
氮化铝（AlN）
冷却基板 15
材料
硅基碳纳米管
氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）
硅基氮化硅（Si3N4）
外壳、连接器 15
材料
聚对二级甲苯
碳纤维树脂
3.军民融合
高端装备制造是大国崛起的必由之路
军工行业
航空行业
航天行业
船舶工业
兵器工业
电子信息
核工业
金字塔体系结构下的军民融合
武器装备总体
无人机
无人船
反无人机系统
靶机靶弹
小型火箭
系留平台
小型载人飞行器
配套分系统
动力系统
飞控系统
光电系统
通信系统
仿真系统
电子系统
电力系统
信息化系统
机电系统
雷达系统
军品级零部件
各类传感器
光电器件
发动机
桨叶片
电池组件
特种线缆
芯片
电连接器
各类轴承
基础高性能材料
特种钢
各类合金
陶瓷材料
吸波材料
金属间化合物
碳复合材料
薄膜
耐磨材料
核级材料
等各类材料
设计举例：航空航天
飞机制造
产业发展方向
轻量化
高强度
高抗损伤容限度
低湿热环境效应
核心材料
铝合金玻璃纤维复合材料
树脂复合材料
超高强度钢
阻燃耐高温有机材料
公司：波音、空客、中国商飞、BOMBARDIER
航空发动机制造
产业发展方向
抗氧化与腐蚀性
高蠕变强度
耐高温性
极热的热传导性
高化学稳定性
核心材料
单晶弥散强化型高温合金
金属间化合物
C/C复合材料
陶瓷基复合材料及涂层
高温超导线材
公司：GE、中航工业、Rolls-Roys、United Technologie
4. 半导体电子
材料设计
核心底层
通信
传感器
计算（芯片）
对应方向
智能生活
信息装备及消费电子（可穿戴及智能家居等）
工业4.0
机器人及工业自动化（运动系统等）
未来出行
新能源车（电气化及智能化等）
传感器聚焦应用场景较多/增长较快的细分
传感器作为数据入口在未来出行、工业4.0、智能生活整体生态中占据重要地位
年复合增长率（2016-2020）
大于10%
医疗保健行业-生物传感器
汽车行业-图像传感器
家居楼宇行业-图像传感器
8-10%
医疗保健行业-化学传感器、图像传感器、压力传感器
汽车行业-力矩传感器
机器人及机械制造行业-图像传感器
3C消费电子行业-图像传感器、力矩传感器
5-7%
汽车行业-压力传感器
轨道海空等交通设备行业-力矩传感器、压力传感器
机电等流程化产线行业-力矩传感器、压力传感器
机器人及机械制造行业-力矩传感器、压力传感器
家居楼宇行业-力矩传感器、压力传感器
芯片制造中的前端材料
欧美和日韩企业占据垄断地位
UV光源
溅射靶材
2017年全球市场规模：13亿美元
2017年增速：5%
代表公司：honeywell、ULVAC、JX Nippon Mining& Metals、住友化学
透镜
光掩膜版
光掩膜版
2017年全球市场规模：35亿美元
2017年增速：3%
代表公司：TOPPAN、DNP、PHOTRONICS
光刻胶外延层
光刻胶
2017年全球市场规模：80亿美元
2017年增速：5%
代表公司：JSR Life Sciences、tok、ShinEtsu、ROHMIHRRS
衬底（IV/III-V族化合物）
单晶硅Si
2017年全球市场规模：87亿美元
2017年增速：4%
代表公司：GLOBAL FOUNDRIES、siltronic、ShinEtsu、S-MCO、APPLIED MATERIALS
GaAs基板
2017年全球市场规模：7亿美元
2017年增速：9%
代表公司：SKYWORKS、TriQuint SEMCONDUCTOR
GaN
2017年全球市场规模：4亿美元
2017年增速：28%
代表公司：三菱化学、住友化学
SiC基板
2017年全球市场规模：3亿美元
2017年增速：28%
代表公司：CREE
芯片封装中的后端材料
化学试剂
2017年全球市场规模：34亿美元
2017年增速：7%
代表公司：BASF、住友化学、三菱化学、上海新阳
化学气体
2017年全球市场规模：35亿美元
2017年增速：1%
代表公司：AIR PRODUCTS、Air Liquide、THE LINDE GROUP、PRAXAIR
塑封胶
2017年全球市场规模：13亿美元
2017年增速：1%
代表公司：ASE GROUP、长电科技
键合金属丝
2017年全球市场规模：31亿美元
2017年增速：1%
代表公司：Heraeus、住友电工
引线框架
2017年全球市场规模：32亿美元
2017年增速：1%
代表公司：住友金属、HITACHI
封装盖板
2017年全球市场规模：62亿美元
2017年增速：1%
代表公司：住友电工、Panasonic、HITACHI
聚四氟乙烯、铜、阻焊油墨
2017年全球市场规模：610亿美元
2017年增速：3%
代表公司：TIM Technologies、MEKTEC珠海紫翔
5G相关材料兼具技术优势与市场规模
微波介质陶瓷
优势：插入损耗小、介电常数高、功率稳定
应用场景：5G传输中高抑制的系统兼容，陶瓷介质谐振滤波器
未来全球市场规模：2022年140亿人民币
企业：muRata、AVAGO
塑料天线振子
优势：定制化3D激光打印、重量小、成本低
应用场景：5G基站将分布更高密度更多数量的低重量低成本的塑料振子
未来全球市场规模：2022年20亿人民币
企业：KMW
第三代半导体材料（SiC、AlN、GaN）
优势：耐高压、耐高频，耐高温、散热优异
应用场景：高功率IC的散热与封装材料
未来全球市场规模：2023年186亿人民币
企业：CREE、住友电工集团、海古德
PCB高频基板（PTFE、碳氢类树脂、热塑性工程塑料）
优势：传输损耗较小、不易产生失真现象
应用场景：高频通信中克服失真现象
未来全球市场规模：2022年520亿人民币
企业：ROGERS、NELCO
新型天线材料（LCP、MPI）
优势：损耗因子小、可弯折率高
应用场景：MPI用于中低频，LCP用于高频
未来全球市场规模：2021年300亿人民币
企业：muRata、生益科技
高速光模块（InP、GaAs、硅光）muRata
优势：InP、GaAs-光电转化效率高；硅光-成本低
应用场景：传输过程中的光电信号互相转换的组件
未来全球市场规模：2020年490亿人民币
企业：Hisense海信
高导热/EMC材料（石墨片、导电硅胶）
优势：屏蔽效能高、屏蔽频率款、材料多元化
应用场景：解决5G终端中由于模组集成度高造成的发热和电磁干扰问题
未来全球市场规模：2020年620亿人民币
企业：FRD飞荣达、HFC鸿富诚
5.氢能/储能--低碳转型
体系构建
化石能源媒介
可用年数120年
控温1.5度 2050年零排放
非化石能源媒介
资源丰富，可再生
零碳排放
自然能源媒介（一次能源）：能源生产革命
化石能源媒介
煤炭
天然气
油页岩
非化石能源媒介
太阳能
风能
水能
合能
生物质能
地热能
潮汐能
人工能源媒介（二次能源）：能源技术革命
化石能源媒介
煤气柴油
汽油煤油
洗煤重油
焦炭
酒精
沼气
液化石油气
非化石能源媒介
氢能
电力
蒸汽/水汽
终端能源媒介：能源消费革命
化石能源媒介
煤炭：能量密度（KJ/g）33
天然气：能量密度（KJ/g）56
能源化工品：能量密度（KJ/g）20-48
非化石能源媒介
氢能：能量密度（KJ/g）142
生产、储存、运输、利用的产业成熟度不高
存在投资机会
电力：能量密度（KJ/g）inf.
蒸汽/水汽：能量密度（KJ/g）0.42-3
氢能全产业链布局
制氢
工业副产氢提纯
吸附
均压降压
顺放
逆放
冲洗再生
均压升压
产品气升压
制氢
化石燃料碳氢键断裂制氢
电解水氢氧键断裂制氢
光解水氢氧键断裂制氢
热解水氢氧键断裂制氢
储/运氢
高压气态储氢
气温液态储氢
碳质材料储氢
金属合金储氢
有机液体储氢
运输方式
管道运输
船舶运输
道路运输
加氢
加氢技术
串级高压注氢
增压压缩注氢
低温液态泵注氢
压缩机
冷却装置
注氢设备
用氢
燃料电池（已布局）
系统（已布局）
电堆（已布局）
催化剂（已布局）
质子膜
膜电极（已布局）
氢能发电
便携式应急电源
大型电站
航空航天
无人机（已布局）
军用
关键材料、关键制造
储能
电能
化学储能
氢储能
氢能产业链
机械储能
抽水储能
压缩空气储能
飞轮储能
电化学储能
原材料
高性能储能锂电池
动力电池梯度利用
钠硫电池
液流钒电池
金属空气电池
拆解回收
管理系统
辅助系统
储能介质
储能系统集成
发电侧
间歇式发电存储
功率补偿
调峰
输配电侧
调频
微网
分布式能源
用电侧
峰谷差消费侧终端储能
工业及居民用电热
电磁储能
原材料
超级电容
超导磁
拆解回收
热能
储热
显热储存
潜热储存
反应热储存
6.生物医疗
生物医疗材料设计
基因、基因组、转录组
蛋白组、代谢组、细胞
组织、器官、系统
人类基因组计划
人类细胞图谱计划
7.加工制造（3D打印）：增材制造
医药行业
方便吞咽和溶解
FDA与2015年8月批准3D打印制备SPRITAM速溶片，用于癫痫治疗
太空领域
提升空间站实验和维修灵活性
NASA于2016年3月向空间站运送第二胎高性能3D打印机，国内2016年4月推出首台
汽车行业
降低生产技术门槛，缩短生产周期
Local Motors于2015年11月发布首款消费市场的3D打印汽车，75%来自打印
建筑行业
降低人力成本，减少建筑垃圾
迪拜2016年5月首座3D打印建筑物开业，建筑面积250平方米，仅17天即竣工
人体器官
个性化定制
美国康奈尔大学2013年利用牛耳细胞在3D打印机打印出人造耳朵，用于器官移植
纳米印刷材料
提高控制操作精度
IBM于2014年研发3D Nanoprinter，纳米级安全标记，用于货币艺术品等
食品
简化食物准备
西班牙 Natural Machines公司2014年3D食物打印机Foodni，制作汉堡披萨等
文物行业
保护原始作品
美国drexcel university化石3D扫描
自主创新实现微纳米级别高精度激光直写3D加工
应用领域包括精准医疗、微流控生物技术、人工智能芯片、通讯传感光子器件
旗下超分辨纳米三维制造系统通过多光子聚合原理，把高能激光在光刻胶内高度聚合为一点，实现在纳米精度上的自由设计形状和结构
团队为德国卡斯鲁厄理工大学归国创办
8.表面处理：封装环节
金属
电泳
喷砂
抛光
蚀刻
电镀
拉丝
微弧氧化
粉末喷涂
阳极氧化
PVD真空镀
塑料
喷涂
电镀
印刷
镭雕
咬花
IMD
OMD
NCVM
玻璃
印刷
镀膜
抛光
玻璃钢化
AF Coating
陶瓷
研磨
抛光
AF处理
激光加工
PVD真空镀
超声波加工
9.测试与装备环节
国合通测，在北京成立国家新材料测试评价平台
总投资5亿，工信部补贴3亿，共8亿
2个国家级检验中心+10个专业实验室
390项标准，测试参数超过1000个
积累9大共性关键技术，主持超过350个材料测试项目
拥有大型测试设备563台，样品制备系统98套
原始创新布局的关键：前瞻性
布局初具成效
载人航天
物流仓储系统
无人机
新能源车
机器人
高铁装备
工业互联网
先进煤化工
石油钻探与储运
超前布局未来
第四代先进核能系统
第四代基因测序技术
材料基因组
点击化学 小分子药物合成
CARS拉曼实时成像
超导材料
生物量子点等纳米技术
记忆金属