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新材料產業七大方向全面梳理,中國優勢制造投資框架分析

報告出品方:招商證券 耿睿坦

 

我國新材料產業正處于由中低端產品自給自足向中高端產品自主研發、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,共七個主要方向供投資者參考。

 

新材料方向之一—輕量化材料。碳纖維以其出色的性能被用于航空航天、汽 車等多個領域。我國碳纖維產業存在產能利用低、高端產品少的問題。實現 碳纖維規模生產和應用開發的雙自主化,是提升我國國防實力和保障供應鏈 穩定的關鍵。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提高競爭力,幫助國家實現節能減排目標的關鍵。 

 

新材料防方向之二—航空航天材料。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 展和迭代,中國企業有望迎來彎道超車的機遇。 

 

新材料方向之三—半導體材料。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 年全球靶材市場規模的復合增速達 14%。 

 

新材料方向之四—新型塑料。聚酰胺(PA)材料受制于國外企業對于原材料 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、電子通信、交通運輸等領域的發展進步具有重大 意義。聚苯硫醚是一種具備優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。聚乳酸因其優異的機械性、環保性 等特點而廣泛應用于醫藥設備及 3D 打印等諸多領域,但進口依存度較大。 

 

新材料方向之五—電子電器電容新材料。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、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展趨勢和國家政策導向相匹配。 

 

新材料方向之六—多用途新材料。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 市場規模將達到 145.1 億元。 

 

新材料方向之七—光學和電子化學品。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,我國企業正通過內生、外延兩種方式尋求技術突破和產業升級。光刻膠是一種在半導體制造、PCB、面板行業中使用的尖端材料。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節。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。

 

1. 概述

1.1、材料歷史

 

我國新材料產業正處于由中低端產品自給自足向中高端產品自主研發、進口替代的過渡階段,位于全球新材料產業的第二梯隊,與美、日等優勢企業還有一定的差距。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 年新材料產業總產 值增加至 10 萬億,年復合增長率約為 13.5%。產業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模超過 10000 億,福建、安徽、湖北次之,規模超 5000 億。長三角新材 料產業關注新能源汽車、生物、電子等領域,珠三角側重于高性能復合材料等的研發, 環渤海地區則對特種材料、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提升,新材料企業產業規模急劇擴大、 對企業、科研人員研發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,進口替代仍將繼續推動我國新材料產業投資的未來發展。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技術壁壘高、研發 周期長、資本需求大、較難凸顯成本優勢??苿摪宓耐瞥稣龀种慌鮿撈谛虏牧掀?業,打通其融資渠道,鼓勵企業加大研發創新,從而促進整體行業轉型升級。

 

1.2、新材料圖譜

 

 

2. 新材料方向之一——輕量化材料

 

2.1、碳纖維

 

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,發展成為全球第二大碳纖維生產國。但是,我國碳纖維產業相比起國外還存在企業產能利用低、高端產品少、應用開發難的問題,下游行 業還是嚴重依賴進口碳纖維產品。在當前國際環境下,實現碳纖維規模生產和應用開發 的雙自主化,是提升我國國防和制造業實力,保障供應鏈穩定的關鍵。

 

(1)技術概述

 

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領域,包括土木建筑、交通運輸和能源設備等。

 

(2)全球產能規模以及需求預期

 

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前景 的樂觀預期。

 

需求層面,碳纖維市場的四大應用行業是航空航天、風電葉片、體育休閑、汽車,2020 年四大下游行業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,航空業需要消化 2020 年多余的產能,風電將繼續作為未來 碳纖維市場增長的主推動力。2020 年 10 月,全球 400 余家風能企業代表共同發布《風能北京宣言》,規劃 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模鋪開,僅世界風電巨頭維斯塔 斯一家形成了規?;瘧?。隨著其他風電企業對碳纖維符合材料的應用開發,風電行業 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、化學穩定性等性能上都占優, 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,行業產值約為 50 倍,且受益于汽車工業的發展鋁材需求 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。

 

 

(3)全球主要公司、市場份額及其產能

 

碳纖維產業作為資本密集型和技術密集型產業,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區域。

 

企業方面,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界,擁有世界約 30%的產能,是絕對的龍頭企業。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,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,離行業巨頭們都還有較大距離。

 

(4)我國的發展水平、技術壁壘、需求缺口、進口依存度

 

我國國產碳纖維產業多年來一直有“企業多,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,再加上企業技術的落后導致無 法充分釋放產能。在產品研發應用方面,長期“摸著日本東麗過河”,以仿制為主,比較缺乏創新性。碳纖維作為國家重點關注的戰略物資,其產業發展直接關系到我國國防 和制造業的穩定。

 

 

雖然我國碳纖維產業發展態勢喜人,但從產業綜合發展角度看,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 國內碳纖維企業的盈利空間,提高中國碳纖維產業在國際上的地位,對中國碳纖維產業 是一次極大提振。

 

2.2、鋁合金汽車車身板

 

鋁合金是工業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 中已大量應用。在國家節能減排的政策導向下,汽車行業僅僅通過設計優化汽車能耗已 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確定的發展方向。鋁合金是汽車行業輕量化的主力材料,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已經開始出口,其中國內企業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提高競爭力,幫助國家實現節能減排目標的 關鍵。

 

(1)技術概述

 

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。

 

以中國為例,中國規劃 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化汽車能耗的方法,成為了行業節能減排的重點發展方向。依照 世界鋁業協會的數據,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 已經形成規模,但鋁合金車身板的研發生產進步緩慢,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,使用鋁合金板代替傳統使用的鋼板生產汽 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, 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。

 

(3)全球主要公司、市場份額及其產能

 

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。規模較大的公司主要 有:歐洲海德魯鋁業公司、年邦鋁業(AMAG);北美美國鋁業公司、肯聯鋁業 (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(UACJ) 等公司。

 

美國企業經過多年發展和全球化布局的優勢,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,利用供應鏈優勢占領市場。歐洲企業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 本企業則選擇了擁抱美國企業,合作建立工廠,2017 年神戶鋼鐵還爆發了造假事件, 市場地位進一步下降。

 

中國企業自 2013 年來陸續開始對汽車鋁板進行研發,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競爭力的關鍵。

 

 

4)我國的發展水平、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勢。車用鋁板作為當前汽車輕量化領域發展最快的方向。

 

新能源車的快速發展給予了國內企業機遇: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 鋁產業都還有很大增長潛力。

 

3. 新材料方向之二——航空航天材料

 

3.1、聚酰亞胺

 

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 品的大規模量產對我國制造業升級、軍備升級換代、自主可控有著重要意義。

 

(1)技術概述

 

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、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、日本為代表的發達國家擁有比較完善的技術儲備和產業布局,具備大 規模生產多種聚酰亞胺產品的能力。

 

 

 

PI 薄膜是市場規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展,驅動 PI 薄膜產業快速發展。在 5G 與消費電子創新周期的 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、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 穩步擴容。

 

(3)全球主要公司、市場份額及其產能

 

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。發達國家行業寡頭對 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壟斷。

 

3.2、碳化硅纖維

 

碳化硅纖維(SiC 纖維)是繼碳纖維之后發展的又一種新型高性能纖維,屬國家戰略性新興材料。當前,采用碳化硅纖維制造的陶瓷基復合材料在航空發動機領域的應用價值 非常顯著,西方發達國家已成功應用此類產品改良航空發動機多個部件,提升了航空發 動機的效率。隨著碳化硅纖維性能進一步改善,生產工藝逐步優化,未來該材料有望在更多航空 發動機部件上應用,并有望擴展至其他高價值民用領域,潛在市場空間廣闊。

 

(1)概述及應用方向

 

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,其研發和應用得到了主流機構與航空發動機制造商的高度重視。

 

目前,西方發達國家生產商已將 CMC 材料應用于多個航空發動機熱端部件,主要包括 發動機尾噴口、渦輪靜子葉片、噴管調節片、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)全球產能規模以及未來對該材料的需求預期

 

據不完全統計,2015 年全球連續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、抗氧化的顯著優勢,SiC 纖維復合陶瓷基材料(CMC 材料)的使用率有望大幅增長。

 

 

(3)全球主要公司、市場份額及其產能

 

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 纖維的工業化生產,SiC 纖維的大規模生產在日本率先展開。

 

經歷了幾十年的發展,美日等發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)我國的發展水平、技術壁壘、需求缺口、進口依存度

 

連續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模量產,是我國實 現空軍現代化、高性能航空發動機國產化的重要一環??紤]到國防安全、自主可控的戰 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將迎來歷史性的發展機遇。

 

我國對高性能連續 SiC 纖維產品的研究始于上世紀 80 年代,經過 30 余年的發展,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。

 

4. 新材料方向之三——半導體材料

4.1、硅片

 

硅片位于半導體產業鏈上游,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、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 半導體硅片產業起步晚,發展水平較為落后,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?;a,嚴重依賴進口,以滬硅產業為代表的國內企業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、計算機等產業的發展,是半導 體產業鏈的基石。

 

(2)光伏用硅片:我國產能領先,龍頭企業實力強勁

 

光伏產業是國家戰略新興產業之一,光伏用硅片位于光伏產業鏈的上游,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 色金屬工業協會硅業分會統計,截至 2019 年底,我國單晶硅片產能為 115GW,占全 球的 97.6%。龍頭企業隆基和中環占據國內單晶硅片 50%以上的市場份額,并在持續 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。

 

(3)半導體硅片:嚴重依賴進口,國產替代空間廣闊

 

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技術壁壘較高,當今全球半導體硅片行業被巨頭壟斷,集中度高, 中國大陸地區廠商體量小。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)、中國臺灣環球晶圓(GlobalWafers)、德國世創(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巨頭,我國半導體硅片起步晚,發 展較為落后,僅有少數幾家企業具有 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?;a。滬硅產業在 2018 年實現了 12 寸硅片規?;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發展,推動大尺寸硅片的研發制造,促進半導體產業的發展。

 

4.2、碳化硅(SiC)

 

碳化硅是第三代半導體材料,具有非常優越的性能,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展相關產業。碳化硅行業門檻比較高,我國生產技術水平及 較為落后,目前產業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,市場規模不斷擴大。我國也在對碳 化硅全產業鏈進行布局,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,我國的碳化硅產業的未來發展空間較大。

 

(1)第三代半導體材料,新能源與 5G 的基石

 

碳化硅是目前發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點:化學性能穩定、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 業發展,國際上的各大半導體巨頭也都投入巨資發展碳化硅器件。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 透率持續上升,是未來新能源、5G 通信領域中 SiC、GaN 器件的重要原材料。

 

(2)歐美占據 SiC 產業鏈的關鍵位置

 

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,對應的是產業鏈襯底、 外延、器件與模組三大環節。碳化硅行業存在較高的技術門檻,研發時間長,美國、歐 洲、日本等國家與地區多年來不斷改良碳化硅單晶的制備技術、研發制造相關設備,在 碳化硅產業鏈各環節都具有較大優勢。行業巨頭 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鏈;日本的羅姆半導體、三菱電機 等在碳化硅功率模塊開發方面領先;近年來代工企業也在增多,大陸與中國臺灣地區企業逐 步進入,代工企業包括大陸的三安集成、中國臺灣地區的漢磊科技等。

 

目前,碳化硅產業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占據,中國企業僅占 1.7%的份額。

 

 

 

(3)新能源汽車、光伏產業發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:電機驅動系統中的主逆變器;

 

2)光伏:光伏逆變器;

 

3)軌道交通:功率半導體器件;

 

4)智能電網:固態變壓器、 柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統。隨著碳化硅功率器件的進一步發展,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的發展,預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過 100 億美元,碳化硅行業的成長動力充足。

 

 

4.3、高純金屬濺射靶材

 

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 年全球靶材市場規模的復合增 速達 14%,市場規模逐漸擴大。濺射靶材的行業壁壘較高,美國與日本企業掌握核心技 術,壟斷全球市場。我國的濺射靶材行業起步較晚,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。

 

(1)集成電路的核心材料

 

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,濺射靶材產業鏈主要包括金屬提純、 靶材制造、濺射鍍膜和終端應用等環節。靶材制造和濺射鍍膜環節是整個濺射靶材產業 鏈中的關鍵環節,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、高純金屬的方向發展?,F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。

 

(2)消費電子推動靶材市場規模擴大

 

高純濺射靶材產品的下游產業市場容量近年來在逐步擴大:

 

1)半導體產業: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增長,半導體市場容量進一步提升, 半導體行業所需濺射靶材品種繁多,需求量大,穩定的下游市場增速將有力地促進濺射 靶材銷售規模的增長;

 

2)平板顯示器產業: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展推動高純濺射靶材產業的發 展,市場規模高速增長。2013-2020 年,全球濺射靶材市場規模預計將從 75.6 億美元 上升至 195.63 億美元,復合增速為 14.42%。

 

(3)高端靶材研制與生產主要集中在美國和日本

 

國外知名靶材公司在靶材研發生產方面已有幾十年的沉淀。全球范圍內,濺射靶材產業 鏈各環節參與企業數量基本呈金字塔型分布,高純濺射靶材制造環節技術門檻高、設備 投資大,具有規?;a能力的企業數量相對較少,主要分布在美國、日本等國家和地 區。目前全球濺射靶材市場內主要有四家企業,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 日礦金屬規模最大,占全球晶圓制造靶材市場份額比 例為 30%。

 

(4)高端靶材國內需求強勁,國產替代空間大

 

據測算 2019 年國內需求占全球靶材市場規模超過 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協會統計,2020 年國內半導體領域用濺 射靶材市場規模 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 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。

 

2022年6月10日
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