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“卡脖子”技术中新材料的身影

中大商业评论 | 中大咨询原创分享 2021/12/01 21:43

引 言

新材料作为战略性新兴产业发展的基石,其重要性不言而喻。本文从另外一个特殊的视角——“卡脖子”技术出发,梳理35项“卡脖子”技术[1]中所涉材料,探究哪些是与新材料有关,具体是哪些新材料。

新材料是指新出现的具有优异性能或特殊功能的材料,或是传统材料改进后性能明显提高或产生新功能的材料 [ 2]。新材料具有高技术含量、高更新速度、高度关联性、高度环保性等特征,能够对其他产业的发展起到重要的物质基础和技术带动作用,多省市将其作为未来重点发展产业。

新知达人, “卡脖子”技术中新材料的身影

图1“卡脖子”技术中新材料的身影概览图

1

手机射频器件

手机射频器件的核心部件是射频芯片,国产射频芯片的难点之一在于 半导体材料 方面:射频电路需要高电子迁移率,这方面砷化镓和硅锗等化合物半导体表现要比硅材料好很多,但我国在这些材料商业化方面的一致性、电性能均匀性还不理想。随着半导体产业的发展,半导体材料也从以化合物半导体为主的第二代发展到以氮化镓、碳化硅等为代表的第三代,也即 宽禁带半导体材料

宽禁带半导体材料 是我国重点发展的关键战略材料之一,我国在该材料领域的积极布局,能够积极推动芯片产业体系的完善,探索打破光刻技术封锁、实现弯道超车,有利于助推国际半导体产业格局的改变。

2

光刻胶

光刻胶由成膜树脂、感光剂、溶剂和添加剂等组成,光刻胶国产化的主要难点在于国内缺乏生产光刻胶所需的原材料,致使现开发的产品碳分散工艺不成熟、碳浆材料不配套,其中树脂和增感剂核心原料大部分仍依赖于进口,而作为生产光刻胶最重要的色浆,至今依赖日本。

LCD产业用 高饱和度光刻胶、集成电路用光刻胶及其关键原材料 为我国重点发展新材料,光刻胶材料技术的突破对于完善我国面板产业链、支撑我国微电子产业未来发展有着重要意义。

3

ITO靶材

ITO靶材是一种贵金属材料, 尺寸大型化、高密度化、靶材本体一体化 是其未来发展趋势。目前ITO(氧化铟锡)靶材的产业瓶颈主要在大尺寸的靶材制造方面,受制于烧结炉等生产设备,我国在大尺寸靶材上难以实现量产。

高密度ITO靶材 是我国重点发展的新材料,该项材料技术的突破,能够积极推动我国铟低价出口再高价买回制品的被动局面,也能够进一步完善我国新一代信息技术产业链。

4

芯片

我国在芯片产业链中“卡脖子”的主要环节之一在晶圆制造,在于制造所需的设备和材料。晶圆制造的材料包括: 硅片、光掩膜、光刻胶、电子特气、溅射靶材和CMP抛光材料 等。

晶圆制造材料中所涉 大尺寸硅材料、集成电路用光刻胶、高纯特种电子气体、高纯金属溅射靶材、CMP抛光材料(抛光液和抛光垫) 等均为我国重点发展的新材料。

5

航空发动机短舱

短舱是一套极为复杂的集成系统,需要满足在高温、高速、高压等极端条件限制的基础上,实现降低发动机噪音、除冰防火防雷击、稳固支撑、滑行减速、飞机美化、便于维修等多项功能。我国国产航空发动机项目已在进行中,但与之匹配的短舱系统的关键技术仍有待研究与突破,国产短舱的难点之一在于 考虑大尺寸短舱如何减少所受重量及阻力的问题 ,这需要从设计、材料和工艺上共同发力。 碳纤维复合材料 因具有强度高、质量轻、耐腐蚀等性能,广泛应用在发动机短舱的设备零件中。

短舱系统所需的 碳纤维复合材料 是我国在重点应用领域急需的,也是将重点突破的新材料。短舱系统技术的突破,有利于推动其与国产发动机进行匹配、推动国产航空发动机产业链的自主完善。

6

环氧树脂

环氧树脂是 碳纤维 的关键复合辅材之一,相关资料显示,对连续碳纤维增强复合材料使用性能构成最大威胁的是复合材料对低速冲击分层损伤较为敏感,其主要原因之一是环氧树脂本身韧性不足。受制于智能自动化设备缺乏、环氧树脂本身特性改性难等因素,国产高端碳纤维所使用环氧树脂几乎全部依赖于进口。

高性能碳纤维及复合材料 是我国重点发展的关键战略材料之一,被誉为“新材料之王”,耐老化、耐高温、耐腐蚀的特性使其在多项领域发挥着不可替代的作用。

7

触觉传感器

触觉传感器的难点在于要灵敏捕捉“一点点”压力的输入,并给出严格匹配的输出,输出需达到稳定、精确的要求,并且能消除不同“维”间的耦合干扰。除工艺外,材料的纯度也是国产触觉传感器的难点,阻碍着传感器技术从实验室走向工业生产。近年来, 石墨烯 因具有良好的导电性和纳米挠性,在触觉传感器上拥有理想的应用效果而受到广泛关注。

石墨烯材料 是我国重点布局的前沿新材料,是我国抢占未来新材料产业竞争制高点的抓手之一,围绕 基于石墨烯材料的传感器、触控器件 ,构建若干石墨烯产业链、形成一批产业集聚区也是我国重点推进的前沿新材料先导工程之一。

8

重型燃气轮机

作为一种旋转叶轮式热力发动机,燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。国产重型燃气轮机的难点之一在于热端部件的用材问题,由于燃气轮机叶片需在1400℃-1600℃的高温下长期稳定地工作,普通金属材料难以满足,用材只能通过高度的合金化, 不断增强合金的高温综合性能 ,而国内在生产 高温合金 的过程中,也遇到了设备和生产工艺等方面的问题。

抗热腐蚀单晶高温合金空心叶片用材料 是我国急需突破的电力装备材料,也是我国重点发展的新材料之一。因重型燃气轮机发电机组具有启停快捷、热效率更高、污染更少的优点,使其能够作为大电网调峰容量的最佳选择,该项技术的突破对于维护我国能源安全有着重要意义。

9

高端电容电阻

高端电容电阻,强调的是同一批次电容电阻应保持一致,国产电容电阻的最大问题在于产品一致性较差。作为消费电子行业用量最大的基础元件 MLCC(多层片式陶瓷电容器) ,除复杂的工艺外,材料也是其国产化的短板,所用的陶瓷浆要和其他材料进行配套,而陶瓷浆涉及钛酸钡和氧化钛诸多陶瓷材料,还需要混合有机胶,配方需要认真钻研。

片式多层陶瓷电容器用介质材料 是我国重点发展的新材料之一,电容和电阻素有“电子工业的黄金配角”之称,该类材料技术的突破,对于满足消费级、大批量生产的电容电阻具有重要意义。

10

高端轴承钢

虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平,但高端轴承却仍依赖进口,主要问题在于用钢的材质上,国产轴承钢存在钢中微量杂质元素含量、氧含量水平偏高、钢中碳化物形态均匀性差等问题。

高端轴承钢 是先进钢铁材料,素有“钢中之王”之称,也是我国重点发展的先进基础材料。该类材料技术的突破,有利于推动我国装备制造业迈上新台阶。

11

燃料电池关键材料

车用燃料电池一般为质子交换膜燃料电池,而质子交换膜、电催化剂和气体扩散层是制造质子交换膜燃料电池的关键材料。质子交换膜燃料电池国产化难点在于: 质子交换膜材料方面, 机械强度和尺寸稳定性有待持续优化提升; 电催化剂方面, 燃料电池催化剂对活性、耐久性等各项性能要求很高,需要时间进行检验、改善,因此在短时间内实现商业化量产方面存在难题; 气体扩散层方面, 一方面其基底材料使用所需的 碳纤维 ,在供应方面受制于人,另一方面由碳纤维制成碳纸不仅存在技术壁垒,而且缺乏批量化生产涉及的关键装备 [ 3]。

质子交换膜燃料电池 及气体扩散层所需的 碳纤维 ,均为我国重点发展的新材料,燃料电池关键材料的突破,能够提升国产燃料电池车整体市场竞争力,推动新能源汽车产业在我国的快速发展。

12

锂电池隔膜

锂离子电池(以下简称锂电池)四大核心材料中,正、负极材料、电解液都已实现了国产化,唯独隔膜仍是短板,国产隔膜产品一致性不高,存在孔隙率不达标,厚度、孔隙分布以及孔径分布不均等问题。 无纺布陶瓷隔膜 因能保持稳定的孔隙率、延长锂电池的循环寿命,在锂电池隔膜中有着广阔的应用空间。

锂电池用无纺布陶瓷隔膜 是先进化工材料,也是我国重点发展的新材料之一,隔膜材料技术的突破对推动国产锂离子电池迈上新台阶、新能源汽车在我国的快速发展有着重要意义。

13

医学影像设备元器件

在医学影像设备制造领域,探测器选用的材质是商业机密,企业不会透露具体制造工艺。相关资料显示,CT成像系统中探测器的首选方案为 闪烁探测器 ,其中的关键部分是可将入射的不可见X光子转化为 可见光的闪烁晶体或荧光物质 ,完成后续成像。医学探测器国产化的难点之一在于对顶级CT机的探测器选用材质知之甚少,且我国相关人才较为匮乏,自主开发的新型闪烁晶体较少。

碲锌镉晶体、稀土闪烁晶体及高性能探测器件 是医用影像系统的关键新材料,开展相关产业化技术攻关,解决晶体质量性能不稳定、成本过高等核心问题,是我国急需突破的重点任务。

新知达人, “卡脖子”技术中新材料的身影

结语

攻克“卡脖子”技术不是一蹴而就的,需正视我国在多数领域研究起步晚于国外的这一事实,但也要确信这些差距不是无法超越的,需在加强基础研究、注重产业需求对科研与生产的推动作用等方面持续努力。同时也要注意,上述“卡脖子”技术的突破,并不是突破了材料即成功,还需要在工艺、经验、商业化量产、市场推广应用等方面共同发力。

注:本文判断是否为新材料的依据为《新材料产业发展指南》和《重点新材料首批次应用示范指导目录》(2019年版)

各材料的特性、技术发展路线、全球技术主体、国内企业布局等情况将在后续分期推出,敬请关注!

【参考文献】

[ 1]《科技日报》

[ 2]《新材料产业发展指南》

[ 3]杜泽学.车用燃料电池关键材料技术研发及应用进展[J].化工进展,2021,40(01):6-20.

来源 | 中大咨询研究院 产业研究组原创

作者 | 李静,感谢黄斌全、梁卓锐等专家指导

编辑  | 中大商业评论编辑组

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