未来新材料发展值得关注的三个方向

机械工程学报 2024-06-05

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2021 年我国新材料总产值有望突破7万亿元。预计 2025 年新材料产业总产值实现 10 万亿。产业结构呈以特种功能材料、现代高分子材料和高端金属结构材料为主要分布，分别占比 32%、24%和 19%。
新材料产业集聚效应显著，细分方向领域地理分布各有侧重。江苏、山东、浙江和广东四省新能源规模超过 10000 亿。福建、安徽、湖北次之，规模超 5000 亿。长三角新材料产业关注新能源汽车、生物、电子等领域，珠三角侧重于高性能复合材料等的研发，环渤海地区则对特种材料、前沿材料较为重视。
随着国家政策对航天航空、军事、消费电子、汽车电子、光伏电子、生物医疗领域新材料及其下游产品的支持，市场需求不断扩大，同时对产品性能的要求持续提升，新材料企业产业规模急剧扩大、对企业、科研人员研发能力的要求不断提高。
下游消费电子、新能源、半导体、碳纤维等行业加速向国内转移，新材料国产化需求迫切，进口替代仍将继续推动我国新材料产业投资的未来发展。
我国新材料领域投资在 2013-2017 年间显著增加，之后有所回落。其原因是高端材料的开发技术壁垒高、研发周期长、资本需求大、较难凸显成本优势。
科创板的推出正扶持着一批初创期新材料企业，打通其融资渠道，鼓励企业加大研发创新，从而促进整体行业转型升级。

新材料方向之一：轻量化材料

1、碳纤维

碳纤维材料以其出色的性能被用于航空航天、风电、体育休闲、汽车等多个领域，是新材料领域用途最广泛、市场化最高的材料，被誉为“新材料之王”。全球碳纤维市场需求近年快速增长，我国也抓住机遇，发展成为全球第二大碳纤维生产国。
但是，我国碳纤维产业相比起国外还存在企业产能利用低、高端产品少、应用开发难的问题，下游行业还是严重依赖进口碳纤维产品。在当前国际环境下，实现碳纤维规模生产和应用开发的双自主化，是提升我国国防和制造业实力，保障供应链稳定的关键。

碳纤维(Carbon Fiber)是由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于 90%的碳主链结构无机纤维，作为高性能材料产于上世纪 60 年代。
碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性：作为目前实现大批量生产的高性能纤维中具有最高比强度（强度比密度）和最高比刚度（模度比密度）的纤维，碳纤维是航空航天、风电叶片、新能源汽车等具有轻量化需求领域的理想材料。耐腐蚀、耐高温、膨胀系数小的特点使其得以作为恶劣环境下金属材料的替代；另外，导电导热特性拓展了其在通讯电子领域的应用。

按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维一般分为小丝束和大丝束两个类别。小丝束性能更优但价格较高，一般用于航天军工等高科技领域，以及高端体育用品；大丝束成本较低，往往应用于基础工业领域，包括土木建筑、交通运输和能源设备等。
（1）全球产能规模以及需求预期
2020 年，全球碳纤维运行产能为 171650 吨，相比 2019 年增加了 16750 吨，增长率 10.8%。美国、中国、日本承担了主要的产能，分别占据 21.7%、21.1%、17.0%。当前各大生产商大约还有 8 万吨/年未建设完成的扩产计划，这也体现了厂家对行业前景的乐观预期。
需求层面，碳纤维市场的四大应用行业是航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车，2020 年四大下游行业碳纤维需求量的占比超过 70%，产值占比超过 76%。
自 2015 年来，行业估计世界碳纤维需求量一直保持约 12%的增长，但受疫情影响 2020 年全球对碳纤维需求量总计 10.7 万吨，相比 2019 年仅增长 3%。总销售金额约 26.15 亿美元，同比下降 8.8%，主要原因在于疫情导致航空业重挫影响了高价值的高性能碳纤维销售。风电领域则成为行业维持增长的主要推动力，碳纤维需求量在疫情下依然保持了 20%的年增长。
短期来看，2021 年世界航空业的恢复和风电设备的大量铺设能够让碳纤维市场回到快速增长的通道。长期来看，航空业需要消化 2020 年多余的产能，风电将继续作为未来碳纤维市场增长的主推动力。2020 年 10 月，全球 400 余家风能企业代表共同发布《风能北京宣言》，规划 2020-2025 年年度新增装机 5000 万千瓦以上。
在各大风电厂家都扩产的背景下，目前碳纤维在风电机中的应用还未大规模铺开，仅世界风电巨头维斯塔斯一家形成了规模化应用。随着其他风电企业对碳纤维符合材料的应用开发，风电行业对碳纤维的需求可能会成倍增长。预计到 2025 年，世界碳纤维总需求量将超过 20 万吨，折合年增长率 13.3%。

此外，碳纤维在其他应用领域还有很大潜力可以挖掘。以主要竞争对手铝合金为例，碳纤维和铝合金同属替换钢材的轻量化材料，碳纤维在强度、化学稳定性等性能上都占优，并且在飞机部件、高性能汽车车架、自行车架等产品相比铝合金都有更好的表现。但受累于高昂的价格，目前碳纤维应用大多局限于高附加值产品。2016 年世界铝材年需求量约是碳纤维的 500-600 倍，行业产值约为 50 倍，且受益于汽车工业的发展铝材需求近年也在快速增长。随着技术的进步压低碳纤维的成本，未来碳纤维还有广阔的市场空间。

（2）全球主要公司、市场份额及其产能

碳纤维产业作为资本密集型和技术密集型产业，全球碳纤维核心生产技术集中在日本、美国和欧洲。中国、韩国属于近年来快速增长的产业区域。企业方面，日本东丽(Toray)在收购美国卓尔泰克后从技术和产能上都明显领跑业界，拥有世界约 30%的产能，是绝对的龙头企业。其他主要的海外厂商包括日本东邦（Toho/Teijin）、日本三菱丽阳（MCCFC）、美国赫氏（Hexcel）、德国西德里（SGL）、台塑（FPC）等。中国作为世界第二大碳纤维生产国，也涌现了诸如吉林碳谷、中复神鹰、光威复材等碳纤维生产企业，但总体来说低端产品较多，产能较为分散，在高性能碳纤维领域少有建树，离行业巨头们都还有较大距离。
（3）我国的发展水平、技术壁垒、需求缺口、进口依存度
我国国产碳纤维产业多年来一直有“企业多，需求大，高产能，低产量”的特点，主要原因在于与国外产品的竞争劣势导致国产碳纤维需求低，再加上企业技术的落后导致无法充分释放产能。在产品研发应用方面，长期“摸着日本东丽过河”，以仿制为主，比较缺乏创新性。碳纤维作为国家重点关注的战略物资，其产业发展直接关系到我国国防和制造业的稳定。

虽然我国碳纤维产业发展态势喜人，但从产业综合发展角度看，我国依然只能处于世界中游水平，主要体现在我国的碳纤维应用市场与国际市场有较大不同。

目前，我国有望在风电领域碳纤维应用开拓取得较大进步，2018 年我国生产风电叶片用碳纤维所用 8000 吨全部依赖进口，且客户大多在国外，2019 年则有 1000 吨来自国内供应商，实现了零的突破。风电叶片碳纤维当前已经成长为数万吨级别的市场，如果国内企业能够在生产上突破对外国原材料的依赖，并在应用上完成突破，能够大大改善国内碳纤维企业的盈利空间，提高中国碳纤维产业在国际上的地位，对中国碳纤维产业是一次极大提振。
2、铝合金汽车车身板
铝合金是工业中应用最广泛的合金，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。在国家节能减排的政策导向下，汽车行业仅仅通过设计优化汽车能耗已很难达到国家越来越严格的燃油排放标准，因此汽车的轻质化是行业确定的发展方向。
铝合金是汽车行业轻量化的主力材料，其中铝合金车身板（Automotive body sheet, ABS）应用在汽车最重的车身，是实现轻量化目标的关键材料。目前我国已逐渐打开国产车用铝合金市场甚至部分企业已经开始出口，其中国内企业和外企在国内工厂均有生产。铝合金车身板的国产化是我国汽车产业提高竞争力，帮助国家实现节能减排目标的关键。

（1）技术概述
铝合金是铝和镁、铜、硅、锰各种金属元素的产物，在和钢结构保持相同强度的条件下，依旧比钢架构 50%。铝合金塑性好，可加工成各种型材，且具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。
铝是自然界含量最多的金属元素，原材料矿物方便取得。目前铝材工业上广泛使用，使用量仅次于钢。且铝合金的回收率达到 80%，对环境的破坏较小，是理想的轻量化材料，被广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。
以中国为例，中国规划 2035 年国内乘用车平均油耗由 2019 年的 5.6L/km 下降到 2L/km，汽车碳排放总量减少 20%。

汽车轻量化作为有效优化汽车能耗的方法，成为了行业节能减排的重点发展方向。依照世界铝业协会的数据，汽车每减少 10%的重量，可减少 6%-8%的排放；每减少 100kg 重量，汽车百公里燃油消耗量能减少 0.4-0.5 升，铝合金成了各国汽车制造商满足环保政策采用的主要减重手段之一。
汽车用铝合金主要分为四种：铸造铝材、锻造铝材、挤压铝材和压延铝材。使用最多的是铸造铝材，占比超过 70%。铝合金车身板属于压延铝材，约占汽车用铝量的 10%- 15% ，可用于生产如引擎盖等多个汽车车身的大型部件。
中国是世界上最大的原铝和铝合金生产国。目前我国在汽车铝合金零部件的生产使用上已经形成规模，但铝合金车身板的研发生产进步缓慢，严重依赖进口。汽车车身约占汽车总重量的 30%，是汽车中重量最大的部件，使用铝合金板代替传统使用的钢板生产汽车内外板最多可使整车减重 10% 左右，可见铝合金车身板是汽车轻量化重要的部件。
（2）全球产能规模以及未来对该材料的需求预期
2020 年全球汽车铝板带年产能约在 390 万吨附近，集中在北美洲、欧洲和亚洲地区， 中国产能占全球比重约 26.2%，年产能约 102 万吨，居于世界第二，产能多为淘汰产能和落后产能。从产量和排产计划看，订单少，需求量低，产品也大多处于研发和验证阶段（部分产品不达标因此接单量较低），2020 年综合开工率仅 20%，产能利用率严重偏低。
在汽车轻量化需求增长的大趋势下，汽车用铝需求有很大增长空间。目前汽车产业用铝量在整车重量占比 20%-40%，单车耗铝量 120-200 公斤。当前燃油车销量占据市场超过 90%的份额，是汽车铝材消耗的主力。
未来新能源车市场将成为汽车用铝的主要增量市场：多国政府表示希望在 2025 年将新能源车市场占有率提升至 20%及以上，而纯电动车作为主力新能源车品种，平均单车耗铝量比燃油车高约 30kg。从 2018 年到 2020 年，全球新能源车销量从约 200 万辆跃升至 331 万辆，预计到 2025 年能够增长至千万辆级别。

汽车铝板是汽车用铝部件中增长最快的部分：依据 duckerworldwide 的估计，2015 至 2020 年，北美汽车平均用铝量增长了约 18%，期间汽车“四门两盖“平均用铝量增长高达 163%。其中，北美汽车引擎盖铝化率从 2015 年的 50%升至 2020 年的 63%。2025 年铝化率可能超过 80%；车门的铝化率从 2015 年的 5%升至 2020 年的 21%，至 2025 年可能超过 30%。在需求端的良好预期下，预计至 2025 年世界车用铝板需求能够从现在的 250 万吨增至超过 400 万吨。
（3）全球主要公司、市场份额及其产能

目前全球范围内汽车铝板有效产能主要分布在欧洲，北美和日本。规模较大的公司主要有：欧洲海德鲁铝业公司、年邦铝业(AMAG)；北美美国铝业公司、肯联铝业（Constellium）、诺贝丽斯公司、特殊合金公司；日本神户钢铁、日本联合铝业（UACJ）等公司。
美国企业经过多年发展和全球化布局的优势，逐渐在市场取得领先地位。美国几大公司在世界各大汽车产地投资开设汽车铝板工厂，利用供应链优势占领市场。欧洲企业在市场竞争中举步维艰，挪威海德鲁公司已宣布于今年 3 月份出售了自己的压延铝产线；日本企业则选择了拥抱美国企业，合作建立工厂，2017 年神户钢铁还爆发了造假事件，市场地位进一步下降。
中国企业自 2013 年来陆续开始对汽车铝板进行研发，目前已小范围供货国内外车企。但目前国内生产厂家 90%的产量为内板，生产技术较为复杂的外板产能以合资厂商诺贝丽斯、神户钢铁为主。高性能汽车铝板产能的提升是增强我国企业竞争力的关键。

（4）我国的发展水平、技术壁垒、需求缺口、进口依存度
中国汽车轻量化起步不足十年，对于汽车用铝的研究较为滞后。在汽车铝板的研发上，存在技术难度高、资金投入大、产品认证缓慢的问题。国内生产企业大多都没有技术基础，整条生产线生产设备均需进口，生产工艺多处于仿制国外阶段，目前国外产品依然有较大竞争优势。车用铝板作为当前汽车轻量化领域发展最快的方向。
新能源车的快速发展给予了国内企业机遇：2020年新能源汽车年产量达到136.7万辆，自 2018 年复合增长率 11.1%。随着国家对新能源车产业的大力支持，部分省市已开始制定禁售燃油车的时间表，新能源车销量还会进一步提升。
2020 年我国汽车平均单车用铝量仅 130 公斤，国产新能源车用铝量也只有 160 公斤，离欧洲的 179 公斤、北美的 211 公斤有较大差距，这提升了汽车销量增长和汽车用铝量预期，也表明国内汽车用铝产业都还有很大增长潜力。

新材料方向之二：航空航天材料

1、聚酰亚胺
聚酰亚胺（PI）材料在航空航天、高端电子元器件、半导体等多个尖端领域有着很高的应用价值，在材料更新迭代方面扮演着重要的角色。目前，全球聚酰亚胺市场需求不断增长，但很多高端 PI 产品、特种功能 PI 产品的大批量生产仍被少数发达国家垄断，相关生产技术被严格保护。
目前，我国已在中低端 PI 薄膜、PI 纤维领域实现大规模生产，并在电工级 PI 薄膜领域获得全球竞争力。但是，高端 PI 薄膜以及其他高端 PI 产品仍面临“卡脖子”或产能不足的问题，导致明显的结构性供需失衡。突破高端聚酰亚胺产品的大规模量产对我国制造业升级、军备升级换代、自主可控有着重要意义。
（1）技术概述
聚酰亚胺（PI）是综合性能突出的有机高分子材料， 被誉为“二十一世纪最有希望的工程塑料之一”。该材料的使用温度范围很广，能在-200～300℃的环境下长期工作，短时间耐受 400℃以上的高温。
聚酰亚胺没有明显熔点，是目前能够实际应用的最耐高温的高分子材料。同时，该材料还具有高绝缘强度、耐溶、耐辐照、保温绝热、无毒、吸声降噪、易安装维护等特点。
当前，聚酰亚胺已广泛应用在航空航天、船舶制造、半导体、电子工业、纳米材料、柔性显示、激光等领域。根据具体产品形式的不同，聚酰亚胺可以细分为 PI 泡沫、PI 薄膜、PI 纤维、PI 基复合材料、PSPI 等多种产品。
（2）全球产能规模以及未来对该材料的需求预期
2017 年，全球聚酰亚胺总产量达 14.9 万吨左右，2010-2017 年间复合年增长率约 4.98%。同年，全球聚酰亚胺消费量达 14.7 万吨，2010-2017 年间复合年增长率约 4.92%。但是，由于各国技术水平、主导产业等方面的差异，不同国家生产的聚酰亚胺产品结构明显不同。以美国、日本为代表的发达国家拥有比较完善的技术储备和产业布局，具备大规模生产多种聚酰亚胺产品的能力。

PI 薄膜是市场规模最大的聚酰亚胺细分领域。2010 年以来，智能手机、电子显示、柔性电路板等领域快速发展，驱动 PI 薄膜产业快速发展。在 5G 与消费电子创新周期的驱动下，天线材料、电子元器件、柔性显示等领域有望维持强劲的发展势头。另外，主要国家在航空航天领域加大投入，将会拉动高性能特种 PI 膜的需求。

在 PI 泡沫领域，目前产品以满足军用舰船、航空器的需求为主，在民用航空业、豪华游轮、液化天然气船方面也有一定使用价值。相比于聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺泡沫材料的军事敏感度更高，发达国家技术封锁力度更大。随着全球主要国家军费开支的稳步上升，聚酰亚胺泡沫材料在军品更新换代过程中的渗透率有望逐渐上升，驱动该领域市场稳步扩容。
（3）全球主要公司、市场份额及其产能
PI 薄膜是最主要的聚酰亚胺产品，目前这一领域呈现寡头垄断的竞争格局，90%以上的市场份额掌握在美国、日本、韩国生产商的手中。发达国家行业寡头对 PI 薄膜生产技术、生产工艺进行严格保护。杜邦（Dupont）、日本宇部兴产（Ube）、钟渊化学（Kaneka）、日本三菱瓦斯 MGC、韩国PI尖端素材（原 SKPI）以及中国台湾地区达迈科技（Taimide）是当前全球聚酰亚胺薄膜的主要生产商。生产高性能 PI 膜对设备定制、制作工艺、技术人才等方面要求苛刻，且产品具备定制化、差异化的特征。生产商需要丰富的经验积累和充足的研发投入才能产出高性能 PI 膜。因此，高性能、高价值量 PI 膜的进入壁垒很高。

其他聚酰亚胺产品市场与 PI 薄膜市场类似，主要市场份额掌握在少数企业手中，且以海外知名公司为主，呈现寡头竞争的市场格局。其中，光敏型聚酰亚胺的生产基本被日本和美国企业垄断。
2、碳化硅纤维
碳化硅纤维（SiC 纤维）是继碳纤维之后发展的又一种新型高性能纤维，属国家战略性新兴材料。当前，采用碳化硅纤维制造的陶瓷基复合材料在航空发动机领域的应用价值非常显著，西方发达国家已成功应用此类产品改良航空发动机多个部件，提升了航空发动机的效率。随着碳化硅纤维性能进一步改善，生产工艺逐步优化，未来该材料有望在更多航空发动机部件上应用，并有望扩展至其他高价值民用领域，潜在市场空间广阔。

（1）概述及应用方向
SiC 纤维是一种以有机硅化合物为原料，经纺丝、碳化或气相沉积而制得的具有β-碳化硅结构的无机纤维，属于陶瓷纤维一类。自 20 世纪 80 年代 SiC 纤维问世以来，SiC 纤维已有三次明显的产品迭代，其耐热性与强度都得到了明显增强。目前，第三代碳化硅纤维的最高耐热温度达 1800-1900℃，耐热性和耐氧化性均优于碳纤维。材料强度方面，第三代碳化硅纤维拉伸强度达 2.5～4GPa，拉伸模量达 290～400GPa，在最高使用温度下强度保持率在 80%以上。目前，碳化硅纤维的潜在应用包括耐热材料、耐腐蚀材料、纤维增强金属、装甲陶瓷、增强材料等方向，在航空航天、军工装备、民用航空器等领域有较高使用价值。
SiC 纤维的一个主要用途是制作 SiC 复合陶瓷基材料（CMC 材料）。这种材料是在 SiC 陶瓷基体的基础上，将 SiC 纤维作为增强材料引入基体中制作而成的，是一种尖端复合材料。CMC 材料是高温合金的替代品，相比于高温合金具有更强的耐热性、抗氧化性，同时具有更低的密度。
在航空发动机领域，应用 CMC 材料可以进一步提高涡轮进气温度，进而提升发动机效率。同时，CMC 材料降低了结构密度，实现了轻量化，提升了航空器的推重比。因此，SiC 复合陶瓷基材料被认为是临近空间飞行器、可重复使用航天器的热结构部件的理想材料，其研发和应用得到了主流机构与航空发动机制造商的高度重视。
目前，西方发达国家生产商已将 CMC 材料应用于多个航空发动机热端部件，主要包括发动机尾喷口、涡轮静子叶片、喷管调节片、燃烧室火焰筒等部位。但是，由于 CMC 材料具有脆性易断、加工性弱的缺点，其在涡轮转子、高压涡轮领域的运用仍在探索中。

（2）全球产能规模以及未来对该材料的需求预期

据不完全统计，2015 年全球连续碳化硅纤维的总产量达 300 吨。未来几年，随着美日主要生产商进一步扩产，中国、中东生产商入局，预计世界碳化硅纤维总产量至 2025 年有望增长至 500 吨左右。根据 Stratistics MRC 预测，SiC 纤维市场 2017 年的估值为 2.5 亿美元左右。
随着 SiC 纤维的研究工作不断深入、使用场景逐步增加，其市场需求有望快速扩大。预计到 2026 年 SiC 纤维的市场规模将增长至 35.87 亿美元，复合年增长率将达到 34.4%。
SiC 下游最主要的应用之一是 CMC 材料，根据 MarketsandMarkets 预测，2021 年全球 CMC 材料市场的市场规模达到 88 亿美元。
未来十年，伴随着综合国力的增强以及国际形势的不确定性，以中国为代表的主要发展中国家有望加大航空航天领域的投入力度，对新一代的航空器及航空发动机的需求有望大幅提升。在此背景下，凭借轻量化、高耐热、抗氧化的显著优势，SiC 纤维复合陶瓷基材料（CMC 材料）的使用率有望大幅增长。

（3）全球主要公司、市场份额及其产能

1975 年，日本东北大学 Yajima（矢岛圣使）教授使用聚碳硅烷作为原材料，利用先驱体转化法，成功制作出连续的无机 SiC 纤维。20 世纪 80 年代末，宇部兴产公司（Ube Industries）和日本碳素公司（Nippon Carbon）先后实现了 SiC 纤维的工业化生产，SiC 纤维的大规模生产在日本率先展开。
经历了几十年的发展，美日等发达国家已经形成了多个代际的 SiC 纤维产品体系，并推出了高性能、高纯度、高价值的第三代 SiC 纤维产品。目前，日本碳素公司（Nippon Carbon）和宇部兴产公司（Ube Industries）的 SiC 纤维产品产量最大，能达到百吨级。
（4）我国的发展水平、技术壁垒、需求缺口、进口依存度
连续碳化硅纤维在航空航天、国防军工等领域有极高的应用价值，属于军事敏感物资。因此，西方发达国家对碳化硅纤维产品、技术实施严格的保密封锁，中国只能依靠自主研发实现高性能碳化硅纤维的国产化。
突破碳化硅纤维新材料的大规模量产，是我国实现空军现代化、高性能航空发动机国产化的重要一环。考虑到国防安全、自主可控的战略意义，以及我国航空制造、空军装备的广阔升级空间，国产高性能碳化硅纤维的潜在需求巨大。当前，在建军百年奋斗目标的指引下，国防、军队现代化进程有望加速推进，我国碳化硅纤维行业将迎来历史性的发展机遇。
我国对高性能连续 SiC 纤维产品的研究始于上世纪 80 年代，经过 30 余年的发展，目前已经实现了多项关键技术的实质性突破。截至目前，中国国产 SiC 纤维产品性能已接近国外第二代 SiC 纤维产品。

新材料方向之三：半导体材料

1、硅片
硅片位于半导体产业链上游，是半导体器件和太阳能电池的主要原材料，主要应用于光伏和半导体两个领域，下游需求近年来不断增长。分领域来看，光伏用硅片的产能大多集中在我国，中环、隆基等龙头公司实力强劲，生产技术水平全球领先；半导体硅片相对于光伏用硅片而言制作工艺更为复杂，应用场景也更多，市场价值更高，然而我国的半导体硅片产业起步晚，发展水平较为落后，全球市场被日本厂家垄断，市场主流的 12 寸硅片在我国仍未达到规模化生产，严重依赖进口，以沪硅产业为代表的国内企业正努力打破技术壁垒，国产化替代的空间广阔。

（1）硅片下游应用广泛，是半导体器件和光伏电池的重要材料
硅是一种良好的半导体材料，耐高温、抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。以硅为原材料，通过拉单晶制作成硅棒，然后进行切割就形成了硅片。硅片主要用于半导体、光伏两大领域，半导体硅片在晶体、形状、尺寸大小、纯度等方面要比光伏用晶片要求更高，光伏用硅片的纯度要求硅含量为 4N-6N 之间（99.99%-99.9999%），半导体用硅片在 9N-11N（99.9999999%-99.999999999%)左右，制作工艺更加复杂，下游应用也更为广泛。半导体用硅片位于产业链的最上游，主要应用于集成电路、分立器件及传感器，是制造芯片的关键材料，影响着更下游的汽车、计算机等产业的发展，是半导体产业链的基石。
（2）光伏用硅片：我国产能领先，龙头企业实力强劲
光伏产业是国家战略新兴产业之一，光伏用硅片位于光伏产业链的上游，近年来其需求在不断上升，据 CPIA 预测，全球光伏市场的年装机量在 2021 年将会达到 150GW，具有广阔的市场和发展前景。我国是世界上最大的光伏用单晶硅片的生产国，据中国有色金属工业协会硅业分会统计，截至 2019 年底，我国单晶硅片产能为 115GW，占全球的 97.6%。龙头企业隆基和中环占据国内单晶硅片 50%以上的市场份额，并在持续扩张产能的进程之中，新势力公司上机数控和京运通也在加速扩产。
（3）半导体硅片：严重依赖进口，国产替代空间广阔
受益于半导体产品的技术进步和下游相关电子消费品的品类增加，半导体硅片的需求量逐年上升，规模不断增长，2020 年全球半导体硅片的出货量达到 12.41 亿平方英寸，根据 Gartner 的预测，2020 年全球硅片市场的规模将达到 110 亿美元左右，半导体硅片的市场前景广阔。
由于半导体硅片行业技术壁垒较高，当今全球半导体硅片行业被巨头垄断，集中度高，中国大陆地区厂商体量小。2020 年全球前五大硅片提供商日本信越化学（Shin-Etsu）、日本胜高（SUMCO）、中国台湾环球晶圆（GlobalWafers）、德国世创（Silitronic）、韩国鲜京矽特隆（SKSiltron）市占率合计超过 80%，我国大陆本土厂商沪硅产业市占率约 2.2%，体量较小。

硅片尺寸越大，单位晶圆生产效率越高。从 20 世纪 70 年代开始硅片就朝着大尺寸方向发展，当今全球最大尺寸的量产型硅片尺寸为 300mm，也就是 12 英寸硅片。
12 英寸晶圆的需求近年来不断上升，据日本胜高预测，12 英寸晶圆 2020-2024 年的 CAGR 可达 5.1%。全球的半导体硅片产能主要集中在行业巨头，我国半导体硅片起步晚，发展较为落后，仅有少数几家企业具有 200mm（8 英寸）硅片的生产力，我国的 12 英寸硅片在 2017 年以前全部依赖进口。

制作大硅片对硅的纯度要求很高，对倒角、精密磨削的加工工艺也有非常高的要求，我国的工艺水平落后，尚未实现 12 英寸硅片的规模化生产。沪硅产业在 2018 年实现了 12 寸硅片规模化销售，打破了大尺寸硅片国产率为 0 的局面。
12 英寸硅片仍然是当今硅片市场的主流，国内厂商具备追赶机会，大尺寸硅片的国产替代仍然具有较大的空间。为推动半导体硅片这一重要材料的国产化进程，我国政府也出台了一系列政策来支持产业发展，推动大尺寸硅片的研发制造，促进半导体产业的发展。
2、碳化硅（SiC）
碳化硅是第三代半导体材料，具有非常优越的性能，是功率器件的重要原材料，近年来各国都投入大量人力物力发展相关产业。碳化硅行业门槛比较高，我国生产技术水平较为落后，目前产业格局呈现美国独大的特点，仅Cree 一家公司就占据导电型碳化硅晶片全球 62%的份额。碳化硅市场的发展前景广阔，近年来不断在电动车、光伏、轨道交通、智能电网等领域渗透，拥有强劲的下游需求，市场规模不断扩大。我国也在对碳化硅全产业链进行布局，今年来相关专利数量不断上升，以天科合达为代表的晶片生产厂商的市占率也在逐年提高，我国的碳化硅产业的未来发展空间较大。

（1）第三代半导体材料，新能源与 5G 的基石
碳化硅是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，也是第三代半导体材料的代表材料。碳化硅材料具有很多优点：化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨耐高压。采用碳化硅材料的产品，与相同电气参数的产品比较，可缩小 50%体积，降低 80%能量损耗，由于这些特性，世界各国对碳化硅材料非常重视，纷纷投入大量精力促进相关产业发展，国际上的各大半导体巨头也都投入巨资发展碳化硅器件。随着技术工艺的成熟、制备成本的下降，应用在各类功率器件上，近年来碳化硅功率器件在新能源汽车领域渗透率持续上升，是未来新能源、5G 通信领域中 SiC、GaN 器件的重要原材料。
（2）欧美占据 SiC 产业链的关键位置
碳化硅生产过程分为单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。碳化硅行业存在较高的技术门槛，研发时间长，美国、欧洲、日本等国家与地区多年来不断改良碳化硅单晶的制备技术、研发制造相关设备，在碳化硅产业链各环节都具有较大优势。
行业巨头 CREE 实力强劲，其旗下的 Wolfspeed 拥有垂直一体化的生产能力，在功率和射频器件市场具有领导地位；欧洲的英飞凌、意法半导体等公司拥有完整的碳化硅生产以及应用产业链;日本的罗姆半导体、三菱电机等在碳化硅功率模块开发方面领先。
近年来代工企业也在增多，大陆与中国台湾地区企业逐步进入，代工企业包括大陆的三安集成、中国台湾地区的汉磊科技等。
目前，碳化硅产业格局呈现美国独大的特点。以重要产品导电型碳化硅晶片为例，2018 年美国占有全球产量的 70%以上，仅 CREE 一家公司就占据 62%的市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他企业占据，中国企业仅占 1.7%的份额。

（3）新能源汽车、光伏产业发展促进碳化硅市场成长

碳化硅是极限功率器件的理想材料，耐高温高压，能源转换效率高，应用领域广阔。目前碳化硅功率器件有四个主要应用场景：
1）新能源汽车：电机驱动系统中的主逆变器；2）光伏：光伏逆变器；3）轨道交通：功率半导体器件；4）智能电网：固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统。随着碳化硅功率器件的进一步发展，其在各个领域的渗透率不断提高。
据 Yole，全球车载 SiC 功率器件的市场空间为预计到 2024 年可以达到 19.3 亿美金，对应 2018-2024 年复合增速达到 29%。据天科合达招股说明书预测，碳化硅功率器件在光伏逆变器中的占比在2025年将达到50%，轨道交通中碳化硅器件应用占比也将逐步上升。
在电动车和光伏逆变器需求的拉动下，根据 Omdia 预测，碳化硅和氮化镓功率半导体的新兴市场预计在 2021 年突破 10 亿美元；根据 IHS Markit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受益于新能源汽车需求增长以及光伏产业的发展。
预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元，碳化硅行业的成长动力充足。

3、高纯金属溅射靶材
溅射靶材是集成电路的核心材料之一，近年来向着高溅射率、高纯金属的方向发展。其下游应用场景主要包括半导体、面板、太阳能电池，随着消费电子终端市场的发展与完善，高纯金属溅射靶材的下游需求不断上升，2013-2020 年全球靶材市场规模的复合增速达 14%，市场规模逐渐扩大。
溅射靶材的行业壁垒较高，美国与日本企业掌握核心技术，垄断全球市场。我国的溅射靶材行业起步较晚，较为落后，但市场需求全球领先，国产替代空间大。国内企业正在逐渐突破技术瓶颈，为打破美日垄断高端靶材市场的不利局面而努力。

（1）集成电路的核心材料
溅射是制备薄膜材料的重要技术之一，溅射是指利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。集成电路中单元器件内部的介质层、导体层甚至保护层都要用到溅射镀膜工艺。
超高纯金属及溅射靶材是电子材料的重要组成部分，溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节。靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节，对工艺水平要求高，存在较高的进入壁垒。靶材如今向着高溅射率、晶粒晶向控制、大尺寸、高纯金属的方向发展。现在主要的高纯金属溅射靶材包括铝靶、钛靶、钽靶、钨钛靶等，是制备集成电路的核心材料。
（2）消费电子推动靶材市场规模扩大
高纯溅射靶材产品的下游产业市场容量近年来在逐步扩大：1）半导体产业：随着智能手机、平板电脑等终端消费领域对半导体需求的持续增长，半导体市场容量进一步提升， 半导体行业所需溅射靶材品种繁多，需求量大，稳定的下游市场增速将有力地促进溅射靶材销售规模的增长。
2）平板显示器产业：近年来，液晶显示器逐渐成为全球主流的显示技术，在平面显示市场中得到了广泛的应用。为了保证平板显示器大面积膜层的均匀性，溅射技术越来越多地被用来制备这些膜层。
20 世纪 90 年代以来，消费电子等终端应用市场的飞速发展推动高纯溅射靶材产业的发展，市场规模高速增长。2013-2020 年，全球溅射靶材市场规模预计将从 75.6 亿美元上升至 195.63 亿美元，复合增速为 14.42%。
（3）高端靶材研制与生产主要集中在美国和日本
国外知名靶材公司在靶材研发生产方面已有几十年的沉淀。全球范围内，溅射靶材产业链各环节参与企业数量基本呈金字塔型分布，高纯溅射靶材制造环节技术门槛高、设备投资大，具有规模化生产能力的企业数量相对较少，主要分布在美国、日本等国家和地区。目前全球溅射靶材市场内主要有四家企业，分别是 JX 日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯，市场份额占比分别为 30%、20%、20%和 10%，合计垄断了全球 80%的市场份额。其中最高端的晶圆制造靶材市场基本被这四家公司所垄断，合计约占全球晶圆制造靶材市场份额的 90%，JX 日矿金属规模最大，占全球晶圆制造靶材市场份额比例为 30%。
（4）高端靶材国内需求强劲，国产替代空间大
据测算 2019 年国内需求占全球靶材市场规模超过 30%，而本土厂商供给约占国内市场的 30%，高端靶材主要从美日韩进口，国内靶材市场至少有十倍的进口替代空间。仅就半导体用户靶材而言，据中国电子材料行业协会统计，2020 年国内半导体领域用溅射靶材市场规模 16.15 亿元人民币。预计到 2025 年，国内晶圆制造用溅射靶材市场规模将增长至 2.17 亿美元，封装领域用溅射靶材将增长至 1.18 亿美元，合计 3.35 亿美元，大约是人民币 23.45 亿元人民币左右。

编辑：恽海艳校对：张强

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