Những Vật Liệu Tiên Tiến Đã Trở Thành Vũ Khí Hạng Nặng Của Đất Nước, Đi Đầu Trong Ba Con Đường Để Cất Cánh

Với sự hỗ trợ của các chính sách quốc gia đối với vật liệu mới và các sản phẩm hạ nguồn của chúng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, quân sự, điện tử tiêu dùng, điện tử ô tô, điện tử quang điện, y sinh, nhu cầu thị trường tiếp tục mở rộng và các yêu cầu về hiệu suất sản phẩm tiếp tục được cải thiện. Với sự mở rộng nhanh chóng, yêu cầu về khả năng nghiên cứu và phát triển của các doanh nghiệp và các nhà nghiên cứu khoa học không ngừng tăng lên.

Các ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng hạ nguồn, năng lượng mới, chất bán dẫn, sợi carbon và các ngành công nghiệp khác đang tăng tốc chuyển giao sang Trung Quốc, và nhu cầu cấp thiết về nội địa hóa các vật liệu mới. Thay thế nhập khẩu sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển trong tương lai của đầu tư vào ngành công nghiệp vật liệu mới của nước tôi.

Một trong những hướng vật liệu mới: vật liệu nhẹ

1. Sợi carbon

Vật liệu sợi carbon được sử dụng trong hàng không vũ trụ, năng lượng gió, thể thao và giải trí, ô tô và các lĩnh vực khác với các đặc tính tuyệt vời của chúng. Chúng là những vật liệu được sử dụng rộng rãi và định hướng trên thị trường trong lĩnh vực vật liệu mới, và được mệnh danh là "vua của vật liệu mới". Nhu cầu thị trường sợi carbon toàn cầu đã tăng nhanh chóng trong những năm gần đây, và đất nước của tôi cũng đã nắm bắt cơ hội phát triển thành nhà sản xuất sợi carbon lớn thứ hai thế giới.

Tuy nhiên, so với nước ngoài, ngành công nghiệp sợi carbon của nước ta vẫn còn tồn tại những vấn đề là hiệu suất sử dụng thấp, ít sản phẩm cao cấp, khó ứng dụng và phát triển. Ngành công nghiệp hạ nguồn vẫn phụ thuộc nhiều vào các sản phẩm sợi carbon nhập khẩu. Trong môi trường quốc tế hiện nay, việc thực hiện quyền tự chủ kép trong phát triển sản xuất và ứng dụng quy mô sợi carbon là chìa khóa để nâng cao sức mạnh quốc phòng và sản xuất của đất nước tôi và đảm bảo sự ổn định của chuỗi cung ứng.

Sợi carbon (Carbon Fibre) là một sợi vô cơ có cấu trúc xương sống carbon với hàm lượng carbon cao hơn 90% được hình thành bởi quá trình nhiệt phân và carbon hóa các sợi hữu cơ như polyacrylonitrile (PAN) (hoặc cao độ, viscose) trong môi trường nhiệt độ cao, như -chất liệu hiệu suất. Được sản xuất vào những năm 1960.

Sợi carbon có tính chất cơ học và độ ổn định hóa học tuyệt vời: Là sợi có độ bền riêng cao nhất (mật độ riêng của cường độ) và độ cứng riêng cao nhất (mật độ riêng mô đun) trong số các loại sợi hiệu suất cao hiện đang được sản xuất hàng loạt, sợi carbon là một bộ phận quan trọng của hàng không vũ trụ, năng lượng gió Vật liệu lý tưởng cho cánh quạt, phương tiện năng lượng mới và các lĩnh vực khác có yêu cầu nhẹ. Các đặc tính chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao và hệ số giãn nở nhỏ giúp nó có thể thay thế cho các vật liệu kim loại trong môi trường khắc nghiệt; Ngoài ra, các tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt mở rộng ứng dụng của nó trong lĩnh vực điện tử truyền thông.

Theo số lượng sợi trong mỗi bó sợi carbon, sợi carbon thường được chia thành hai loại: sợi kéo nhỏ và sợi dây kéo lớn. Kéo nhỏ có hiệu suất tốt hơn nhưng giá cao hơn, và thường được sử dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao như hàng không vũ trụ và công nghiệp quân sự, cũng như đồ thể thao cao cấp; Kéo lớn có chi phí thấp hơn và thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp cơ bản, bao gồm xây dựng dân dụng, giao thông vận tải và thiết bị năng lượng, v.v.

2. Bảng điều khiển thân ô tô bằng hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm là hợp kim được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp, và đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không, vũ trụ, ô tô, sản xuất máy móc, đóng tàu và các ngành công nghiệp hóa chất. Theo hướng dẫn của chính sách quốc gia về tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải, ngành công nghiệp ô tô khó có thể đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải quốc gia ngày càng khắt khe nếu chỉ tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng của ô tô theo thiết kế. Vì vậy, việc độ nhẹ ô tô là hướng phát triển được ngành xác định.

Hợp kim nhôm là vật liệu nhẹ chính trong ngành công nghiệp ô tô. Trong số đó, tấm thân xe hợp kim nhôm (ABS) được sử dụng trong phần thân xe nặng nhất và là vật liệu quan trọng để đạt được mục tiêu nhẹ. Hiện nước tôi đã từng bước mở cửa thị trường hợp kim nhôm ô tô trong nước, thậm chí một số công ty đã bắt đầu xuất khẩu, kể cả công ty trong nước và nước ngoài sản xuất tại các nhà máy trong nước. Việc nội địa hóa các tấm thân bằng hợp kim nhôm là chìa khóa để nâng cao khả năng cạnh tranh của ngành công nghiệp ô tô của nước tôi và giúp đất nước đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.

Hướng thứ hai của vật liệu mới: vật liệu hàng không vũ trụ

1. Polyimide

Vật liệu polyimide (PI) có giá trị ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực tiên tiến như hàng không vũ trụ, linh kiện điện tử cao cấp và chất bán dẫn, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong quá trình đổi mới và lặp lại vật liệu. Hiện tại, nhu cầu thị trường polyimide toàn cầu tiếp tục phát triển, nhưng việc sản xuất hàng loạt các sản phẩm PI cao cấp và các sản phẩm PI chức năng đặc biệt vẫn do một số nước phát triển độc quyền và các công nghệ sản xuất liên quan được bảo hộ nghiêm ngặt.

Hiện tại, đất nước của tôi đã đạt được sản xuất quy mô lớn trong lĩnh vực màng PI cấp thấp và sợi PI, và đã đạt được khả năng cạnh tranh toàn cầu trong lĩnh vực màng PI cấp điện. Tuy nhiên, màng PI cao cấp và các sản phẩm PI cao cấp khác vẫn gặp phải vấn đề “kẹt cổ” hoặc không đủ năng lực sản xuất, dẫn đến mất cân đối cơ cấu cung cầu rõ rệt. Đột phá sản xuất hàng loạt các sản phẩm polyimide cao cấp có ý nghĩa to lớn đối với việc nâng cấp ngành sản xuất của đất nước tôi, nâng cấp vũ khí và khả năng kiểm soát độc lập.

Polyimide (PI) là một vật liệu polyme hữu cơ với các đặc tính toàn diện vượt trội, và được biết đến là "một trong những loại nhựa kỹ thuật có triển vọng nhất trong thế kỷ 21". Vật liệu có thể được sử dụng trong một phạm vi nhiệt độ rộng, có thể làm việc trong môi trường -200 đến 300 độ trong thời gian dài và có thể chịu được nhiệt độ cao trên 400 độ trong một thời gian ngắn.

Polyimide không có điểm nóng chảy rõ ràng và là vật liệu polyme chịu nhiệt độ cao nhất có thể được sử dụng thực tế hiện nay. Đồng thời, vật liệu còn có các đặc điểm là độ bền điện môi cao, kháng dung môi, kháng bức xạ, cách nhiệt, không độc hại, tiêu âm và giảm tiếng ồn, dễ dàng lắp đặt và bảo trì.

Hiện nay, polyimide đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, đóng tàu, bán dẫn, công nghiệp điện tử, vật liệu nano, màn hình linh hoạt, laser và các lĩnh vực khác. Theo dạng sản phẩm cụ thể, polyimide có thể được chia nhỏ thành bọt PI, màng PI, sợi PI, hỗn hợp ma trận PI, PSPI và các sản phẩm khác.

2. Sợi cacbua silic

Sợi cacbua silic (sợi SiC) là một loại sợi hiệu suất cao mới khác được phát triển sau sợi carbon và nó là vật liệu mới nổi chiến lược quốc gia. Hiện tại, giá trị ứng dụng của vật liệu tổng hợp nền gốm làm bằng sợi cacbua silic trong lĩnh vực động cơ khí là rất đáng kể. Các nước phát triển phương Tây đã ứng dụng thành công các sản phẩm như vậy để cải tiến nhiều bộ phận của động cơ hàng không và nâng cao hiệu quả của động cơ hàng không. Với việc cải thiện hơn nữa hiệu suất của sợi cacbua silic và dần dần tối ưu hóa quy trình sản xuất, vật liệu này dự kiến ​​sẽ được ứng dụng trong nhiều bộ phận động cơ khí hơn trong tương lai và dự kiến ​​sẽ được mở rộng sang các lĩnh vực dân dụng có giá trị cao khác , với một không gian thị trường tiềm năng rộng lớn.

Hướng thứ ba của vật liệu mới: vật liệu bán dẫn

1. Tấm wafer silicon

Các tấm silicon nằm ở thượng nguồn của chuỗi công nghiệp bán dẫn và là nguyên liệu chính cho các thiết bị bán dẫn và pin mặt trời. Chúng được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực quang điện và bán dẫn. Nhu cầu về hạ nguồn đang tăng lên trong những năm gần đây. Xét về các lĩnh vực khác nhau, hầu hết năng lực sản xuất tấm silicon quang điện đều tập trung ở nước tôi. Các công ty hàng đầu như Zhonghuan và LONGi có thế mạnh và trình độ công nghệ sản xuất hàng đầu trên thế giới. So với tấm silicon quang điện, tấm silicon bán dẫn có quy trình sản xuất và kịch bản ứng dụng phức tạp hơn. Tuy nhiên, ngành công nghiệp wafer silicon bán dẫn của nước tôi bắt đầu muộn và trình độ phát triển tương đối lạc hậu. Thị trường toàn cầu do các nhà sản xuất Nhật Bản độc quyền. Các tấm xốp silicon 12- inch phổ biến trên thị trường vẫn chưa đạt được sản xuất quy mô lớn ở quốc gia của tôi và chúng phụ thuộc nhiều vào nhập khẩu. , Các doanh nghiệp trong nước mà đại diện là ngành công nghiệp silicon Thượng Hải đang nỗ lực phá vỡ các rào cản kỹ thuật, và có một không gian rộng rãi để nội địa hóa và thay thế.

Silicon là vật liệu bán dẫn tốt, có khả năng chịu nhiệt độ cao và chống bức xạ tốt, đặc biệt thích hợp để chế tạo các thiết bị công suất lớn. Sử dụng silicon làm nguyên liệu thô, thanh silicon được tạo ra bằng cách kéo một tinh thể đơn lẻ, sau đó cắt để tạo thành tấm silicon. Các tấm silicon được sử dụng chủ yếu trong hai lĩnh vực chính là bán dẫn và quang điện. Tấm bán dẫn có yêu cầu cao hơn tấm quang điện về tinh thể, hình dạng, kích thước và độ tinh khiết. Độ tinh khiết của tấm silicon quang điện yêu cầu hàm lượng silicon trong khoảng 4N -6 N. (99,99 phần trăm -99. 9999 phần trăm), các tấm silicon cho chất bán dẫn là khoảng 9N -11 N (99,9999999 phần trăm -99. 999999999 phần trăm), quy trình sản xuất phức tạp hơn và các ứng dụng hạ nguồn cũng rộng rãi hơn. Các tấm silicon cho chất bán dẫn nằm ở thượng nguồn nhất của dây chuyền công nghiệp, chủ yếu được sử dụng trong các mạch tích hợp, các thiết bị rời rạc và cảm biến. Chúng là nguyên liệu quan trọng để sản xuất chip và ảnh hưởng đến sự phát triển của các ngành công nghiệp hạ nguồn hơn nữa như ô tô và máy tính. Chúng là nền tảng của chuỗi công nghiệp bán dẫn.

Ngành công nghiệp quang điện là một trong những ngành công nghiệp mới nổi chiến lược quốc gia. Các tấm silicon quang điện nằm ở thượng nguồn của chuỗi công nghiệp quang điện và nhu cầu của chúng đã tăng lên trong những năm gần đây. Theo dự báo của CPIA, công suất lắp đặt hàng năm của thị trường quang điện toàn cầu sẽ đạt 150GW vào năm 2021. thị trường và triển vọng phát triển. đất nước của tôi là nhà sản xuất tấm silicon đơn tinh thể lớn nhất thế giới cho quang điện. Theo thống kê từ Chi nhánh Công nghiệp Silicon của Hiệp hội Công nghiệp Kim loại Màu Trung Quốc, tính đến cuối năm 2019, công suất sản xuất wafer silicon đơn tinh thể của nước tôi là 115GW, chiếm 97,6% tổng công suất của thế giới. Các công ty hàng đầu LONGi và Zhonghuan chiếm hơn 50% thị phần trong nước của tấm silicon đơn tinh thể, và trong quá trình không ngừng mở rộng năng lực sản xuất, các công ty điện mới CNC và Beijing Express cũng đang tăng tốc mở rộng sản xuất.

Hưởng lợi từ tiến bộ công nghệ của các sản phẩm bán dẫn và sự gia tăng trong danh mục hàng tiêu dùng điện tử hạ nguồn, nhu cầu về tấm silicon bán dẫn đã tăng lên hàng năm và quy mô tiếp tục phát triển. Vào năm 2020, các lô hàng wafer bán dẫn toàn cầu sẽ đạt 1,241 tỷ inch vuông. Quy mô của thị trường wafer silicon toàn cầu đã đạt khoảng 11 tỷ đô la Mỹ, và triển vọng thị trường wafer silicon bán dẫn là rất rộng.

Do những rào cản kỹ thuật cao trong ngành công nghiệp wafer bán dẫn, ngành công nghiệp wafer bán dẫn toàn cầu ngày nay được độc quyền bởi những người khổng lồ, với mức độ tập trung cao, và số lượng nhà sản xuất ở Trung Quốc đại lục lại ít. Vào năm 2020, năm nhà cung cấp wafer silicon hàng đầu thế giới là Shin-Etsu, Nhật Bản, SUMCO, Đài Loan, Trung Quốc, GlobalWafers, Silitronic của Đức và SKSiltron của Hàn Quốc. Tổng thị phần vượt quá 80 phần trăm và thị phần của ngành công nghiệp silicon Thượng Hải, một nhà sản xuất địa phương ở đất nước tôi, là khoảng 2,2 phần trăm, và khối lượng tương đối nhỏ.

Kích thước tấm wafer càng lớn thì hiệu quả sản xuất trên mỗi tấm wafer càng cao. Từ những năm 1970, bánh xốp silicon đã phát triển theo hướng có kích thước lớn. Ngày nay, tấm wafer silicon được sản xuất hàng loạt lớn nhất trên thế giới là 300mm, là wafer silicon 12- inch.

Nhu cầu về bánh xốp 12- inch đã tăng lên trong những năm gần đây. Theo dự báo của Shengco của Nhật Bản, tốc độ CAGR của 12- inch wafer in 2020-2024 có thể đạt 5,1 phần trăm. Năng lực sản xuất wafer bán dẫn toàn cầu chủ yếu tập trung ở các công ty khổng lồ trong ngành. tấm wafer bán dẫn của nước tôi bắt đầu muộn và phát triển tương đối lạc hậu. Chỉ một số công ty có năng suất bánh xốp 200mm (8- inch). Các tấm lót 12- inch của đất nước tôi không có sẵn trước năm 2017. Tất cả đều dựa vào nhập khẩu.

Việc sản xuất các tấm silicon lớn có yêu cầu cao về độ tinh khiết của silicon, đồng thời cũng có yêu cầu rất cao về công nghệ xử lý vát mép và mài chính xác. trình độ công nghệ của đất nước tôi còn lạc hậu và vẫn chưa đạt được quy mô lớn sản xuất bánh xốp silicon 12- inch. Ngành công nghiệp silicon Thượng Hải đã đạt được doanh số bán hàng quy mô lớn 12- inch bánh xốp silicon trong 2 0 18, phá vỡ tình trạng tỷ lệ sản xuất bánh xốp silicon kích thước lớn trong nước là 0.

Bánh xốp silicon 12- inch vẫn là xu hướng chủ đạo của thị trường wafer silicon ngày nay, các nhà sản xuất trong nước có cơ hội bắt kịp và vẫn còn nhiều không gian để thay thế các tấm silicon kích thước lớn trong nước. Để thúc đẩy quá trình nội địa hóa tấm silicon bán dẫn, một loại vật liệu quan trọng, Chính phủ Trung Quốc cũng đã ban hành một loạt chính sách hỗ trợ phát triển công nghiệp, thúc đẩy R&D và sản xuất wafer silicon kích thước lớn, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của chất bán dẫn. ngành công nghiệp.

2. Cacbua silic (SiC)

Cacbua silic là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba với hiệu suất rất cao và là nguyên liệu thô quan trọng cho các thiết bị điện. Trong những năm gần đây, các nước đã đầu tư rất nhiều nhân lực và vật lực để phát triển các ngành liên quan. Ngưỡng cho ngành công nghiệp cacbua silic tương đối cao, và trình độ công nghệ sản xuất ở nước tôi tương đối lạc hậu. Cơ cấu công nghiệp hiện nay được đặc trưng bởi sự thống trị của Hoa Kỳ. Chỉ riêng Cree đã chiếm 62% thị phần toàn cầu của các tấm wafer silicon cacbua dẫn điện. Thị trường cacbua silic có nhiều triển vọng phát triển. Trong những năm gần đây, nó đã liên tục thâm nhập vào các lĩnh vực xe điện, quang điện, vận chuyển đường sắt và lưới điện thông minh. Nó có nhu cầu hạ nguồn mạnh mẽ và quy mô thị trường tiếp tục mở rộng. đất nước của tôi cũng đang sản xuất toàn bộ chuỗi ngành công nghiệp cacbua silic. Số lượng bằng sáng chế liên quan đã tiếp tục tăng trong năm nay. Thị phần của các nhà sản xuất chip do Tianke Heda làm đại diện cũng đang tăng lên qua từng năm. Không gian phát triển trong tương lai của ngành công nghiệp cacbua silic của nước tôi là tương đối cao. to lớn.

Cacbua silic là vật liệu bán dẫn băng tần rộng trưởng thành nhất và là vật liệu tiêu biểu của thế hệ vật liệu bán dẫn thứ ba. Vật liệu cacbua silic có nhiều ưu điểm: tính chất hóa học ổn định, dẫn nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, chịu mài mòn và chịu áp suất cao. So với các sản phẩm có cùng thông số điện, các sản phẩm sử dụng vật liệu cacbua silic có thể giảm 50% thể tích và 80% tổn thất năng lượng. Do những đặc điểm đó, các nước trên thế giới rất coi trọng vật liệu cacbua silic, và đã đầu tư nhiều tâm sức để thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp liên quan. Các đại gia bán dẫn lớn ở Trung Quốc cũng đã đầu tư rất nhiều vào việc phát triển các thiết bị cacbua silicon. Với sự trưởng thành của các quy trình kỹ thuật và sự suy giảm của chi phí sản xuất, nó được áp dụng cho các thiết bị điện khác nhau. Trong những năm gần đây, tỷ lệ thâm nhập của các thiết bị năng lượng cacbua silicon trong lĩnh vực phương tiện năng lượng mới tiếp tục tăng, và đó là tương lai của các thiết bị SiC và GaN trong lĩnh vực năng lượng mới và truyền thông 5G. nguyên liệu quan trọng.

Theo Yole, thị trường toàn cầu cho các thiết bị điện SiC dành cho ô tô dự kiến ​​sẽ đạt 1,93 tỷ USD vào năm 2024, tương ứng với tốc độ tăng trưởng kép 29% từ năm 2018 đến năm 2024. Theo bản cáo bạch của Tianke Heda, tỷ lệ cacbua silicon các thiết bị điện trong bộ biến tần quang điện sẽ đạt 50% vào năm 2025 và tỷ lệ thiết bị cacbua silicon trong vận chuyển đường sắt cũng sẽ dần tăng lên.

Được thúc đẩy bởi nhu cầu về xe điện và biến tần quang điện, theo dự báo của Omdia, thị trường mới nổi của chất bán dẫn điện silic cacbua và gali nitride dự kiến ​​sẽ vượt 1 tỷ đô la Mỹ vào năm 2021; Theo dữ liệu của IHS Markit, quy mô thị trường của các thiết bị sử dụng năng lượng cacbua silicon năm 2018 Khoảng 390 triệu USD, được hưởng lợi từ sự tăng trưởng nhu cầu đối với các phương tiện năng lượng mới và sự phát triển của ngành công nghiệp quang điện.

Dự kiến, quy mô thị trường của các thiết bị sử dụng năng lượng cacbua silicon sẽ vượt quá 10 tỷ đô la Mỹ vào năm 2027 và động lực tăng trưởng của ngành công nghiệp cacbua silicon là đủ.