新材料深度研究報告：液態金屬、超導、稀土、合金材料

技術 3D打印十三五能源日本紡織未來智庫 2019-06-27

（溫馨提示：文末有下載方式）

報告綜述：

新材料按產業階段劃分成先進基礎材料、關鍵戰略材料、前沿新材料三大類別。 先進基礎材料主要包括鋼鐵、有色、石化、建材、輕工、紡織等基礎材料中的高端產品，關鍵戰略材料主要包括高端裝備用特種合金、高性能纖維及其複合材料、新型能源材料、稀土功能材料、先進半導體材料、新型顯示材料等高性能新材料，前沿新材料包括3D 打印材料、超導材料、智能仿生與超材料、石墨烯等。
液態金屬具有高強度、高硬度，極強的耐磨性和耐腐蝕性，非常好的散熱性、電磁屏蔽性以及自驅動性。目前液態金屬可用於散熱器和電子增材製造領域，但憑著其優越的性能，液態金屬在未來還有非常廣闊的應用空間。
3D 打印用合金粉末可以分為鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金等。由於3D 打印技術的市場前景十分廣闊，打印用的材料合金粉末也相應擁有了更大的需求空間。目前我國高端3D 打印用合金粉末也開始從實驗室走向了產業化階段。
超導材料具有零電阻和完全抗磁性的特點，應用領域有輸電電纜、超導發電機、超導磁體、超導限流器等。目前國內超導材料主要從美國和日本進口，成本昂貴，超導行業發展必將產生對超導材料大量的需求，因此，超導行業要發展壯大，超導材料必須國產化。
高溫合金具有較高的高溫強度、斷裂韌性、抗氧化、抗熱腐蝕和熱疲勞性能。主要應用於航空航天領域和能源領域。高溫合金作為航空發動機投入的重點材料，未來增速較為可觀。中長期來看，核電、工業、艦船等領域突破性需求也帶來高端合金行業的需求。
稀土按功能劃分為稀土永磁材料、稀土催化材料、稀土儲氫材料、稀土發光材料、稀土超拋光材料五大類。不同種類稀土都有自己獨特的性能和應用領域。我國是稀土資源大國，資源拉動了我國稀土功能材料的快速發展。
我們認為新材料企業不同於互聯網企業擁有未來巨大流量變現的可能，P/S 的方法並不試用，此外P/B 的方法更適用於強週期的重資產行業，EV/EBITDA 的估值方法適用於資本密集型企業。考慮到新材料行業屬於成長型行業同時天花板較高，PEG 是一種合理的方法，但新材料行業的盈利增速並不穩定，盈利增速的方差較大，如果僅憑個別年份的高增長就給予較高的估值，很可能在下一個年份就遭遇戴維斯雙殺，因此我們認為結合合理P/E 的PEG 方法更適合用於給新材料板塊進行估值。

報告內容：

1、國家新材料產業政策梳理

1.1 新材料的基本概念

新材料是指新出現的具有優異性能和特殊功能的材料，或是傳統材料改進後性能明顯提高和產生新功能的材料。新材料產業是材料工業發展的先導，是重要的戰略性、基礎性產業，在建設製造強國、鞏固國防軍工中佔據重要地位。“一代新材料造就一代新裝備，一代新裝備需要一代新材料”，每個工業強國的崛起，都需要雄厚的材料工業作為堅強支柱。

新材料作為基礎性和支柱性戰略產業，是高新技術的先導。世界各國高度重視，紛紛出臺政策大力扶持產業發展。我國政府更是如此，《中國製造2025》將新材料確定為十大重點領域之一，並在隨後公佈的《<中國製造2025>重點領域技術路線圖(2015 版)》中，明確產業需求、目標、重點產品及關鍵技術，確立新材料產業發展路線。

進入“十三五”後，為促進新材料產業發展更上一層樓，相關政策頻頻加碼。從發佈《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》明確加快新材料等戰略新興產業發展，到成立國家新材料產業發展領導小組;從發佈《新材料產業發展指南》到為中國製造2025 增添百億專項基金，不斷在政策上為新材料產業提供支持。根據《<中國製造2025>重點領域技術路線圖》及《新材料產業發展指南》，新材料產業總體分為先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料三個重點方向。

1.2 國家發展新材料產業的重要意義

新材料作為國民經濟的先導性產業和高端製造及國防工業發展等的關鍵保障，是各國戰略競爭的焦點。“一代材料、一代產業”，從材料的應用歷程可以看出，每一次生產力的發展都伴隨著材料的進步。新材料的發現、發明和應用推廣與技術革命和產業變革密不可分。在全球新一輪科技和產業革命興起的大背景下，歐美韓日俄等全球20 多個主要國家紛紛制定了與新材料有關的產業發展戰略，啟動了100 多項專項計劃，大力促進本國新材料產業的發展。

我國新材料產業起步晚、底子薄、總體發展慢，仍處於培育發展階段。新材料產業發展的滯後，已成為制約製造強國建設的重要瓶頸。在國民經濟需求的百餘種關鍵材料中，目前約有1/3 國內完全空白，約有一半性能穩定性較差，部分產品受到國外嚴密控制。當前，我國正處在經濟轉型和結構提升的關鍵期，加快發展新材料，對推動技術創新，支撐產業升級，建設製造強國具有重要戰略意義。

1.3 國家新材料產業政策梳理1.3.1 國家新材料產業政策脈絡

1.3.2 重點新材料相關政策文件摘要

(1)《中國製造2025》

《中國製造2025》，是我國實施製造強國戰略第一個十年的行動綱領。

新材料是十個重點建設領域之一。以特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材料、特種無機非金屬材料和先進複合材料為發展重點，加快研發先進熔鍊、凝固成型、氣相沉積、型材加工、高效合成等新材料製備關鍵技術和裝備，加強基礎研究和體系建設，突破產業化製備瓶頸。積極發展軍民共用特種新材料，加快技術雙向轉移轉化，促進新材料產業軍民融合發展。高度關注顛覆性新材料對傳統材料的影響，做好超導材料、納米材料、石墨烯、生物基材料等戰略前沿材料提前佈局和研製。加快基礎材料升級換代。

(2)《有色金屬工業發展規劃(2016-2020 年)》

以加強供給側結構性改革和擴大市場需求為主線，以質量和效益為核心，以技術創新為驅動力，以高端材料、綠色發展、兩化融合、資源保障、國際合作等為重點，加快產業轉型升級，拓展行業發展新空間，到2020 年底我國有色金屬工業邁入世界強國行列。

(3)《稀土行業發展規劃(2016-2020 年)》

以創新驅動為導向，持續推進供給側結構性改革，加強稀土戰略資源保護，規範稀土資源開採生產秩序，有效化解冶煉分離和低端應用過剩產能，提升智能製造水平，擴大稀土高端應用，提高行業發展質量和效益，充分發揮稀土戰略價值和支撐作用。

(4)《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》

提高新材料基礎支撐能力。順應新材料高性能化、多功能化、綠色化發展趨勢，推動特色資源新材料可持續發展，加強前沿材料佈局，以戰略性新興產業和重大工程建設需求為導向，優化新材料產業化及應用環境，加強新材料標準體系建設，提高新材料應用水平，推進新材料融入高端製造供應鏈。到2020 年，力爭使若幹新材料品種進入全球供應鏈，重大關鍵材料自給率達到70%以上，初步實現我國從材料大國向材料強國的戰略性轉變。

推動新材料產業提質增效。面向航空航天、軌道交通、電力電子、新能源汽車等產業發展需求，擴大高強輕合金、高性能纖維、特種合金、先進無機非金屬材料、高品質特殊鋼、新型顯示材料、動力電池材料、綠色印刷材料等規模化應用範圍，逐步進入全球高端製造業採購體系。

以應用為牽引構建新材料標準體系。圍繞新一代信息技術、高端裝備制造、節能環保等產業需求，加強新材料產品標準與下游行業設計規範的銜接配套，加快制定重點新材料標準，推動修訂老舊標準，強化現有標準推廣應用，加強前沿新材料標準預先研究，提前佈局一批核心標準。加快新材料標準體系國際化進程，推動國內標準向國際標準轉化。

促進特色資源新材料可持續發展。推動稀土、鎢鉬、釩鈦、鋰、石墨等特色資源高質化利用，加強專用工藝和技術研發，推進共伴生礦資源平衡利用，支持建立專業化的特色資源新材料回收利用基地、礦物功能材料製造基地。在特色資源新材料開採、冶煉分離、深加工各環節，推廣應用智能化、綠色化生產設備與工藝。發展海洋生物來源的醫學組織工程材料、生物環境材料等新材料。

前瞻布局前沿新材料研發。突破石墨烯產業化應用技術，拓展納米材料在光電子、新能源、生物醫藥等領域應用範圍，開發智能材料、仿生材料、超材料、低成本增材製造材料和新型超導材料，加大空天、深海、深地等極端環境所需材料研發力度，形成一批具有廣泛帶動性的創新成果。

(5)《新材料產業發展指南》

《指南》提出，“十三五”要深入推進供給側結構性改革，堅持需求牽引和戰略導向，推進材料先行、產用結合，以滿足傳統產業轉型升級、戰略性新興產業發展和重大技術裝備急需為主攻方向，著力構建以企業為主體、以高校和科研機構為支撐、軍民深度融合、產學研用協同促進的新材料產業體系，著力突破一批新材料品種、關鍵工藝技術與專用裝備，不斷提升新材料產業國際競爭力。《指南》從突破重點應用領域急需的新材料、佈局一批前沿新材料、強化新材料產業協同創新體系建設、加快重點新材料初期市場培育、突破關鍵工藝與專用裝備制約、完善新材料產業標準體系、實施“ 互聯網+”新材料行動、培育優勢企業與人才團隊、促進新材料產業特色集聚發展等九個方面提出了重點任務。《指南》作為“十三五”時期指導新材料產業發展的專項指南，將引導新材料產業健康有序發展。

(6)《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》

依據國際發展趨勢、國內基礎和麵臨的挑戰，緊密結合經濟社會發展和國防建設的重大需求，重點凝練七個任務方向。

一是重點基礎材料技術提升與產業升級，著力解決基礎材料產品同質化、低值化，環境負荷重、能源效率低、資源瓶頸制約等重大共性問題，突破基礎材料的設計開發、製造流程、工藝優化及智能化綠色化改造等關鍵技術和國產化裝備，開展先進生產示範。

二是戰略性先進電子材料，以第三代半導體材料與半導體照明、新型顯示為核心，以大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料為重點，推動跨界技術整合，搶佔先進電子材料技術的制高點。

三是材料基因工程關鍵技術與支撐平臺，構建高通量計算、高通量實驗和專用數據庫三大平臺，研發多層次跨尺度設計、高通量製備、高通量表徵與服役評價、材料大數據四大關鍵技術，實現新材料研發週期縮短一半、研發成本降低一半的目標。

四是納米材料與器件，研發新型納米功能材料、納米光電器件及集成系統、納米生物醫用材料、納米藥物、納米能源材料與器件、納米環境材料、納米安全與檢測技術等，突破納米材料宏量製備及器件加工的關鍵技術與標準，加強示範應用。

五是先進結構與複合材料，以高性能纖維及複合材料、高溫合金為核心，以輕質高強材料、金屬基和陶瓷基複合材料、材料表面工程、3D 打印材料為重點，解決材料設計與結構調控的重大科學問題，突破結構與複合材料製備及應用的關鍵共性技術，提升先進結構材料的保障能力和國際競爭力。

六是新型功能與智能材料，以稀土功能材料、先進能源材料、高性能膜材料、功能陶瓷等戰略新材料為重點，大力提升功能材料在重大工程中的保障能力;以超導材料、智能/仿生/超材料、極端環境材料等前沿新材料為突破口，搶佔材料前沿制高點。

七是材料人才隊伍建設，通過機制與制度創新，加強材料領域人才隊伍建設，形成材料領域核心領軍人才、研究開發人才、工程技術人才和技能人才組成的材料人才體系及其評價機制，提升創新創業人才隊伍的整體素質和水平，滿足材料領域發展的需求。

(7)《新材料標準領航行動計劃(2018-2020 年)》

計劃的目標為:到2020 年，完成制修訂600 項新材料標準，構建完善新材料產業標準體系，重點制定100 項“領航”標準，規範和引領新材料產業健康發展; 新材料標供給結構得到優化，基於自主創新技術制定的團體標準、企業標準顯著增多;建立3-5 個新材料領域國家技術標準創新基地，形成科研、標準、產業同步推進的新機制新模式;建設一批新材料產業標準化試點示範企業和園區，促進新材料標準有效實施和廣泛應用;提出30 項新材料國際標準提案，助力新材料品種進入全球高端供應鏈。

1.3.3 不同地區新材料產業政策佈局解讀：略

……

1.3.4 國家新材料總體政策導向小結

通過梳理和分析國家新材料產業相關的政策脈絡及相關核心文件精神，我們可以看出，國家發展新材料產業的核心目標是:提升新材料的基礎支撐能力，實現我國從材料大國到材料強國的轉變。

具體而言，我國發展新材料產業有四個方面的核心任務要求:一是聚焦國家重大戰略亟需和產業發展瓶頸，提升關鍵戰略材料的保障能力;二是推動生產過程的智能化和綠色化改造，提高先進基礎材料國際競爭力;三是加快佈局前沿新材料，搶佔全球新材料產業未來發展的制高點;四是推動稀土、鎢鉬、釩鈦、鋰、石墨等特色資源新材料可持續發展。其中，前三個任務要求是圍繞關鍵戰略材料、先進基礎材料和前沿新材料三大方向展開，第四個核心任務要求則是結合我國在新材料領域的特色資源優勢，提出的有針對性的發展要求。

2、新材料的分類與概況

隨著科學技術的發展，人們在傳統材料的基礎上，根據現代科技的研究成果，開發出新材料。新材料按產業階段劃分成先進基礎材料、關鍵戰略材料、前沿新材料三大類別。

新材料作為國民經濟先導產業和高端製造及國防工業的重要保障，未來將成為各國戰略競爭的焦點。當前在新一輪科技革命和產業變革大勢下，全球新材料產業格局發生重大調整。新材料與信息、能源、生物等高技術加速融合，互聯網+、材料基因組計劃、增材製造等新技術新模式蓬勃興起，新材料創新步伐持續加快，國際競爭日趨激烈。

在此大背景下，歐美日俄韓等全球20 多個主要國家紛紛制定了與新材料相關的產業發展戰略，啟動了100 多項專項計劃，大力促進本國新材料產業發展。相對而言，我國新材料產業起步晚、底子薄，材料先行戰略沒有得到落實，核心技術與專用裝備水平相對落後，關鍵材料保障能力不足，整體仍處於培育發展階段。

2.1 先進基礎材料

(一)先進鋼鐵材料:鋼鐵是鐵與碳、硅、錳、磷、硫以及少量的其他元素所組成的合金。其中鐵外，碳的含量對鋼鐵的機械性能起著主要作用，故統稱為鐵碳合金。它是工程技術中最重要、也是最主要的，用量最大的金屬材料。先進鋼鐵材料的含義是在環境性、經濟性、資源性的約束下，採用先進製造技術生產具有高潔淨度、高均勻度、超細晶粒特徵的鋼材，強度和韌度比傳統鋼材有很大提高，鋼材使用壽命增加滿足21 世紀國家經濟和社會發展的需要。

(二)先進有色金屬材料:有色金屬狹義的有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統稱。廣義的有色金屬還包括有色合金。有色金屬材料是經濟社會發展的基礎性材料，是國防軍工和新科技革命的戰略性材料，人類社會對有色金屬的需求有著很大空間。有色金屬工業是製造業的重要基礎產業之一，是實現製造強國的重要支撐。

進入新世紀以來，我國有色金屬工業發展迅速，基本滿足了經濟社會發展和國防科技工業建設的需要。但與世界強國相比，在技術創新、產業結構、質量效益、綠色發展、資源保障等方面仍有一定差距。堅持綠色發展理念。嚴格准入條件，優化產業佈局，嚴格控制資源、能源、環境容量不具備條件地區的冶煉產能。大力推廣安全高效、能耗物耗低、環保達標、資源綜合利用效果好的先進生產工藝，強化從源頭防控金屬汙染。由高耗能向綠色、低碳轉變。

(三)先進化工材料:化工新材料是新材料產業的一個重要分支，是基礎化學工業最具活力和發展潛力的領域。發展化工新材料產業在突破國內資源“瓶頸”，環境保護、調整產業結構，保持石油和化學工業平穩、較快和可持續發展方面“大有可為”。

堅持以安全環保、集約發展為重點，升級和調整傳統化工，加快培育化工新材料及其基礎原料，鞏固發展高性能聚烯烴、高端工程塑料、特種合成橡膠等先進高分子材料;提高化工新材料整體自給率，加快精細化工的綠色工藝和產品開發，重點突破高端表面活性劑、微電子行業的各類化學用劑等特種功能化學品。

(四)先進無機非金屬材料:無機非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱。

無機非金屬材料的提法是20 世紀40 年代以後，隨著現代科學技術的發展從傳統的硅酸鹽材料演變而來的。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料並列的三大材料之一。新型無機非金屬材料是20 世紀中期以後發展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎。

(五)其他材料:

(1)稀有金屬:稀有金屬塗層材料、高純銦。

(2)高性能靶材:積極發展高純稀有金屬及靶材、原子能級鋯材、高端鎢鉬材料及製品等，加快推進高純硅材料、新型半導體材料、磁敏材料、高性能膜材料等產業化。

(3)其他:包括鈦合金加工用超細硬質合金高端棒材、新型硬質合金材料、反應堆中子吸收體材料、熱縮型耐溫耐磨材料、高性能極細徑納米晶微鑽棒材、核電燃料元件用鎳基合金材料、高純氧化鋁生產用固體鋁酸鈉。

2.2 關鍵戰略材料

(一)高性能纖維及複合材料:高性能纖維是國家戰略性新興產業的重要組成部分，是發展國防軍工重要的基礎原材料。《中國製造 2025》明確提出，新材料產業是需要突破發展的十大重點領域之一。工信部發布的《重點新材料首批次應用示範指導目錄(2017 版)》中，也將碳纖維、玄武岩纖維、連續碳化硅纖維列為“關鍵戰略材料”。

我國高性能纖維複合材料行業面臨一個新的大發展時期，如城市化進程中大規模的市政建設、新能源的利用和大規模開發、環境保護政策的出臺、汽車工業的發展、大規模的鐵路建設、大飛機項目等。在巨大的市場需求牽引下，高性能纖維複合材料產業的發展將有很廣闊的發展空間。

(二)稀土功能材料:推動國產高端產品在先進裝備製造、新能源汽車、節能環保、高性能醫療設備等領域的應用。發展重點:擴大高性能粘結稀土永磁材料產量，提高燒結型稀土永磁材料、稀土催化材料、稀土發光材料和稀土激光材料性能。重點發展工業脫硝、機動車尾氣淨化等用稀土催化材料，多領域用高性能稀土永磁材料、高光效稀土發光材料和高功率、大尺寸摻釹激光玻璃、特種光纖激光器等產品。

(三)先進半導體材料和新型顯示材料:先進半導體材料的發展目標是形成第三代半導體材料構建襯底、外延、器件及應用的完整產業鏈，著力開發襯底及外延、芯片及封裝、系統集成及可靠性評價等關鍵技術，大力推進功率器件、射頻器件與光電器件產業化，推動4G 通信及下一代互聯網技術發展。

新型顯示材料的發展目標是實現產能利用率保持合理水平，產品結構不斷優化，行業資源環境效率顯著提高。發展重點:印刷顯示方面，重點發展小分子OLED 和高分子OLED;柔性顯示方面，重點發展關鍵發光材料，注入層、傳輸層等有機物。全面掌握有源矩陣有機發光二極管(AMOLED)技術，在全息、激光、柔性等顯示技術以及新型顯示材料領域取得部分技術突破。

(四)新型能源材料:新能源是降低碳排放、優化能源結構、實現可持續發展的重要途徑，新能源材料是引導和支撐新能源發展的重要基礎，對新能源的發展發揮了重要作用。一些新能源材料的發明催生了新能源系統的誕生，一些新能源材料的應用提高了系能源系統的效率，新能源材料的使用也直接影響著新能源系統的投資與運行成本。新能源材料主要包括硅碳負極材料、新能源複合金屬材料、鋰離子電池電解液、鋰離子電池電解液等。

2.3 前沿新材料

(一)石墨烯:石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。石墨烯的具體應用分類為:石墨烯改性防腐塗料、石墨烯薄膜、石墨烯潤滑油、石墨烯導靜電輪胎、石墨烯增強銀基電接觸功能複合材料、石墨烯導電發熱纖維及石墨烯發熱織物。

(二)液態金屬及其電子漿料:液態金屬是在常溫下呈液態的一大類多金屬合金材料，擁有極佳的流動性和物化穩定性，易於成型，是超越銅、銀、鋁等傳統材料的顛覆性新材料，是人類開發利用金屬材料的第二次革命。液態金屬具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性等。由於它的性能優異、工藝簡單，從80 年代開始成為國內外材料科學界的研究開發重點。

(三)3D 打印用合金粉末:用於3D 打印的材料，3D 打印金屬材料可以分為鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金等。

(四)超導材料:超導材料具有零電阻、抗磁性以及宏觀量子效應等特殊物理性質，應用領域非常廣泛。在電工學領域，超導材料的主要應用領域包括超導電纜、超導限流器、超導磁懸浮、醫療核磁共振成像、超導儲能以及超導電機等。目前各國研究人員研發和生產的重點是YBCO 超導材料(也可稱為第二代高溫超導材料)，並認為其是未來超導材料發展的主要方向。

3、重點材料解讀

3.1 石墨烯

是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

3.1.1 石墨烯的特點與性質

(1)導電性

石墨烯穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由於原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。

(2)熱性能

石墨烯具有非常好的熱傳導性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱係數高達5300W/mK，是目前為止導熱係數最高的碳材料，高於單壁碳納米管(3500W/mK)和多壁碳納米管(3000W/mK)。當它作為載體時，導熱係數也可達600W/mK。此外，石墨烯的彈道熱導率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導率的下限下移。

(3)光學特性

石墨烯具有非常良好的光學特性，在較寬波長範圍內吸收率約為2.3%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度範圍內，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%。大面積的石墨烯薄膜同樣具有優異的光學特性，且其光學特性隨石墨烯厚度的改變而發生變化。這是單層石墨烯所具有的不尋常低能電子結構。室溫下對雙柵極雙層石墨烯場效應晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在0~0.25eV 間調整。施加磁場，石墨烯納米帶的光學響應可調諧至太赫茲範圍。

(4)飽和吸收

當輸入的光波強度超過閾值時，這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為可飽和吸收，閾值稱為飽和流暢性。給予強烈的可見光或近紅外線激發，因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質，石墨烯很容易就變得飽和。石墨烯可以用於光纖激光器的鎖模運作。用石墨烯製備成的可飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。由於這特殊性質，在超快光子學裡，石墨烯有很廣泛的應用空間。

(5)自旋傳輸

科學家認為石墨烯會是理想的自旋電子學材料，因為其自旋-軌道作用很小，而且碳元素幾乎沒有核磁矩。使用非局域磁阻效應，可以測量出，在室溫狀況，自旋注入於石墨烯薄膜的可靠性很高，並且觀測到自旋相干長度超過1 微米。使用電閘，可以控制自旋電流的極性。

(6)電子的相互作用

石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用。科學家藉助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源(ALS)”電子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當於醫學上X 射線強度的1 億倍。科學家利用這一強光源觀測發現，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。

3.1.2 石墨烯的優點

(1)強度非常高

石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可大0.25TPa。由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。

(2) 如橡膠般具有延展性

石墨烯具有一定的延展性，能夠伸展20%。也就是說，石墨烯實際上是一種柔性材質，與橡膠類似。三星公司一直在研究石墨烯晶體管，從而生產出柔性屏幕。另外，石墨烯也有一定的耐水性，有望應用在新一代的防水設備上。

(3)輕特性

石墨烯出色的延展性，還能夠讓其十分輕，足夠拉伸到到透明的程度。這就意味著，如果手機廠商可以使用這種材質，不僅能夠讓手機更耐用、防水，還可以變得更輕。

(4)非常長的電池壽命

石墨烯極有可能在未來取代鋰電池，成為新一代的電池標準。美國西北大學的研究人員已經成功研發出石墨烯和硅材質的電池，充電15 分鐘可以實現約一週的續航能力。

(5)與人類的身體互聯

石墨烯具有與生物互聯的特點，這對健康檢測類可穿戴設備具有非常積極的影響。使用石墨烯作為傳感器，將可以監測和掃描人類的神經系統，未來有可能會出現“精神健康”類的監測設備及應用。

3.1.3 石墨烯的應用領域

(1)傳感器

石墨烯獨特的二維結構使它對周圍的環境非常敏感，具有表面吸附性、巨大的表面積等特性，可以製做電化學傳感器、氣體傳感器、生物傳感器等。與傳統的傳感器相比具有體積小，表面積大，靈敏度高，響應速度快，石墨烯在傳感器領域應用具有廣闊的前景。

石墨烯因其獨特的二維結構在傳感器中有廣泛的應用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間快、電子傳遞快、易於固定蛋白質並保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。主要用於氣體、生物小分子、酶和DNA 電化學傳感器的製作。新加坡南洋理工大學開發出了敏感度是普通傳感器1000 倍的石墨烯光傳感器;美國倫斯勒理工學院研製出性能遠超現有商用氣體傳感器的廉價石墨烯海綿傳感器。

(2)新能源電池

新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。美國麻省理工學院已石墨烯基超級電容器結構與不同電壓下的石墨烯理論能量密度石墨烯基超級電容器結構與不同電壓下的石墨烯理論能量密度成功研製出表面附有石墨烯納米塗層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

石墨烯在鋰離子電池中的應用比較多元化，目前已經實現商業化的是用在正極材料中作為導電添加劑，來改善電極材料的導電性能，提高倍率性能和循環壽命。目前比較成熟的應用是將石墨烯製成導電漿料用於包覆磷酸鐵鏗等正級材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產、成本持續降低的情況下，石墨烯漿料將呈現更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長而穩步上升。鋰離子電池主要應用於手機、筆記本電腦、攝像機等便攜式電子器件等方面，並積極地向電動力汽車等新能源汽車領域擴展，具有長期發展前景。

(3)晶體管

石墨烯可以用來製作晶體管，由於石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前以硅為材料的晶體管在10 納米左右的尺度上就會失去穩定性。石墨烯結構的高度穩定性可以用來製作晶體管，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。電子在石墨烯中的傳輸速度比硅快100 倍，使得由它製成的晶體管可以達到極高的工作頻率，石墨烯晶體管的工作頻率可超過100GHz。

(4)柔性顯示屏

消費電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動設備顯示屏的發展趨勢。柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。韓國研究人員首次制造出了由多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63 釐米寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，制造出了一塊電視機大小的純石墨烯。他們表示，這是迄今為止“塊頭”最大的石墨烯塊。隨後，他們用該石墨烯塊製造出了一塊柔性觸摸屏。研究人員表示，從理論上來講，人們可以捲起智能手機，然後像鉛筆一樣將其別在耳後。石墨烯是一種非常好的材料，它有很多很好的優點，比如說，它的透光率比傳統材料的透光率更高，所以石墨烯顯示屏的顯示更加清晰，另外，石墨烯的電阻率比傳統材料電阻率更低，所以石墨烯顯示屏觸控起來更加靈敏。

(5)防腐塗料

石墨烯作為關鍵材料在塗層中能起到物理隔絕作用，阻礙海水、腐蝕性離子等向金屬基材滲透，形成大面積保護層，與樹脂緊密結合在很大程度上提高塗層的機械性能，其特殊的物理結構與表面特性可以大大提升塗料的防腐性能。石墨烯作為一種納米結構的二維不透膜，通過“迷宮式”的物理屏障作用能夠有效地在環境介質和基體之間架起屏障，從而延緩了金屬基體的腐蝕，極大地提高了金屬的耐腐蝕能力，顯示了石墨烯複合防腐塗料在腐蝕防護領域的廣闊前景。另外，經導電高分子改性的石墨烯，可以有效避免石墨烯因長期浸泡發生電化學反應而加速金屬腐蝕的現象。

3.1.4 石墨烯的市場空間

石墨烯的研究與應用開發持續升溫，石墨和石墨烯有關的材料廣泛應用在電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑑於石墨烯材料優異的性能及其潛在的應用價值，在化學、材料、物理、生物、環境、能源等眾多學科領域已取得了一系列重要進展。研究者們致力於在不同領域嘗試不同方法以求製備高質量、大面積石墨烯材料。並通過對石墨烯製備工藝的不斷優化和改進，降低石墨烯製備成本使其優異的材料性能得到更廣泛的應用，並逐步走向產業化。

石墨烯有望在諸多應用領域中成為新一代器件，為了探尋石墨烯更廣闊的應用領域，還需繼續尋求更為優異的石墨烯製備工藝，使其得到更好的應用。石墨烯雖然從合成和證實存在到今天只有短短十幾年的時間，但是已成為今年學者研究的熱點。其優異的光學、電學、力學、熱學性質促使研究人員不斷對其深入研究，隨著石墨烯的製備方法不斷被開發，石墨烯必將在不久的將來被更廣泛的應用到各領域中。

3.1.5 石墨烯的產業階段

處於產業初創期，具有重大產業化前景。石墨烯產業化還處於初創期，一些應用還不足以體現出石墨烯的多種“理想”性能，而世界上很多科研人員正在探索“殺手鐗級”的應用，未來在檢測及認證方面需要面對太多挑戰，有待在手段及方法上不斷創新。雖然石墨烯的理論性能優異，功能應用範圍很廣。但是目前石墨烯產業要實現或接近其理論應用，還有非常大的距離。

3.1.6 石墨烯的主要上市企業情況

以石墨烯的生產和銷售為主營業務的上市企業有四家，分別為第六元素、二維碳素、凱納股份、華高墨稀。

3.1.7 石墨烯的發展制約因素

(1)國內石墨烯企業還未找到盈利模式

從企業盈利情況來看，目前國內石墨烯生產企業的總體盈利能力很弱。一些宣稱具備百噸年產能的生產企業，企業產值和盈利能力遠遠沒有預期的高，多數企業處於虧損狀態。從2017 上半年的營收情況來看，4 家企業規模均不大。營業收入最多的第六元素也僅有1175 餘萬元，最小的華高墨烯2017 上半年營業收入僅有44 餘萬元。由於主營的石墨烯產品均未實現規模化生產和銷售，4 家公司業績全部處於虧損狀態。

(2) 上下游結合待突破，石墨烯時代還未到來

目前，石墨烯產業最大的瓶頸在於沒有形成完整的、成熟的產業鏈上下游，石墨烯研發製備企業和下游應用企業脫節。目前石墨烯仍處於產業化初期，善未完全實現石墨烯的規模化應用，對石墨烯產品最大的需求市場仍然是科研院校和少量生產廠商。由於下游應用需求未起，大部分石墨烯企業目前仍無法找到穩定的商業模式和盈利模式。

(3) 高端應用技術有待突破

石墨烯最具前景、高附加值的應用領域主要集中在電子信息、動力電池、醫療健康等新興產業，但上述領域應用多處於技術攻關和儲備期，離產業化仍有較長距離。在集成電路、光電器件、傳感器、信息存儲等領域的石墨烯應用研究偏弱，技術儲備、基礎配套不足，取得產業突破尚需時日。

(4) 傳統產業應用效果不突出

目前石墨烯應用主要是以“添加劑”形式對塗料、改性纖維、熱管理器件等傳統產品的性能進行改進，而現階段石墨烯對這些傳統材料的性能並沒有“質”的提升，如“石墨烯”塗料防腐性能以及潤滑劑的潤滑效果沒有大數量級的提高。石墨烯在強度、光學、電學等方面的超優異性能並未在產品中體現，“殺手鐗”級、顛覆性的石墨烯應用技術和產品尚未出現。

(5) 標準缺失導致概念混淆

目前國家層面石墨烯材料標準尚未出臺，部份企業與地方政府將石墨與石墨烯的概念混為一談，學術界與企業界對石墨烯層數的標準判定也存在爭議。如一些企業宣稱實現石墨烯量產，但多是晶格缺陷高、多層堆疊的類石墨烯產品，井非真正單層石墨烯;一些企業將"類石墨烯”產品甚至是純石墨產品宣傳為石墨烯產品，混淆市場。

3.2 液態金屬

液態金屬是指一種不定型金屬，液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態金屬也是一種不定型、可流動液體的金屬。

3.2.1 液態金屬的特點與性質

(1)高強度、高硬度。液態金屬的強度是鋁、鎂合金的10 倍以上，不鏽鋼、鈦合金的1.5 倍以上。在輕合金中，液態金屬的比強度也是最高的。

(2)極強的耐磨性和耐腐蝕性。

(3)液態金屬在散熱性、電磁屏蔽性方面均在輕合金中出類拔萃，而且在加熱條件下不易變形、不易導熱。

(4)自驅動性。液態金屬可在吞食少量物質後以可變成機器形態，進行長時間高速運動，實現了無需外部電力的自主運動。

3.2.2 液態金屬的優點

(1)精度

液態金屬工藝，最終成型的產品在尺寸精度和可重複性上是可以和機加工工藝相媲美，沒有附加的成本和廢棄材料。LM105 的液態金屬合金模具成型工藝，其縮水率非常小，僅有0.4%。

(2)抗腐蝕性

獨特的LM105 液態金屬合金對比其他材料，如316 不鏽鋼這種通常被認為可以廣泛應用於腐蝕環境中的材料，具有驚人的抗腐蝕性。液態金屬合金的這種優越的抗腐蝕性在工業應用中更加有利。潛在應用包括:汽車裝飾件和在苛刻條件下應用的產品:防護產品、牙科領域產品、工業設備、食品加工設備組件、航海領域產品、醫療設備、戶外運動設備組件等等。

(3)表面處理

液態金屬材料可以將粗糙度做到0.05Ra μm 以下，這是相當優異的性能。對其他任何工藝來說，如果不做例如超精加工、研磨或拋光等二次加工，都如法達到這種效果。在一些應用領域，反光性能是非常重要的，液態金屬合金的產品表面光潔度可以達到高光反射效果。不僅如此，液態金屬合金還可以進行拋光，其獨特的拋光效果取決於它的非晶組織。液態金屬合金沒有其他金屬一樣的晶體結構，同樣材料內部也沒有類似晶界的組織，不會影響產品的反射性能。使用液態金屬合金，表面光潔度的要求不需要犧牲其他的性能。

(4)彈性、強度及硬度

LM105 液態金屬合金與其他不同工藝的材料進行對比，其性能均優於其他合金。LM105 液態金屬合金的另一個獨特優勢是具有高彈性(彈性形變1.8%)。這個特性可以應用於其他金屬不能滿足的特定領域，包括:要求在壓力下彎曲，且不能屈服變形的醫療設備;可以反覆彎曲，且不能出現塑性變形或者硬化的壓力傳感器;每當壓縮到固定尺寸都能達到一個特定的力的精密彈簧。

(5)磁性

液態金屬合金被分類為無磁性材料，表現為順磁性。液態金屬合金不能加磁，與其他磁性物體接觸也不會保留任何磁性。電磁開關的外殼，核磁共振設備的組件，或者高射頻功率的應用領域，使用液態金屬的這個特性會更合適。

3.2.3 液態金屬的應用領域

(1)散熱器

液態金屬散熱技術一種合金介質技術，真正稱之為的液態金屬散熱技術，應該是安全的合金介質組成。基於低熔點金屬獨特的熱物理性質，液態金屬不僅可在高性能服務器、臺式機、工控機、筆記本電腦以及通訊基站的芯片熱管理中獲得廣泛應用，而且還將在諸多關鍵領域扮演不可或缺的角色，如:先進能源領域(工業餘熱利用、太陽能熱發電、聚焦光電池冷卻、燃料電池等)、航空熱控領域(衛星、熱防護)、光電器件領域(如投影儀、功率電子設備等)、LED 照明領域以及近年來發展迅速的微/納電子機械系統、生物芯片以及電動汽車等，產業應用價值巨大。

(2)電子增材製造

液態金屬電子增材製造技術應用及產業化項目團隊在國內外首創了液態金屬電子增材製造技術，通過液態金屬電子墨水直接快速製造出柔性可拉伸電子電路，且個性化程度高，可實時定製。作為先進製造領域的一種從材料體系到製造系統全過程的全新變革性技術，該技術高度貼合了當前及今後個性化、柔性化電子快速製造及功能器件直接3D 打印的需求。

3.2.4 液態金屬的市場空間

(1)電子電路打印

液態金屬做“墨水”，直接生成電子電路，助推定製化電路生產模式。用液態金屬電子電路打印機，10 分鐘就能把電腦中的電路圖清晰打印出來，插上電源還能顯示電路走向。其突破了傳統打印電路需在平面進行的空間限制，可以在任意弧度、曲向面上以及柔性材質上打印電路。液態金屬打印可應用於電子邏輯單元構築、軟體機器人組裝、智能家居、智能服飾、生物醫學等諸多領域。

(2)修復斷裂神經

液態金屬“搭橋”，建立信號通道，人體神經功能快速重建成為可能。因為神經功能主要是通過電信號的傳輸和響應來實現的，基於這一考慮，首次提出了具有突破性意義的液態金屬神經連接與修復技術，旨在迅速建立切斷神經之間的信號通路及生長空間，從而提高神經再生效率並降低肌肉功能喪失的風險。

(3)柔性機器人

自驅動可變形、能跑、會跳的液態金屬，為研發柔性機器人提供了思路。柔性機器、可變形機器在材料學和機器學中是一個非常重要的領域，而柔性正是液態金屬特有的行為。另一個有意思的地方是“液態金屬機器”在運動中遇到拐彎時會有停頓，好似略作思索後繼續行進;在遇到比“身體”小一點的縫隙時，甚至會“擠過去”。因此自驅動、柔性、可變性是這項技術的三大特點。

(4)新一代計算機

液態金屬構建計算邏輯單元，有望發展出靈活、智能、可控的計算系統。傳統計算機以順序執行指令的方式運行，液態金屬構建的計算機，由於能通過多種方式同時進行編程，一次可同時執行多個指令，具有高度並行性的特點，因此運算速度上可能更快。液態金屬也具有更好的散熱性能，發熱量更小。此外，液態金屬還兼具流體的柔性、可任意變形的特徵，能夠製作柔性的液體電子乃至半導體單元。

3.2.5 液態金屬的產業階段

處於產業初創期，具有重大產業化前景。液態金屬是一種高新技術材料，具有卓越的物理、化學和力學性能，是電力、電子、計算機、通訊等高新技術領域的關鍵材料，市場需求大，產業化前景非常廣闊，而且它的發展和應用可帶動一批相關領域的技術進步和協同發展。在電子技術中，液態金屬以其高效、低損耗、高導磁等優異的物理性能有力促進了電子元器件向高頻、高效、節能、小型化方向的發展，並可部分替代傳統的硅鋼、坡莫合金和鐵氧體等材料。可以預測，在未來的電子技術中液態金屬將佔據十分重要的位置。

3.2.6 液態金屬的主要上市企業情況：略

3.2.7 液態金屬的發展制約因素

(1)應用研發不足，產業化進程緩慢; (2)扶持政策缺乏，規模化效應不明顯; (3)產業體系不完善，發展後勁不足。3.3 3D 打印用合金粉末

3.3.1 3D 打印用合金粉末分類及其特點與應用

為了滿足3D 打印的工藝需求，金屬粉末必須滿足一定的要求。粉末的流動性是粉末的重要特性之一，若流動性太差會造成打印精度降低甚至打印失敗。此外，為了獲得更緻密的零件，一般希望粉體的鬆裝密度越高越好，採用級配粉末比採用單一粒徑分佈的粉末更容易獲得高的鬆裝密度。

按照材料種類劃分，3D 打印金屬材料可以分為鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金等。

(1)鐵基合金

鐵基合金是3D 打印金屬材料中研究較早、較深入的一類合金，較常用的鐵基合金有工具鋼、316L 不鏽鋼、M2 高速鋼、H13 模具鋼和15-5PH 馬氏體時效鋼等。鐵基合金使用成本較低、硬度高、韌性好，同時具有良好的機械加工性，特別適合於模具製造。3D 打印隨形水道模具是鐵基合金的一大應用，傳統工藝異形水道難以加工，而3D 打印可以控制冷卻流道的佈置與型腔的幾何形狀基本一致，能提升溫度場的均勻性，有效降低產品缺陷並提高模具壽命。

(2)鈦及鈦合金

鈦及鈦合金以其顯著的比強度高、耐熱性好、耐腐蝕、生物相容性好等特點，成為醫療器械、化工設備、航空航天及運動器材等領域的理想材料。然而鈦合金屬於典型的難加工材料，加工時應力大、溫度高，刀具磨損嚴重，限制了鈦合金的廣泛應用。而3D 打印技術特別適合鈦鈦合金的製造，一是3D 打印時處於保護氣氛環境中，鈦不易與氧、氮等元素髮生反應，微區局部的快速加熱冷卻也限制了合金元素的揮發;二是無需切削加工便能製造複雜的形狀，且基於粉材或絲材材料利用率高，不會造成原材料的浪費，大大降低了製造成本。目前3D 打印鈦及鈦合金的種類有純Ti、Ti6A14V(TC4)和Ti6A17Nb，可廣泛應用於航空航天零件及人工植入體(如骨骼，牙齒等)。

(3)鎳基合金

鎳基合金是一類發展最快、應用最廣的高溫合金，其在650~1000°C 高溫下有較高的強度和一定的抗氧化腐蝕能力，廣泛用於航空航天、石油化工、船舶、能源等領域。例如，鎳基高溫合金可以用在航空發動機的渦輪葉片與渦輪盤。常用的3D 打印鎳基合金牌號有Inconel 625、Inconel718 及Inconel 939 等。

(4)鈷基合金

鈷基合金也可作為高溫合金使用，但因資源缺乏，發展受限。由於鈷基合金具有比鈦合金更良好的生物相容性，目前多作為醫用材料使用，用於牙科植入體和骨科植入體的製造。目前常用的3D 打印鈷基合金牌號有Co212、Co452、Co502 和CoCr28Mo6 等。

(5)鋁合金

鋁合金密度低，耐腐蝕性能好，抗疲勞性能較高，且具有較高的比強度、比剛度，是一類理想的輕量化材料。3D 打印中使用的鋁合金為鑄造鋁合金，常用牌號有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi9Cu3 等。韓國通信衛星Koreasat-5A 及Koreasat-7 使用了SLM 製造的AlSi7Mg 輕量化部件(圖4)，不僅由原來的多個零件合成一個整體制造，零件重量比原設計降低22%，製造成本降低30%，生產週期縮短1—2 個月。

(6)銅合金

銅合金的導熱性能良好，可以製造模具的鑲塊或火箭發動機燃燒室。NASA 採用3D 打印技術製造了由GRCop-84 銅合金內壁和鎳合金外壁構成的燃燒室[52]，內壁採用SLM 工藝製造，再以電子束熔絲沉積完成外壁的製造。該燃燒室經過全功率點火測試後，仍然保持良好的形狀，證明了3D 打印工藝在節約大量時間和工藝成本的基礎上，取得了與傳統工藝同樣的效果。

3.3.2 3D 打印用合金粉末的市場空間

從產業鏈來看，3D 打印主要包括打印設備、打印材料和服務三大類，市場份額佔比分別為39%、37%和24%。相比國外，我國3D 打印行業市場規模較小、產業鏈發展滯後，多數企業產能主要集中在3D 打印機設備生產環節，而打印原材料、圖像處理以及下游市場應用環節較薄弱。目前，我國高端3D 打印原材料仍然依賴進口，未來具有較大的進口替代空間。

3D 打印機可分為消費級和工業級。其中，消費級3D 打印機主要面對消費型、娛樂型以及對產品精度要求不高的產品;而工業級3D 打印機主要面對質量精度要求較高的航空航天、醫療器械、汽車、模具開發等下游市場。數據顯示，近年來全球3D 打印下游行業應用中，汽車行業應用規模佔比較大，達到30%左右;其次是消費品行業，佔比達20%。

3.3.3 3D 打印用合金粉末的產業階段

處於產業初創期，具有重大產業化前景。3D 打印用合金粉末的製造由實驗室研究走向產業化生產攻關。逐步將實驗室研究成果落地產業化，儘早擺脫我國在高端球形鈦合金粉末領域受制於國外的被動局面。

3D 打印用金屬粉末材料包括鈦合金、鋁合金、青銅合金、鎳合金等，鈦合金粉末在金屬零件3D 打印產業鏈中是最重要的一環，也是最大的價值所在。鈦及鈦合金球形粉末製備技術一直為美、德、英等西方發達國家所壟斷。隨著金屬3D 打印產業的發展，球形鈦合金粉體材料的製備技術將進一步完善及產業化，老一代技術將得到大幅度更新換代，新的製備技術及工藝也將不斷湧現。

3.3.4 3D 打印用合金粉末企業情況

目前國內以3D 打印金屬粉末的研發、生產為主營業務的高新技術企業均沒有上市，下面介紹幾家發展規模較大的重點粉末研發生產公司。

3.3.5 3D 打印用合金粉末的發展制約因素

金屬3D 打印市場潛力無限，但因金屬粉末材料技術壁壘較高、生產困難，導致市場產量不足。目前，金屬3D 打印僅能打印十幾種金屬，主要包括鋁合金、鈦合金、模具鋼、鈷鉻合金、不鏽鋼、鐵鎳合金和銅合金等。

金屬3D 打印技術不能有效推廣的主要原因是，材料的種類少及其製備還未能滿足設計要求，並且國內金屬3D 打印材料大部分依賴進口，價格昂貴。開發專用的、廉價的金屬3D 打印原材料，是推動金屬3D 打印發展的必然因素。

3D 打印對打印用粉的成分、粒度、形貌等都有嚴格要求，而國內採用簡單的物理破碎制粉工藝生產的粉末，無法滿足3D 打印條件。小裝置小批量的生產模式，也導致各種球形金屬粉末產量低、生產不連續、成本高等諸多問題，嚴重製約了3D 打印技術的發展。

3.4 超導材料

定義:是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等於零以及排斥磁力線的性質的材料。現已發現有28 種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體。目前研究人員發現具有超導特性的材料已有數千種，包括金屬、合金、化合物以及有機物等。

但是在電工學應用領域，達到或接近實用價值的超導材料僅6 種，分別為NbTi、Nb3Sn、BSCCO、MgB2、ReBCO(Re 為稀土元素)和鐵基超導體。其中NbTi 和Nb3Sn 佔電工應用超導材料的90%，BSCCO 和MgB2 處於應用示範階段，ReBCO 塗層超導體開始實現批量製備。鐵基超導體具有較高的上臨界磁場和不可逆磁場，在強磁場應用方面有很大的潛力。

3.4.1 超導材料的特點與性質

(1) 零電阻。導體在溫度下降到某一值時，電阻會突然消失，即零電阻，這一現象稱為“超導現象”，具有超導性的物質，稱為超導體，超導體如鈦、鋅、鉈、鉛、汞等，在超導狀態，當溫度降至溫度(超導轉變溫度)時，皆顯現出某些共同特徵。一個超導體環移去電源之後，還能保持原有的電流。

(2) 完全抗磁性。超導材料的溫度低於臨界溫度而進入超導態以後，只要外加磁場不超過一定值，該超導材料便把磁力線排斥體外，因此其體內的磁感應強度總是零。超導材料最獨特的性能是電能在輸送過程中幾乎不會損失:近年來，隨看材料科學的發展，超導材料的性能不斷優化，實現超導的臨界溫度越來越高。20世紀末，科學家合成了在室溫下具有超導性能的複合材料，室溫超導材料的研製成功使超導的實際應用成為可能。

3.4.2 超導材料的應用領域

(1)輸電電纜

傳統電纜在進行電力輸送時，有6%-8%的電能在輸送時以熱能的形式損耗。如將高溫超導帶材應用於輸電電纜(稱為高溫超導電纜)，則其系統整損耗僅相當於傳統輸電電纜的40%，且傳輸容量數倍於傳統電纜，有效地提高了電能的利用率，降低了佔地空間。

(2) 超導發電機

超導線圈磁體可以將發電機的磁場強度提高，超導發電機的單機發電容量比常規發電機提高一倍，而體積卻減小二分之一，整機重量減少三分之一，發電效率提高百分之五十。

(3) 超導磁體

與常規磁體相比，超導磁體的優點是其耗能小，可以達到較高的磁感應強度。如用傳統方法產生的磁場，其耗電功率近，每分鐘需冷卻水，技術上也比較困難，但是使用超導磁體，其耗電功率僅為幾百瓦。

(4) 超導限流器

使用超導限流器不只可以對電網過流進行有效抑制，還具有主動復位功能，有助於提高電網的穩定性。

3.4.3 超導材料的市場空間

從產品類型來看，超導分為低溫超導和高溫超導。其中，低溫超導應用範圍最廣泛。隨著技術的不斷改進，高溫超導需求將不斷增加。從應用領域來看，磁共振成像將成為應用需求最多的一個領域。另外，電子電氣將成為超導技術需求增速最快的領域。

超導材料具有在較高磁場下有較大臨界電流密度、高的臨界磁場以及磁損耗較小等特性。目前，技術最成熟、應用最廣泛、商業化程度最高的超導材料是BSCCO 高溫超導材料，各國研發和生產重點超導材料是YBCO 高溫超導材料，YBCO 第二代超導材料是未來超導材料發展的方向。而國內超導材料主要是依賴於美國和日本進口，價格昂貴，佔應用產品的50%左右成本。超導行業發展必將產生對超導材料大量的需求，因此，超導行業要發展壯大，超導材料必須國產化。

根據2017 年Stratistics MRC 公佈的調查預測數據顯示，2015 年全球超導產品市場規模為8.2 億美元，到2022 年該市場規模將擴大至27.1 億美元，複合年均增長率(CAGR)達到18.6%。從整條超導產業鏈價值的角度來分析，超導材

料可佔超導設備成本的40%-50%。從產業鏈盈利能力的角度來分析，超導材料的盈利能力最強，毛利率可達50% 左右。據國家新材料產業發展戰略諮詢委員會分析師稱，“目前國內超導材料主要從美國和日本進口，成本昂貴，約佔超導應用產品成本的50% 左右”。

根據2017 年Business Wire 公佈的數據顯示，2017 年全球超導產品市場規模高達61 億美元，2022 年將達到88 億美元，複合年均增長率(CAGR)約為7.5%。在超導材料應用領域，高溫超導材料的市場份額將會逐步擴大。據美國能源部預測到2020 年低溫超導材料應用市場將達到45%，高溫超導材料市場佔55%;到2030 年低溫超導材料應用市場將達到31.3%，高溫超導材料市場佔68.7%。

3.4.4 超導材料的產業階段

處於產業初創期，具有重大產業化前景。目前我國已經全面突破了實用化低溫超導線材製備技術，已具備批量製備千米級實用化MgB2 超導線材的能力。我國第一代高溫超導帶材(BSCCO-2223)與國際先進水平的差距已經大大縮小，關鍵技術指標基本達到了實用化的要求，已經進入產業化發展階段。在第二代高溫超導帶材(YBCO)方面，我國與國際先進水平的差距迅速縮小。上海和蘇州等地均以企業形式製備出了千米級的YBCO 二代帶材，而且已經有一定量的銷售和使用。

3.4.5 超導材料的主要上市企業情況：略

3.4.6 超導材料的發展制約因素

超導的缺點為現有的高溫超導體還處於必須用液態氮來冷卻的狀態。這種情況是比較難大規模做到，在整條通訊線路上採取這樣的技術是不太實際的。

3.5 高溫合金

定義:高溫合金是指在650°C以上,具有一定力學性能和抗氧化、耐腐蝕性能的合金,或指以鐵、鎳、鈷為基,能在600°C以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。

3.5.1 高溫合金的特點與優點

具有較高的高溫強度、斷裂韌性、抗氧化、抗熱腐蝕和熱疲勞性能。

3.5.2 高溫合金的應用領域

(1) 航空航天領域

我國發展自主航空航天產業研製先進發動機，將帶來市場對高端和新型高溫合金的需求增加。

航空發動機被稱為“工業之花”，是航空工業中技術含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發動機，特別重要的是金屬結構材料要具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結構材料中最高的性能要求。

高溫合金是能夠在600°C以上及一定應力條件下長期工作的金屬材料。高溫合金是為了滿足現代航空發動機對材料的苛刻要求而研製的，至今已成為航空發動機熱端部件不可替代的一類關鍵材料。目前，在先進的航空發動機中，高溫合金用量所佔比例已高達50%以上。

在現代先進的航空發動機中，高溫合金材料用量佔發動機總量的40%~60%。在航空發動機上，高溫合金主要用於燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件;此外，還用於機匣、環件、加力燃燒室和尾噴口等部件。

(2) 能源領域

高溫合金在能源領域中有著廣泛的應用。煤電用高參數超超臨界發電鍋爐中，過熱器和再過熱器必須使用抗蠕變性能良好，在蒸汽側抗氧化性能和在煙氣側抗腐蝕性能優異的高溫合金管材;在氣電用燃氣輪機中，渦輪葉片和導向葉片需要使用抗高溫腐蝕性能優良和長期組織穩定的抗熱腐蝕高溫合金;在核電領域中，蒸汽發生器傳熱管必須選用抗溶液腐蝕性能良好的高溫合金;在煤的氣化和節能減排領域，廣泛採用抗高溫熱腐蝕和抗高溫磨蝕性能優異的高溫合金;在石油和天然氣開採，特別是深井開採中，鑽具處於4-150°C的酸性環境中，加之CO2，H2S 和泥沙等的存在，必須採用耐蝕耐磨高溫合金。

我國上海電氣、東方電氣、哈爾濱汽輪機廠等大型發電設備製造集團在生產規模和生產技術等方面近年來有了較大提高，拉動了對發電設備用的渦輪盤的需求。正在進行國產化研製的新一代發電裝備-大型地面燃機(也可作艦船動力)取得了顯著進展，實現量產後將帶動對高溫合金的需求。同時，核電設備的國產化，也將拉動對國產高溫合金的需求。

(3) 汽車用高溫合金

汽車渦輪增壓器、發動機排氣管、內燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓以及熱發生器等裝置零部件需要高的高溫力學性能，因此這部分也是高溫合金材料重要的應用領域，其中汽車渦輪增壓器又是最主要的車用高溫合金應用領域。渦輪增壓器是高端乘務車、重型卡車及特種裝備車輛(攪拌車、吊車、高空車等)中必備的部件，由於渦輪端工作溫度高，均採用高溫合金。目前國內大量使用的增壓渦輪材料是自行研製的K213，K418，K419 和K4002 等鑄造高溫合金，國外用於增壓渦輪的材料有Inconel713C，GMR235，MAR-M247，MAR-M246，X40 等。

此外，高溫合金材料在玻璃製造、冶金、醫療器械等領域也有廣泛的用途。在玻璃工業中應用高溫合金零件多大十幾種，如:生產玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產用的轉向輥拉管大軸、端頭和通氣管等。

3.5.3 高溫合金的市場空間

目前全球高溫合金年產量約30 萬噸，其中美國產量超過10 萬噸，日本和德國接近5 萬噸，我國年產量1 萬噸。

高溫合金市場受航空發動機和燃氣輪機重大專項驅動較為明顯。考慮政府直接投入以及帶動地方及社會專項投入，預計投資總金額將達到 3000 億元。高溫合金作為航空發動機投入的重點材料，未來增速較為可觀。中長期來看，核電、工業、艦船等領域突破性需求也帶來高端合金行業的需求。

根據中國金屬學會高溫材料分會測算，我國目前高溫合金材料年生產量約1 萬噸左右，每年需求可達2 萬噸以上，市場容量超過80 億元。我國高溫合金生產能力與需求之間存在較大缺口，在航天航空、燃氣輪機、核電等領域的高溫合金主要還依賴進口。隨著兩機專項的推進以及航空航天工業、油氣開採以及燃氣輪機等高效能源新興領域的快速發展，《中國新材料產業發展報告》中預計2030 年我國高溫合金需求可達到10 萬噸。從高溫合金的需求結構來看，全球航空航天需求超55%。

3.5.4 高溫合金的產業階段

處於產業初創期，具有重大產業化前景。高溫合金行業具有很高的進入壁壘。高溫合金產品具有很高技術含量，要求一定的技術儲備和研發實力，能夠進入該領域的企業數量十分有限。材料產業的進步需要逐代技術積累，目前我國在高溫材料和產品方面尚未有完整的產業體系，技術積累較為缺乏，在航空發動機的關鍵高溫用材上還需依賴國外進口。

3.5.6 高溫合金行業發展前景

高溫合金是航空航天發動機技術的難點和瓶頸，而航空航天技術是一個綜合國力的體現，同時也是保證國家安全的戰略關鍵。因此，我國全面啟動“兩機”專項，旨在航天航空領域實現自主可控，追趕上世界先進水平。可以判斷，高溫合金的中期驅動主要來自“兩機”專項帶動的需求增長。

對於高溫合金高端產品要達到世界先進水平，其技術需要經過逐代積累，政策資金投入起到了加速這一過程的效果，但最終時間很難判斷，可能是一個較為漫長的過程。

3.6 稀土功能材料

定義:稀土是15 種鑭系元素(鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥)以及與鑭系元素化學性質相似的鈧、釔共17 種稀有元素的統稱。稀土新材料約佔稀土材料的6 成，按功能劃分為稀土永磁材料、稀土催化材料、稀土儲氫材料、稀土發光材料、稀土超拋光材料五大類。其中，稀土永磁材料佔比超過63%，是稀土功能材料中規模最大、增速最快的種類，主要公司包括中科三環、寧波韻升、銀河磁體等。

3.6.1 稀土功能材料分類及其特點與應用

稀土永磁材料:稀土永磁材料是將釤、釹混合稀土金屬與過渡金屬(如鈷、鐵等) 組成的合金，用粉末冶金方法壓型燒結，經磁場充磁後製得的一種磁性材料。土永磁材料是現在已知的綜合性能最高的一種永磁材料，它比十九世紀使用的磁鋼的磁性能高100 多倍，比鐵氧體、鋁鎳鈷性能優越得多，比昂貴的鉑鈷合金的磁性能還高一倍。

由於稀土永磁材料的使用，不僅促進了永磁器件向小型化發展，提高了產品的性能，而且促使某些特殊器件的產生，所以稀土永磁材料一出現，立即引起各國的極大重視，發展極為迅速。我國研製生產的各種稀土永磁材料的性能已接近或達到國際先進水平。

稀土催化材料:輕稀土鑭、鈰和鐠等元素具有獨特的4f 電子層結構,在化學反應中具有良好的助催化性能,因此被用作優良的催化材料。目前已進入工業生產的稀土催化材料包括分子篩稀土催化材料、稀土鈣鈦礦催化材料、以及鈰鋯固溶體催化材料等,主要應用於石油催化裂化(FCC 催化劑)、機動車尾氣淨化、工業有機廢氣淨化、催化燃燒和固體氧化物燃料電池等方面。

稀土儲氫材料:人們很早就發現，稀土金屬與氫氣反應生成稀土氫化物REH2，這種氫化物加熱到1000°C以上才會分解。而在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金後，在較低溫度下也可吸放氫氣，通常將這種合金稱為貯氫合金。在已開發的一系列貯氫材料中，稀土系貯氫材料性能最佳，應用也最為廣泛。其應用領域已擴大到能源、化工、電子、宇航、軍事及民用各個方面。用於化學蓄熱和化學熱泵的稀土貯氫合金可以將工廠的廢熱等低質熱能回收、升溫，從而開闢出

了人類有效利用各種能源的新途徑。利用稀土貯氫材料釋放氫氣時產生的壓力，可以用作熱驅動的動力，採用稀土貯氫合金可以實現體積小、重量輕、輸出功率大，可用於制動器升降裝置和溫度傳感器。

稀土發光材料:稀土發光材料是由稀土4f 電子在不同能級間躍出而產生的，因激發方式不同，發光可區分為光致發光、陰極射線發光、電致發光、放射性發光、X 射線發光、摩擦發光、化學發光和生物發光等。稀土發光具有吸收能力強，轉換效率高，可發射從紫外線到紅外光的光譜，特別在可見光區有很強的發射能力等優點。稀土發光材料已廣泛應用在顯示顯像、新光源、X 射線增光屏等各個方面。

稀土超拋光材料:稀土拋光材料作為研磨拋光材料以其粒度均勻、硬度適中、拋光效率高、拋光質量好、使用壽命長以及清潔環保等優點，已經廣泛應用於光學玻璃、液晶玻璃基板以及觸摸屏玻璃蓋板的拋光。特別是近年來隨著液晶顯示器的產業的興起與不斷壯大，高性能液晶拋光粉得到了快速發展。

我國稀土拋光材料行業在眾多稀土材料應用領域中，跨越了從普通玻璃製造行業轉向光電子顯示行業，由傳統應用到光電子高技術提升的過程。稀土拋光材料以其獨特、靈活的使用特性，已經成為當今世界光電子傳輸顯示行業必不可少的材料。目前，我國稀土拋光材料被廣泛應用於液晶玻璃、手機面板、光學玻璃等器件的拋光。

3.6.2 稀土功能材料的市場空間

新能源汽車快速拉動高端稀土磁材需求。2017 年，我國新能源汽車累計銷量達77.7 萬輛，同比增長53%;2018 年1-10 月，新能源汽車累計銷量達86 萬輛，同比增長76%。根據國家新能源汽車發展規劃，2020 年新能源汽車產能將達到200 萬輛。隨著海外汽車品牌紛紛加入新能源汽車競爭，預計全球2020 年新能源汽車將達到300-400 萬輛。

伴隨新能源汽車在全國大範圍的推廣，行業景氣度不斷提升，稀土磁材行業受益明顯。2016 年中國新能源汽車消耗釹鐵硼磁材2300 噸左右，產值9.66 億元。預計到2020 年，將消耗釹鐵硼磁材近萬噸，產值達到40 億元左右。根據智研諮詢對釹鐵硼主要的7 個應用領域需求量拆分，新能源汽車是應用前景最好、增速最快的領域，風力發電、變頻家電和節能電梯是應用較大的低碳工業領域，傳統汽車EPS、工業機器人和智能手機需求增長相對較小。綜合來看，未來三年國內對高性能釹鐵硼永磁材料需求增長約15%左右。因此，國內主要磁材生產企業擴產意願強烈。

長期來看，隨著新能源、航空航天、原子能工業、結構陶瓷、生物醫療、磁性材料、電學、冶金機械及石油化工等高技術領域不斷髮展，稀土深加工及應用的結構升級，稀土功能材料的市場容量和附加值也將進一步擴大。

3.6.3 稀土功能材料的產業階段

目前稀土產業已處於產業成熟期，增速較為穩定。我國稀土儲量佔世界的36.67%，產量佔比83%，均居世界第一，在全球稀土產業鏈上具有舉足輕重的地位。2007-2017 年我國稀土行業總產值從287.6 億元增長至840 億元，其中，2011 年工業產值為852.4 億元，同比增加127.0%，達到歷史峰值，主要源於2011 年以來我國稀土行業市場和政策方面出現重大變化，主要稀土品種的價格在2011 年出現較大漲幅。之後稀土價格回調較大，但行業總產值基本保持平穩，產業附加值得到提升。

3.6.4 稀土功能材料的企業情況：略

3.6.5 稀土功能材料的發展制約因素

(一)稀土資源開採方式粗放，資源浪費與環境汙染並存

由於利益的誘惑，我國一些地方小企業在開採稀土資源時採用粗放的開採方式，不惜以破壞生態環境為代價，換取短期利益，造成稀土礦產濫採濫挖、採富棄貧、資源回收利用率低等現象。

此外，稀土礦產和冶煉生產過程中，也對周圍居民生活環境產生了嚴重影響，造成了地下水汙染，農作物絕收，嚴重影響了周圍居民的正常生活和生產。

(二)稀土產品附加值低，產業缺乏核心技術

而我國一直處於稀土產業鏈的低端，主要集中在稀土開採、冶煉分離等環節，造成稀土產品科技含量不高、產品附加值較低。衡量稀土產業核心技術之一是稀土專利。雖然我國已經成為全球申報稀土專利數量最多的國家，但是就專利質量而言還有較大的差距。

(三)稀土產業政策不完善，行業監管困難

我國政府近年來在稀土資源開採、稀土行業准入條件等方面，出臺了一系列相關政策。正是由於出臺了限制出口、開採總量控制等政策，導致稀土前端企業經營績效良好，這說明政策調控對前端企業發揮了比較明顯的調控效用。但是在增強高端產業核心技術研發能力、培養高科技人才、發展稀土產業核心技術等方面，

未制定具體的專項政策。我國稀土礦山大多位於偏遠山區，而監管機構設置在市區，造成了執法部門監管困難。

4、科創板新材料公司估值方法討論：略

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