信熹分享 | 先进材料产业概览

想象一下，你穿着一件轻薄如蝉翼的衣物，在炎炎夏日中却感到清凉如秋，而在寒冬腊月，它又仿佛化身为一层保暖的护甲，让你倍感温暖。这听起来像是科幻小说中的情节，但如今，这一切已经成为了可能。而这背后的神奇力量，就来自于一种名为“石墨烯”的先进材料。

在2022年的北京冬奥会上，工作人员就穿上了这种“魔法布料”。北京延庆赛区和张家口赛区的夜间户外温度可能会达到零下40℃，而冬奥工作人员身着的石墨烯发热围巾、马甲、手套和袜子，可在零下20℃环境下快速升温到38℃-53℃，持续发热2-4个小时，为低温户外作业提供了系统性的热力保障。同样，作为开闭幕式场地的国家体育场鸟巢，也应用了为座椅、地毯、桌子加热的石墨烯柔性热管理材料技术，让观众能够温暖观赛，不再因寒冷提前离场。

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而成的二维晶体材料。它的厚度只有一个原子那么薄，却拥有着超强的导电性、导热性和机械强度。因此，石墨烯被誉为“新材料之王”，在科学界和工业界都引起了巨大的关注。

在近期的内部分享会中，智能技术投资负责人陈熹博士详细讲述了先进材料产业，包括：

• ▶ 什么是先进材料？
• ▶ 先进材料是如何开发的？
• ▶ 产业有什么样的特点？
• ▶ 有哪些应用领域？
• ▶ 投资该如何布局？

我们将精彩内容整理成了文字，与大家分享。

什么是先进材料？

在讨论先进材料前，首先需要明确材料的定义。材料是一个非常宽泛的概念，涵盖了我们所使用的所有物质。而先进材料，是指那些具有新颖性、创新性或良好应用前景的材料，它们通常具有高性能、高效率、环保等特点，广泛应用于各个领域。需要注意的是，”先进”是一个相对概念，它会随着时间和技术的发展而变化。例如，光伏产业在过去被视为高科技产业，而现在则被视为传统制造业的一部分。

先进材料的开发主要分为两个来源：一是对传统材料的改进，二是开发全新的材料。传统材料通过科学家的不断改进，可能会在某个特定领域展现出新的生命力。而全新的材料，如石墨烯或碳纳米管，则是科学家在研究过程中发现并创造的。

先进材料是如何开发的？

在材料的开发过程中，不同类型的材料有着不同的特点和开发方式。

有机材料

有机材料的合成类似于搭积木的过程，通过增加、替换或移位等步骤，最终变成像乐高一样的立体模型，可以创造出具有特定性能的新材料。以共价有机框架材料为例。共价有机框架材料(Covalent Organic Framework，COF）是一种纳米多孔聚合物，可广泛应用于催化、分离、能源、传感等领域，但COF结构尤其是微纳尺度形貌的调控极具挑战。浙江大学王文俊教授和刘平伟研究员研究团队开发了一种定制COF材料的新聚合方法——可逆缩聚-终止反应（Reversible Polycondensation-Termination, RPT）。这项研究特别凸显了“搭积木”式创新思维，其核心在于仅使用了四种基本的基团构建（图1，A）。该方法通过在缩聚体系中引入两种单官能团竞争剂，动态可逆地“终止”/“启动”缩聚反应，降低了缩聚速率，实现了动力学控制的（不可逆）聚合过程向热力学控制的转变（图1，A）。利用该方法，研究人员制备得到了结晶度大幅提高、形貌可控的COF微球、中空纤维和纳米薄膜等热力学稳定的产物（图1，B-G）。

图1 | 可逆缩聚-终止反应过程（来源：网络）

金属材料

金属材料的开发则更依赖于实验和经验，通过不同的合金成分和温度控制，得到不同性能的材料。以铁碳合金为例（图2），当碳的含量逐渐增加时，铁碳合金在不同温度下会呈现不同的状态与性质。

图2 | 铁碳相图（来源：网络）

奥氏体是碳与合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体，仍保持γ-Fe的面心立方晶格，其结构类似于冰块，由多个有棱角的小块拼接而成。奥氏体是一般钢在高温下的组织，其存在有一定的温度和成分范围。

图3 | 奥氏体（来源：网络）

铁素体是碳与合金元素溶解在α-Fe（体心立方）中的固溶体，亚共析钢中的慢冷铁素体呈块状，晶界比较圆滑。这两种结构只是铁碳合金众多形态中的两种简化表示。

图4 | 铁素体（来源：网络）

无机非金属材料

无机非金属材料是与有机材料和金属材料相对应的另一个材料类别，种类繁多且复杂，如图5所示。无机非金属不仅限于我们日常生活中常见的水泥和陶瓷餐具，还包括用于工业研磨的材料和多孔材料，后者在制药、清洁和吸附介质中有广泛应用。

图5 | 无机非金属材料分类（来源：网络）

陶瓷作为一种典型的无机非金属材料，其制作过程涉及将粉末状的陶瓷原料与溶剂混合，形成类似胶水的混合物。这一混合物随后被放入各种成型机械中，预先塑造成所需形状，然后通过加热蒸发掉溶剂，最终通过烧结过程形成坚硬且多孔的陶瓷材料。在这个过程中，有许多关键因素需要考虑，例如所使用的溶剂类型、陶瓷粉末的成分、粘结剂和添加剂的添加方式、成型和烘干的速率，以及能耗的控制。陶瓷材料的生产特别注重能耗的管理，虽然制作步骤相对简单，但要想产出高质量产品需要精确控制每一个生产环节。

图6 | 陶瓷制作过程（来源：网络）

无机非金属材料还包含复合材料，由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在。此种方式不仅能够保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。以常见的钢筋混凝土为例，它结合了混凝土的高抗压性和钢筋的高抗拉性。在这种材料中，钢筋被置于混凝土内部，形成一个坚固的框架。当混凝土受到压力时，它能保持稳定；而在受到拉伸力时，钢筋则提供必要的支撑，防止材料断裂。这种设计使得钢筋混凝土在建筑和工程领域具有广泛的应用。

图7 | 钢筋混凝土结构（来源：网络）

产业链概况

材料处于整个工业体系的上游位置。在任何制造过程中，无论是汽车、医药、航空还是建筑，首先需要解决材料选择问题，即使用何种材料来实现预期的功能和性能。先进材料的应用通常是跨领域的，也使其成为了一个横向集成的概念。例如，某些有机材料可能在医药、国防、新能源车辆等多个行业中发挥作用。

图8 | 先进材料应用领域（来源：信熹资本整理）

在先进材料产业链中，中游环节负责材料的制造，如石墨烯、超导材料、纳米材料等。这些材料的制造依赖于上游的原材料，包括矿产、石油化工产品、植物提取物等，以及各种成型和加工设备。

图9 | 先进材料产业链（来源：网络）

然而，不同类型的材料具有各自独特的特性和制造方法。例如，一些材料可能通过类似搭积木的方式合成，而另一些则需要通过不断实验和摸索来开发。有的材料开发以知识产权为核心，而有的则更注重能耗管理。这种多样性意味着，尽管材料可能在某些下游应用中通用，但其制造过程和技术开发却大相径庭，这也让材料产业呈现碎片化特征。因此，先进材料产业不仅横向扩展，而且纵向深入，涵盖了从基础原料到最终产品的广泛领域。

根据全国30多家大型企业130多种关键基础材料调研结果显示，在中国新材料产业布局中，中国关键材料领域32%为空白市场，52%是依赖进口。我国无疑是一个材料生产和消费的大国，但在自主创新能力方面尚显不足，因此还不能称之为材料强国。在“中国制造2025”和“十四五规划”等文件中，将先进材料划分为了先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料等类别：

• 先进基础材料：具有优异性能和特殊功能的基础材料，包括先进金属结构材料、先进无机非金属材料、先进高分子材料、先进陶瓷材料、先进复合材料等。
• 关键战略材料：对国家安全和经济社会发展具有重要战略意义的材料，包括稀土功能材料、高温合金、高性能纤维及其复合材料、特种功能陶瓷、特种功能玻璃、特种功能高分子材料等。
• 前沿新材料：具有革命性创新潜力和前瞻性应用前景的新兴材料，包括石墨烯材料、超导材料、3D打印材料、智能仿生与超材料、纳米材料、生物医用材料、液态金属等。

图10 | 先进材料分类（来源：网络）

这种分类方式主要以应用端为导向，关心的是材料的功能和性能，而不是它们的化学属性。无论是金属、陶瓷还是高分子材料，关键在于它们在特定领域内的作用和潜在的应用前景。以上的分类更多的是为了提供一个框架，帮助理解和关注材料的应用领域和战略重要性。

应用领域

生物医药

（1）纳米材料（主体尺寸在100纳米以下）：由于尺寸小，能够通过血管进入人体各部位检测、给药。例如中空介孔二氧化锰具有低密度、高载药量等优良特性，有利于提高药物递送效率；此外，研究发现尺寸为4±0.5nm的硫化铜(Cu2S)纳米粒子，在808nm处的光照射下能够在体内外有效地阻止乙型肝炎病毒组装和防止乙型肝炎病毒感染；

（2）生物可降解材料：辅助修复人体组织，例如血管支架、骨折固定钉等；

（3）仿生材料：没有排异反应，能够仿制、代替已损坏的人体组织。

航空航天军用

（1）高温合金：能够在760～1500℃以上及一定应力条件下长期工作，例如喷气发动机热端零部件；

（2）陶瓷基复合材料：具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻等优势，例如液体火箭发动机喷管、导弹天线罩、航天飞机鼻锥、飞机刹车盘、高档汽车刹车盘等；

（3）轻质高强度合金、复合材料：常作为汽车、飞机等交通工具的主体结构，例如钛合金、芳纶、碳纤维等。

电子

（1）宽禁带半导体材料：耐高压，对特定波长探测能力强，常用于高压、高频电子器件，例如碳化硅、氧化镓等；

（2）有机发光材料：通电发出特定波长/颜色的光；

（3）超导材料：特定条件下，电阻率极低，用于大电流工作环境，可以减少损耗、产生高磁场，例如钇钡铜氧、铋锶钙铜氧、氢化镧等。

能源

（1）储能电池的固态电解质：固态形式提高了电池的安全性，例如硫化物、氧化物、有机聚合物等；

（2）光伏电池：综合性能更优，例如钙钛矿；

（3）固态储氢材料：固态可吸收、释放氢气，包括稀土系、镁系、钛系、钒基固溶体、锆系等。

产业特点

首先，先进材料产业属于基础技术，位于产业链的上游，意味着任何产业链的创新和改进都需要首先解决材料问题，突破材料的局限性。只有当材料问题得到解决，才能推动下游产业的发展，实现产品性能的提升和功能的增加。然而，先进材料产业的上游位置也带来了挑战。由于材料产业与下游、终端市场之间存在较长的信息传递链条，导致上游的技术进步与下游的需求之间往往出现不同步的现象。这种信息的不对称可能导致上游的材料企业难以准确把握下游市场的需求，而下游企业也难以及时向材料供应商提出具体要求。

此外，材料技术本身具有较高的技术壁垒，开发周期长，研发投入巨大。成功的材料开发需要经过多个阶段的验证，从原材料到最终产品，每一步都可能面临不确定性和变动。这些因素使得对材料技术的研发投资更多集中在应用端。然而，企业一旦建立起技术壁垒，就能够在市场中占据领先地位，享受一段时间的市场独占。这类似于创新药物的研发，先行者在市场上具有明显优势。

最后，材料开发不是孤立的过程，它与工艺和设备紧密相连，形成一个互相依赖的三角关系。开发新材料的同时，必须考虑其在实际应用中的工艺和设备兼容性。工艺的改进和设备的更新可能会对生产流程、效率以及维护等方面产生连锁反应，因此材料的开发通常需要跨企业的合作和协调。

投资思路

围绕先进材料产业进行相关投资布局时，我们可以采取以下四种可能的投资思路：

（1）仿制替代。这是一种基础策略，涉及对现有材料和产品的模仿。通过分析和拆解，逐步理解和复制他人的成功案例，然后尝试对其进行改进。这种方法是国内许多企业起步时的常见做法，通过模仿和实验，逐步掌握技术并实现自主生产。

（2）应用需求。这种策略从市场需求出发，识别并预测未来可能对材料的需求。例如，针对提升发动机性能的需求，开发新型高温合金；为了解决氢能储存问题，研究新型固态储氢材料；开发核能，则要解决超导材料的问题。这种方法要求我们从应用的角度出发，逆向地开发新材料。

（3）弱点改进。这一策略聚焦于现有材料的不足，并寻求改进方案。例如，针对锂电池的燃烧，开发固态电解质来替代液态电解质；为了减少人体内植入材料的不适，研究生物相容性更好的仿生材料。这种方法要求我们深入了解材料的应用环境和性能限制，从而提出创新解决方案。

（4）工艺创新。除了关注材料本身，我们还可以从加工工艺的角度出发，探索新的方法来提升材料的性能。例如，气凝胶和3D打印技术就是通过改变材料的使用和加工方式，释放出材料的潜在性能。气凝胶以其多孔结构展现出优异的隔热和光电性能；而3D打印则通过精确的层层堆积过程，实现了复杂结构的快速制造。这种方法强调工艺与材料的互动，通过技术创新来提升材料的应用价值。

参考资料：

[1] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_16777309

[2] http://www.chemhui.cn/a/3521.html