史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展-金属3D打印工厂

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史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

近日,3D打印技术参考注意到仿生制造的最新成果,意大利理工学院的研究人员开发了一种机械手,使用SLA 3D打印的仿生肌肉来模仿人类抓取物体,仅重8克的微型执行器举起了8kg的物体,这是其自身重量的1000倍。

在我国,华中科技大学史玉升教授团队近年来在Materials Today, Bioactive Materials、Acta Materialia、Engineering、Applied Materials Today等期刊上发表系列文章,发展了多场耦合的超材料结构设计方法,建立了仿生设计、有限元仿真、结构计算、实验验证与性能预测等模型,突破了多性能耦合设计约束限制,拓展了多性能设计与调控空间,为超材料设计与增材制造技术在航空航天、生物医疗等领域的应用奠定了理论基础。

史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

超材料分类及典型应用

传统结构设计大多面向力学性能优化,在保证力学性能的同时实现轻量化。随着高端制造业的发展,构件面临极端服役环境,具有复杂化、整体化和多功能属性。多物理场耦合的多功能超材料设计逐渐发展起来。超材料结构往往极端复杂,具有宏微观跨尺度特点,传统制造技术难以实现,增材制造技术在制造这类复杂结构方面具有显著优势。团队在材料类期刊Materials Today上系统阐述了力学、声学等各类超材料基本原理和典型应用,介绍了典型超材料设计方法与增材制造工艺的研究进展,讨论了增材制造多场耦合超材料性能、超材料在设计方法方面的局限性、增材制造技术缺点以及超材料的发展趋势(Mater. Today, 2021, 50, 303-328)。

力学超材料

以功能为导向的结构设计,具有成本效益高、省时等优点,拥有较大的发展潜力。通过为给定单元和给定区域构造边界条件与优化目标,可拓扑设计出新型功能结构。团队提出了通过均匀化应变拓扑设计最大体模量力学微结构方法,并利用激光选区熔化(SLM)成功制备。通过准静态压缩试验,研究了拓扑优化超材料的力学性能和能量吸收能力。结果表明,随着晶格微结构单元数的增加,结构破坏机制从逐层断裂转变为45°倾斜断裂。拓扑优化的晶格结构的相对弹性模量为0.037,优于大多数已报道的晶格结构,设计的晶格结构在0.15应变下能量吸收效率达67.9%(J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177)。

史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

基于晶格的力学超材料灵感来自原子的堆积和竹子的中空特征。(A) 晶格原子的微观形态;(B-C)竹子的宏观和微观形态特征;(D)仿生八重桁架力学超材料

即便拥有先进的拓扑优化设计技术,当前的力学超材料性能仍远远落后于许多生物结构。受中空结构的强韧性竹子启发,通过SLM成形基于八重桁架力学超材料。在数值模拟的指导下,通过内外直径来实现仿生力学超材料轻量化,在低密度(1.25 g/cm3)下获得高压缩比强度(87.19 kN•m/kg),且不会在八重桁架结构配置中失去各向同性(di =0.59 mm,do=1.10 mm)。研究成果提供了一种仿生设计策略,实现具有各向同性及轻质高强力学的超材料设计与制备(Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268)。

声学超材料

吸声超材料在低频噪声吸收领域有着重要意义,传统吸声材料被制备后,其结构也随之固定,无法根据外界噪声频率变化做出相应吸收能力的调整。团队基于声音频率共振消声原理,通过设计迷宫式结构,采用FDM成形了吸声性能可调的低频吸声超材料,根据外接声波频率变化而动态调整结构,实现不同频率噪声的吸收,吸声频率在298-379 Hz宽频范围内可调(Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036)。

史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

五模超材料类流体声学性能结果。(A)块体钛合金声场云图;B)五模超材料声场云图;C)实验装置示意图;(D)总散射界面,定义为各方向散射功率与平面波入射功率的比值

材料是由周期性单胞组成的复杂结构,具有水或流体等有效物理性质,可有效调控水下声波的传输路径。团队研究了模拟流体的结构设计、五模超材料的形态特征、有限元法预测的应力分布、力学性能和变形机理;提出了一种两步优化策略设计五模超材料,建立了水下声波频散设计方法,研究成果在中船重工实现了原理验证(Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199)。
热学超材料
轻质高强兼具散热吸能超材料在航空航天和汽车应用中具有重要意义。团队受柚皮对果肉屏蔽保护的启发,提出了柚皮微结构仿生多面体超材料设计方法,实现了优异的散热和吸能效果。

史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

图4受柚皮图形启发的多面体晶格结构的形态演变:(A)自然界中的柚子;(B)柚皮的形态;(C)受柚皮图形启发的多面体单元;(D)具有各种横截面形状的设计支柱

在实验和数值模拟的指导下,具有圆形支柱的超材料在Re=7000–30000时具有最高的努塞尔数、最低的压降和摩擦系数,表现出更高的散热指数;在0.92孔隙率下,热效率系数超过1,表现出较强的隔热能力。此外,具有圆形支柱的仿生多面体结构的比能量吸收超越传统点阵结构,在燃气轮机和冷却结构上有着重要应用前景(Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076)。

生物超材料

孔隙率、模量、骨组织再生、应力屏蔽是骨支架设计中重点考虑的约束条件,团队提出了一种双锥支柱设计策略,减少类金刚石多孔金属生物材料的应力屏蔽,同时保持不变的孔隙率。设计的生物超材料骨支架的弹性模量和屈服强度,与传统金刚石晶格相比分别低41.46%和46.42%,有利于骨支架力学性能与宿主骨匹配,避免了应力屏蔽(Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331)。

史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

海胆棘及其仿生生物超材料支架的拓扑形态:海胆棘的针状外观和梯度孔隙的内部结构。

(A)光学图像显示了海胆脊椎的自然特征;

(B)微观计算机断层扫描(CT)图像在水平视图和纵向视图中显示内部分级孔隙度;

(C)SEM图像在(c1-c2)剖面图中显示了精细的内部形态;

(D)植入物内多孔支架位置示意图;

(E)仿生梯度生物五模超材料支架;

(F) 与水平视图中的均匀支柱相比,纵向视图和锥形支柱拓扑中梯度密度的几何特征

利用五模超材料构建骨支架来平衡孔隙率、力学与传质等多项性能。与传统金属生物材料相比,五模超材料生物超材料骨支架具有分级的孔隙分布、合适的强度等特点,显著提高了细胞接种效率、渗透性和耐冲击能力,促进了体内成骨,在细胞增殖和骨再生方面有着广阔的应用前景(Acta Biomater., 2020, 112, 298-315;Bioact. Mater., 2022, in press)。团队提出基于板格结构超材料设计新型骨支架,这类支架具有的平面压力状态不仅提升了力学性能,有效解决了传统桁架结构骨支架中普遍存在的应力集中问题。模拟与实验结果表明,本研究成果提出的板格超材料骨支架具有与人骨相匹配的力学与传质性能,通过各向异性特征对板格超材料骨支架的力学与传质性能的调控范围分别高40%和45%。上述发现为新型骨支架的设计与广泛应用提供重要参考(Acta Biomater., 2022, 148: 374-388)。

仿晶格超材料

受晶体材料中Hall-Petch关系启发,团队构建了具有解耦机械和质量传输特性的晶格超材料,以满足人工骨支架的需要。压缩实验和传质计算结果表明,纵横比为1和至少4个单元的晶格超材料具有最优的综合性能。该仿晶格结构的创新设计方法为开发广泛工程应用的多场耦合超材料提供了无限可能(Acta Mater. 2022, in press)。

 

史玉升教授团队近年来在“超材料设计与增材制造”方向取得进展

仿晶格超材料生物多孔支架设计示意图:

(A)用于修复骨缺损的人工生物医学支架示意图,其中需要同时优化力学和传质性能;

(B)紧密形式排列的金刚石原子架构;SLM制造

(C)Al-Cu-Mg和

(D)Ti/Al-Cu-Mg样品侧面的EBSD(电子背散射衍射)取向图;

(E)受金刚石原子启发,具有几何可设计性的金刚石微晶格;

(F)柱状金刚石微晶格;

(G)等轴金刚石微晶格

团队提出了一种模仿晶体结构各向异性超材料设计策略,通过构建具有不同的晶面(取向:[001]、[110]和[111])和晶向(旋转度:15°/Step)的晶格超材料,实现了弹性响应和质量传输性能的独立调控。结果显示,力学性能和传质性能的耦合关系减弱,对晶格超材料晶面和取向方向具有方向依赖性(Compos. Part B, 2022, 236, 109837)。

END

生物系统经过数十亿年的进化和自然选择,已形成并优化了其复杂的多层级组织结构,以达到最优的性能/功能来应对环境的变化。Nature以《推开3D打印的限制》”为题发表评述指出,材料和结构的创造将助力3D打印技术的发展,并建议“向自然界‘借’材料、‘借’结构”,突出生物仿生、生物灵感,以实现预期的功能。

同时,Nature《生物材料进化的启迪及其应用》综述性论文认为,生物材料蕴含着大量的源自于自然界的成分与结构信息,并指出尽管生物材料的化学成分一直是其设计关注的焦点,但对于其在非医学领域的潜在应用,应更关注其在结构拓扑优化、力学性能、功能等方面的物理属性及响应。南航顾冬冬教授也指出,“结构易仿、制造不易、科学更难”,仿生设计虽为功能驱动的增材制造结构优化及多功能化提供了新途径,但在实际制造中却有相当难度,原因主要是多材料合理匹配与布局的挑战及微/宏大跨尺度仿生结构制造工艺的约束性。增材制造仿生结构设计与制造,应突破诸多科学问题,而这些关键科学问题的研究则贯穿于材料-结构-功能一体化的全过程各领域。

注:本文内容由来自华中大材料学院,3D打印技术参考补充整理。
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铂力特助力九州云箭可回收液氧甲烷发动机制造-金属3D打印工厂

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铂力特助力九州云箭可回收液氧甲烷发动机制造

近日,由九州云箭出品的龙云液氧甲烷发动机完成了系列可靠性热试车考核。在该项目中,铂力特为九州云箭打印了旋转机械零部件、燃烧装置零部件以及发动机管路等零部件。

铂力特助力九州云箭可回收液氧甲烷发动机制造

此图为可靠性热试车画面

旋转机械、燃烧装置是液氧甲烷发动机的核心部件,其品质好坏对发动机整机性能和可靠性至关重要。其中旋转机械零件的特点是控形难度高、流道表面粗糙度要求较高、零件局部结构后处理工艺难度较大。

铂力特助力九州云箭可回收液氧甲烷发动机制造

此图为旋转装置,仅为示意
燃烧装置结构较为复杂,强度要求高,工艺要求较高。零件需要在高温或低温条件下工作,因此对零件的耐高温性的要求较高。

铂力特助力九州云箭可回收液氧甲烷发动机制造

此图为燃烧装置,仅为示意

发动机管路使用金属3D打印技术生产制造,可突破原有设计边界,实现零件的结构优化和轻量化,提高整机工作可靠性。
在打印前期,铂力特产品团队对所需零件的服役条件进行了充分的分析,选用了抗疲劳、耐腐蚀性良好的高温合金作为零件的材料,并根据零件的工艺特征确定了零件的尺寸、力学性能等关键数据,确保成形零件满足技术要求。基于对上述零件打印指标要求的分析,最终确定使用BLT-S400、BLT-S515、BLT-S600进行生产。
在打印前期,铂力特产品团队对所需零件的服役条件进行了充分的分析,选用了抗疲劳、耐腐蚀性良好的高温合金作为零件的材料,并根据零件的工艺特征确定了零件的尺寸、力学性能等关键数据,确保成形零件满足技术要求。基于对上述零件打印指标要求的分析,最终确定使用BLT-S400、BLT-S515、BLT-S600进行生产。

BLT-S400采用三激光器,成形效率高,且配置的智能模块让生产过程更智能、便捷。三光BLT-S400具有刮刀扭矩监测功能和铺粉质量检测功能等,可以自动识别打印过程中刮刀和铺粉的异常情况,在高效生产的同时保证零件的成形质量。

BLT-S515的成形尺寸为500mm×500mm×1500mm,突破高度极限,适合长轴结构零件。BLT-S600成形尺寸达到600mm×600mm×600mm,适合回转体结构零件。BLT-S515和BLT-S600的铺粉质量检测功能,可以识别打印过程中的多种铺粉异常情况,并根据数据库形成智能修复方案,保证零件成形质量;此外,BLT-S515和BLT-S600还具备多光束无缝拼接功能,可以保证各区域零件成形质量一致,确保成形零件的质量精度达到航天应用“万无一失”的品质要求。

铂力特在航天领域始终坚持以高质量、高标准打造产品与服务,利用自身的研发能力与生产经验,不断探索改进,突破技术难题,提高技术水平。未来,铂力特也将持续技术创新、精益产品、精进服务,助力商业航天逐梦星。

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2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」-不锈钢3D打印工厂

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一、工程塑料综述

工程塑料是指被用作工业零件或外壳材料的工业用塑料。与通用塑料相比,其在机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等方面均能满足更高要求,此外还具有更加便于加工以及可替代金属材料的特性。

从分类及品种来看,通用工程塑料包括聚酰胺(尼龙,PA)、聚碳酸酯(聚碳,PC)、聚甲醛(POM)、聚酯(PBT和PET)、聚苯醚(PPO)。特种工程塑料是综合性能较高,长期使用温度在150摄氏度以上的一类工程塑料,但目前大部分品种生产规模较小,包括聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺(PI)、聚砜(PSF)、聚醚酮(PEK)、液晶聚合物(LCP)等。

工程塑料分类情况

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

工程塑料已成为当今世界塑料工业中增长速度最快的领域,其发展不仅对国家支柱产业和现代高新技术产业起着支撑作用,同时也推动传统产业改造和产品结构的调整。其中,包含家用电器制造的电子电器、汽车工业、建材、机械为工程塑料主要下游应用领域。

工程塑料下游应用介绍

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

我国工程塑料起步较晚,但发展迅速,目前已逐步形成了具有树脂合成、塑料改性与合金、加工应用等相关配套能力的完整产业链,产业规模不断扩大,并且出口不断增长;企业规模持续壮大,产品品种不断增加;科技水平日益提高,部分产品技术、质量指标也已接近国外先进水平。近年来,PPS、PI、PEEK等特种工程塑料及下游制品的产业化发展提速,聚砜类、聚芳酯、特种聚酰胺等小品种处于技术开发和应用研究阶段,产业化进程较慢。

目前,我国工程塑料行业处于稳定发展阶段。各品种工程塑料发展程度不一,部分实现产业化且产能闲置,部分品种处于技术开发和应用研究阶段。整体来看,有效生产能力尚不能满足国内需求,需从国外大量进口。

工程塑料行业发展历程

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

二、工程塑料行业相关政策梳理

2010年以来,国务院、工信部、发改委等陆续出台工程塑料行业相关政策,主要政策内容围绕积极发展包括工程塑料在内的先进结构材料、发展包括特种工程塑料制备技术在内的高性能高分子结构材料的制备技术、加强应用研究、鼓励外商投资工程塑料领域等方面。

近年中国工程塑料行业政策梳理

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国工程塑料行业市场调研及未来发展趋势预测报告》

三、工程塑料产业链

工程塑料属于石油化工产业链中的中间产品,其上游包括石油产品、甲醛、PA66、双酚A等化工原料、塑料阻燃剂等。工程塑料可分为通用工程塑料和特种工程塑料两类。目前,工程塑料广泛应用于汽车、电气设备、消费电子、家用电器、机械制造、航空航天等领域。

工程塑料产业链

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

PA66除用在制作锦纶纤维等民用领域外,工程塑料及工程树脂为等工业用领域作为PA6第二大以及PA66第一大需求领域未来有望为PA产品带来较大需求增量。从产量上来看,自2014年来,我国尼龙66产量逐年增长。据统计,2021年我国PA66产量达到39万吨,同比增长0.78%,增速趋缓。

2011-2021年中国尼龙66(PA66)产量及增速

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

四、工程塑料行业现状分析

从全球工程塑料下游需求来看,工程塑料需求快速增加。由于具有良好的力学性能以及成本效益,叠加近年来“以塑代钢”、“以塑代木”等应用趋势持续推进,工程塑料产品在包括汽车、轨道交通、电子电气、家用电器、建筑建材、电动工具等产品制造业的应用越来越广泛。

2021年全球工程塑料行业下游分布(按营收)

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

从国内工程塑料需求量来看,根据中国塑料工业协会数据,2021年我国工程塑料需求量约665万吨,同比增长6.06%,未来需求量将继续逐步提升。

2015-2021年中国工程塑料行业需求量及增速情况

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:中国塑料工业协会,华经产业研究院整理

五、工程塑料行业竞争格局

从市场竞争格局来看,目前,国内工程塑料行业企业数量较多,上市企业中,会通股份、国恩股份、普利特未披露业务毛利率数据。从披露工程塑料类业务毛利率的上市企业来看,国立科技、金发科技、南京聚隆、道恩股份、同益股份业务毛利率在20%以上,属于第一梯队;三房巷、江苏博云、云天化业务毛利率在15%以上,属于第二梯队;其他企业属于第三梯队。

工程塑料行业竞争梯队(按业务毛利率)

2021年中国工程塑料行业现状及竞争格局分析,需求量保持逐步提升「图」

资料来源:公开资料整理

六、工程塑料行业未来发展趋势

1、随着行业对于产品要求的不断提高,预计工程塑料将朝着性能更高的改性化塑料发展;同时,在化工产业严防落后产能背景下,预计工程塑料生产技术将趋向环保化。

2、汽车、现代轨道交通、航空航天等领域对轻量化、高强度等方面的要求对提高工程塑料的适用性提出要求,预计工程塑料向高性价比细分市场如改性工程塑料等方向发展。

3、目前,我国工程塑料行业的规模化企业仍较少,加上工程塑料行业的技术壁垒较高,需要大量的研发资金,大型生产企业在资金能力方面具有竞争力。目前行业内技术研发企业集中在大型生产企业,预计行业集中度将提升。

4、目前,我国的工程塑料自给率仅为60%,在新材料领域明显处于偏低水平。其中,特种塑料自给率不足50%。随着国内企业研发进程加快,以及国内企业对高技术企业进行收购,预计工程塑料自给率水平提升。

华经产业研究院对中国工程塑料行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2022-2027年中国工程塑料行业市场调研及投资战略规划建议报告》。

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2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」-不锈钢3D打印工厂

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一、概述

橡胶防老剂是一种在橡胶生产过程中加入的能够延缓橡胶老化、延长橡胶使用寿命的化学药品。防老剂的种类繁多、作用各异。根据其化学结构,主要可分为铵类防老剂、酚类防老剂、杂环类防老剂及其它防老剂。

橡胶防老剂的主要分类

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:公开资料整理

二、产业链分析

1、产业链

橡胶防老剂行业产业链上游主要为苯胺、二硫化碳、硫磺、液碱、氯气等原材料;中游为橡胶防老剂的生产供应环节;下游主要应用于轮胎、胶带、胶管、电线电缆、胶鞋及其它橡胶制品。

橡胶防老剂行业产业链示意图

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:公开资料整理

2、上游端分析

苯胺是橡胶促进剂最主要的生产原料,。近年来,由于石油价格的持续上涨,以及其主要下游MDI市场的火热,使得近期内苯胺价格大幅上涨,一定程度上影响了我国橡胶促进剂行业的发展。

2021年-2022年6月中国苯胺价格走势情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:公开资料整理

3、下游端分析

轮胎是橡胶促进剂最大的下游应用领域,从我国轮胎产量来看,由于行业产能过剩、汽车市场低迷等因素,2016-2018年期间,我国橡胶轮胎外胎产量持续下降,随着轮胎行业生产技术的升级已经需求市场的回暖,2019年我国橡胶轮胎外胎产量开始回升。2021年我国橡胶轮胎外胎产量为89910.8万条,同比增长9.9%。

2015-2021年中国橡胶轮胎外胎产量及增速情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:国家统计局,华经产业研究院整理

三、行业现状

1、市场占比

橡胶助剂是我国橡胶工业重要的辅助原料,其在改善橡胶加工工艺、节约能源和提高产品质量等方面起着重要的作用,被誉为橡胶工业的“味精”。而橡胶防老剂是我国橡胶助剂产品中占比最大的细分种类。具体来看,2021年我国橡胶助剂产量中,防老剂占比为30.3%;促进剂占比为26%;加工助剂占比为21.4%;硫化剂及过氧化物占比为12.6%;特种功能性助剂占比为9.8%。

2021年中国橡胶助剂产量结构分布情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国橡胶工业协会,华经产业研究院整理

2、产量

随着近年来全球橡胶工业的东移,全球轮胎工业生产基地也逐渐往亚洲迁移,为我国橡胶助剂产业带来巨大发展机遇。加上2021年我国橡胶产量的增长,我国防老剂产量也随之大幅增长。据资料显示,2021年我国橡胶防老剂产量为41.5万吨,同比增长13.1%。

2015-2021年中国橡胶防老剂产量及增速情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国橡胶工业协会,华经产业研究院整理

3、产量结构

从产量结构来看,我国橡胶防老剂生产主要以6PPD(4020)及TMQ(RD)为主,2020年产量占比之和达80%以上。具体来看,2020年我国橡胶防老剂产量中,6PPD(4020)产量占比为43.95%;TMQ(RD)产量占比为30.25%。

2020年中国橡胶防老剂产量结构分布情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国橡胶工业协会,华经产业研究院整理

4、表观需求量

从需求量情况来看,近年来我国橡胶防老剂需求量整体处于上升的趋势中。具体来看,2020年受疫情影响,需求量有所下滑,随着疫情被有效控制,2021年我国橡胶防老剂表观需求量达40.1万吨,同比增长12.6%。

2016-2021年中国橡胶防老剂表观需求量及增速情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国橡胶工业协会,华经产业研究院整理

5、价格情况

由于近年来橡胶防老剂主要上游原材料苯胺价格的持续走高,带动了橡胶防老剂价格的持续上涨。具体来看,2022年上半年,我国橡胶防老剂4020均价为42964元/吨,环比增长18.89%,同比增长58.37%。

2021-2022年H1橡胶防老剂4020均价走势

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:公开资料整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国橡胶防老剂行业市场全景评估及发展战略研究报告》;

6、专利情况

从行业专利技术方面来看,近年来,我国橡胶防老剂相关专利申请数量呈下降趋势。据资料显示,2021年我国橡胶防老剂相关专利申请数量为1117项,较上年减少265项。

2015-2021年中国橡胶防老剂相关专利申请数量

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:公开资料整理

7、进出口贸易

从我国橡胶防老剂进出口贸易来看,由于国内产能长期处于产能过剩状态,使得我国橡胶防老剂主要以出口为主。近年来,我国橡胶防老剂出口量呈上升趋势,2020年受疫情影响有所下降。具体来看,2021年我国橡胶防老剂出口量为6.94万吨,出口金额为1.72亿美元;进口量为0.52万吨,进口金额为0.22亿美元。

2017-2021年中国橡胶防老剂进出口贸易情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国海关总署,华经产业研究院整理

8、进口分布

从进口分布情况来看,2021年我国橡胶防老剂进口金额中,占比前三的地区分别为德国、日本和韩国,占比分别为14.8%、14.6%和12.4%。

2021年中国橡胶防老剂进口金额来源地区分布情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国海关总署,华经产业研究院整理

9、出口分布

从出口分布情况来看,2021年我国橡胶防老剂出口金额中,占比前三的地区分别为泰国、日本和韩国,占比分别为15.9%、11.4%和11%。

2021年中国橡胶防老剂出口金额来源地区分布情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:中国海关总署,华经产业研究院整理

四、竞争格局

近年来由于国内橡胶防老剂市场竞争激烈,利润空间较小,因此新建产能不多,多数为现有助剂企业丰富品种和搬迁扩能等。目前橡胶防老剂生产企业主要有圣奥化学、山东尚舜、天津科迈、中石化南化、山西翔宇、宜兴聚金信等国内企业及朗盛、富莱克斯、爱克富、科聚亚等外国企业。

国内外橡胶防老剂主要生产企业情况

2021年中国橡胶防老剂行业发展现状分析,产业化将为行业主要发展趋势「图」

资料来源:公开资料整理

五、发展趋势

1、产业化发展趋势

近年来,虽然国内橡胶防老剂行业发展势头平稳,企业规模不断扩大,但橡胶防老剂行业企业间同质化竞争现象严重,产品结构单一,产品附加值发展空间还很大。随着越来越多的外部资本进军国内市场,导致橡胶防老剂行业竞争压力渐趋激烈,国内众多中小企业抗风险能力较弱。随着信息技术产业的兴起普及,客户对橡胶防老剂行业的认知都在逐渐发生着翻天覆地的变化,橡胶防老剂行业的产业化将成为未来行业的发展趋势。

2、产业集中度不断提升

由于橡胶防老剂行业的准入门槛不是很高,而且地域性很强。使得我国橡胶防老剂行业普遍存在“小、散、乱”的问题。行业缺乏引导,致使出现重复规划,统筹布局不合理等主要问题,导致行业整体利润率较低,产业集中度偏低。而随着近年来我国环保力度逐渐加强,随着国家有关部门监管力度的提升,大量落后企业逐渐被淘汰,而优质头部企业加大研发力度,产部不断升级换代,持续巩固、扩大市场份额,使得国内市场集中度不断提升。

华经产业研究院对中国橡胶防老剂行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2022-2027年中国橡胶助剂行业市场深度分析及投资战略规划报告》。

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2021年全球磷化铟衬底行业现状、竞争格局及趋势分析,5G基站建设带动光模块需求「图」-不锈钢3D打印工厂

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一、磷化铟衬底综述

衬底是具有特定晶面和适当电学,光学和机械特性的用于生长外延层的洁净单晶薄片。常见的半导体材料以物理性能区分可划分为三代:以硅、锗等元素半导体材料为代表的第一代,奠定微电子产业基础;以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)等化合物材料为代表的第二代,奠定信息产业基础;以及以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体材料为代表的第三代,支撑战略性新兴产业的发展。

衬底材料分类

2021年全球磷化铟衬底行业现状、竞争格局及趋势分析,5G基站建设带动光模块需求「图」

资料来源:公开资料整理

在高频、高功耗、高压、高温等特殊应用领域,III-V族化合物半导体材料以及宽禁带化合物半导体材料作为衬底有独特的优势。具体InP、SiC、GaN等半导体材料特性参数对比如下:

InP、SiC、GaN等材料的特性参数对比

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资料来源:公开资料整理

二、磷化铟行业相关政策梳理

磷化铟是半导体产业金属新材料中5G产业金属相关材料,5G产业金属相关材料主要包括高频覆铜板、砷化镓、磷化铟等。从政策端来看,政策大力支持,为新材料行业发展保驾护航。由于我国关键材料领域供给缺口较大,国家相继颁布相关政策规划大力发展新材料行业。2012年以来,各部门相继出台新材料产业发展规划和指导意见,通过纲领性文件、指导性文件、规划发展目标与任务等构筑起新材料发展政策金字塔,予以全产业链、全方位的指导。

中国新材料行业相关政策梳理

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资料来源:政府公开报告,华经产业研究院整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国磷化铟行业市场全景评估及发展战略规划报告》

三、磷化铟衬底产业链

磷化铟是磷和铟的化合物,磷化铟作为半导体材料具有优良特性。使用磷化铟衬底制造的半导体器件,具备饱和电子漂移速度高、发光波长适宜光纤低损通信、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高、禁带宽度较高等特性,因此磷化铟衬底可被广泛应用于制造光模块器件、传感器件、高端射频器件等对应下游终端领域包括5G通信、数据中心、人工智能、无人驾驶、可穿戴设备等领域。

磷化铟衬底产业链

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资料来源:公开资料整理

铟最多获取自硫化锌矿物闪锌矿。从锌矿中回收的铟含量在百万分之一到万分之一之间。尽管黄铜矿和锡石等基础金属硫化物中也有微量铟存在,但这些矿物的大多数矿床对铟的回收不经济。据USGS数据,2021年全球铟产量920吨,其中我国产量530吨,占比57.6%。由于铟为伴生矿,无法估算储量。

2020-2021年全球各国铟产量情况

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资料来源:USGS,华经产业研究院整理

四、磷化铟衬底行业现状分析

1、磷化铟衬底应用情况

从全球磷化铟衬底应用情况来看,据Yole数据显示,2020年光模块器件、传感器件、高端射频器件三者销量占比分别为82%、4%和14%。光模块器件和高端射频器件目前是磷化铟下游主要的应用。

2020年全球磷化铟衬底下游市场销量结构情况

2021年全球磷化铟衬底行业现状、竞争格局及趋势分析,5G基站建设带动光模块需求「图」

资料来源:Yole,华经产业研究院整理

2、光模块领域磷化铟衬底市场现状

从光模块器件领域磷化铟市场销量来看,受益于全球范围内5G基站大规模建设的铺开,以及在数据流量爆发增长的背景下,全球云计算产业的发展也将带动全球范围内数据中心的大量建设,带动磷化铟衬底市场。据统计,2020年全球光模块器件磷化铟衬底销量为43.88万片(折合2英寸),同比增长9.40%。预计2026年市场销量达到100.03万片,2019年-2026年复合增长率达13.94%。

2019-2026年全球光模块器件磷化铟衬底销量及增速情况

2021年全球磷化铟衬底行业现状、竞争格局及趋势分析,5G基站建设带动光模块需求「图」

资料来源:Yole,华经产业研究院整理

从市场规模来看,据Yole数据,2020年全球光模块器件磷化铟衬底市场规模为0.77亿美元,同比增长8.45%。预计2026年市场规模达到1.57亿美元,2019-2026年复合增长率达13.94%。

2019-2026年全球光模块器件磷化铟衬底市场规模及增速

2021年全球磷化铟衬底行业现状、竞争格局及趋势分析,5G基站建设带动光模块需求「图」

资料来源:Yole,华经产业研究院整理

五、磷化铟衬底行业竞争格局

从市场格局来看,磷化铟衬底材料市场头部企业集中度很高,主要供应商包括Sumitomo、北京通美(AXT持股85.6%)、日本JX等。据统计,2020年全球前三大厂商占据磷化铟衬底市场90%以上市场份额,其中Sumitomo为全球第一大厂商,占比为42%;北京通美位居第二,占比36%。

2020年全球磷化铟衬底市场竞争格局情况

2021年全球磷化铟衬底行业现状、竞争格局及趋势分析,5G基站建设带动光模块需求「图」

资料来源:Yole,华经产业研究院整理

六、磷化铟衬底行业未来发展趋势

1、磷化铟衬底用于制造光模块中的激光器和接收器,随着5G基站建设的大规模铺开,将极大带动对光模块需求的增长。光模块是光通信的核心器件,主要应用于通信基站和数据中心等领域。磷化铟衬底用于制造光模块中的激光器和接收器。根据相关数据,5G基站对光模块的使用量显著高于4G基站,随着5G基站建设的大规模铺开,叠加5G基站网络结构的变化,将极大带动对光模块需求的增长。

2、光通信芯片主要基于成本较高的InP材料体系,而磷化铟单晶制备技术壁垒高,美国AXT公司和日本住友掌握着行业核心技术。能使单晶批量化生长的技术主要有高压液封直拉法(LEC)、垂直温度梯度凝固法(VGF)和垂直布里奇曼法(VB)。美国AXT公司和日本住友分别使用VGF和VB技术可以生长出直径150mm的磷化铟单晶,日本住友使用VB法制备的直径4英寸掺Fe半绝缘单晶衬底可以批量生产。VGF生产技术要求晶体表面翘曲度小于15微米,位错水平越低越好。中国磷化铟制备技术与国际水平仍有较大差距,国内企业产能规模较小,大尺寸磷化铟晶片生产能力不足。

国内开展磷化铟单晶材料的研究工作已经超过30年,但磷化铟单晶生长技术的研究规模、项目支持力度和投入较小,与国际水平还存在较大差距。目前,国内除通美北京工厂(AXT持股85.6%)外,尚没有可批量生产单晶衬底的厂家。但传统的砷化镓、锗单晶衬底厂家包括珠海鼎泰芯源公司、云南锗业、先导稀材、中科晶电、东一晶体在内的厂家正在积极布局。目前,由于国内激光器外延厂家尚未实现大规模生产,磷化铟衬底占全球总市场份额不足2%。

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一、换电站概述

电动汽车换电模式是指通过集中型充电站对大量电池集中存储、充电、统一配送,并在换电站内对电动汽车进行电池更换服务,换电站集电池的充电、物流调配、以及换电服务于一体。换电站主要包含定位系统、换电系统、运维系统、安全系统和物流系统。其中换电系统是换电站的核心,由换电平台、码垛机、升降机构、锁止机构、连接器等组成;控制系统包括:充换电云平台系统、智能站控系统、配电监控系统、烟雾/安保监控系统等;供电系统主要为高压电柜、变压器、低压电柜等。

新能源汽车补能方式分为充电模式和换电模式,其中换电模式按其换电地理位置可分为固定换电(换电站)和移动换电(换电服务车),按换电方式可分为底盘换电、侧方换电、分箱换电,目前底盘换电为市场主流换电模式。

新能源汽车补能方式分类

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资料来源:公开资料整理

二、驱动因素

1、经济

2021年中国经济持续稳定恢复,人民生活水平进一步提升。2021年,中国国内生产总值1.14万亿元,同比增长8.1%,全国居民人均可支配收入3.51万元,同比增长9%,居民人均消费支出2.4万元,同比增长13.7%,居民购买力显著提升,拉动新能源汽车消费。

2016-2021年中国居民人均可支配收入和消费支出

2021年中国换电站行业发展现状及未来趋势分析,政策推动换电赛道快速发展「图」

资料来源:公开资料整理

2、政策

近年国家政策逐渐倾向换电模式,自2019年国家相关机构相继发布多项政策鼓励开展换电模式应用,其中2019年颁布的《产业结构调整指导目录(2019年本)》将换电技术路线明确加入鼓励类发展项目。2020年、2021年颁布的GB/T40032-2021《电动汽车换电安全要求》和《2022年汽车标准化工作要点》进一步推进换电相关产品、技术的标准化统一,为国内换电市场发展起到了重要的推动作用。

2019-2022年中国换电站市场政策概览

2021年中国换电站行业发展现状及未来趋势分析,政策推动换电赛道快速发展「图」

资料来源:政府公开报告,华经产业研究院整理

三、换电站产业链

换电行业产业链上游由电池供应商、换电站基础组件供应商、配套充电系统供应商组成,分别负责提供对应应用范围的动力电池和换电站设备等。中游主要为换电站建设和运营商,负责换电站的搭建和运营,面向市场提供换电服务;下游主要由换电服务用户组成,其他相关产业包括电池回收利用厂商、线上换电应用程序开发商、地图及导航提供商等。

换电站产业链

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资料来源:公开资料整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2022-2027年中国换电站行业市场运行现状及投资规划建议报告》

四、换电站行业发展现状

1、新能源汽车产销量

随着疫情形势得到有效控制,促消费政策效果显现,新能源汽车市场销售正稳步回升,消费持续恢复。据统计,2021年,中国新能源汽车销售量352.1万辆,同比增长近1.6倍,中国新能源汽车产量约354.5万辆,同比增长1.6倍。

2016-2021年中国新能源汽车产销量情况

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2、新能源换电汽车市场现状

在政策、资本、技术的推动下,2021年中国新能源换电汽车市场呈现快速增长态势。据统计,2021年国内新能源换电汽车销量约16万辆,同比增长162%,市场渗透率约4.6%,其中换电乘用车销量约15万辆,市场占比超90%,同比增长172%,市场渗透率约4.5%,换电商用车在“双碳”目标的驱动下,换电商用车销量大涨,整体也呈现较快增长,2021年销量约1.1万辆,同比增长75%,市场渗透率约5%。

2021年中国新能源换电汽车销售量

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注:市场增速为同比2020年销售量;销量占比指占新能源换电汽车整体销售量比重;市场渗透率指占新能源商/乘用车整体销售量比重。

资料来源:公开资料整理

3、换电站市场发展情况

在过去十年,受换电建设成本高、电池标准不统一、企业间技术封闭等因素影响,中国新能源汽车换电市场的发展缓慢,但随着国内换电技术不断成熟,商业模式逐渐成型,加之充电模式设施分布不均、利用率低、车辆续航里程短等问题凸显,换电模式又重新引起各方关注,中国换电市场迎来发展契机。截至2021年底,中国建成新能源汽车换电站约1406座,同比增长1.5倍,其中乘用车换电站748座,同比增长1.6倍,商用车换电站658座,同比增长近1.4倍。

2011-2021年中国新能源汽车换电站保有量情况

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具体来看,2021年与2020年相比,中国换电站设备市场规模达45亿元,同比增长近1.5倍;中国用电市场规模达16亿元,同比增长1.67倍;中国运营市场规模达45.7亿元,同比增长近1.2倍。

2020-2021年中国换电站市场规模情况

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五、竞争格局

1、新能源汽车换电市场竞争格局

目前,国内新能源汽车换电市场主要由蔚来、奥动新能源、杭州伯坦三家参与建设。其中蔚来换电站建设最快、规模最大,截至2021年底,蔚来在国内建成换电站789座,较2020年增长超3倍,其次是奥动新能源,2021年在国内建成换电站402座,较2020年增长38%,杭州伯坦2021年在国内建成换电站107座,较2020年小幅增长,三家企业换电站建成数量占比超90%。

2021年中国换电站市场竞争格局

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2、换电市场区域分布

从区域分布来看, 2021年国内TOP10省份换电站保有量达968座,其中北京换电站保有量最多,共255座,其次是广东、浙江、上海、江苏,分别是178座、118座、96座、92座,电站建设主要分布在各省会及较大城市。

2021年中国主要省份换电站保有量TOP10

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六、发展趋势

1、新能源换电汽车市场规模预测

未来,中国新能源汽车销量有望在2025年突破1000万辆,随着换电技术、商业模式不断成熟、政策支持力度加大、相关企业积极规划布局,中国新能源换电汽车市场将呈现高速增长态势,预计到2025年其销量将达192万辆。

2021-2025年中国新能源换电汽车市场规模及增速预测

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2、换电站市场预测

预计2025年中国换电站保有量将突破3万座,与2021年相比,换电站数量供给端CAGR为122%、需求端CAGR为117%,换电设备和用电市场的CAGR为118%,运营市场CAGR达90%,整体市场规模超千亿元。

换电站市场预测

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