天津市低碳材料產業技術路線圖研究

徐大海，沈延斌，朱司宇

(天津市科學技術信息研究所 天津300074)

天津市低碳材料產業技術路線圖研究

徐大海，沈延斌，朱司宇

(天津市科學技術信息研究所 天津300074)

發展低碳經濟作為推動可持續發展、保障能源安全與應對氣候變化的基本途徑，已得到世界各國的普遍認同。通過技術路線圖的方法，科學預測天津市低碳材料領域的市場需求和發展趨勢，為實現天津低碳材料產業快速發展提供了對策建議。

低碳材料 低碳經濟 技術路線圖

1 低碳材料的內涵

低碳材料是指具有良好的使用性能，對資源和能源消耗少，對生態環境污染小，可再生利用率或可降解循環利用率高，在材料的制備、使用、廢棄及再生循環利用整個過程中，都與環境協調共存的材料。低碳材料有 3個明顯特征：先進性，發揮材料的優異性能，為人類開拓更廣闊的活動范圍和環境；環境協調性，減輕地球環境的負擔，提高資源利用率，對枯竭性資源的完全循環利用，使人類的活動范圍同外部環境盡可能協調；舒適性，使人們樂于接受和使用，使活動范圍中的人類生活環境更加繁榮、舒適。[1]

2 國內外低碳材料研究熱點

在全球經濟向低碳模式轉型的過程中，迫切需要低碳材料及其產業提供強有力的物質基礎，多種具有研究基礎和應用潛力的低碳材料成為世界各國競相研究的熱點領域。例如，晶體硅作為目前國際光伏市場上的主流產品，單晶硅電池的實驗室效率已經可以達到23.7%，工業化產品效率一般在13%～15%；LED全球應用廣泛，日本是最大的生產國，美國及歐洲重點開發上游外延片及芯片核心技術，在大尺寸 LCD背光源、白光照明及汽車應用等高端市場占有優勢；生物模擬技術可以通過模擬生物的化合作用，生產出各種新材料，如通過高效催化劑完成光合作用，將二氧化碳和水變成碳水化合物；納米材料研發熱點是納米半導體陣列、納米線、納米顯示材料、納米紫外光源材料、高性能環境友好的納米濾膜等；節能材料方面，超導體中的 YBaCuO(薄膜、塊體)、BiSrCaCuO(帶、線材)等一些研發成果已接近實用狀態。

3 天津市低碳材料產業發展現狀

新材料產業是天津重點發展的產業之一，產業技術創新體系不斷完善，部分領域達到國內領先水平，為低碳材料的發展奠定了堅實的基礎。雖然天津市低碳材料產業的整體規模還比較小，但在一些領域聚集了較強的科研力量，具有較強的發展潛力。

3.1 電池材料

①鋰離子電池。天津在電池材料領域優勢明顯，科研水平和產業化規模全國領先。天津已形成完整的鋰離子電池產業鏈，包括正極材料、負極材料、電解液、各種電池零部件等。②電解液。國產電解液2002年進入市場并逐步取代進口產品，通過不斷改進和提高，國產電解液質量已達到國際先進水平，目前，國內電池生產商電解液配套基本上實現國產化。③燃料電池。天津是國內開展燃料電池研究較早的城市，主要集中在南開大學、天津大學、十八所、天津理工大學等科研院所。

3.2 LED

天津市 LED產業基本形成了集襯底材料、外延片制造、芯片生產、器件封裝以及 LED應用為一體的較為完整的產業鏈體系，形成了由近百家上中下游各環節企業組成的半導體照明產業鏈企業集群。在科研方面，天津工業大學的大功率半導體照明技術研發及應用水平一直居于國內領先地位。

3.3 航空航天復合新材料

該領域聚集了天津大學航空航天研究院、中國民航大學等一批高校科研機構。產品主要以聚合物基復合材料、金屬結構復合材料、民用和航空專用涂料為主。天津波音復合材料有限公司擁有世界最先進的生產航空復合材料的實驗室。

3.4 納米材料

天津市在納米材料領域具有一定的科研基礎，擁有國家納米技術與工程研究院、天津大學材料學院納米生物技術研究所等高端研發機構，但低碳納米材料產業化規模較小。

4 天津市低碳材料產業重點領域技術路線圖構建

采用“市場需求分析——產業目標確認——技術壁壘分析——研發需求凝練”四階段分析范式，[2]結合天津低碳材料發展現狀、技術壁壘和發展目標，從產業宏觀環境到產業微觀技術，科學具體地描述產業未來發展路徑，研究繪制 2013—2015年期間天津低碳材料產業重點領域技術路線圖。

4.1 復合材料領域

天津航空航天、風電、新能源汽車、生物醫藥等領域對低碳復合材料需求強烈，未來要重點開展碳纖維以及新型復合材料等研究和應用，[3]突破碳纖維制備技術、纖維鋪層設計和工藝、輕型復合材料制備工藝等，開發符合低碳經濟要求的新產品，形成較為完整的低碳復合材料產業鏈。天津低碳復合材料產業發展技術路線圖如圖1所示。

圖1 低碳復合材料發展技術路線圖Fig.1 Technology roadmap of low carbon composite materials

4.2 LED領域

圖2 LED材料發展技術路線圖Fig.2 Technology roadmap of LED materials

天津 LED材料領域主要集中于中下游的封裝、應用等環節，而上游外延片，芯片的研發力量不足，特別是在芯片技術、外延片、藍綠光和高亮度 LED研發等方面投入不足，未來需要突破產業鏈上游材料制備技術。[4]結合天津 LED低碳材料發展現狀和產業發展規劃，提出不同時間節點下天津 LED材料產業發展技術路線圖，如圖2所示。

4.3 環保材料領域

低碳節能環保材料領域涉及膜材料、可降解材料以及低碳環保材料。未來應重點開發生物降解材料，降解材料的品種差別化技術，可降解塑料的規模化制備，長壽命、高通量、高選擇性的膜分離材料的低成本制備技術等。[5]結合天津環保材料發展現狀和新材料“十二五”規劃，提出了不同時間節點下天津低碳環保材料產業發展技術路線圖，如圖3所示。

圖3 低碳環保材料發展技術路線圖Fig.3 Technology roadmap of low carbon environmental friendly materials

4.4 磁性材料領域

天津磁性材料無論從研發層面還是市場層面都處于起步階段，規模較小，產品大部分集中在低中檔層次，缺少參與國際競爭的能力。未來應重點研究結構功能一體化磁性材料及其設計原理，進行新型的稀土永磁材料和納米復相永磁材料制備技術的探索；研究和開發新型軟磁材料，推動磁性材料在環保、汽車、風電等領域得到廣泛應用。[6]結合天津磁性材料發展現狀和新材料“十二五”規劃，提出不同時間節點下天津磁性材料產業發展技術路線圖，如圖4所示。

圖4 磁性材料發展技術路線圖Fig.4 Technology roadmap of magnetic materials

4.5 電池材料領域

天津汽車產業、航天產業以及新能源產業的快速發展給電池材料應用開拓了廣闊的空間。低碳電池材料應以綠色電池產業為基礎，著眼于鋰離子電池材料、鉛酸電池材料和燃料電池材料的開發和應用。在鋰電池方面，重點開發新型正負極材料，正極材料著力開發新型磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料等；負極材料著力開發碳材料、合金材料和鈦酸鋰等；[7]燃料電池重點開發固體電解質薄膜和電池陰極材料、突破有機質子交換膜技術等；鉛酸電池著力改進鉛粉的制備工藝，改進板柵合金鑄造制備工藝，探索板柵合金的環境友好材料，研究新型低碳電解質。天津電池材料產業發展技術路線圖如圖5所示。

4.6 硅材料領域

硅材料是太陽能光伏發電的上游，可應用于航空航天、電力、交通運輸以及通訊業。低碳硅材料應依托太陽能光伏產業，瞄準技術發展方向，重點突破大直徑、高質量晶體生長和晶體加工技術及外延技術、硅材料的提純核心技術和切片工藝，在研發水平上達到世界發達國家的水平。[8]天津硅材料產業發展技術路線圖如圖6所示。

圖5 低碳電池材料技術路線圖Fig.5 Technology roadmap of low carbon battery materials

圖6 低碳硅材料技術路線圖Fig.6 Technology roadmap of low carbon silicon materials

4.7 納米材料領域

天津低碳納米材料發展一方面要瞄準高新技術，力求創新，培育納米材料產業發展，逐步形成完整產業鏈；另一方面依托天津八大優勢產業的基礎和市場，將納米技術與材料切入八大優勢產業中去。重點突破納米材料裝備技術、納米生物技術、納米環保技術、納米界面技術、納米仿生技術等，實現傳統產業的升級改造，并在水處理、固體垃圾處理、廢氣處理等方面取得應用成效。[9]天津納米材料產業發展技術路線圖如圖7所示。

圖7 低碳納米材料技術路線圖Fig.7 Technology roadmap of low carbon nano-materials

5 天津市低碳材料產業發展對策建議

首先，要構建低碳材料產業發展規劃體系。超前認識，超前謀劃，結合天津市建設資源節約型、環境友好型社會和節能減排的工作需求，研究制定天津低碳材料產業的發展規劃。其次，加強重點領域關鍵技術的研發和推廣。將先進低碳技術作為提升天津市技術競爭力的核心內容，著力研究、發展和推廣先進低碳技術，加強前沿技術的研發與原始創新。再次，優化低碳材料產業發展投融資環境。完善投融資政策支持體系，綜合運用規劃、投資、價格、財稅等政策措施，建立一個良性、面向市場、有利于低碳材料發展的投融資政策支持體系和環境，引導社會資金投向低碳材料產業發展，有效解決發展低碳材料資金投入不足的問題。第四，搭建跨區域合作平臺。一方面積極開展國際交流與合作，加強與國外先進地區、國際友好城市的聯系，開展雙方在低碳技術研發與交流、低碳材料產品示范與應用等方面的合作。另一方面加強國內合作平臺建設，加強京津冀區域科技經濟合作，實現互補聯合、錯位發展、繁榮共贏。第五，加大招商引資力度。瞄準國外掌握先進低碳技術和產品的企業、頂尖項目，利用我國發展低碳經濟、低碳產業所創造的市場新需求，積極吸引國外低碳產業各領域中擁有關鍵技術、關鍵產品的國際領先企業進駐天津，從而使天津成為中國接軌國際先進技術和產品的新平臺。

［1］ 王天民，王瑩. 低碳經濟及其對新材料研究開發的挑戰[J]. 中國材料進展，2010，29(1)：60-64.

［2］ 顧允濤，宋星星. 我國陶瓷產業技術路線圖制定研究[J]. 黑河學院學報，2011，2(3)：44-46.

［3］ 徐樑華，李克健. 高性能碳纖維及其復合材料在綠色能源建設及節能減排中的重要作用[J]. 新材料產業，2010(3)：35-38.

［4］ 羅貞禮. 中國 LED照明產業“十二五”發展探析[J].新材料產業，2011(1)：1-8.

［5］ 劉躍軍，謝偉，李艷花. 生物降解材料的研究進展[J]. 廣州化工，2011，35(15)：49-52.

［6］ 丁占來，岑瑋，于旭光. 磁性材料的研究進展及其發展方向[J]. 河北冶金，2005(5)：15-18.

［7］ 廖紅英，孟蓉，王莉，等. 鋰離子電池關鍵材料六氟磷酸鋰[J]. 新材料產業，2012(6)：45-48.

［8］ 孫敏，李俊華，王佳. 納米硅材料的制備研究進展[J]. 化學工程師，2012(7)：48-49.

［9］ 朱光威，許國根. 納米材料在環境保護中的應用[J].納米科技，2008(5)：19-22.

Study on Technology Roadmap of Low Carbon Material Industry in Tianjin

XU Dahai，SHEN Yanbin，ZHU Siyu
(Tianjin Institute of Scientific and Technical Information，Tianjin 300074，China)

Low carbon economy has been generally recognized in the world as the basic way to promote the sustainable development，safeguard energy security and tackle climate change. Based on the technology roadmap method，market demand and development trend of low carbon materials in Tianjin were forecasted to provide countermeasures for the rapid development of the low carbon material industry in the city.

low carbon materials；low-carbon economy；technology roadmap

X324

A

1006-8945(2014)07-0062-05

天津市科技發展戰略研究計劃項目(10ZCGYGX18700)。

2014-06-06