徐大海，沈延斌，朱司宇

(天津市科學(xué)技術(shù)信息研究所 天津300074)

天津市低碳材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖研究

徐大海，沈延斌，朱司宇

(天津市科學(xué)技術(shù)信息研究所 天津300074)

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)作為推動可持續(xù)發(fā)展、保障能源安全與應(yīng)對氣候變化的基本途徑，已得到世界各國的普遍認(rèn)同。通過技術(shù)路線圖的方法，科學(xué)預(yù)測天津市低碳材料領(lǐng)域的市場需求和發(fā)展趨勢，為實現(xiàn)天津低碳材料產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展提供了對策建議。

低碳材料 低碳經(jīng)濟(jì) 技術(shù)路線圖

1 低碳材料的內(nèi)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(tài)環(huán)境污染小，可再生利用率或可降解循環(huán)利用率高，在材料的制備、使用、廢棄及再生循環(huán)利用整個過程中，都與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的材料。低碳材料有 3個明顯特征：先進(jìn)性，發(fā)揮材料的優(yōu)異性能，為人類開拓更廣闊的活動范圍和環(huán)境；環(huán)境協(xié)調(diào)性，減輕地球環(huán)境的負(fù)擔(dān)，提高資源利用率，對枯竭性資源的完全循環(huán)利用，使人類的活動范圍同外部環(huán)境盡可能協(xié)調(diào)；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(huán)境更加繁榮、舒適。[1]

2 國內(nèi)外低碳材料研究熱點

在全球經(jīng)濟(jì)向低碳模式轉(zhuǎn)型的過程中，迫切需要低碳材料及其產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)有力的物質(zhì)基礎(chǔ)，多種具有研究基礎(chǔ)和應(yīng)用潛力的低碳材料成為世界各國競相研究的熱點領(lǐng)域。例如，晶體硅作為目前國際光伏市場上的主流產(chǎn)品，單晶硅電池的實驗室效率已經(jīng)可以達(dá)到23.7%，工業(yè)化產(chǎn)品效率一般在13%～15%；LED全球應(yīng)用廣泛，日本是最大的生產(chǎn)國，美國及歐洲重點開發(fā)上游外延片及芯片核心技術(shù)，在大尺寸 LCD背光源、白光照明及汽車應(yīng)用等高端市場占有優(yōu)勢；生物模擬技術(shù)可以通過模擬生物的化合作用，生產(chǎn)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(fā)熱點是納米半導(dǎo)體陣列、納米線、納米顯示材料、納米紫外光源材料、高性能環(huán)境友好的納米濾膜等；節(jié)能材料方面，超導(dǎo)體中的 YBaCuO(薄膜、塊體)、BiSrCaCuO(帶、線材)等一些研發(fā)成果已接近實用狀態(tài)。

3 天津市低碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

新材料產(chǎn)業(yè)是天津重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系不斷完善，部分領(lǐng)域達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，為低碳材料的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。雖然天津市低碳材料產(chǎn)業(yè)的整體規(guī)模還比較小，但在一些領(lǐng)域聚集了較強(qiáng)的科研力量，具有較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.1 電池材料

①鋰離子電池。天津在電池材料領(lǐng)域優(yōu)勢明顯，科研水平和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模全國領(lǐng)先。天津已形成完整的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、各種電池零部件等。②電解液。國產(chǎn)電解液2002年進(jìn)入市場并逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品，通過不斷改進(jìn)和提高，國產(chǎn)電解液質(zhì)量已達(dá)到國際先進(jìn)水平，目前，國內(nèi)電池生產(chǎn)商電解液配套基本上實現(xiàn)國產(chǎn)化。③燃料電池。天津是國內(nèi)開展燃料電池研究較早的城市，主要集中在南開大學(xué)、天津大學(xué)、十八所、天津理工大學(xué)等科研院所。

3.2 LED

天津市 LED產(chǎn)業(yè)基本形成了集襯底材料、外延片制造、芯片生產(chǎn)、器件封裝以及 LED應(yīng)用為一體的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈體系，形成了由近百家上中下游各環(huán)節(jié)企業(yè)組成的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)集群。在科研方面，天津工業(yè)大學(xué)的大功率半導(dǎo)體照明技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用水平一直居于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

3.3 航空航天復(fù)合新材料

該領(lǐng)域聚集了天津大學(xué)航空航天研究院、中國民航大學(xué)等一批高?？蒲袡C(jī)構(gòu)。產(chǎn)品主要以聚合物基復(fù)合材料、金屬結(jié)構(gòu)復(fù)合材料、民用和航空專用涂料為主。天津波音復(fù)合材料有限公司擁有世界最先進(jìn)的生產(chǎn)航空復(fù)合材料的實驗室。

3.4 納米材料

天津市在納米材料領(lǐng)域具有一定的科研基礎(chǔ)，擁有國家納米技術(shù)與工程研究院、天津大學(xué)材料學(xué)院納米生物技術(shù)研究所等高端研發(fā)機(jī)構(gòu)，但低碳納米材料產(chǎn)業(yè)化規(guī)模較小。

4 天津市低碳材料產(chǎn)業(yè)重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖構(gòu)建

采用“市場需求分析——產(chǎn)業(yè)目標(biāo)確認(rèn)——技術(shù)壁壘分析——研發(fā)需求凝練”四階段分析范式，[2]結(jié)合天津低碳材料發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)壁壘和發(fā)展目標(biāo)，從產(chǎn)業(yè)宏觀環(huán)境到產(chǎn)業(yè)微觀技術(shù)，科學(xué)具體地描述產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展路徑，研究繪制 2013—2015年期間天津低碳材料產(chǎn)業(yè)重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖。

4.1 復(fù)合材料領(lǐng)域

天津航空航天、風(fēng)電、新能源汽車、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)Φ吞紡?fù)合材料需求強(qiáng)烈，未來要重點開展碳纖維以及新型復(fù)合材料等研究和應(yīng)用，[3]突破碳纖維制備技術(shù)、纖維鋪層設(shè)計和工藝、輕型復(fù)合材料制備工藝等，開發(fā)符合低碳經(jīng)濟(jì)要求的新產(chǎn)品，形成較為完整的低碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈。天津低碳復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 低碳復(fù)合材料發(fā)展技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap of low carbon composite materials

4.2 LED領(lǐng)域

圖2 LED材料發(fā)展技術(shù)路線圖Fig.2 Technology roadmap of LED materials

天津 LED材料領(lǐng)域主要集中于中下游的封裝、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，而上游外延片，芯片的研發(fā)力量不足，特別是在芯片技術(shù)、外延片、藍(lán)綠光和高亮度 LED研發(fā)等方面投入不足，未來需要突破產(chǎn)業(yè)鏈上游材料制備技術(shù)。[4]結(jié)合天津 LED低碳材料發(fā)展現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，提出不同時間節(jié)點下天津 LED材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖，如圖2所示。

4.3 環(huán)保材料領(lǐng)域

低碳節(jié)能環(huán)保材料領(lǐng)域涉及膜材料、可降解材料以及低碳環(huán)保材料。未來應(yīng)重點開發(fā)生物降解材料，降解材料的品種差別化技術(shù)，可降解塑料的規(guī)?；苽?，長壽命、高通量、高選擇性的膜分離材料的低成本制備技術(shù)等。[5]結(jié)合天津環(huán)保材料發(fā)展現(xiàn)狀和新材料“十二五”規(guī)劃，提出了不同時間節(jié)點下天津低碳環(huán)保材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖，如圖3所示。

圖3 低碳環(huán)保材料發(fā)展技術(shù)路線圖Fig.3 Technology roadmap of low carbon environmental friendly materials

4.4 磁性材料領(lǐng)域

天津磁性材料無論從研發(fā)層面還是市場層面都處于起步階段，規(guī)模較小，產(chǎn)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(yīng)重點研究結(jié)構(gòu)功能一體化磁性材料及其設(shè)計原理，進(jìn)行新型的稀土永磁材料和納米復(fù)相永磁材料制備技術(shù)的探索；研究和開發(fā)新型軟磁材料，推動磁性材料在環(huán)保、汽車、風(fēng)電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。[6]結(jié)合天津磁性材料發(fā)展現(xiàn)狀和新材料“十二五”規(guī)劃，提出不同時間節(jié)點下天津磁性材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖，如圖4所示。

圖4 磁性材料發(fā)展技術(shù)路線圖Fig.4 Technology roadmap of magnetic materials

4.5 電池材料領(lǐng)域

天津汽車產(chǎn)業(yè)、航天產(chǎn)業(yè)以及新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展給電池材料應(yīng)用開拓了廣闊的空間。低碳電池材料應(yīng)以綠色電池產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)，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(fā)和應(yīng)用。在鋰電池方面，重點開發(fā)新型正負(fù)極材料，正極材料著力開發(fā)新型磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料等；負(fù)極材料著力開發(fā)碳材料、合金材料和鈦酸鋰等；[7]燃料電池重點開發(fā)固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料、突破有機(jī)質(zhì)子交換膜技術(shù)等；鉛酸電池著力改進(jìn)鉛粉的制備工藝，改進(jìn)板柵合金鑄造制備工藝，探索板柵合金的環(huán)境友好材料，研究新型低碳電解質(zhì)。天津電池材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖如圖5所示。

4.6 硅材料領(lǐng)域

硅材料是太陽能光伏發(fā)電的上游，可應(yīng)用于航空航天、電力、交通運輸以及通訊業(yè)。低碳硅材料應(yīng)依托太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，瞄準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展方向，重點突破大直徑、高質(zhì)量晶體生長和晶體加工技術(shù)及外延技術(shù)、硅材料的提純核心技術(shù)和切片工藝，在研發(fā)水平上達(dá)到世界發(fā)達(dá)國家的水平。[8]天津硅材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖如圖6所示。

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

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

4.7 納米材料領(lǐng)域

天津低碳納米材料發(fā)展一方面要瞄準(zhǔn)高新技術(shù)，力求創(chuàng)新，培育納米材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，逐步形成完整產(chǎn)業(yè)鏈；另一方面依托天津八大優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和市場，將納米技術(shù)與材料切入八大優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)中去。重點突破納米材料裝備技術(shù)、納米生物技術(shù)、納米環(huán)保技術(shù)、納米界面技術(shù)、納米仿生技術(shù)等，實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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(yīng)用成效。[9]天津納米材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖如圖7所示。

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

5 天津市低碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策建議

首先，要構(gòu)建低碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃體系。超前認(rèn)識，超前謀劃，結(jié)合天津市建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和節(jié)能減排的工作需求，研究制定天津低碳材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃。其次，加強(qiáng)重點領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和推廣。將先進(jìn)低碳技術(shù)作為提升天津市技術(shù)競爭力的核心內(nèi)容，著力研究、發(fā)展和推廣先進(jìn)低碳技術(shù)，加強(qiáng)前沿技術(shù)的研發(fā)與原始創(chuàng)新。再次，優(yōu)化低碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展投融資環(huán)境。完善投融資政策支持體系，綜合運用規(guī)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(fā)展的投融資政策支持體系和環(huán)境，引導(dǎo)社會資金投向低碳材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有效解決發(fā)展低碳材料資金投入不足的問題。第四，搭建跨區(qū)域合作平臺。一方面積極開展國際交流與合作，加強(qiáng)與國外先進(jìn)地區(qū)、國際友好城市的聯(lián)系，開展雙方在低碳技術(shù)研發(fā)與交流、低碳材料產(chǎn)品示范與應(yīng)用等方面的合作。另一方面加強(qiáng)國內(nèi)合作平臺建設(shè)，加強(qiáng)京津冀區(qū)域科技經(jīng)濟(jì)合作，實現(xiàn)互補聯(lián)合、錯位發(fā)展、繁榮共贏。第五，加大招商引資力度。瞄準(zhǔn)國外掌握先進(jìn)低碳技術(shù)和產(chǎn)品的企業(yè)、頂尖項目，利用我國發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、低碳產(chǎn)業(yè)所創(chuàng)造的市場新需求，積極吸引國外低碳產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域中擁有關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵產(chǎn)品的國際領(lǐng)先企業(yè)進(jìn)駐天津，從而使天津成為中國接軌國際先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品的新平臺。

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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(fā)展戰(zhàn)略研究計劃項目(10ZCGYGX18700)。

2014-06-06