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氧化锆陶瓷
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先进陶瓷行业发展历程及发展趋势面临的机遇挑战壁垒构成
发布时间: 2022-08-03 05:41:02 来源:乐虎国际手机下载官网 作者:乐虎国际手机端APP下载
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  随着先进陶瓷下游应用领域技术水平发展,对先进陶瓷供应商综合能力要求大幅提高。一方面,要求先进陶瓷生产企业具备跨材料体系开发能力,依托多种材料体系能力,满足客户对各类先进陶瓷材料零部件的高性能要求;另一方面,高精尖陶瓷产品的国产化对先进陶瓷生产企业的表面特种形貌喷砂、新品熔射等表面处理能力也提出了新的要求。半导体设备是半导体产业链的关键支撑,其技术的实施依赖于各种精密零部件。精密零部件的材料与加工技术是集成电路核心技术的载体,是半导体产业的基石。自20世纪50年代集成电路问世以来,集成电路产业一直遵循“一代装备、一代工艺、一代产品”的模式快速发展。芯片集成度的不断提高,对生产工艺赖以实现的设备技术提出了新的需求,对制造设备精密零部件的性能要求越来越高,许多加工技术的精度目前已经趋于物理极限,泛半导体领域的应用是目前先进陶瓷顶尖技术领域之一。

  全球先进陶瓷发展历史悠久,研发与工业化生产已经有超过100年的时间。二十世纪八十年代以来,先进陶瓷在全球得到突飞猛进的发展。

  日本在先进陶瓷的产业化和工业、民用领域应用方面占据领先地位,日资企业在全球先进陶瓷领域占据约50%的市场份额。日本自二十世纪八十年代以来,将先进陶瓷的研发制造放在国际竞争中的战略性地位,不断加大投资力度。在电子陶瓷、光导纤维、高韧性陶瓷、陶瓷敏感原件、泡沫陶瓷、超塑性陶瓷、塑胶复合陶瓷、高性能陶瓷电池和陶瓷发动机部件等领域均处于国际领先地位。

  美国高温结构先进陶瓷的发展良好,在航空航天和核能领域应用处于领先地位。2000年,美国陶瓷协会和美国国家能源部联合资助并实施了为期20年的美国先进陶瓷发展计划,旨在推动先进陶瓷成为一种经济适用的首选材料,并应用于节能环保、新一代信息技术、生物医药、高端装备制造和新能源等战略性新兴产业中。

  欧洲在机械装备领域先进陶瓷处于领先地位,产业重点为应用在发电设备中的新型材料技术,如陶瓷活塞盖、排气管里衬、涡轮增压转子和燃气轮转子等。

  (1)零部件性能要求不断提高,以适应下游半导体先进制程、显示面板大尺寸化等需求

  随着半导体制程工艺向7nm及更高的水平发展,半导体设备的生产效率和精度不断提高,对先进陶瓷材料零部件的理化性能指标要求也不断提高,例如,针对氧化铝陶瓷零部件的耐腐蚀特性、低介电损耗特性、电阻率可控性等指标均提出了更高的要求,针对氮化铝陶瓷的高电阻率性能亦有更高的标准。半导体行业技术快速迭代升级的行业特性要求先进陶瓷企业针对不同细分领域的应用不断改进材料配方和加工工艺,进行材料的持续开发换代。

  随着显示面板世代线提高,面板尺寸增大,制造设备需要尺寸更大、精度更高的先进陶瓷材料零部件,对先进陶瓷的综合性能指标要求更加严苛,对其一整套制造和加工工艺也提出了更高的要求。

  粉体粉碎和分级的推广普及和研磨物料种类的不断丰富使得下游对氧化锆陶瓷材料零部件在现有常温环境下机械性能的要求不断提高。同时,为满足中低温使用环境,行业内客户对氧化锆零部件材料的耐磨性、抗老化性也提出了更高的要求。

  当前,面对日益多元化的客户需求,一些此前被广泛使用的材料已经接近或达到理化性能极限,单纯依靠既有材料体系的迭代升级已无法满足使用需求,替代材料的开发成为行业发展的新趋势。例如,在中低温环境下,氮化硅有望在部分市场替代氧化锆作为高耐磨材料;半导体设备高腐蚀性场景下,腐蚀性气体喷嘴等部件早期行业使用氧化铝基材,并通过在其表面熔射耐腐蚀性明显优于氧化铝的氧化钇达到性能要求,但对于该等部件细小的孔洞,熔射的方式已无法覆盖孔洞内部表面,改用烧结氧化钇块材的方式成为喷嘴部件新的替代方案。在替代材料的开发趋势下,要求先进陶瓷企业掌握多材料体系及配套技术开发能力,以不断适应行业技术发展的需要。

  随着半导体领域先进陶瓷材料零部件国产替代进程的推进,陶瓷加热器、静电卡盘等“功能-结构”一体化“卡脖子”产品相关技术正引起国内企业重视和投入。该等先进陶瓷材料零部件设计精密度及特定功能要求,相较一般先进陶瓷材料零部件工艺更加复杂,需攻克热压、流延、共烧结、凸点加工、高温焊接、陶瓷/金属精密连接和CVD包覆等多种加工工艺。目前,我国少数本土企业通过自主研发、合作研发等多种方式,正加速突破该等产品相关技术。

  2014年,《国家集成电路产业发展推进纲要》《关于印发2014-2016年新型显示产业创新发展行动计划的通知》等法规颁布,大力推进了集成电路制造企业和显示面板企业自主发展,并引导上下游产业链企业加强协作,全面提高供应链本地化水平。

  “十三五”时期,先进陶瓷作为新材料领域重要组成部分,先后进入《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》《工业“四基”发展目录》《产业关键共性技术发展指南》《战略性新兴产业分类》《产业结构调整指导目录》,成为国家新兴产业发展规划的重要一环。先进陶瓷等新材料为我国发展壮大新一代信息技术、高端装备、新材料、生物、新能源汽车、新能源、节能环保、数字创意等战略性新兴产业提供了基础支撑能力。

  “十四五”时期,我国继续推动先进陶瓷等新材料产业技术向国际领先水平发展。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出,至2025年,重点新材料总体技术和应用与国际水平同步,部分达到国际领先水平;全面提升新材料产品质量水平与稳定性,中高端产品所占比重大幅提升,整体水平进入全球价值链中高端环节;关键高端材料和高端装备自主研发水平和自主保障能力显著提升,关键短板材料受制于人的问题得到有效缓解。先进陶瓷未来将作为国家战略规划之一将继续得到政策大力支持,并加快向关键技术领域突破,助力我国多类战略性新兴产业发展。

  根据世界半导体贸易统计协会(WSTS)统计,全球半导体产品市场规模从2010年的2,983亿美元迅速增长至2020年的4,404亿美元,同时,继2021年实现26.2%的强劲增长之后,WSTS预测,2022年全球半导体市场将再次实现两位数增长,预计市场规模将达到6460亿美元,增长16.3%,并预计到2030年全球半导体市场规模有望达到万亿美元的水平,由此可以预测全球半导体设备的市场景气度将会继续快速提升。根据国际半导体产业协会(SEMI)统计,全球半导体设备销售规模从2010年的395亿美元增长至2020年的712亿美元,预测原始设备制造商的半导体制造设备全球总销售额将在2022年达到创纪录的1175亿美元,比2021的1025亿美元增长14.7%,同时SEMI预计,全球半导体设备销售额在2023年将增至1208亿美元,预计到2030年全球半导体设备销售额将增长至1,400亿美元。显示面板领域,伴随着京东方等大陆面板厂商崛起,全球面板行业产能不断向中国大陆转移。下游全球泛半导体设备需求稳定增长,中国市场在全球制造环节地位日益重要,为上游先进陶瓷企业提供了巨大的发展空间。

  除泛半导体设备外,先进陶瓷材料零部件还被广泛地应用于多个下游领域,随着材料性能不断提升,新的应用领域不断涌现,市场空间持续增长。

  5G、云计算、物联网和人工智能等新兴技术发展,带动了以通信设备、消费电子、智能家电等为代表的半导体终端产品应用不断扩充,尤其是中国消费市场快速增长,带动了全球泛半导体产业生产基地逐步向中国内地转移。泛半导体生产环节核心设备国产化进程不断加快,其关键零部件国产替代及就近采购有利于产业链实现自主可控并降低生产和运输成本,增强中国泛半导体产业链的全球竞争力。在这样的背景下,我国先进陶瓷产品迎来巨大的发展机遇。

  在泛半导体行业,生产制造企业为充分保障产能快速扩张下晶圆、显示面板等产品的品质,要求供应商做到“精确复制”,该管理模式强调对使用的设备、设备零部件和原材料等供应的可追溯性和生产过程验证。可追溯性具体表现为需要对供应商所使用的原材料、采购来源等进行追溯,生产过程验证具体表现为对供应商进行验厂,对其生产环境、技术水准、工艺特征等进行严格考察审核。上述要素确认后,更换供应商的成本较高、程序复杂,因此不会轻易更换供应商。在严格的市场准入门槛下,设备、设备零部件和原材料等供应商需要具备高水平技术,并通过长期、高质量供货以不断积累客户资源。供应商在与客户形成较稳固合作关系后,短期难以被行业新进入者取代。

  汽车制造和生物医药等行业均涉及消费者使用安全,下游客户尤为重视产品质量,对先进陶瓷企业进入供应链有严格的审核标准;供应商在进入客户的合格供应商名单后,在不发生重大质量问题的情况下,双方一般将维持长期和稳定的合作关系。新进入企业在缺乏对相关行业优质客户认证的情况下,难以在行业内获得快速发展。

  先进陶瓷是技术密集型行业。为满足客户对产品高强度、耐高温、耐腐蚀等特性要求,先进陶瓷的生产对从上游粉料调配到生产工艺参数把控的技术要求非常高;下游泛半导体等行业的快速发展使得相关技术迭代也非常迅速;人员经验及对生产设备操作的熟练度亦会影响企业制造水平。企业需要在批量生产实践中长期积累相关技术、经验,及时了解客户的需求以不断改进相关配方和生产工艺。

  行业新进入者难以在短期内掌握全工艺流程和全面的专利与专有技术体系,在未接触下游客户群体的情况下无法保持与行业技术同步提升。因此对于新进入市场的企业,先进陶瓷行业存在较高的技术和经验门槛。

  为保持技术工艺的领先性和产品的市场竞争力,先进陶瓷行业内的企业需要持续进行研发投入,资金需求量大。先进陶瓷企业在进入初始期需要投入大量的资金进行厂房建设、购置生产设备,通过合理、科学调度生产排班,充分发挥生产的规模效应。由于先进陶瓷材料零部件的型号众多,具体应用和性能要求各不相同,新产品面临着研发失败的风险,若无充足的资金支持,新进入的企业难以开发出成熟产品并形成一定的经营规模,无法与行业内的现有企业进行有力竞争。

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