天津市低碳材料产业技术路线图研究

徐大海，沈延斌，朱司宇

(天津市科学技术信息研究所 天津300074)

天津市低碳材料产业技术路线图研究

徐大海，沈延斌，朱司宇

(天津市科学技术信息研究所 天津300074)

发展低碳经济作为推动可持续发展、保障能源安全与应对气候变化的基本途径，已得到世界各国的普遍认同。通过技术路线图的方法，科学预测天津市低碳材料领域的市场需求和发展趋势，为实现天津低碳材料产业快速发展提供了对策建议。

低碳材料 低碳经济 技术路线图

1 低碳材料的内涵

低碳材料是指具有良好的使用性能，对资源和能源消耗少，对生态环境污染小，可再生利用率或可降解循环利用率高，在材料的制备、使用、废弃及再生循环利用整个过程中，都与环境协调共存的材料。低碳材料有 3个明显特征：先进性，发挥材料的优异性能，为人类开拓更广阔的活动范围和环境；环境协调性，减轻地球环境的负担，提高资源利用率，对枯竭性资源的完全循环利用，使人类的活动范围同外部环境尽可能协调；舒适性，使人们乐于接受和使用，使活动范围中的人类生活环境更加繁荣、舒适。[1]

2 国内外低碳材料研究热点

在全球经济向低碳模式转型的过程中，迫切需要低碳材料及其产业提供强有力的物质基础，多种具有研究基础和应用潜力的低碳材料成为世界各国竞相研究的热点领域。例如，晶体硅作为目前国际光伏市场上的主流产品，单晶硅电池的实验室效率已经可以达到23.7%，工业化产品效率一般在13%～15%；LED全球应用广泛，日本是最大的生产国，美国及欧洲重点开发上游外延片及芯片核心技术，在大尺寸 LCD背光源、白光照明及汽车应用等高端市场占有优势；生物模拟技术可以通过模拟生物的化合作用，生产出各种新材料，如通过高效催化剂完成光合作用，将二氧化碳和水变成碳水化合物；纳米材料研发热点是纳米半导体阵列、纳米线、纳米显示材料、纳米紫外光源材料、高性能环境友好的纳米滤膜等；节能材料方面，超导体中的 YBaCuO(薄膜、块体)、BiSrCaCuO(带、线材)等一些研发成果已接近实用状态。

3 天津市低碳材料产业发展现状

新材料产业是天津重点发展的产业之一，产业技术创新体系不断完善，部分领域达到国内领先水平，为低碳材料的发展奠定了坚实的基础。虽然天津市低碳材料产业的整体规模还比较小，但在一些领域聚集了较强的科研力量，具有较强的发展潜力。

3.1 电池材料

①锂离子电池。天津在电池材料领域优势明显，科研水平和产业化规模全国领先。天津已形成完整的锂离子电池产业链，包括正极材料、负极材料、电解液、各种电池零部件等。②电解液。国产电解液2002年进入市场并逐步取代进口产品，通过不断改进和提高，国产电解液质量已达到国际先进水平，目前，国内电池生产商电解液配套基本上实现国产化。③燃料电池。天津是国内开展燃料电池研究较早的城市，主要集中在南开大学、天津大学、十八所、天津理工大学等科研院所。

3.2 LED

天津市 LED产业基本形成了集衬底材料、外延片制造、芯片生产、器件封装以及 LED应用为一体的较为完整的产业链体系，形成了由近百家上中下游各环节企业组成的半导体照明产业链企业集群。在科研方面，天津工业大学的大功率半导体照明技术研发及应用水平一直居于国内领先地位。

3.3 航空航天复合新材料

该领域聚集了天津大学航空航天研究院、中国民航大学等一批高校科研机构。产品主要以聚合物基复合材料、金属结构复合材料、民用和航空专用涂料为主。天津波音复合材料有限公司拥有世界最先进的生产航空复合材料的实验室。

3.4 纳米材料

天津市在纳米材料领域具有一定的科研基础，拥有国家纳米技术与工程研究院、天津大学材料学院纳米生物技术研究所等高端研发机构，但低碳纳米材料产业化规模较小。

4 天津市低碳材料产业重点领域技术路线图构建

采用“市场需求分析——产业目标确认——技术壁垒分析——研发需求凝练”四阶段分析范式，[2]结合天津低碳材料发展现状、技术壁垒和发展目标，从产业宏观环境到产业微观技术，科学具体地描述产业未来发展路径，研究绘制 2013—2015年期间天津低碳材料产业重点领域技术路线图。

4.1 复合材料领域

天津航空航天、风电、新能源汽车、生物医药等领域对低碳复合材料需求强烈，未来要重点开展碳纤维以及新型复合材料等研究和应用，[3]突破碳纤维制备技术、纤维铺层设计和工艺、轻型复合材料制备工艺等，开发符合低碳经济要求的新产品，形成较为完整的低碳复合材料产业链。天津低碳复合材料产业发展技术路线图如图1所示。

图1 低碳复合材料发展技术路线图Fig.1 Technology roadmap of low carbon composite materials

4.2 LED领域

图2 LED材料发展技术路线图Fig.2 Technology roadmap of LED materials

天津 LED材料领域主要集中于中下游的封装、应用等环节，而上游外延片，芯片的研发力量不足，特别是在芯片技术、外延片、蓝绿光和高亮度 LED研发等方面投入不足，未来需要突破产业链上游材料制备技术。[4]结合天津 LED低碳材料发展现状和产业发展规划，提出不同时间节点下天津 LED材料产业发展技术路线图，如图2所示。

4.3 环保材料领域

低碳节能环保材料领域涉及膜材料、可降解材料以及低碳环保材料。未来应重点开发生物降解材料，降解材料的品种差别化技术，可降解塑料的规模化制备，长寿命、高通量、高选择性的膜分离材料的低成本制备技术等。[5]结合天津环保材料发展现状和新材料“十二五”规划，提出了不同时间节点下天津低碳环保材料产业发展技术路线图，如图3所示。

图3 低碳环保材料发展技术路线图Fig.3 Technology roadmap of low carbon environmental friendly materials

4.4 磁性材料领域

天津磁性材料无论从研发层面还是市场层面都处于起步阶段，规模较小，产品大部分集中在低中档层次，缺少参与国际竞争的能力。未来应重点研究结构功能一体化磁性材料及其设计原理，进行新型的稀土永磁材料和纳米复相永磁材料制备技术的探索；研究和开发新型软磁材料，推动磁性材料在环保、汽车、风电等领域得到广泛应用。[6]结合天津磁性材料发展现状和新材料“十二五”规划，提出不同时间节点下天津磁性材料产业发展技术路线图，如图4所示。

图4 磁性材料发展技术路线图Fig.4 Technology roadmap of magnetic materials

4.5 电池材料领域

天津汽车产业、航天产业以及新能源产业的快速发展给电池材料应用开拓了广阔的空间。低碳电池材料应以绿色电池产业为基础，着眼于锂离子电池材料、铅酸电池材料和燃料电池材料的开发和应用。在锂电池方面，重点开发新型正负极材料，正极材料着力开发新型磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料等；负极材料着力开发碳材料、合金材料和钛酸锂等；[7]燃料电池重点开发固体电解质薄膜和电池阴极材料、突破有机质子交换膜技术等；铅酸电池着力改进铅粉的制备工艺，改进板栅合金铸造制备工艺，探索板栅合金的环境友好材料，研究新型低碳电解质。天津电池材料产业发展技术路线图如图5所示。

4.6 硅材料领域

硅材料是太阳能光伏发电的上游，可应用于航空航天、电力、交通运输以及通讯业。低碳硅材料应依托太阳能光伏产业，瞄准技术发展方向，重点突破大直径、高质量晶体生长和晶体加工技术及外延技术、硅材料的提纯核心技术和切片工艺，在研发水平上达到世界发达国家的水平。[8]天津硅材料产业发展技术路线图如图6所示。

图5 低碳电池材料技术路线图Fig.5 Technology roadmap of low carbon battery materials

图6 低碳硅材料技术路线图Fig.6 Technology roadmap of low carbon silicon materials

4.7 纳米材料领域

天津低碳纳米材料发展一方面要瞄准高新技术，力求创新，培育纳米材料产业发展，逐步形成完整产业链；另一方面依托天津八大优势产业的基础和市场，将纳米技术与材料切入八大优势产业中去。重点突破纳米材料装备技术、纳米生物技术、纳米环保技术、纳米界面技术、纳米仿生技术等，实现传统产业的升级改造，并在水处理、固体垃圾处理、废气处理等方面取得应用成效。[9]天津纳米材料产业发展技术路线图如图7所示。

图7 低碳纳米材料技术路线图Fig.7 Technology roadmap of low carbon nano-materials

5 天津市低碳材料产业发展对策建议

首先，要构建低碳材料产业发展规划体系。超前认识，超前谋划，结合天津市建设资源节约型、环境友好型社会和节能减排的工作需求，研究制定天津低碳材料产业的发展规划。其次，加强重点领域关键技术的研发和推广。将先进低碳技术作为提升天津市技术竞争力的核心内容，着力研究、发展和推广先进低碳技术，加强前沿技术的研发与原始创新。再次，优化低碳材料产业发展投融资环境。完善投融资政策支持体系，综合运用规划、投资、价格、财税等政策措施，建立一个良性、面向市场、有利于低碳材料发展的投融资政策支持体系和环境，引导社会资金投向低碳材料产业发展，有效解决发展低碳材料资金投入不足的问题。第四，搭建跨区域合作平台。一方面积极开展国际交流与合作，加强与国外先进地区、国际友好城市的联系，开展双方在低碳技术研发与交流、低碳材料产品示范与应用等方面的合作。另一方面加强国内合作平台建设，加强京津冀区域科技经济合作，实现互补联合、错位发展、繁荣共赢。第五，加大招商引资力度。瞄准国外掌握先进低碳技术和产品的企业、顶尖项目，利用我国发展低碳经济、低碳产业所创造的市场新需求，积极吸引国外低碳产业各领域中拥有关键技术、关键产品的国际领先企业进驻天津，从而使天津成为中国接轨国际先进技术和产品的新平台。

［1］ 王天民，王莹. 低碳经济及其对新材料研究开发的挑战[J]. 中国材料进展，2010，29(1)：60-64.

［2］ 顾允涛，宋星星. 我国陶瓷产业技术路线图制定研究[J]. 黑河学院学报，2011，2(3)：44-46.

［3］ 徐樑华，李克健. 高性能碳纤维及其复合材料在绿色能源建设及节能减排中的重要作用[J]. 新材料产业，2010(3)：35-38.

［4］ 罗贞礼. 中国 LED照明产业“十二五”发展探析[J].新材料产业，2011(1)：1-8.

［5］ 刘跃军，谢伟，李艳花. 生物降解材料的研究进展[J]. 广州化工，2011，35(15)：49-52.

［6］ 丁占来，岑玮，于旭光. 磁性材料的研究进展及其发展方向[J]. 河北冶金，2005(5)：15-18.

［7］ 廖红英，孟蓉，王莉，等. 锂离子电池关键材料六氟磷酸锂[J]. 新材料产业，2012(6)：45-48.

［8］ 孙敏，李俊华，王佳. 纳米硅材料的制备研究进展[J]. 化学工程师，2012(7)：48-49.

［9］ 朱光威，许国根. 纳米材料在环境保护中的应用[J].纳米科技，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

天津市科技发展战略研究计划项目(10ZCGYGX18700)。

2014-06-06