【粤孵新质生产力专题】【官方】
前沿新材料产业研究系列01——超材料
原创 粤孵智库 广东产业大脑 2024-05-21 18:00背景
前沿新材料是孕育战略性新兴产业和引领未来科技发展的具有优异性能和特殊功能的材料，具有战略性、先导性和颠覆性，兼具产业带动性强、附加值高的技术特征，广泛应用于新一代信息技术、国防军工、航空航天、高端装备、高端医疗器械、新能源等其它产业领域。
2023年8月，国家工信部、国务院国资委组织编制了《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》，加快前沿新材料产业化创新发展，聚焦已有相应研究成果、具备工程化产业化基础、有望率先批量产业化的前沿材料，筛选并提出发展以下15种前沿新材料。
本公众号将设置前沿新材料产业发展研究报告专题，对以下15种前沿新材料的技术概况、产业化进程及重点企业进行介绍。
表 1 前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）
资料来源：国家工信部、国务院国资委，粤孵智库整理。
01 超材料
“
一、技术概况：电磁超材料是目前超材料研究和产业化的主要方向
（一）定义
根据工信部《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》，超材料是一种人造的特种复合材料，主要通过对材料物理尺寸上进行有序结构的设计，让其材料在电学、磁学和光学等方面具备常规材料所不具备的超常物理性质，包括吸能降噪隔振超材料、电磁波和空间电磁信息调制超材料、新一代电磁超材料、完美吸收体超材料、影像增强超材料、宽带消色差光学超材料等。
（二）技术趋势
电磁超材料是目前超材料研究和产业化的主要方向，超透镜是近年研究热点和产业化前期的另一方向。
电磁超材料是超材料中最先研究和应用的领域。超材料概念最早源于苏联科学家Victor Veselago于1968年提出同时具有负介电常数和负磁导率的材料，此时材料的电磁场不再满足右手螺旋定则，而是变为左手螺旋定则，但具备此种特征的材料在自然界中并不存在，直到美国科学家D.R. Smith等在2000年制备了符合左手螺旋定则的超材料，并于2006年制备了可以引导电磁波转向的隐身功能超材料。电磁超材料可以用于隐身衣、电磁黑洞、慢波结构等元器件的制作，适用于吸波材料、智能蒙皮、雷达天线、通信天线，对未来的雷达、通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。总体而言，超常的物理特性使得超材料应用前景十分广泛，尤其在尖端军工装备等领域展现出巨大应用潜力和发展空间。
超透镜材料是解决传统光学透镜体积大、质量重、有色差问题的新兴研究热点，超透镜材料即利用其特殊的微观结构对光线进行调控的材料，通常由具有特定电磁性质的周期性结构组成，例如金属纳米颗粒或二维光子晶体，这些微观结构能够改变光的传播路径和干涉效应，允许它们展现出传统材料所不具备的光学属性，从而实现对光的弯曲、聚焦和分离等操作，因此，超透镜材料因其能够通过调控光的传播来实现各种光学效果而成为理想的光学材料。使用超材料设计制造亚波长尺寸结构的二维超薄平面，可以推动光聚焦和成像方面显示出极大的灵活性，既可以作为光学透镜使用，也可以应用到全息成像等AR/VR领域。
（三）核心工艺
核心工艺上看，超材料作为典型的人造材料，其制造原材料主要有石墨烯、电介质、玻璃纤维、氮化钛等，缺乏大规模量产的原材料供应商。传统微纳加工技术设计制造三维结构的超材料难度极高、损耗极大，目前还不具备大规模制备生产的技术条件。受限于此，目前各国科学家和产业界均关注二维平面结构的超材料，并称其为超表面，探索研究单层超材料或通过多层堆叠形成的超材料结构体，主要制造工艺包括印刷电路板工艺、光刻法、掩膜印刷法、电子束刻蚀等，其制造工艺更加类似于半导体。而从二维超表面材料向三维材料发展，需要在材料设计和模拟仿真、材料制备工艺创新、材料工作频段的方向控制上克服重大技术瓶颈。
（四）发展趋势
发展趋势上看，超材料将从电磁超材料向其它领域不断拓展。其它领域中，一是力学超材料，如北京大学陈常青教授团队研发了一种可自折叠变形的力学超材料，可以应用于血管支架、自组装机器人等方面；二是声学超材料，如南京大学陈延峰教授团队围绕吸声降噪、水声通信、声场调控等方面作出重要突破科研成果；三是热学超材料，如清华大学周济院士团队研发了一系列热学屏蔽、热流控制、热学信息新型器件。
“
二、产业应用：超透镜商业化进程最快
目前，全球超材料市场仍处于发展初期阶段，主要是应用于军工装备产业领域。美国国防部将超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，美国国防高级研究计划局开展了多项超材料研发项目，并支持超100家企业、签订60多个超材料应用研究合同，如雷神、洛克希德·马丁、英特尔等公司均投入到超材料的研发。我国通过“973”计划、“863” 计划等也在超材料方面取得了若干原创性成果，总体来看对超材料的研究和应用与美国处于并跑水平。
（一）隐身技术
隐身技术是迄今为止超材料技术研究和产业化应用最为集中的方向。隐身技术是现代电子对抗中的一个重要的环节，可降低目标被电磁波、声波和可见光等探测手段发现和追踪的技术手段，将直接决定武器装备及作战人员在战场上的生存及突防能力。中国研发的世界第一款全隐身战机歼-20已采用光启技术自研自产的“白起”电磁超材料，美国的F-22、F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。参考美国国防部发布的中国军力报告，美方预测我国现已列装6个飞行旅约72架第五代战机，未来将保持每年新增6-10个飞行旅、即列装100架左右五代战斗机的速度扩张，预测我国2030年将新增列装歼-20及歼-31、轰-20等各类五代战斗机200架。东方财富证券研究所据此推算2030年战斗机对于超材料的市场需求规模约在30-40亿元，加上导弹、舰艇等其它军工装备的隐身应用，2030年我国超材料市场规模或达到86亿元。
（二）天线通讯
天线通讯是超材料另一主要军工应用领域。将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上，可以大大降低天线能耗，提高天线增益，拓展天线工作的带宽，有效增强天线的聚焦性和方向性，目前已经开发出多种使用超材料的波天线阵、微带天线、高方向性天线和时域天线。伴随毫米波技术的快速发展，用超材料制作的透镜天线亦有望逐渐在移动通信领域进行应用，比如2023年4月华为发布笔记本电脑新品MateBook D 14/16就声称应用了超材料天线技术，可以实现信号品质更强、连接距离更远、传输带宽更高等优势。
（三）超透镜
超透镜是具有较高潜力的XR光学模组解决方案，但目前尚未实现规模产业化。目前PS VR、Pico、苹果MR等常见设备主要采用传统的光学透镜，如非球面透镜、菲涅尔透镜、折叠光路Pancake方案等。超透镜形成的光学解决方案，可以将当前设备的镜头长度从数厘米长大幅降低至1-2毫米，并解决伪影、光损等视觉效果问题，使得设备更为轻便、成像效果更好。全球范围来看，超透镜商业化进程最快的是美国MetalenZ公司，其创始人是超透镜技术的主要核心专家哈佛大学Capasso教授，目前已经与意法半导体合作开发了一系列光学传感器产品，可以应用到激光雷达、XR、相机辅助功能、机器视觉等领域；三星、苹果、LG等巨头公司也有关于商业化超透镜的报道消息；我国主要有迈塔兰斯、山河光电等企业走在商业化前列。
“
三、重点企业：光启技术是国内唯一一家实现超材料量产并且用于尖端军工装备的企业
（一）光启技术
光启技术是国内唯一一家实现超材料量产并且用于尖端军工装备的企业，掌握新一代超材料技术产品的深度计算、智能制造以及专业检测等核心技术，先后在深圳建立银星产业基地和佛山顺德产业基地。公司研发的隐身超材料相关产品已在我国多型军用飞机、海军装备、导弹、反隐身雷达系统等核心高端装备上逐步得到应用。2017年，龙生股份通过非公开股票发行完成了对深圳光启尖端技术有限公司的资产注入，从而实现光启技术借壳上市。
1、技术进展
光启技术具备电磁超材料行业标准话语权以及专利壁垒优势。2011年12月20日，国家科技部批准光启技术建设的超材料电磁调制技术国家重点实验室揭牌，该实验室成为我国唯一一个电磁超材料国家重点实验室。2016年10月1日，光启技术主导起草的全国首份超材料国家标准《电磁超材料术语》正式发布实施，该项标准打破了欧美对前沿科技的技术和标准垄断，并获得在超材料标准制定上的话语权。截至2023年8月，光启技术及其关联企业已在世界范围申请超过6000件专利，专利数量遥遥领先，约占超材料相关领域专利申请总量的80％以上，专利申请总量位居全球第一，建立起雄厚的技术护城河。
光启第四代超材料已实现三维突破。根据2023年11月佛山新闻以及2024年2月公司披露，光启已经实现了第三代超材料的规模化量产，且第四代超材料已成功研制，目前量产工作正在进行。第四代超材料产线融合了激光直写曝光技术和刻蚀技术，并实现了由二维平面向三维蜂窝状结构的重大突破以及超材料制造工艺升级改进。具体表现为，
一是第四代超材料在较多关键指标及性能方面都有10倍数量级的提升；
二是第四代超材料具有更大的超大带宽特性；
三是第四代超材料功能性更强且重量更轻；
四是第四代超材料采用新型工艺成型技术，不仅可以实现二维阻抗完美匹配，而且突破了传统工艺在尺寸上的限制；
.五是其应用范围从机身关键部位提升至整个机体。根据2023年公开消息，光启技术第四代超材料结构件将在2023年底或2024年初批量生产。
光启技术进入智能汽车天线研究领域。2023年12月7日，光启技术与中汽研在天津签署合作协议，计划建设联合实验室，共同打造汽车行业全球首个紧缩场测试系统，为新能源汽车整车通信提供更领先的测试方法和评价标准。根据2024年2月4日最新消息，目前汽车整车天线OTA性能紧缩场实验室处于场地搭建以及设备调试阶段，预计2024年3月可实现整车天线检测。此举有望彻底解决全球新能源汽车领域普遍面临的通信技术难题，一旦该标准体系建立，全球智能汽车联网、无人驾驶等应用将会快速落地，全球智能汽车将迎来一个新时代。同时，光启技术未来有望实现从军用市场到民用市场的重大突破。
2、产业化进展
光启技术拥有两大生产基地，产能有序扩张，两大基地满产后合计产能达168吨/年。
一是光启深圳银星基地，银星基地于2020年5月扩产，扩产后产能从4吨/年提升至8吨/年。
二是光启709基地，2021年光启709基地作为全国规模最大的新一代超材料技术智能制造基地建成落地，年产能为40吨超材料；2023年9月，709基地一期进行扩产，扩产后一期总产能将从40吨提升至60吨，扩产区域已经部分投产；同时2023年上半年光启已启动709基地二期建设规划，预计建设周期为一年半至两年，设计产能为100吨/年，届时光启709基地一期与二期合计总产能可达到160吨/年。
光启技术超材料订单在2022年迎来爆发期，市场需求旺盛。2019年至2021年，光启的超材料业务订单金额分别为1.4亿元、4.6亿元、5.9亿元。2022年公司累计在手超材料订单超过23亿元，订单金额增幅明显。其中，2022年1月份公司与客户在成都签订近20亿元大型复杂超材料航空结构产品的长期供货合同，是单一客户的单一产品订单，不仅是公司自成立以来签署的金额最大的单笔销售合同，也是超材料技术在我国航空结构大部件中的成功应用。
根据光启技术2024年1月22日晚间发布业绩预告，2023年1至6月份，光启超材料行业营业收入占比81.25%，汽车零部件占比17.82%。预计2023年归属于上市公司股东的净利润5.15亿元至6.3亿元，同比增长36.74%至67.27%。业绩变动主要原因是，公司预计2023年度净利润较2022年度有较大幅度增长，主要系公司超材料产品竞争优势凸显，批产收入有较大幅度增长。报告期内，公司超材料尖端装备产品收入同比增长超过50%，占总收入的比重预计达到80%，带动整体的盈利水平较大幅度提升。
(笔者注:官方这篇文章数字其实有点落后，目前已近2024.6。超材料过去5年10倍即2019-2023年化复合增长近60%。目前只有超材料业务，汽车零件业务已剥离。军工业务高潮还未到，目前处于快速磨擦阶段，估计冲刺要在2025-2027某个点。民用还处于刚发芽阶段，可能大批量应用也在2025-2027阶段，在政策政府的通力支持下如果运作得当，真的可以成为“小华为”，赋能各行各业，百花盛开，这样帐上50多亿就用上了会产生平均毛利50-60%的检测业务和产品赋能业务。#超材料# #低空经济# #新质生产力# )
（二）其他企业
电磁超材料领域，国企央企包括航天发展集团子公司南京航天波平电子科技有限公司和航天长屏科技有限公司、航天科工集团下属二〇七所；民企包括龙头上市军工企业西安天和防务技术股份有限公司（300397.SZ）和广东新劲刚科技股份有限公司（300629.SZ），以及宁波曙翔新材料股份有限公司、江苏赛博空间科学技术有限公司等。其中，光启技术在公开年报资料中将南京航天波平电子科技有限公司列为主要竞争对手之一；江苏赛博空间科学技术有限公司创始人为我国超材料领域院士专家崔铁军，且公司与二〇七所有产学研合作，技术实力亦值得认可；新劲刚已经实现了电磁超材料的小批量生产；天和防务5G超材料天线项目尚处于在建阶段未有量产。
其它超材料领域中，佛山市粤海信通讯有限公司、深圳迈塔兰斯科技有限公司、苏州山河光电科技有限公司进行超透镜领域研究，目前佛山市粤海信通讯有限公司已实现量产，而后两家尚未实现规模化量产交付；航天科工集团下属三〇六所正在进行纳米气凝胶超材料研究；南京光声超构材料研究院有限公司进行光声超构材料研究。
表 2 超材料技术领域相关企业
资料来源：公开信息，公司官网，粤孵智库整理。
广东产业大脑
以“用数据说话，为决策服务”的宗旨，围绕广东产业与区域发展的重大战略问题提供深度服务。
广东产业大脑$光启技术(SZ002625)$ $飞行汽车(BK1577)$ $华为概念(BK0632)$
复制搜一搜分享收藏划线
人划线
