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我国新材料产业现状分析与前瞻思考

屠海令马飞张世荣李腾飞赵鸿滨

有研科技集团有限公司北京有色金属研究总院

摘要：

新材料是指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料,以及传统材料成分、工艺改进后性能明显提高或具有新功能的材料。新材料是工业产品质量升级换代的保证和产业技术创新的前提,同时也是其他新兴产业发展的基础,在航空航天、信息通讯、高端制造、智能交通、新能源、新医药和数字创意等领域发挥着不可或缺的重要作用。建国70年来,我国新材料产业不断发展壮大,在体系建设、产业规模和技术进步等方面取得了明显成就,目前正处于由大向强转变的关键时期,新材料产业持续健康发展将为新一轮科技革命和产业变革奠定坚实的基础。本文阐述了我国新一代信息材料、新能源材料、稀土材料、生物医用材料、先进结构材料、特种功能材料、高性能复合材料以及前沿新材料的发展现状,梳理并分析了新材料产业发展存在的短板和突出问题,提出了发展重点与相关的政策建议。

关键词：

新材料产业;发展战略;政策建议;

中图分类号： F426.7

作者简介：屠海令(1946-),男,北京人,博士,教授,研究方向:材料科学与工程;电话:010-82241880;E-mail:tuhl@grinm.com;

收稿日期：2019-08-19

基金：中国工程院重大咨询项目“新材料产业发展战略研究(2035)”(2018-ZD-12-04)资助;

Current Status and Future Insight of New Materials Industry in China

Tu Hailing Ma Fei Zhang Shirong Li Tengfei Zhao Hongbin

GRINM Group Corporation Limited,General Research Institute for Nonferrous Metals

Abstract：

Materials are the basis for human survival and social development. New materials refer to emerging materials with excellent properties and special functions, which are the guarantee for the upgrading of industrial products quality and the premise of industrial technology innovation. Furthermore, they play an indispensable role in aerospace, information and communication, intelligent transportation, new medicine, new energy, digital creative fields and also in other emerging industries. Since the beginning of the this century, driven by active guidance of the national policies and rapid development of the domestic industries, China′s new materials industry has continued to grow and develop, and made remarkable achievements in systematic construction, industrial scale and technological progress which will lay a solid foundation for a new round of scientific and technological revolution and industrial transformation. This article described the development status of China′s advanced functional materials, special structural materials, new energy materials, biomedical materials, rare earth and ceramic materials, advanced steel and nonferrous metals, and high-performance composite materials. It also analyzed the weakness and problems in the development of new materials industry, proposed the priority projects and made the related policy recommendations.

Keyword：

new materials industry; development strategy; policy suggestion;

Received： 2019-08-19

1 国际新材料产业发展特点与趋势

进入21世纪以来, 在新科技革命和产业变革的大背景下 ^[1] , 世界多个国家和地区纷纷制定了加强新材料研究开发的规划, 并在市场和产业环境层面出台政策支持企业发展。美国于2016年制定了《国家制造业创新网络战略规划》, 进一步加大对新材料科技创新的扶持力度。欧盟为抢占未来的新兴市场, 于2014年提出《石墨烯旗舰计划》。德国在2016年推出《数字战略2025》, 明确将工业3D打印作为重要研究方向。英国在2013年推出了《英国工业2050》, 重点支持建设新能源、智能系统和材料化学等创新中心。俄罗斯在2012年发布了《2030年前材料与技术发展战略》。日本在2015年制定了《2015年版制造白皮书》。韩国在2016年制定了《韩国3D打印产业振兴计划(2017～2019年)》。巴西、印度等新兴经济体采取重点赶超战略, 力图在未来国际竞争中占领一席之地。

目前, 一些国际著名大企业和高科技公司凭借资金、人才和技术等优势不断向新材料领域拓展, 在高附加值产品中占据了主导地位。例如, 美国杜邦(Du Pont)、日本大金(Daikin)、德国赫希斯特(Hoechst)、美国明尼苏达矿业制造(Minnesota Mining and Manufacturing, 3M)、意大利奥斯蒙特(Ausimont)、法国埃尔夫阿托化学(Elf Atochem)和英国帝国化学工业(Imperial Chemical Industries)7 家公司拥有全球90%的有机氟材料生产能力。美国科锐(Cree)公司的碳化硅衬底制备技术具有很强的市场竞争力。碳纤维的制造被日本的东丽(Toray)、帝人东邦(Toho Tenax)、三菱丽阳(Mitsubishi Rayon)公司和美国的赫氏(Hexcel)公司所垄断。

伴随颠覆性新材料的出现与技术拓展, 催生了诸多新兴产业。例如, 氮化镓(GaN)等化合物半导体材料的大规模应用, 给照明工业带来革命性的变化, 现又向电力电子和射频功率器件市场渗透。介入材料与器械的研发和应用, 使心脏病死亡率大幅下降; 生物医用材料已成为发展人类健康服务业的物质基础 ^[2] 。

绿色化、智能化成为新材料发展的趋势, 推动了风电、光伏、智能电网、电动汽车、节能建筑的发展。例如, 目前欧美等发达国家80%以上的中空玻璃使用LOW-E玻璃; 太阳能电池转换效率不断提高, 全球光伏装机容量持续攀升, 2018年超过510吉瓦 ^[3] 。绿色智能新材料技术及产业化将成为未来发展的主要方向, 在追求效益的同时更加注重资源节约、环境保护、公共健康以及智慧城市等目标。

与此同时, 新材料研发模式正在发生重大变革。美国政府2011年启动了“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative, MGI), 提出新材料从发现到应用的速度至少提高一倍, 成本至少降低一半的目标 ^[4] , 其具体内容包括: 发展高通量计算工具和方法, 推广高通量材料制备和检测工具, 完善材料数据库并进行数据挖掘, 培育开放、协作的新型合作模式。

2 我国新材料产业发展现状

建国70年来, 我国新材料产业无论在科技创新还是在产业规模方面都得到了长足的发展, 并呈现出以下特点:

(1) 产业规模与市场占有率不断扩大。进入21世纪以来, 中国新材料产业规模不断扩大, 2018 年实现产值3.9万亿元人民币, 从2011年到2018年, 复合增长率超过25%(图1)。稀土功能材料、先进电池材料、光伏材料、超硬材料、特种不锈钢、先进玻璃纤维及其复合材料等产能居世界前列。半导体照明形成比较完整的研发与产业体系, 2018年产业规模超过7300亿元。稀土磁性材料 ^[5] 、稀土储氢材料 ^[6] 等产量约占全球的80%, 其中, 稀土磁性材料2018年产量达15.6万吨。

(2) 研发能力与水平进一步提高。我国已建成门类齐全的材料研发和生产体系, 2018年科技论文和发明专利均位居世界第一。近年来, 通过产学研用结合, 一批核心技术取得了实质性突破, 许多重要新材料的技术指标得到大幅提升, 部分研究成果在相关领域得到了推广应用。偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)和氟硼铍酸钾(KBBF)等非线性光学晶体研究居国际领先水平并实现了商品化 ^[7] 。太阳能电池关键材料技术指标达到了国际先进水平, 光伏发电成本降低到1元/千瓦时以下。 300 mm硅片可满足28 nm技术节点的集成电路要求, 并已成功拉制450 mm硅单晶。 T300级和T700级碳纤维实现了稳定生产, 已应用于航空航天装备, T800级和M60J碳纤维关键技术取得突破,正在开展工程化研究。石墨烯、过渡金属硫化物等二维材料研究方兴未艾, 相关材料实现了初步应用。

图1 2010～2018中国新材料产业规模(万亿元/人民币)

Fig.1 China′s new materials industry scale from 2010 to 2018

(3) 产业区域集聚态势初步形成。近年来, 各级政府积极推动新材料产业基地建设, 产业聚集发展的良好态势初步形成。长三角地区在电子信息、航空航天、新能源、新型化工等方面形成明显的区域特色。粤港澳地区生物医用材料、新型显示材料、改性工程塑料、先进陶瓷材料等产业集中度高, 发展迅猛。京津冀地区技术创新推动作用明显, 在半导体硅材料、石墨烯材料等多个领域具有较强优势。此外, 江西、内蒙的稀土新材料, 云南和贵州的稀贵金属新材料, 安徽的新型化工材料和新型建材, 浙江宁波的钕铁硼永磁材料, 江苏徐州、河南洛阳的多晶硅材料, 江苏苏州的纳米材料以及福建的锂离子电池及材料也都形成了各自的区域特色 ^[8] 。

(4) 应用示范和支撑重大工程的作用日益显现。新材料产业是建设重大工程、巩固国防军工、构建节能环保社会 ^[9] 的重要技术支撑和基础保障。国家部委及各级政府组织实施了“节能产品惠民”、 “十城万盏”、 “十城千辆”、 “金太阳”、 “互联网+”等重大应用示范工程并出台相关政策支持。随着全社会绿色、低碳、节能环保意识的提高, 各种功能新材料趋向高性能、低能耗, 不断满足资源节约、环境友好的要求, 对节能减排起到了重要作用。以先进有色金属、特殊钢、高温合金为代表的高性能结构材料和碳纤维及其复合材料 ^[10,11] 支撑了当今高技术发展, 在高速铁路、大飞机、载人航天、探月工程、超高压电力输送、超超临界燃煤发电机组、深海油气开发等重大工程中做出了重要贡献。

(5) 产业发展的政策环境持续优化, 改革力度不断加强。 “十三五”期间, 我国政府相继发布了战略性新兴产业发展规划和相关科技发展专项规划 ^[12,13] 。工信部、国家发改委、科技部和财政部联合出台了《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》, 文件对先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料的发展进行了部署。国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》, 在先进结构材料技术、先进功能材料技术和变革性的材料研发模式与绿色制造新技术等方面规划了发展重点。近年来, 国家和地方在政策、资金等方面持续增强对新材料产业的支持力度, 例如工信部率先成立了国家动力电池等多个创新中心; 山东省开展新旧动能转换, 与天津大学成立了稀土催化研究院, 形成学术、科技和产业强强联合。产业政策环境的不断优化, 使新材料成为“工业强基”的重要支柱和制造业高质量发展的坚实基础 ^[14,15] 。

3 我国新材料产业存在的短板和问题

进入新世纪以来, 我国在新材料领域的技术突破和产业布局都取得了一定的进展。但总体上看, 与世界先进水平相比仍有较大差距, 发展过程中还存在一些短板和突出矛盾, 《科技日报》于2018年4月到7月间发表了多篇文章, 列举了35项“卡脖子”技术, 其中涉及了若干种新材料(表1)。

此外, 我国新材料产业在宏观层面还存在若干问题, 这些问题已成为制约我国经济社会进一步发展的瓶颈, 主要体现在以下五个方面。

(1) 对发展新材料产业的认识不到位。

在我国经济发展和国防建设中仍存在重器件、整机、大工程, 轻材料的现象; 仅当问题出现时, 才认识到适度超前布置新材料研发和应用的重要性。而企业、科研院所和大学则缺乏对新材料基础研究和应用研究长期稳定的支持和耐心。如果不从根本上树立正确的新材料产业发展观, 仍然“头痛医头”、 “脚痛医脚”、 “临阵磨枪”、 “临时抱佛脚”, 那么有可能今天补齐了“卡脖子”的短板, 未来还会出现更多的新材料瓶颈问题。

(2) 宏观统筹协调不够, 导致低水平重复建设现象。

国内各省市发布的新材料产业规划, 没有立足于自身条件及优势进行合理定位和差异化分工, 存在着严重的趋同现象。相关新材料产业布局缺乏顶层设计, 宏观统筹协调不够, 盲目跟风式投入尚未得到有效遏制, 造成重复建设、无序竞争和产能过剩, 影响了新材料产业的可持续性发展。

(3) 原始创新能力不足, 产业链高端产品缺失。

我国新材料企业作为创新主体的作用不明显, 大多集中在产业链中低端环节, 参与创新研发少、配套能力不强, 缺乏核心竞争力。国内大多数行业共性技术研发处于缺位状态, 尚无良好的资源配置机制和持续有效的投入, 国家及行业标准、设计和工艺质量控制规范尚不完善, 亟待建立新材料结构设计/制造/认证评价的基础支撑体系 ^[16] 。

表1 科技日报发表的35项“卡脖子”技术中涉及到的相关新材料

Table 1 New materials involved in the 35 “stranglehold problems” published by Science and Technology Daily

Serial number	“Stranglehold Problems” related equipments and technology	Involved new materials
1	Lithography systems	High purity transparent material; Ultra-precision ceramic guide
2	Integrated circuits	Large diameter silicon wafer; Photoresist; Chemical mechanical polishing slurry; Special Gas; High purity sputtering target et al.
3	Operating system
4	Aero engine nacelle	Titanium alloy; Carbon fiber composite et al.
5	Sensors for robots	Conductive rubber; Conductive plastic; Carbon nanotube; Graphene
6	Vacuum evaporator
7	Radio frequency devices for smartphone	GaAs; SiGe; Compound semiconductor et al.
8	iCLIP for pharmaceutical R&D
9	Gas turbine blade	Superalloy
10	Lidar for autopilot
11	Airworthiness standards	Superalloy; Carbon fiber; Composite
12	High-end capacitance and resistance	Ceramic slurry; Electrode slurry
13	Key industrial software
14	Sputtering target materials for flat panel display	Indium tin oxide
15	Algorithm for industrial robot
16	Aviation ultra-high strength steel	Aviation ultra-high strength steel; Superalloy; 300 M ultra-high strength steel
17	Milling cutter	Cemented carbide
18	High-end bearings	High-end bearing steel; Rare earth material
19	High-pressure plunger pump	High hardness wear-resistant casting
20	Aviation software
21	Photoresist	Carbon paste material; Color paste et al.
22	Diesel engine	Special steel; Aluminium alloy et al.
23	Transmission electron microscopy	Tungsten wire; LaB₆; ZrO₂; Single crystal tungsten
24	Roadheader	High performance bearing steel
25	Microspheres for industrial application	Precise sieved conductive gold ball; Light diffusion microsphere; Spacer microsphere; Stainless steel reactor
26	Seafloor observatory network	High performance metallic material and plastic material
27	Fuel cells	Proton-Exchange Membrane; Catalyst
28	Underwater operation robot
29	Lithium-ion battery	Lithium ion battery separator
30	Medical imaging system	Scintillating crystal
31	Ultra-precision polishing techniques	Refiner plate materials with low thermal conductivity, high wear resistance, and ultra-precision flat
32	Carbon fiber and related composites	Carbon fiber; Epoxy resin
33	Materials for rocket motor	Anticorrosive high toughness and high strength stainless steel
34	Database management system
35	Scanning electron microscope

(4) 相关体制、机制难以满足新材料产业发展的需求。

新材料产业的关键环节和重点领域存在着“老办法管新事物”的现象, 一些新材料产品进入市场困难, 阻碍了企业创新的积极性。开发风险较大的新材料产品缺少资金和风险保障的支持。风险投资、金融体系不能满足创新创业的需求。对技术含量高, 质量要求严, 投资回报时间长的产业链高端产品少有问津, 尚未形成技术链、产业链、投资链的完整体系。面向工程化、产业化的中介服务体系不够完善, 新材料产业服务平台尚未建立, 成果转化和产业化进程缓慢。

4 我国新材料产业发展的重点领域

面对新一轮世界科技革命与产业变革和中国经济社会发展方式转型升级交汇的历史机遇期, 要更加注重提升新材料产品质量, 提升核心竞争力; 要更加注重资源型新材料的发展, 并与生态保护相结合; 要更加注重与其他战略性新兴产业的协同发展, 为实现创新驱动发展战略提供新材料支撑; 要更加注重新材料研发、设计、生产到应用的全链条产业体系建设, 着力向产业链的中高端发展; 要更加注重新材料产业的能源消耗以及成本费用, 实现绿色协同可持续发展, 要更加注重新材料重大技术突破及颠覆性技术和替代性技术的创新与应用, 推动经济社会可持续发展 ^[17,18] 。为此, 有必要规划新材料竞争力提升工程、新材料协同应用工程、基础材料升级换代工程及前沿新材料先导工程, 完善新材料产业发展的整体环境, 进一步推动新材料产业做优做强, 为其他战略性新兴产业提供强有力的支撑。

新材料竞争力提升工程应包括光刻胶、高纯靶材等微电子制造材料、高效及低成本LED (light emitting diode)照明材料 ^[19] 、高质量及大尺寸功能晶体、新型显示材料、宽禁带半导体材料 ^[20] 、智能与传感材料、太阳能用材料、新一代动力电池材料、节能玻璃材料、膜材料、高端稀土永磁材料、陶瓷片式元件及其集成器件用材料 ^[21] 、新型生态环境材料、可促进组织再生的医用生物材料、纯超细陶瓷粉体和先进结构陶瓷材料 ^[22,23] 、高性能耐火材料、生物基材料 ^[24] 、关键材料制造装备等发展重点, 集中攻克关键新材料研发、生产和应用技术, 提高性能一致性和服役可靠性, 解决产品稳定性较差、高端应用比例低、关键装备自给率不足等问题, 为扩大新材料高端应用奠定基础。

新材料协同应用工程主要是以新一代信息技术 ^[25] 、 5G通讯、航空航天 ^[26] 、能源 ^[27,28] 、交通、高端装备、先进仪器等重大工程需求为牵引, 开展重点新材料应用示范, 促进新材料与终端产品的协同创新与发展, 其中包括大直径半导体硅材料 ^[29] 、高品质特殊钢 ^[30] 、高温合金 ^[31] 、新型有色金属合金材料 ^[32,33] 、先进动力电池及储能材料、高性能增强碳纤维、特种陶瓷纤维及其复合材料等 ^[34] 。

基础材料升级换代工程是深入落实制造业高质量发展的重要任务, 通过对重点材料的设计开发、制造流程和工艺优化以及国产化装备的技术突破, 实现钢铁、有色金属 ^[35] 、石化 ^[36] 、轻工、纺织、建材 ^[37,38,39] 等关键基础材料的高性能、高附加值、绿色低碳生产, 促进关键基础材料的性能改进和升级换代 ^[40] 。

前沿新材料先导工程要把握全球科技革命和产业变革发展方向, 坚持原始创新, 加强前瞻性研究, 攻克核心技术瓶颈, 获得一批重大技术成果。重点研发方向有: 石墨烯 ^[41] 、过渡金属硫化物及碳纳米管等低维材料 ^[42,43] 、自旋电子材料 ^[44] 、超材料及其在卫星天线 ^[45] 和隐身技术方面的应用、低温超导材料、二代高温超导带材以及新型铁基超导材料、拓扑绝缘体材料 ^[46,47] 、生物3D打印技术 ^[48] 、高熵合金 ^[49] 、液态金属 ^[50] 、极端条件下服役的新材料 ^[51] 、材料基因工程 ^[52,53] 等。

上述工程涉及的相关重点领域, 需要给予关注并分类、分阶段进行部署。

5 发展我国新材料产业的建议

新材料产业是战略性、基础性产业, 也是高技术竞争的关键领域。未来有必要深化机制体制方面的改革, 提高新材料的基础支撑能力, 加强新材料产业的提质增效和协同应用, 进一步发挥政府和市场两只手的作用, 加快向新材料强国的转变。

(1) 加强新材料产业发展的支撑基础。

鼓励新材料研发中的原始创新与集成创新。重视发展新材料的智能化制造技术, 加大对新材料制造设备和检测仪器的研发支持, 集中力量开发核心装备。从战略高度加强知识产权保护, 建设具有系统性、多元性、先进性、适用性及动态性的中国材料与试验标准体系(Chinese Society of Testing Materials, CSTM)。建立新材料结构设计/制造/评价共享数据库, 开展协同应用试点示范, 搭建协同应用平台, 夯实新材料产业可持续发展的支撑基础 ^[54] 。

(2) 完善新材料产业化发展的整体环境。

适度超前安排处于研发阶段的前沿新材料, 着力突破新材料产业发展的工程化问题。加快完善有利于推动新材料产业技术进步的政策和法规体系, 制定新材料产业发展指导目录和投资指南, 防止出现“投资碎片化”。加快营造新材料相关企业自主经营、公平竞争的市场环境, 完善产业链、创新链、资金链。选择若干“转制院所”, 出台政策、赋予职能、建设平台, 发挥其在共性技术研发与转化方面的重要作用 ^[55] 。加快出台混合所有制企业改革的政策, 鼓励民营资本投资新材料产业, 积极营造和完善新材料科技创新、投融资等政策法规的整体环境。

(3) 推进新材料产品融入全球高端制造业供应链。

加大国家对新材料创新研发的投入, 加强产学研用结合, 以企业为投资主体和成果应用主体, 充分发挥市场配置资源的基础性作用, 提高资源配置效率和公平性。培育和拓展新材料消费市场, 特别是中高端市场。推动供给侧结构性改革, 以需求带动发展, 促进企业上档次、上规模。鼓励发展国际合作, 加快发展和壮大具有国际竞争力的企业集团以及与产业链相关中小企业群体, 集中力量培育和塑造中国名牌新材料产品; 促进新材料产品快速融入全球高端制造供应链。

(4) 加强创新团队和企业家群体建设。

不断加大新材料领域创新型人才的培养力度, 建立适合人才发展的激励机制, 出台政策吸引全球高水平技术和管理人才。充分发挥行业协会、科研单位和大学的作用, 共同建立新材料专家系统。鼓励各类智库对国内外新材料研发和应用需求进行调研与评估, 就新材料发展战略提供高质量的咨询报告。加强新材料企业家队伍建设, 培育具有国际先进水平的新材料企业家群体。

6 结束语

新材料科学与工程正在改变当今世界和我们的生活, 并将导致颠覆性技术的出现, 从而推进产业变革。近年来, 新材料研究成果密集涌现, 有人断言21世纪将是材料革命的时代。

当前, 新材料发展呈现出结构功能一体化、材料器件一体化、纳米化、复合化的特点并在制造业高质量发展中具有举足轻重的地位 ^[56] 。新材料的研发与生产必须考虑绿色化、可再生和全生命周期评价, 促进环境友好和可持续发展。

展望未来, 新材料的研发将涉及纳米尺度 ^[57] 、飞秒时间、量子力学原理及多学科交叉, 宜采用自上而下和自下而上相结合的技术路线。今后, 还需进一步加强基础理论研究, 加强问题导向与市场导向, 加强与其他战略性新兴产业的融合, 促进新材料产业向更科学化、更综合化、更系统化的方向发展。可以预见, 具备新性质和新功能的新材料的群体性出现, 将成为新一轮科技革命和产业变革最重要的物质基础和最鲜明的时代特征。