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中国工程科学:面向 2035 的新材料强国战略研究(一)

中国工程科学 材料学会议网 123 2020-10-31

摘要:材料产业是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。我国已进入工业化中后期,材料的作用显得尤为重要,开展新材料强国战略研究,对支撑我国制造强国战略实施具有重要战略意义。本文系统分析了国内外新材料产业发展现状、趋势以及存在的问题,梳理了国内外新材料产业政策,围绕未来新材料发展战略需求,研究提出新材料强国战略总体发展思路、强国特征和发展目标;聚焦先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料及新材料“评价、表征、标准”平台建设等重点领域,研究梳理重点发展方向,并从构建新材料自主创新体系,建设新材料数字化研发平台、生产应用示范平台、资源共享平台,完善新材料质量技术基础体系,培育与新材料产业发展相适应的人才队伍等方面提出政策措施建议,以期为我国新材料产业发展和政府有关部门提供决策参考。

关键词:战略材料;基础材料;前沿材料;产业政策;强国战略

一、前言

材料服务国民经济、社会发展、国防建设和人民生活的各个领域,是经济建设、社会进步和国家安全的物质基础和先导,支撑了整个社会经济和国防建设。新一代信息技术与新材料是制造业的两大“底盘技术”。新一代信息技术是第四次工业革命的驱动力,而新材料是支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的物质基础。信息技术与新材料深度融合,共同推动制造业向高端化发展。

近几年,在新一轮科技革命和产业革命的大背景下,新材料技术不断取得新突破,新材料和新物质结构不断涌现,全球新材料产业保持快速增长态势。与发达国家相比,我国新材料产业起步较晚、基础薄弱。“十二五”以来,我国出台多项政策文件,在材料领域全面部署,对标发达国家奋起直追。经过不懈努力,我国在体系建设、产业规模、技术进步、集群效应等方面取得了较大进步,为国民经济和国防建设做出了重要贡献,已成为名副其实的材料大国。但与此同时,我国新材料产业发展也存在诸多问题,材料强国之路任重道远。

为推动新材料产业高质量发展,支撑制造强国战略实施, 2017 年 12 月,中国工程院正式启动“新材料强国 2035 战略研究”重大咨询项目,旨在对我国新材料产业发展进行顶层设计。项目组织先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料,以及新材料评价、表征、标准平台建设等课题组,聚焦重点领域,制定面向 2035 的新材料强国发展战略,为国家加快提升新材料自主创新能力和产业核心竞争力提供咨询建议。

本文作为“新材料强国2035战略研究”项目的学术性成果展示,分析新材料产业发展现状、趋势及存在问题,梳理新材料产业政策,围绕新材料战略需求,研究新材料强国发展战略总体思路、强国特征及发展目标,针对新材料产业重点领域提出重点发展方向,研究提出相关政策措施,为我国新材料产业发展和政府有关部门决策提供支撑和参考。

二、新材料产业发展现状及趋势

(一)国外新材料产业发展现状及趋势

1. 产业发展现状及趋势

全球新材料产业发展迅速,产业规模不断扩大。据统计,2019 年全球新材料产值达 2.82万亿美元。全球新材料产业已形成三级梯队竞争格局,各国产业发展各有所长。第一梯队是美国、日本、欧洲等发达国家和地区,在经济实力、核心技术、研发能力、市场占有率等方面占据绝对优势。第二梯队是韩国、俄罗斯、中国等国家,新材料产业正处在快速发展时期。第三梯队是巴西、印度等国家。从全球看,新材料产业垄断加剧,高端材料技术壁垒日趋显现。大型跨国公司凭借技术研发、资金、人才等优势,以技术、专利等作为壁垒,已在大多数高技术含量、高附加值的新材料产品中占据了主导地位。

当前,以新一代信息技术、新能源、智能制造等为代表的新兴产业快速发展,对材料提出了更高要求,如超高纯度、超高性能、超低缺陷、高速迭代、多功能、高耐用、低成本、易回收、设备精良等,新材料的研制难度前所未有 。新材料产业向绿色化、低碳化、精细化、节约化方向发展。新材料研发及制备方法创新进程加快。以材料基因工程为代表的材料设计新方法的出现,大幅缩减了新材料的研发周期和研发成本,加速新材料的创新过程。物联网、人工智能、云计算等新一代信息技术和互联网技术的飞速发展,以及新型感知技术和自动化技术的应用,推动新材料产业研发进程不断加快。

2. 新材料产业政策

近年来,国外主要发达国家针对新材料重点领域出台了相关专项政策,对重点新材料领域实行长期精准扶持和提前战略布局,促进本国新材料产业快速发展,使其纷纷在国际新材料产业中占据了领先地位。如在第三代半导体领域,美国、欧洲、英国、日本、韩国等国家和地区近年来出台了 60 余项政策,总投入 37 亿美元,主要发展电力电子、光电子、微波射频、半导体照明等领域的 SiC 衬底、GaN 射频器件、 GaN LED、 SiC 和 Si 基 GaN 功率器件、有机发光半导体(OLED)、电力电子器件等 芯片封装材料 。

针对重点材料领域,国外积极实施保护本国利益的贸易政策。截至 2020年8月,美国已对约5500亿美元中国输美商品加征关税,关税清单中广泛涉及通信、电子、机械设备、汽车、家具等产品,这些产业间接或直接影响到上游新材料企业,尤其是低附加值的材料企业利润将受到较大影响。

发达国家对关键技术和产品的出口不断设置壁垒。2018年8月,美国总统签署了《出口管制改革法案》,同年11月美国商务部工业与安全局又提出了一份针对关键技术和相关产品的出口管制框架方案,列出了14个考虑进行管制的领域,涉及先进材料技术以及与新材料制备相关的设备、检测仪器等 。

(二)我国新材料产业发展现状及问题

1. 产业发展现状

新材料产业的生产体系基本完整,产业规模不断壮大。我国新材料产业已形成了全球门类最全、规模第一的材料产业体系。建成了涵盖金属、高分子、陶瓷等结构与功能材料的研发和生产体系;形成了庞大的材料生产规模,我国钢铁、有色金属、稀土金属、水泥、玻璃、化学纤维、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢等百余种材料产量达到世界第一位。据统计,自“十二五”以来,我国新材料产业产值快速扩张,从2010年的0.65 万亿元增长到2019年的4.57万亿元。逐步建立了以企业为主体、市场为导向、“用产学研”相互结合的新材料创新体系;依托地区资源优势,形成了环渤海、长江三角洲、珠江三角洲地区,中西部地区,东北地区新材料产业集群。

新材料科技快速发展不断推动产业结构优化。如超级钢、电解铝、低环境负荷型水泥、全氟离子膜、聚烯烃催化剂等产业化关键技术的突破,促进了钢铁、有色金属、建材、石化等传统产业转型升级。新材料为我国航空航天、能源交通、工程建设、资源节约及环境治理等领域一系列国家重大工程的实施提供了不可或缺的物质基础和保障。例如,高性能钢材料、轻合金材料、工程塑料等产品结构不断优化,有力支撑和促进了高速铁路、载人航天、海洋工程、能源装备的“走出去”;第三代铝锂合金成功实现在大飞机上应用等。

2. 新材料产业政策

近些年,国家高度重视新材料产业发展,相关部委陆续推出了一系列政策文件,如《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018—2020年)》《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》《新材料产业发展指南》《国家新材料生产应用示范平台建设方案》《国家新材料测试评价平台建设方案》《新材料标准领航行动计划( 2018—2020 年)》《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019 年版)》等,这些政策的出台大大促进了新材料产业的快速发展。

同时,各地方政府和主管部门对新材料产业也十分关注,制定了一批地方性新材料产业政策。如北京、内蒙古、安徽、河北、广东等多个省(自治区、市)及计划单列市也先后出台了新材料产业指导意见、发展规划、行动计划、实施方案,突出地方特色,推动新材料产业快速发展,初步统计有 63项政策。在各地方案中既有大的综合性规划,也有地方特色的专题规划,如河南省出台的《河南省尼龙新材料产业发展行动方案》《安徽省半导体产业发展规划(2018—2021 年)》《江苏省增材制造产业发展三年行动计划(2018—2020年)》等,部分地方政府还专门就新材料企业进行认定,尤其是新材料首批次保险补偿机制得到了大力的推广,其中广东、江西、四川、湖南、甘肃、山东、吉林、上海、宁波、厦门等诸多省(区、市)出台了地方性保险补偿政策。

3. 产业发展存在的问题

材料支撑保障能力不强,受制于人问题突出,产业链自主可控性较差。究其原因,长期以来,随着我国经济的爆发式增长,材料能买则买,对材料的原创性、基础性、支撑性缺乏足够的重视,导致新材料产业基础薄弱,成为“短板”中的重灾区,对产业安全和重点领域构成重大风险。

引领发展能力不足,创新链不通畅,难以抢占战略制高点 。由于材料的研发与应用结合不够紧密,工程应用研究不足、数据积累严重缺乏,不仅导致面向材料实际服役环境有针对性的研究缺失,还导致材料的质量工艺不稳定、性能数据不完备、技术标准不配套、考核验证不充分,从而造成大量的新材料难以跨越从研制到应用的“死亡之谷”,有材不能用、有材不会用问题十分突出。

新材料研发投入方式单一,投入不足且分散,原始创新能力弱。国家对新材料基础研究缺乏长期稳定的支持,在科技项目中财政资金投入的集中度较低,存在“撒胡椒面”现象。此外,新材料企业自主投入不足,大多新材料企业重视眼前利益从而忽视了原始创新。

质量技术基础设施建设薄弱,产业支撑体系不健全。材料评价标准严重缺失,认证认可质量保障服务不够,尚未建立完善的材料标准体系。材料检验检测等基础能力差,检验检测资源优化配置不足,检测能力不足,检测市场机制不完善,检验检测服务能力无法满足产业全面需求,检验检测技术水平和服务能力无法满足国际化需求。

未形成良好的产业发展生态,产业发展环境有待优化。新材料产业创新投融资环境不佳,新材料领域的创新人才缺乏,新材料进出口政策体系和知识产权法律制度不健全。

三、面向 2035 的新材料产业发展战略需求

当前,我国正处于战略转型期,亟需开辟新的经济增长点,提高环境承载能力,这为我国新材料的大发展提供了难得的历史机遇。在转型升级和新型工业化发展的交汇时期,对新材料的战略需求特别突出。

(一)运载工具领域

《中国制造 2025》中提出大力发展新能源、高效能、高安全的系统技术与装备,完善我国现代交通运载核心技术体系,发展时速 400 km 高速列车、远程宽体客机、新能源汽车等运载工具,提升交通运载可持续发展能力和“走出去”战略支撑能力。因此,亟需对重型直升机、高速列车、远程宽体客机、新能源汽车、重型运载火箭、航天器等运载工具所需核心部件及关键材料进行研发,形成核心部件产品自主保障能力(见表 1)。

表1 运载工具领域新材料需求

装备

应用系统

新材料需求

航空航天装备

垂型直升机

高强高韧耐损伤铝锂合金等

远程宽体客机

高强中模碳纤维及其复合材料、碳碳复合材料、高温合金、耐温超高强韧铝合金/铝锂合金/镁合金等关键原材料等

重型运载火箭

高强抗富氧烧蚀高温合金、轻质高强铝锂合金、磁阀门热压辐向永磁环等新材料等

航天器

高强高模碳纤维等

第三代半导体材料等

节能与新能源汽车

节能汽车

高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维增强复合材料等

新能源汽车

轻量化车体用碳纤维及其复合材料、超高强度钢、铝合金板材、高强可焊接铝合金锻件/型材、抗疲劳高导热镁合金、稀土镁铝合金、高压储氢气瓶用碳纤维复合材料、高容量稀土储氢合金、电控系统用功率半导体芯片、驱动系统磁路组件、夜视系统用稀土氟化物镀膜、电池电控电机“三电系统”等

高速列车

车轮钢、车轴钢、轴承钢、齿轮钢、碳纤维复合材料、阻燃内饰复合材料、高强耐磨复合材料、铝合金、镁合金、高耐磨模具钢、高导电轻质弓网材料、高性能稀土磁体、碳化硅等

(二)能源动力领域

以煤炭为主和油气资源紧缺的能源结构,决定了我国国家能源战略发展重点在于发展新一代高效清洁燃煤发电技术和深海油气资源开发技术。先进能源动力系统用特种合金代表国家高端装备核心竞争力,属于国家战略型新材料范畴,是我国抢占技术制高点的重大机遇。核电、油气开发等能源领域重大项目对特种合金、稀土材料、非晶材料、超导材料、复合材料等新材料提出急迫需求(见表 2)。

表2 能源动力领域新材料需求

应用系统

新材料需求

700℃超超临界火电机组

大型镍基耐热合金铸锻件材料、稀土新材料等

重型地面燃气轮机

长寿命耐热蚀单晶高温合金、定向凝固高温合金、变形高温合金等

深海能源钻采平台

高端不锈钢、耐候钢、耐蚀合金、硬质合金、防腐涂料、镍基高温合金、磁性材料、碳纤维及其复合材料等

磁传动力系统

新型磁动力控制系统用功能结构一体化磁器件及核心磁材料等

柔性输变电系统

超大功率碳化硅材料等

(三)信息显示领域
集成电路与信息显示是我国电子信息产业的两大基石,是信息领域为数不多的千亿美元级产业,带动力和辐射力极强,在我国国民经济中占有极其重要的战略地位,信息显示领域新材料需求见表3。新型信息技术及产业的发展需要电子信息材料支撑,当前我国电子信息材料研发技术与发达国家存在较大差距。

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