屠海令院士:我国新材料产业发展战略研究(一)
一、前言
    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。融入了当代众多学科先进成果的新材料产业是支撑国民经济发展的基础产业,是发展其他各类高技术产业的物质基础。
    纵观历史,新材料可以导致颠覆性技术的出现,从而推动产业变革。如白光发光二极管(WLED)的出现,开辟了照明新纪元;液晶屏替代阴极摄像管,曾带来了显示革命;现在有机发光二极管(OLED)、印刷显示、激光显示又将崛起,可谓一代材料、一代器件、一代整机。经过多年努力,我国新材料产业取得了重要成就,技术水平日益提高,产业规模不断扩大,具有自主创新能力的新材料产业体系正在形成,为我国以航空航天、轨道交通、信息、生物、新能源等为代表的高技术产业突破技术瓶颈、实现跨越发展提供了强有力的支撑。
    但总体上看,我国新材料产业的竞争力仍需加强,以企业为主体的自主创新体系亟待完善,部分核心关键材料受制于人,高端材料对外依存度依然较高。为此,抓紧机遇,合理规划,提升新材料产业的支撑能力势在必行,这对加快我国经济发展方式转变、增强国防军工实力、实现节能环保目标具有重要的战略意义。
二、国外新材料研发与产业发展现状
    近几年,世界各国纷纷在新材料领域制定了相应的规划(见表1),全面加强研究开发,并在市场、产业环境等不同层面出台政策。美国于2009年、2011 年和2015 年三度发布《国家创新战略》,其中清洁能源、生物技术、纳米技术、空间技术、健康医疗等优先发展领域均涉及新材料;2012 年制定的《先进制造业国家战略计划》,进一步加大对材料科技创新的扶持力度。欧盟为实现经济复苏、消除发展痼疾、应对全球挑战,于2010 年制定了《欧洲2020 战略》,提出三大战略重点。德国政府发布了《创意、创新、繁荣:德国高技术2020 战略》,其中“工业4.0”是十大未来项目中最为引人注目的课题之一。2013 年英国推出《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。日本于2010 年发布了《新增长战略》和《信息技术发展计划》。韩国于2009 年公布了《绿色增长国家战略及五年行动计划》和《新增长动力规划及发展战略》。巴西、印度、俄罗斯等新兴经济体采取重点赶超战略,在新能源材料、节能环保材料、纳米材料、生物材料、医疗和健康材料、信息材料等领域制定专门规划,力图在未来国际竞争中抢占一席之地。
    在全球化趋势日益加快的背景下,新材料产业呈现以下主要特点和趋势。
表 1 世界各国有关新材料领域的发展计划

国家或组织

发展计划

涉及新材料相关领域

美国

先进制造业国家战略计划、重整美国制造业政策框架、先进制造伙伴计划(AMP)、纳米技术签名倡议、国家生物经济蓝图、电动汽车国家创新计划(EV Everywhere)、“智慧地球”计划、大数据研究与开发计划、下一代照明计划(NGLI)、低成本宽禁带半导体晶体发展战略计划

 

新能源材料、生物与医药材料、环保材料、纳米材料,先进制造、新一代信息与网络技术和电动汽车相关材料,材料基因组,宽禁带半导体材料

 

欧盟

欧盟能源技术战略计划、能源 2020 战略、物联网战略研究路线图、欧洲 2020 战略、可持续增长创新、欧洲生物经济、“地平线 2020”计划、彩虹计划、OLED100.EU 计划、旗舰计划

 

低碳产业相关材料、信息技术(重点是物联网)相关材料、生物材料、石墨烯等

 

英国

低碳转型计划、英国可再生能源发展路线图、技术与创新中心计划、海洋产业增长战略、合成生物学路线图、英国工业  2050

 

低碳产业相关材料、高附加值制造业相关材料、生物材料、海洋材料等

 

德国

能源战略 2050:清洁可靠和经济的能源系统、高科技战略行动计划、2020 高科技战略、生物经济 2030 国家研究战略、国家电动汽车发展规划、工业 4.0

 

可再生能源材料、生物材料、电动汽车相关材料等

 

法国

环保改革路线图、未来十年投资计划、互联网:展望 2030 年

 

可再生能源材料、环保材料、信息材料、环保汽车相关材料等

 

日本

新增长战略、信息技术发展计划新国家能源战略、能源基本计划、创建最尖端 IT 国家宣言、下一代汽车计划、海洋基本计划

 

新能源材料、节能环保材料、信息材料、新型汽车相关材料等

 

韩国

新增长动力规划及发展战略、核能振兴综合计划、IT 韩国未来战略、国家融合技术发展基本计划、第三次科学技术基本计划

 

可再生能源材料、信息材料、纳米材料等

 

俄罗斯

2030 年前能源战略、2020 年前科技发展、国家能源发展规划、到 2020 年生物技术发展综合计划、2018 年前信息技术产业发展规划、2025 年前国家电子及无线电电子工业发展专项计划、2030 年前科学技术发展优先方向

 

新能源材料、节能环保材料、纳米材料、生物材料、医疗和健康材料、信息材料等

 

巴西

低碳战略计划、2012-2015 年国家科技与创新战略、科技创新行动计划

 

新能源材料,环保汽车、民用航空、现代生物农业等相关材料

 

印度

气候变化国家行动计划、国家太阳能计划、“十二五”规划(2012-2017 年)、2013 科学、技术与创新政策

 

新能源材料、生物材料等

 

南非

国家战略规划绿皮书、新工业政策行动计划、2030 发展规划、综合资源规划

 

新能源材料、生物制药材料、航空航天相关材料等

 


    (一)高新技术发展促使材料不断更新换代
    高新技术的快速发展对关键基础材料提出新的挑战和需求,同时材料更新换代又促进了高技术成果向生产力的转化。例如,微电子芯片集成度及信息处理速度大幅提高,成本不断降低,硅材料发挥了重要作用。目前,300 mm 硅片可满足14 nm技术节点的集成电路要求,450 mm 硅片已产出样片。全球硅材料技术和产量按直径的演化见图1。低温共烧陶瓷技术(LTCC)的研发取得重要突破,大量无源电子元件整合于同一基板内已成为可能。伴随着先进材料研究技术的不断延展,也产生了诸多新兴产业。如氮化镓等化合物半导体材料的发展,催生了半导体照明技术;白光LED 的光效已远远超过白炽灯和荧光灯,给照明工业带来革命性的变化。太阳能电池转换效率不断提高,极大地推动了新能源产业发展。镁合金与钛合金等高性能结构材料的加工技术取得突破,成本不断降低,研究与应用重点由航空、航天以及军工扩展到高附加值民用领域。基于分子和基因等临床诊断材料和器械的发展,使肝癌等重大疾病得以早日发现和治疗;介入器械的研发催生了微创和介入治疗技术,使心脏病及其他疾病的死亡率大幅下降。
    (二)绿色、低碳成为新材料发展的重要趋势
    以新能源为代表的新兴产业崛起,引起电力、建筑、汽车、通讯等多个产业发生重大变革,拉动上游产业如风机制造、光伏组件、多晶硅等一系列制造业和资源加工业的发展,促进智能电网、电动汽车等输送与终端产品的开发和生产。欧美等发达国家已经通过立法,促进节能建筑和光伏发电建筑的发展,目前欧洲80 % 的中空玻璃使用LOW–E玻璃,美国LOW–E 中空玻璃普及率达82 %;光伏装机容量不断提高,图2 为近年来全球光伏累计装机容量。通过提高新型结构材料强韧性、提高温度适应性、延长寿命以及材料的复合化设计可降低成本、提高质量,如T800 碳纤维抗压缩强度(CAI)达到350 MPa,使用温度达到400 ℃以上并在大型飞机和导弹的主结构件中得到大量应用。功能材料向微型化、多功能化、模块集成化、智能化等方向发展以提升材料的性能;纳米技术与先进制造技术的融合将产生体积更小、集成度更高、更加智能化、功能更优异的产品。绿色、低碳的新材料技术及产业化将成为未来发展的主要方向,在追求经济目标的同时更加注重资源节约、环境保护、公共健康等社会目标。
    (三)跨国集团在新材料产业中仍占据主导地位
    目前,世界著名企业集团凭借其技术研发、资金和人才等优势不断向新材料领域拓展,在高附加值新材料产品中占据主导地位。信越、SUMCO、Siltronic、SunEdison 等企业占据国际半导体硅材料市场份额的80 % 以上。半绝缘砷化镓市场90 %以上被日本的日立电工、住友电工、三菱化学和德国FCM 所占有。Dow Chemical 公司、GE 公司、Wacker 公司和Rhone–Poulenc 公司及日本一些公司基本控制了全球有机硅材料市场。Du Pont、Daikin、Hoechst、3M、Ausimont、ATO 和ICI 等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市场竞争力,飞利浦(Philips)控股的美国Lumileds 公司的功率型白光LED 国际领先,美、日、德等国企业拥有70 % LED 外延生长和芯片制备核心专利。小丝束碳纤维的制造基本被日本的东丽纤维公司、东邦公司、三菱公司和美国的Hexel公司所垄断,而大丝束碳纤维市场则几乎由美国的Fortafi l 公司、Zoltek 公司、Aldila 公司和德国的SGL 公司4 家所占据。美铝、德铝、法铝等世界先进企业在高强高韧铝合金材料的研制生产领域居世界主导地位。美国的Timet、RMI 和AllegenTeledyne 等三大钛生产企业的总产量占美国钛加工总量的90 %,是世界航空级钛材的主要供应商。
    (四)新材料研发模式变革成为关注的重点
    进入21 世纪以来,发达国家逐渐意识到依赖于试错的传统材料研究方法已跟不上工业快速发展的步伐,甚至可能成为制约技术进步的瓶颈。因此,亟需革新材料研发方法,加速材料从研发到应用的进程。例如,作为美国政府“先进制造伙伴计划”(AMP)的重要组成部分, 2011 年启动的“材料基因组计划”(MGI),其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,旨在发展以先进材料为基础的高端制造业,并继续保持其在核心科技领域的优势,材料基因组要素见图3。MGI 的具体内容包括:①发展高通量计算工具和方法,减少耗时费力的实验,加快材料设计;②发展和推广高通量材料制备和检测工具,更快地进行候选材料验证和筛选;③发展和完善材料数据库/ 信息学工具,有效管理材料从发现到应用全过程数据链;④培育开放、协作的新型合作模式。
    在这场变革材料研发模式过程中,欧盟、日本等也启动了类似的科学计划。例如,欧盟以轻量、高温、高温超导、磁性及热磁、热电和相变记忆存储等六类高性能材料需求为牵引,推出了“加速冶金学”(ACCMET)计划。
三、 我国新材料研发与产业发展现状
    “十二五”以来,我国政府高度重视新材料产业的发展,随着《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》和《新材料产业“十二五”发展规划》等国家层面战略规划的出台,工信部、发改委等有关部委相继发布了新材料产业及其他战略性新兴产业的相关发展规划(见表2)。科技部发布了相关科技发展专项规划,其中绿色制造科技发展、半导体照明科技发展、绿色建筑科技发展、洁净煤技术科技发展、海水淡化科技发展、新型显示科技发展、国家宽带网络科技发展、中国云科技发展、医学科技发展、服务机器人科技发展、高速列车科技发展、制造业信息化、太阳能科技发展以及风力发电、智能电网重大科技产业化工程等,都包含了新材料的研发和应用内容。
表 2 我国与新材料产业相关的发展规划
年份发展计划涉及新材料相关领域
2010《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》高性能复合材料、先进结构材料、新型功能材料
2011《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2011 年度)》纳米材料、核工程用特种材料、特种纤维材料、膜材料及组件、特种功能材料、稀土材料等
2011《国家“十二五”科学和技术发展规划》新型功能与智能材料、先进结构与复合材料、纳米材料、新型电子功能材料、高温合金材料、高性能纤维及复合材料、先进稀土材料等
2012《新材料产业“十二五”发展规划》特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料、前沿新材料
《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》《高品质特殊钢科技发展“十二五”专项规划》《高性能膜材料科技发展“十二五”专项规划》《医疗器械科技产业“十二五”专项规划》《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020  年)》《有色金属工业“十二五”发展规划》等半导体照明材料、高品质特殊钢材料、新型轻质合金、膜材料、生物医用材料、锂离子动力电池材料
2013国务院《国家集成电路产业发展推进纲要》《能源发展“十二五”规划》《关于加快发展节能环保产业的意见》《大气污染防治行动计划》《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》大尺寸硅、光刻胶等集成电路关键材料、太阳能电池材料、锂离子动力电池材料
2014《关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》《关键材料升级换代工程实施方案》锂离子动力电池材料,信息功能材料、海洋工程材料、节能环保材料、先进轨道交通材料
2015《中国制造 2025特种金属功能材料、高性能结构材料、功能性高分子材料、特种无机非金属材料和先进复合材料
2016《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》先进基础材料:高品质钢铁材料、新型轻合金材料、工业陶瓷及功能玻璃材料等;关键战略材料:耐高温及耐蚀合金、高性能纤维及复合材料、先进半导体材料、生物医用材料等;前沿材料:石墨烯、增材制造材料、智能材料、超材料等
    (一)新材料产业规模不断扩大
    2015 年我国新材料产业规模约1.9 万亿元。稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产业产能居世界前列。2015 年太阳能电池组件达到23 GW,同比增长20.8 %;半导体照明产业初步形成了从上游外延材料生长与芯片制造、中游器件封装到下游集成应用的比较完整的研发与产业体系,2015 年产业规模超过5 000 亿元。2014 年我国半导体硅材料产量达到4 亿in2(1 in2=6.451 6 cm2),约占全球份额的4 %,相比2010 年增长23 %;浮法在线低辐射和阳光控制节能玻璃生产线已超过20 条,离线磁控溅射节能玻璃生产线已超过150 条,节能玻璃材料产业规模达到了300 亿元;稀土磁性材料、稀土发光材料、稀土储氢材料等稀土功能材料的产量约占全球份额的80 %;主要功能陶瓷元器件产品的产业规模增长到251 亿元。图4 为2010—2015 年中国新材料产业规模。
    (二)新材料研究水平进一步提高
    进入新世纪以来,通过产学研用结合,一批核心关键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进行了推广应用。大直径硅材料在缺陷、几何参数、颗粒、杂质等控制技术方面不断完善,300 mm 硅材料可满足45 nm 技术节点的集成电路要求,已成功拉制450 mm 硅单晶。人工晶体材料经过多年的发展,偏硼酸钡(BBO)和三硼酸锂(LBO)等紫外非线性光学晶体研究居国际领先水平并实现了商品化;氟硼铍酸钾(KBBF)晶体是国际上唯一可实用的深紫外非线性光学晶体,并在我国首先成功制备先进的科学仪器;Nd:YAG、Nd:GGG 和Nd:YVO4 等激光晶体主要技术指标达到国际先进水平,实现了千瓦级全固态激光输出。太阳能电池关键技术指标达到了国际先进水平,光伏发电成本降到1 元/(kW · h) 以下。锂离子电池正极材料、负极材料、电解液均能满足小型电池要求,隔膜、电解质锂盐等关键材料基本改变了依靠进口的局面。通过开展超高分子量聚乙烯纤维、卤化丁基橡胶以及高性能驱油聚合物等技术的工业化开发,大幅缩小了我国化工材料产业与发达国家的差距。T300 级碳纤维实现了稳定生产,单线产能提高到1 200 t;T700 和T800级碳纤维关键技术得到突破,实现了批量供货能力,已开始应用于航空航天装备。研制出强度大于800 MPa 的快速凝固喷射沉积铝合金和新一代高强高韧高淬透性铝合金,综合性能达到国际先进水平;开发出具有自主知识产权的铜带、铜管拉铸技术以及铜铝复合技术。亚微米级超细晶硬质合金整体刀具的性能达到世界先进水平。海底管线钢X65、X70、X80 及厚壁海洋油气焊管、化学品船用中厚板均已实现国产化,自主研制的2205 型双相不锈钢已成功应用于化学品船。关键技术的不断突破和新材料品种的不断增加,使我国高端金属结构材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料保障能力明显增强,先进高分子材料和特种金属功能材料自给水平逐步提高。发布了国家标准《电磁超材料术语》,基于超材料与射频技术开发的新型卫星通信产品获得了首届中国电子信息博览会创新金奖。低成本石墨烯已开始生产,并应用于触摸屏、导热膜等信息通讯器件。
    (三)新材料产业区域集聚态势明显
    近年来,各级政府积极推动新材料产业基地建设,加强资源整合,呈现聚集发展的良好态势,区域特色逐步显现,初步形成“东部沿海集聚,中西部特色发展”的空间格局。长三角工业基础雄厚、交通物流便利、产业配套齐全,已形成了包括航空航天、新能源、电子信息、新型化工等领域的新材料产业集群。珠三角的经济主要以外向出口型为主,新材料产业集中度高,下游产业拉动明显,已形成较为完整的产业链,在电子信息材料、改性工程塑料、陶瓷材料等领域具有较强的优势。环渤海地区技术创新推动作用明显,区域科技支撑能力较强,在稀土功能材料、膜材料、硅材料、高技术陶瓷、磁性材料和特种纤维等多个新材料领域均具有较大优势。内蒙古的稀土新材料,云南和贵州的稀贵金属新材料,广西的有色金属新材料,宁波的钕铁硼永磁材料,广州、天津、青岛等地的化工新材料产业,重庆、西安、甘肃金昌、湖南长株潭、陕西宝鸡、山东威海及太原等地的航空航天材料、能源材料及重大装备材料,江苏徐州、河南洛阳、江苏连云港等的多晶硅材料产业等也都形成了各自的区域特色。


    (四)新材料支撑重大应用示范工程的作用日益显现
    新材料产业为我国能源、资源环境、信息领域的发展提供了重要的技术支撑,是建设重大工程、巩固国防军工的重要保障。各级政府组织实施了节能产品惠民、十城万盏、金太阳、物联网等重大应用示范工程,推广节能空调3 000 多万台、节能汽车360 多万辆、高效节能电机4×106 kW、节能灯1.6 亿只、LED 灯160 万盏以上;建设光伏发电项目340 多个;经过十城千辆等示范工程及相关政策的支持,2015 年我国新能源汽车产量达37.9 万辆,居世界第一位,预计2020 年我国新能源汽车的市场保有量将达到500 万辆,2030 年有望达到1 500万辆。膜材料在海水淡化方面已经获得应用,初步形成了反渗透海水淡化的生产能力,成为我国沿海地区供水安全保障体系的重要组成部分。以有色金属结构新材料、特殊钢材料、难熔金属、高温合金和碳纤维及其复合材料为代表的高性能结构材料是当今高技术发展不可缺少的关键材料,为高速铁路、大飞机、载人航天、探月工程、超高压电力输送、深海油气开发等重大工程的顺利实施做出了贡献。

本文来源中国腐蚀与防护网
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