新形势下中国新材料前沿技术发展需跨过的“七大难关”

2022-11-03 10:15:47  信息编号：K225750  浏览次数：157

新材料也称为先进材料，是指新出现的具有高效、特殊性能的材料，或是传统材料改进后性能明显提高或具有新功能的材料。随着基础科学不断突破，新材料结构功能一体化、材料器件一体化、复合化等特点更为明显。许多发达国家将新材料作为未来研发的优先事项，在国民经济发展中的作用逐渐从基础性、支撑性向颠覆性、引领性转变。

新形势下新材料产业发展的趋势特征

新材料产业是许多相关领域技术变革的基础，也是电子信息、新能源、航空航天和生物医药等高技术产业发展的先导，越来越呈现交叉融合、相互促进的趋势，对于传统产业技术提升和产品更新换代具有重要作用。主要体现在：

第一，新技术变革加速了新材料研发应用进程。随着大数据、数字仿真在新材料研发设计中的作用不断凸显，材料基因组计划、增材制造等新技术新模式蓬勃兴起，基于已有材料基础结构性能的突破，新材料研发过程发生显著变化，正以一种新的生产方式不断涌现。然而，前沿技术路线选择的风险，以及从技术实现到商业化的时间仍面临许多不确定性。《材料科学》杂志一项关于新材料商业化的研究表明，新材料技术实现商业化的时间平均在10年以上（见下表），与生物技术相近，但远高于软件技术。新材料技术实现商业化的R&D投入约为软件技术的数倍到数十倍。

软件、生物技术和新材料技术的商业化时间、成本和不确定性比较

资料来源：NatureMaterials,2016,15(5)487－491

第二，新材料产业发展面临多种驱动因素。新材料种类众多，其内在潜力和市场规模需要从技术成熟度分类识别。一是标准引领实现高质量发展。石墨烯产业在经历爆发式扩张后遇到的问题对标准设定提出了更高要求。英国国家物理实验室领导制定了全球首个石墨烯国际标准，为石墨烯的测试验证提供依据和标准。二是集中攻关抢占市场先机。信息产业迅猛发展对半导体行业提出了更高要求，二维半导体、第三代半导体等技术仍不够成熟，各国都亟待在这一基础领域取得革命性突破，美、韩有望在2025年前实现半导体材料和器件更新换代。三是政策倒逼材料行业快速增长。比如，节能减排的政策驱动对车用新材料产生了重大影响，高强度钢、镁铝合金、碳复合材料、长纤维增强材料等车体轻量化材料自身性能持续提升。

第三，新材料产业国际市场垄断日益加剧。目前，发达国家在新材料产业中仍占据领先地位，美国全面领跑，日本在纳米材料、电子信息材料、先进复合材料等领域具有优势，欧洲在结构材料、光学与光电材料等方面有明显优势。这些国家的科技产业核心竞争力集中在上游“材料+装备”环节，对于保障国家科技安全具有重要意义。从长期发展看，新材料产业上下游联系越来越紧密，产业链日趋完善，初步形成了新的产业战略联盟，这有利于产品开发与应用拓展的融合，但由此也会形成寡头垄断。一些龙头材料企业通过并购、重组及产业生态圈构建，把控全球新材料产业的优势格局。

第四，新材料产业发展关键在于概念期和导入期。新材料产业发展容易受到下游应用场景制约，研发成果快速投入大规模应用的情况很少，总体上呈现前期投资大、中间环节多、转化周期长等特点。其中，处于概念期和导入期的新材料产业，由于研发成本高、销售集中于少数高端客户，往往投资周期长，投资高风险高收益并存。

目前，许多已经占据广大市场份额的龙头企业加大对概念期和导入期的产业投资力度，比如，燃料电池、记忆合金、石墨烯等，以期抢占高端基础材料制高点。可以预见，新材料领域将面临更高的技术壁垒，消化吸收再创新模式对于拓展下游市场具有重要作用，但向上游市场迈进的空间已逐步收窄。

中国新材料前沿技术发展面临的问题与挑战

当前，我们正面临着百年未有之大变局。国内外形势正在发生深刻复杂的变化，我国的发展处于重要战略机遇期，世界经济重心调整、国际政治经济格局变化趋势加快，国际贸易摩擦短期仍将持续，使得我国新材料前沿技术发展存在诸多不确定性，并带来巨大挑战。

1.发达国家拥有高端新材料话语权

近些年以来，我国自主研发出一大批高端、关键材料，生产和应用技术达到或接近国际先进水平。然而，毋庸置疑的是，与国际先进水平相比，目前我国在先进高端材料研发和生产方面差距甚大，关键高端材料远未实现自主供给，“大而不强，大而不优”的问题十分突出。

以稀土功能材料为例，我国尽管是稀土原料生产大国、功能材料生产大国，但还不是高端应用强国。我国仅在烧结永磁材料方面占有一席之地，其他应用仍处于中低档技术水平，与世界发达国家差距明显。如稀土抛光材料，我国相关产品的粒度分布、硬度、悬浮性等指标与国外产品还有一定差距，高端抛光粉仍依赖进口。日本和美国的稀土陶瓷材料处在领先地位，分别占据了50%和30%的全球市场份额。

再如碳纤维及其复合材料。国产碳纤维及其复合材料的类别、品种及规格相对单一，主要用于相对低端的产业需求，难以有效满足不同行业、产品、零部件的多样化需求，市场竞争能力有限。特别是在高强高模等高端产品的产业化方面，仍相对薄弱，纤维性能不高、产品稳定性差等问题突出，无法满足关键领域的需求。同时，国内对国产关键装备的研发投入不足。

在生物医用材料领域，受到国家政策支持、人口老龄化、人均可支配收入提升和行业技术创新等因素的驱动，我国生物医用材料持续保持高速发展。然而，技术含量较高的植入性生物医用材料较为薄弱，主要依赖进口。在该材料领域，美国具有显著的领先优势，总部位于美国的跨国企业占据了全球高端生物医用材料市场，拥有85%的骨科医疗器械市场份额，医用多孔钽更是“一家独大”。

此外，在高温合金、高端装备用钢、聚酰亚胺等结构材料，光学石英玻璃、防护纤维材料、集成电路制造关键材料、有机半导体发光显示等功能材料领域，西方国家在技术和产品上拥有绝对的优势垄断地位。

2.“从0到1”的原创性成果依旧不多

变革性新材料的发明与应用引领着全球科技创新，推动着高新技术行业的转型升级，并催生了诸多新兴产业。我国在发挥前沿新材料引领带动方面，自主创新能力仍显不足，跟踪模仿较多，原始创新不足，转化率较低。

对于20世纪50年代兴起的半导体产业、90年代崛起的网络信息技术产业，以及当前方兴未艾的信息通信技术产业，无一不是由于单晶硅、光纤等变革性新材料的发明、应用及不断更新换代促成的。然而，在这些发挥重大引领作用的关键材料突破中，来自中国的贡献并不多。引领材料自身发展的一些标志性新材料，如半导体材料、超导体、液晶与聚合物、富勒烯、光纤、石墨烯、蓝光LED、锂离子电池等获得诺贝尔物理学奖或化学奖的革命性材料，均不是由我国科学家首先发现的。

3.基础设施的高效使用及产出尚未显现

大科学装置专为基础研究服务，发挥着原始创新“策源地”的作用。不完全统计显示，当前我国运行、在建以及准备中的大科学装置约百台，材料领域是部署数量较多的领域，且主要集中在“材料表征与调控”方向。但是我国大科学装置普遍存在以下问题：运行经费来源单一，不足的人员费用往往依赖于单位开展科学研究进行补贴；开放共享程度不够，缺乏用户参与机制，工作人员主要只是完成考评指标，装置运行饱和度与效率有待提高；一部分大科学装置的评价体系缺乏与产业相关指标的考评，与大科学装置的公共开放服务特点、助力产业技术创新特点不能完全相适应等。

而具体到特定的材料方向，同样也存在着各式各样的问题。例如材料基因组研究就存在着材料数据储存标准与共享机制不足的问题。材料领域研究的多样性使得数据储存标准缺乏。基于实验的材料数据库需按照一定的标准进行组织，尤其是基于第一性原理的计算依旧十分有限。此外，科研人员倾向于报道正面的、好的研究结果，但在材料基因组中，所谓正面和负面的实验结果具有同等的重要性。

4.部分新材料的发展一哄而上

以碳纤维为例，经过多年发展，国外领先企业围绕“碳纤维+上浆剂→织物+树脂→预浸料→应用设计服务”形成了完整的产业链综合竞争能力，牢牢掌握话语权。同时，这些企业还往往放弃低端产品的利润，以低于国内企业成本的价格，通过倾销，遏制我国碳纤维企业的发展。在此严峻形势下，我国碳纤维发展缺乏引导，产业链整体布局能力较差，着眼于“单点突破”，盲目上马并扩大产能，导致低水平重复和同质化竞争，使得低端产能过剩，相关产品价格显著下滑，市场内耗严重。国内碳纤维生产亏损、开工量不足，处于进退维谷的艰难境地，严重阻碍了国产碳纤维产业的长远发展。

再以石墨烯为例，在快速发展的同时，“误导”宣传、“大跃进”发展以及大量落后产能等一系列问题亟待解决。近年来，石墨烯受到各路资本市场的投资机构和上市企业的热捧，“一片蓝海”“万亿级市场”“颠覆性变革”“石墨烯电池充电8分钟可跑1000公里”“全面替代硅”等言过其实、夸大宣传的报道频繁进入人们视野。然而，上游生产企业盲目扩大产能，下游应用产品附加值低、低端产能扩张过快、产品同质化严重等问题，已初步显示出“低端化”发展的苗头。在专利申请方面，尽管我国石墨烯相关专利申请超过全球总量的一半，但原创基础专利少。除了碳纤维、石墨烯，稀土等也成为市场热炒的新材料题材。

5.产业链、供应链、创新链上下游之间的互动不足

当前，我国经济社会进入高质量发展阶段，加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局对新材料产业链、供应链、创新链水平提出了新的要求。然而，我国新材料在推广应用过程中仍面临着一定的困难与挑战。国产新材料的应用市场尚未完全打开，国产新材料上中游的发展总体上落后于下游装备制造需求，重大工程与装备“等米下锅”现象还比较突出，制约了新材料的技术更新和迭代发展。例如，由于国产化应用规模较小，我国碳纤维及其复合材料、锂离子电池材料在市场化初期阶段，成本与价格偏高，与国外企业竞争时处于不利地位，尤其是当跨国企业开展低价竞争和联合打压时，国内企业的生存空间被严重挤压。究其原因，还是归因于我国部分新材料的生产与应用结合不够紧密，产业链、供应链上下游没有形成联合攻关、同步设计、系统验证、迭代更新的机制。

6.新材料装备的自给率有待提高

伴随着全球科技竞争和贸易保护主义愈演愈烈，我国新材料专用高端装备的进口难度越来越大，专用设备的供应链安全同样需引起足够重视。当前，我国部分新材料研制的专用装备以引进、消化和吸收为主，发展水平仍相对滞后，自主创新能力不足，部分高端装备完全依赖进口。例如碳纤维制备用到的高温碳化炉，相关装备及技术一直受国外封锁，国内只能依靠自主研发；预氧化炉及低温碳化炉在稳定性等关键性能和指标上与国外相比还有差距。由于技术密集度高、附加值高，高端装备处于价值链高端环节，很多发达国家为保护竞争优势，会限制高端装备出口。国外企业围绕部分新材料的装备，采取有针对性的低价策略，使得国产装备与国外装备相比长期存在显著差距，可能面临“釜底抽薪”的风险。

7.新材料基础研究与实际需求未能完全挂钩

当前，面对我国高新技术和国民经济发展中急需解决的关键科学问题，材料基础研究的关注度仍有较大的提升空间。材料领域的基础研究同样需要应用牵引、突破瓶颈，从经济社会发展和国家安全面临的实际问题中凝练科学问题，弄通“卡脖子”技术的基础理论和技术原理。由于材料研发与应用的结合不够紧密，工程应用研究不足、数据积累缺乏，使得有针对性的、面向材料实际服役环境的研究缺失，还出现了材料质量工艺不稳定、性能数据不完备、技术标准不配套、考核验证不充分等一系列问题，导致“有材不能用”“有材不会用”“有材不敢用”问题非常突出。当前，美国、欧洲和日本等国家/地区在关键战略材料和前沿新材料方向持续大力布局，如“制造业美国”建设的遍及全美的创新研究所网络，由行业企业、研究机构（大学和国家实验室）、培训组织和政府部门等组成，试图跨越从基础研究到应用的“**之谷”，关注领域一半涉及材料方向。这些国家/地区一系列新的举措与行动很有可能拉大我国新材料与世界先进水平的差距，甚至在我们尚未完全解决当前短板的同时又形成新的短板。