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屠海令院士：面向新興產業和未來產業的新材料發展戰略研究

點擊：  作者：趙鴻濱，周旗鋼，李志輝，李騰飛，屠海令    來源：軍民融合觀察微信號  發布時間:2024-03-21 12:00:16

 

編者按：新材料是新興產業和未來產業發展的根基，是搶占科技和經濟發展制高點的重要領域，也是我國推進新型工業化的重要驅動力。新材料產業在支撐國民經濟發展、保障國家安全、贏得國際競爭、實現工業綠色發展中具有基礎性和引領性作用。

 

中國工程院屠海令院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第1期發表《面向新興產業和未來產業的新材料發展戰略研究》一文。文章面向前沿技術和新興領域的發展需求，分析未來產業新材料發展面臨的機遇和挑戰，提出面向新興產業和未來產業的新材料發展重點方向與發展路徑，并針對性地提出對策建議，以期為我國打造自主可控、安全可靠、競爭力強的新材料產業體系提供基礎參考。

 

 

一、前言

 

新材料指新出現的、具有優異性能和特殊功能的材料，以及傳統材料成分、工藝改進后性能明顯提高或具有新功能的材料。新材料產業在支撐國民經濟發展、保障國家安全、贏得國際競爭、實現工業綠色發展中具有基礎性和引領性作用。當前，建立安全、彈性和多樣化的新材料產業體系，確保新材料制造和創新領先地位，擺脫對外過度依賴，保障國家安全和產業競爭力，探索、識別突破性和顛覆性新材料，成為科技和產業的創新領跑者是新材料不斷創新發展的重要動能。

 

世界主要發達國家和地區分別形成了特征鮮明的新材料優勢領域，并不斷強化新材料發展戰略，全力提升新材料研發、產業化及面向未來的國際競爭力。美國僅在2022年就提出了包括《先進制造業國家戰略》、新版《關鍵和新興技術清單》《6G路線圖：構建北美6G領導力基礎》《兩黨基礎設施法》等多項措施與法案，旨在提升美國各個領域新材料創新能力，并在“制造業美國”、“OPEN 2021”、美國國家納米技術計劃、增材制造發展計劃等項目資助下開展變革性清潔能源技術用新材料、納米材料等前沿和顛覆性新材料的研發。世界主要發達經濟體在加強戰略布局和技術研發的同時，不斷完善基礎設施建設、注重人才培養、健全法律制度、營造良好產業生態；同時，政府致力于加強政策支持，研究機構開展材料基礎理論等方面研究，企業實現成果轉化，多方協作共同推動新材料產業的發展，并通過產業集群建設，推動新材料企業形成創新鏈、產業鏈、資金鏈和人才鏈的深度融合。

 

我國新材料產業經過多年的創新發展，先進基礎材料總體實現穩定供給，經濟效益顯著提高；重大工程與高端裝備用關鍵戰略材料取得一系列重大突破，關鍵技術基本實現自主保障；前沿新材料取得一批核心技術專利，部分品種實現量產；國防科技工業所需新材料市場競爭力明顯增強。但我國新材料產業仍存在關鍵原材料依賴進口、核心裝備尚未實現自主可控、高端產品自給率不足、部分重點產品缺乏應用迭代以及標準與評價體系不完善等問題，需要持續提升新材料產業鏈、供應鏈的韌性和安全水平，以科技創新帶動體系化競爭新優勢，通過統籌謀劃高質量發展路徑來實現高水平科技自立自強。

 

文章面向前沿技術和新興領域的發展需求，分析未來產業新材料發展面臨的機遇和挑戰，提出面向新興產業和未來產業的新材料發展重點方向與發展路徑，并針對性地提出對策建議，以期為我國打造自主可控、安全可靠、競爭力強的新材料產業體系提供基礎參考。

 

二、面向新興產業和未來產業的新材料發展趨勢

 

以人工智能、量子信息、移動通信、物聯網、區塊鏈為代表的新一代信息技術加速突破并應用，以合成生物學、基因編輯、腦科學、再生醫學等為代表的生命科學領域孕育新的變革，融合機器人、數字化、新材料的先進制造技術正在加速推動制造業向智能化、服務化、綠色化轉型。不斷涌現的新材料制備、加工、應用技術為信息、生命、制造、能源、空間、海洋等領域的開拓發展提供了更廣泛的創新基礎，新材料產業的創新發展正成為影響國家實力、人民福祉的戰略高地。總體上看，新材料發展趨勢呈現如下特征。

 

（一）信息功能材料創新是未來科技革命和產業變革的重要引擎

 

以人工智能、云計算、大數據、物聯網、移動互聯網等為代表的新一代信息技術正在經歷新的發展階段，量子通信和量子計算已經成為信息領域的競爭焦點。通信終端不斷增多，汽車電子化趨勢不斷增強，智能家居、智能穿戴設備、醫療電子不斷興起，消費娛樂電子不斷增多，先進制造業強力推進，大數據時代來臨，航空、航天電子需求快速增長，這些都將促進信息功能材料需求急劇攀升，并推動信息功能材料快速發展。

 

隨著硅基集成電路技術向摩爾定律極限發展，新型半導體材料與硅材料的結合將有利于突破硅的極限，更好地兼顧硅基集成電路的經濟成本優勢。絕緣體上硅、硅基化合物半導體、新型相變材料、阻變材料、自旋電子材料、寬禁帶碳化硅、氮化鎵、超寬禁帶半導體氧化鎵、金剛石等是目前成熟硅基集成電路和砷化鎵基半導體功率器件的重要補充和未來的發展方向。碳納米管將成為后摩爾時代中頗具潛力的新型半導體材料，可在短期實現碳基傳感技術等高性能、中集成度的應用，在長期實現碳基射頻電子、特種芯片甚至超大規模碳基數字集成電路等高性能、高集成度的應用。

 

（二）材料綠色生產和新能源材料顛覆性技術將成為實現綠色低碳發展的關鍵

 

新能源技術、高效節能技術、清潔生產技術、資源循環利用技術已成為突破資源、能源、環境瓶頸，推動社會經濟和節能環保產業發展，實現綠色低碳發展的強大動力。2020年，英國發布《綠色工業革命十點計劃：更好地重建、支持綠色工業并加速實現凈零排放》、歐盟發布《氫動力航空：到2050年氫技術、經濟和氣候影響》，均強調低碳綠色發展的重要性。

 

在新能源革命的推動下，具有潛在顛覆性應用的新材料涌現。熱電材料是可以實現熱能 ? 電能直接轉換的清潔能源材料，是太陽能全光譜高效發電、工業余熱發電、微小溫差發電、熱電制冷等前瞻性、戰略性新能源技術的關鍵材料。有機 ? 無機雜化鈣鈦礦材料作為太陽能電池的吸光材料，因消耗的資源更少，在超薄及柔性能源領域有著廣闊的應用前景。多電子體系電池已被應用于傳統的鋰離子電池和其他新型二次電池領域，鋰空氣電池（5217 W·h·kg-1）和鋰硫電池（2567 W·h·kg-1）有望實現比當前鋰離子電池（低于500 W·h·kg-1）高2~10倍的能量密度突破。隨著儲存與運輸高密度氣體燃料的新材料、先進生物質廢物轉化為能源等技術的發展，有望突破氣體燃料應用部署的技術障礙，有效降低中型和重型氣體燃料車的成本。風電行業需要繼續降低成本，通過研發新材料或多材料的解決方案，以減輕部件重量、增加耐用性并改善機械性能；還需開發更輕、更耐用、更易回收的新材料，以提高風電設備制造的可持續性。

 

（三）新材料在生物技術中的應用成為創新熱點

 

生物醫用材料、生物醫藥、生物基材料、生物農業日趨成熟，生物制造、生物能源、生物環保正在快速興起。全球生物產業的年均增長率將高達30%，是世界經濟平均增長率的10倍。新材料與生物技術的融合將推動治療性細胞和分子、化學物質、藥物、聚合物和燃料的生物制造，促進生物技術在計算、信號處理和通信領域的應用，如腦機接口是科學技術改變人類生活的重要體現。材料學與系統生物學、化學、基因組學、生物反應器工程、分離與純化融合可以推動生物工廠生產基于細胞的小分子療法，并擴大規模且使其多樣化以滿足個性化需求；還可以解決與無細胞蛋白質制造相關的挑戰，通過加強和擴展用于無細胞制造的平臺來維持多種原料的特定活性，生產酶生物催化劑、生物傳感器和疫苗等。充分利用微環境 ? 細胞 ? 表型相互作用和合成生物學工具方面的研發新進展，開發在納米 / 生物界面上工作的傳感器、致動器、納米材料 / 納米機器、可調節細胞反應的計算工具。新材料和納米技術應用于醫學，成為未來診斷與治療發展的重要趨勢，如富勒烯在腫瘤治療等方面取得了革命性創新，即羧基修飾的釓基金屬富勒烯水溶性納米顆粒可以在射頻輔助下快速殺死小鼠體內的腫瘤細胞。生物學與半導體技術集成面臨重要機遇，有望發展出可用于設備和系統的新型生物材料，以及數據存儲時間超過100年且存儲容量超過當前存儲技術1000倍的下一代信息存儲技術。

 

（四）新材料與技術支撐深空、深海、載運、高端裝備制造領域未來發展

 

隨著信息技術和互聯網技術的飛速發展，以及新型感知技術和自動化技術的應用，先進制造技術正在朝智能化的方向發展。具有感知、分析、推理、決策、控制功能，可實現高效、高品質、節能環保和安全可靠生產的下一代智能制造裝備的支撐材料，將是未來材料產業發展的亟需。民用航空產業對于材料的需求迫在眉睫。在發展綠色航空的背景下，民用飛機將朝著更安全、更經濟、更舒適、更環保的方向發展。在安全性方面，從材料、設計、制造、試驗和使用等全過程考慮，不斷提高最低適航要求；通過采用輕質材料和一體化綜合設計、開展全壽命經濟評估、降低保障費用等策略來有效提高經濟性。復合材料的應用不斷推進運載工具的輕量化、低成本化和綠色環保化，碳纖維等高性能復合材料正在替代傳統材料，汽車承力結構件復合材料應用占比不斷提升。新能源汽車通過應用碳纖維復合材料顯著降低了車體質量，與電池、儲氫等新技術一起助力新能源汽車提升續航能力。集成化、整體化的復合材料構件是航空、航天飛行器總體性能提升的重要支撐，其發展策略受到越來越多的關注。隨著世界海洋油氣開發的不斷推進，海洋油氣開發用海洋工程裝備用材正在成為海洋高端裝備制造業的重要內容；海洋觀測和探測裝備大型化、大深度、長周期、全海域、多功能的發展趨勢要求高強韌鈦合金突破大規格制備技術與高魯棒性焊接技術、非金屬結構材料需進一步發展缺陷控制技術。

 

（五）新材料與其他學科、領域的深度融合加劇

 

新材料與其他學科、領域的深度融合成為新材料產業發展的新特點。鈣鈦礦材料和有機材料聯用催生了有前景的新型太陽能電池，并被證明在各種應用場景中具有變革性應用，逐漸向大規模商業化邁進。智能材料與增材制造結合形成了4D打印技術；有機復合材料、生物活性材料與臨床醫學結合分別產生和發展了“電子皮膚”、組織再生工程；碳纖維復合材料已用于航空、航天和先進交通工具；化合物半導體材料使太赫茲技術在環境監測、醫療、反恐方面得到應用；超材料以微結構與先進材料結合，在電磁和光學領域獲得引人矚目的成果；柔性電子學材料、新能源材料、生物醫用材料擁有廣闊的市場應用前景；自旋電子學材料、鐵基及新型超導材料的研究方興未艾；阻變、相變及磁存儲材料將改變傳統的半導體存儲器；富勒烯、石墨烯、碳納米管開辟了碳基材料的發展空間，尤其是石墨烯剝離成功引發了二硫化鉬、單層錫、黑磷、硅烯、鍺烯等二維材料的研究熱潮。材料基因工程有機融合了材料高效計算設計、先進實驗技術與大數據、人工智能等前沿技術，有利于加速推進研發模式的變革，對提高研發效率、降低研發成本、滿足日益增長的高性能新材料需求具有重要意義。

 

總的看來，當前新材料發展呈現出結構功能一體化、材料器件一體化、高純化、納米化、復合化、制備和使用過程綠色化等新特點，在高速飛行器、微納機電系統、新醫藥、高級化妝品和新能源電池方面具有廣闊的應用前景。

 

三、國新材料產業發展現狀與存在問題

 

（一）發展現狀

 

近年來，我國新材料產業立足資源優勢和發展基礎，推進材料先行、產用結合，著力構建以企業為主體、高校和科研機構為支撐、“產學研用”協同促進的新發展體系。以創新驅動促進新材料產業高質量發展，經濟指標保持持續增長，經濟效益水平顯著提高，總體技術水平顯著提升，優質企業快速成長，新材料產業體系逐步完善，國際競爭力持續增強。

 

1. 產業規模平穩增長

 

近年來，我國新材料產業蓬勃發展，產業產值從2012年的約1萬億元增加到2022年的6.8萬億元，預計2025年將達到10萬億元。我國的先進儲能材料、光伏材料、超硬材料、新型顯示材料等百余種材料產量居世界首位，先后培育出碳纖維、風電葉片、汽車輕量化復合材料、電子顯示玻璃、石墨烯等多個產值超百億元的產業，以及特高壓陶瓷絕緣子、藍寶石襯底、閃爍晶體、氣凝膠等數個產值超十億元的產業。我國前三大玻璃纖維企業的玻璃纖維產量占全世界產量的50%以上，高強玻璃纖維、高模玻璃纖維、電子級玻璃纖維、低介電玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維等新材料已實現產業化。稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、有機硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等有力支撐了國民經濟發展和重大工程建設。

 

2. 技術創新能力大幅提升

 

我國新材料研發的投入強度由2012年的0.62%提高到2021年的1%左右，科技論文和發明專利數量位居全球第一，現有300余項材料技術獲得國家科學技術獎勵，建成了170余家國家重點實驗室和工程（技術）研究中心、26家國家新材料重點平臺。關鍵材料不斷取得創新突破。首次發現極細晶粒多晶銅中的一種可維持金屬高溫強度的全新亞穩態結構，N36鋯合金等一批典型材料的自主化研發成功解決了制約核電發展的鋯材生產問題，超導材料領域具備全流程生產能力，有序介孔高分子和碳材料研究實現國際引領，C919客機用鋁合金厚板、特種工程塑料、電子化學品等一批新材料實現工程應用。應用于“天和號”空間站核心艙主結構件的復合材料等一批自主研發的新材料有力保障了航空、航天、信息通信等重大裝備和重大工程的實施。同時，我國積極探索新物態調控，研發高效率、低能耗、多功能的原型器件，為低能耗電腦芯片，無損輸電，拓撲量子計算機，環保型熱電、磁電材料與器件等未來顛覆性技術革新奠定科學基礎，前瞻布局未來產業。

 

3. 企業實力不斷壯大

 

截至2021年，我國已培育形成以材料為特色的“單項冠軍”企業196家、“專精特新小巨人”企業998家，綜合實力穩步增長，國際競爭力持續增強。目前，我國在鎂基新材料、化工新材料、新型顯示材料、功能高分子材料、新能源電池材料、高性能磁性材料等領域初步形成了上下游協同發展的產業體系，眾多新材料產品已具備國際領先優勢。我國新材料企業通過自主研發，有效服務國家重大工程建設。我國自主研制的復合材料主結構件成功應用于我國“天和號”空間站核心艙的推進分系統和電源系統；自主研發的大尺寸碳化硅陶瓷基復合材料成功應用于多個衛星型號，在空間遙感衛星領域實現了應用突破和自主保障；自主開發的碲化鎘發電玻璃成功應用于北京冬奧會短道速滑館等重大工程。

 

4. 產業集聚態勢良好

 

我國新材料空間布局日益優化，產業集聚效應逐步凸顯，產業集群漸成規模，形成了以環渤海、長江三角洲和珠江三角洲等地區為代表的新材料產業集聚區；新材料領域培育了4個先進制造業集群、14個戰略性新興產業集群、19個創新型產業集群、96個新型工業化產業示范基地。深圳市擁有國內最大、產業鏈相對完整的先進電池材料產業集群，集聚了動力電池正 / 負極材料、電解液和隔膜等領域的國內外代表性企業，集群主導產業年產值超過千億元，集群工業總產值占全國相應產業的比重超過70%。寧波市在稀土磁性材料、化工新材料領域處于國內領先水平，形成了具有國內影響力的產業集群，稀土磁性材料產量占全國的40%，二苯基甲烷二異氰酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚丙烯樹脂等化工新材料產量位居全國第一。蘇州市圍繞納米技術應用產業，形成了從設備、原材料、制備、工藝、集成到應用的全產業鏈納米材料產業集群，納米技術應用產業產值突破1000億元，成為全球八大納米產業集聚區之一。

 

5. 新材料產業支撐引領作用凸顯

 

新材料作為材料工業的先導，對推動技術創新、促進傳統產業轉型升級、保障國家安全等具有重要的支撐和引領作用。我國已經在基本型（T300級）碳纖維的研制、工程化及航空航天應用關鍵技術，濕法高強型（T700G級）碳纖維的研制和工程化關鍵技術，高強中模型（T800H級）碳纖維的工程化及其應用關鍵技術等方面取得了系列突破，有力支撐了我國衛星平臺、運載火箭、大型飛機、兵器、艦船等國家重大裝備建設；建成了8.5代TFT-LCD玻璃浮法生產線以及鋰鋁硅玻璃產業化生產線，打破了國外企業在高品質電子顯示玻璃領域的長期壟斷。我國擁有完全自主知識產權的鈰磁體已廣泛應用于機器人、高端機床、醫療器械、節能家電和電動自行車等領域各類電機中，年產量超過6×104 t，規模約占整個稀土永磁產業的1/3。

 

（二）存在的問題

 

雖然我國重視新材料產業的發展，初步建立了品種門類較為齊全的產業體系，但仍面臨先進基礎材料參差不齊、關鍵戰略材料受制于人、前沿新材料技術有待突破等問題，亟需提升原始創新能力，加強關鍵核心技術自主可控，深度融合創新鏈、產業鏈、資金鏈、人才鏈和安全保障等。

 

1. 部分基礎原材料依賴進口，嚴重威脅新材料產業鏈安全

 

大國博弈激烈化、地區沖突持久化使全球經濟秩序和政治關系受到嚴重沖擊，世界科技競爭格局正在發生變化。在涉及經濟社會發展、國防裝備建設和人民福祉改善的領域，部分新材料“卡脖子”問題日益顯現。我國的半導體材料領域仍存在技術基礎薄弱及產業鏈脆弱的環節，關鍵原輔材料如光掩模用高純合成石英、光掩模基板、光掩模保護膜，光刻材料用樹脂、單體、添加劑，功能化學品生產過程中所用關鍵原料、電子級化學品、分析檢測儀器和包裝材料，化學機械拋光液用納米級磨料，拋光墊用原材料，靶材用超高純原材料錠材，封裝材料的高端原材料，氣體配套相關設施管道、閥門、包裝瓶等仍然依賴進口。用于制備先進結構和功能一體化陶瓷材料的高性能陶瓷粉體行業長期被日本、歐洲、美國的公司壟斷。我國高性能氮化物陶瓷粉體，如氮化硅、氮化鋁、氮化硼等粉體等嚴重依賴國外進口，雖然國內正在進行關鍵技術攻關，且已經有相關產品，但距離真正產業化還有相當長的距離。

 

2. 部分核心裝備尚未實現自主可控，產業發展存在風險

 

我國核心裝備受制于人的重要原因是研發與生產脫節，材料、工藝與裝備多學科交叉融合研究不足以及流程和裝備問題未受到重視。我國碳纖維生產裝備與國外差距顯著，缺乏裝備自主設計制造能力，嚴重依賴國外進口，如生產高質量碳纖維所必需的碳化爐、高溫石墨化爐主要來自美國哈泊國際公司和德國西格里碳素公司。裝備短板問題產生的主要原因如下：一是缺乏優秀的模擬和設計人員，產業化經驗相對匱乏，再加上國外技術封鎖，導致我國在自主設計裝備方面長期落后；二是我國核心工業領域的三維結構設計軟件，如力學場、溫度場、流場模擬軟件，普遍依賴進口；三是我國基礎工業領域與德國、日本等國家仍存在明顯代差，直接導致碳纖維設備或核心部件的制造規模、工藝、精度，裝配的規模和精度，維護水平較國際一流水平有明顯差距；四是材料質量與裝備強國存在明顯差距，如我國高溫碳化爐的石墨發熱體材料、石墨電極材料，低溫炭化爐的爐膽材料等。

 

3. 高端產品自給率不高，高端應用的自主保障能力不足

 

原始創新能力不足、核心技術空心化、規模化的專業人才隊伍和知識產權（核心技術）儲備缺失，導致高端產品自給率較低。我國主要稀土功能材料產業規模居全球前列，但“大而不強”的問題仍然比較突出，特別是在汽車、電子、新能源等領域所需的高端稀土功能材料被國外壟斷。一些產業關鍵技術均來自國外，如稀土永磁生產過程中的速凝、氫破碎、滲鏑等關鍵技術主要來自日本；靶向氣流磨技術，燒結釹鐵硼一致性、智能化生產裝備與技術，熱壓磁體產業化技術以及高性能指標釹鐵硼磁體、釤鈷磁體等仍由日本、歐洲、美國等國家和地區掌握。

 

4. 基礎研究與應用脫節，產業化進展滯后

 

部分領域的新材料基礎研究雖然取得一定進展，在研究論文、專利數量等方面處于領先地位，但基礎研究與應用脫節，科研成果從樣品到產品再到商品的轉化效率低，產業化能力不足，導致市場被國外企業占據。高校、科研院所與企業在體制上分離，交流協作不充分，缺乏將科研成果進行及時有效轉化和實現“產學研”協作的健全機制。高校和科研院所的研究成果往往僅停留在實驗室工作階段，未進行產品的小試、量產驗證，而企業的研發又因實驗分析設備缺乏而不夠深入。在熱壓磁體材料方面，我國在熱流變磁體各向異性理論、取向技術、晶界擴散提高磁體矯頑力、無重稀土高矯頑力熱壓磁體研發、磁體微觀組織結構調控、熱壓磁體使役性能研究、“氫化 ? 歧化 ? 脫氫 ? 復合”工藝處理熱壓磁體研發、磁化機理和矯頑力機制研究、新制備工藝技術研發等領域的研究已經處于世界先進水平，但產業化推進卻非常緩慢。相比之下，美國和日本率先實現了熱壓磁體的產業化生產和商業化應用，如美國Magnequench公司主要生產MQ3磁體，日本大同電子株式會社已經從制備技術的開發、改進發展到磁體晶界擴散工藝的改進、性能提升。

 

5. 市場培育不力，產品未能大規模應用

 

應用和市場是新材料實現價值轉化的必經環節，為其發展提供不可或缺的牽引力。我國部分新材料的研發、應用與市場培育未實現同步發展，存在應用技術發展滯后、市場培育不力等問題，導致產品未能大規模應用。目前，我國顯示產業規模已居全球第一，但顯示材料國產化率不足30%，其中關鍵材料不足5%。顯示材料產業化及推廣應用難度高，主要原因在于：由小量研發走向大量生產存在較大的工藝難度，在量產工藝、量產設備等技術上，還需要國內廠商進一步加大投入，攻克關鍵技術工藝難題，盡快突破一系列工程化關鍵技術；由于長期以來國產材料在產業界給予客戶的信任度較低，進入面板產線的驗證周期較長。

 

6. 部分領域“小、雜、散”問題突出，行業集中度不高

 

美國、歐洲等國家和地區的新材料發展模式是依靠集結大型或巨型生產企業來占據產業、市場絕對主體地位；我國新材料產業的“小、雜、散”問題突出，難以匹敵同行業國際巨頭，市場競爭力不強。例如，在電子陶瓷材料領域，我國多家從事片式元器件生產的骨干企業的產值總和不及日本東京電氣化學工業株式會社。在壓電陶瓷產品方面，我國壓電陶瓷企業數量較多，其中規模較大的企業有蘇州攀特電陶科技股份有限公司、廣東捷成科創電子股份有限公司等，雖然能夠生產一些高端壓電陶瓷產品，如多層壓電陶瓷驅動器、多層壓電變壓器、多層壓電微揚聲器及壓電微馬達等；但多數企業是中小企業，產品結構以低端產品為主，如點火器、蜂鳴器以及少量的濾波器、換能器等。盡管多年來我國在壓電陶瓷的研究開發中取得了一批有自主知識產權的技術成果，但從目前行業的總體情況看，市場競爭力、產業技術水平亟待提高，產品結構有待升級。

 

7. 標準和評價體系不完善，難以有效支撐技術發展

 

完善的材料綜合性能測試和應用技術評價體系是持續支撐技術及行業發展的基石，統一、科學、規范的標準體系是產業上下游交互的基礎，是實現降低產品成本、提高研發效率的關鍵。然而，我國部分新材料應用起步較晚，評價標準體系尚未完善、部分關鍵測試設備與技術未能完全自主可控，導致產業良性發展通道受阻。此外，大部分行業的國際市場話語權不足，導致部分行業產品、技術標準的國際認可度受限，難以提升產品的國際競爭力。以離子交換膜為例，我國尚無國家標準，產品基本性能檢測，電滲析膜堆尺寸大小、格網、墊片等均無統一配套標準，大幅限制了離子交換膜產業的發展。

 

四、面向新興產業和未來產業的新材料發展體系

 

全球科技和產業競爭格局加速重塑，前瞻預判前沿技術和顛覆性技術，謀劃布局新興產業和未來產業發展成為打造國家競爭新優勢的關鍵。“十四五規劃綱要”中明確提出，在類腦智能、量子信息、基因技術、未來網絡、“深海空天”開發、氫能與儲能等前沿科技和產業變革領域，組織實施未來產業孵化與加速計劃，謀劃布局一批未來產業。北京、上海、廣東、安徽等省份已提前謀劃未來產業或先導產業，超前布局區塊鏈、太赫茲、量子通信等未來產業鏈，前瞻布局量子信息、人工智能、工業互聯網、衛星互聯網、機器人等未來產業，實施未來產業培育工程等。此外，我國正在部署和推進“央企產業煥新行動”“未來產業啟航行動”，聚焦新一代移動通信、人工智能、生物技術、新材料等15個重點產業領域方向，推動中央企業加快布局和發展新興產業與未來產業。可見，發展壯大新興產業并前瞻布局未來產業是建設現代產業體系、培育發展新動能、促進經濟高質量發展的重要舉措，是面對新型國際關系、把握產業發展主動權的戰略舉措，也是謀求“十四五”時期競爭新優勢的關鍵所在。

 

新材料是實體經濟的根基，是支撐國民經濟發展的基礎性產業和贏得國際競爭優勢的關鍵領域。新興產業和未來產業具有創新活躍、技術密集、發展前景廣闊等特征，關系到國民經濟社會發展和產業結構優化升級全局。新材料產業在推進新產業發展中發揮著基礎性、引領性作用，遴選支撐新興產業和未來發展需求的重點新材料領域，營造適宜產業發展的環境，促進產業結構升級，形成良好產業生態具有重要意義。為此，應從以下方面培育和前瞻布局面向未來的新材料產業。

 

（一）面向新興產業發展的新材料

 

1. 集成電路關鍵材料

 

我國集成電路關鍵材料產業的發展重點是填補國內產業空白，需加大力量補短板，保障集成電路制造產業供應鏈的安全和穩定。重點布局覆蓋130~90 nm、90~28 nm技術節點的先進邏輯產品、先進存儲器用晶圓制造成套工藝和先進封裝成套工藝的各類關鍵材料開發，包括193 nm浸沒式光刻膠及其配套抗反射材料和特種試劑、高階邏輯工藝和先進存儲用前驅體系列產品、高階工藝用拋光液和拋光墊、特種合金靶材及先進封裝用多種材料。填補國內空白，大力提升規模化產業技術水平，提高產品品種覆蓋率，加強產品品質、服務、配套保障能力建設，提升產業綜合競爭力，提高產品市場占有率；部署開發20~14 nm、14~7 nm及其以下技術代邏輯產品和先進存儲器需求關鍵產品，為產品進入高端市場奠定基礎。加緊布局超越“摩爾定律”相關領域，推動碳基集成電路特色工藝材料開發。在集成電路關鍵材料領域建設技術先進、安全可靠的產業體系，發揮對集成電路產業的支撐作用。

 

2. 信息功能陶瓷材料

 

通信技術的發展對新型微波濾波器件提出了高頻寬帶化、超低功耗的技術要求，對微小型濾波器件的結構與寬頻設計原理、超低功耗實現方法和器件加工與測試技術等提出了新的挑戰，需要發展新型微波介質濾波器件的高頻低功耗設計原理、集成制造與糾偏微調技術及器件測試與評價方法。集中力量開展具有優良介電性能，適合新一代無源集成組件應用的低、中、高介電常數低溫共燒陶瓷介質材料開發；解決器件集成中異質材料工藝匹配、外場下的穩定性等關鍵共性問題，獲得材料結構 ? 工藝 ? 電性能 ? 服役特性優化的途徑，推動低成本、高性能的無源集成器件用介質材料制備；針對新一代無線通信、可穿戴電子系統應用，探索基于自主介質材料的新型無源器件的設計、制備和集成技術。采用材料基礎研究與應用開發相結合的方式，堅持材料 ? 器件 ? 工藝一體化研究路線，鼓勵科研單位與生產企業密切合作，開展協同創新研究工作。

 

3. 先進能源材料

 

綠色發展、用能成本等問題已成為經濟社會發展的核心議題，能源戰略與各領域、各行業、各環節及各市場主體聯系密切。圍繞不同的能源轉化、存儲方式和原理，先進能源材料需重點發展燃料電池材料、熱電材料、超級電容器材料、固體鋰電材料、生物質能材料、光電材料和納米能源材料等方向。加速推進氫燃料電池新材料與部件的產業化，進一步推進銻化鉍熱電材料體系的產業化進程，研制綜合性能優異的正 / 負極材料、功能性電解液及隔膜等超級電容器關鍵材料，突破固態電池材料在電導率、成本、批量生產等方面的問題，加快推進生物質液體燃料清潔制備與高值化利用技術產業化，解決新型光伏材料批量化生產過程中造成的轉換效率下降問題，實現納米發電機在人機交互、智能醫療和仿生智能器件等重要領域中的應用。

 

4. 新型顯示材料

 

以提高顯示核心材料的國產化率，探索新型器件結構，培育新材料、信息系統龍頭企業，實現“換道超車”、引領行業發展為目標，攻克一批提升顯示性能的關鍵材料與技術。具體包括：發展有機發光二極管 / 量子點發光二極管（OLED/QLED）印刷顯示材料與器件、激光顯示材料與器件、微發光二極管（MicroLED）顯示材料與器件、光場顯示材料與技術；攻克一批便攜式移動顯示難題，如低功耗、驅動技術，下一代移動通信技術，人工智能系統集合技術；攻克一批大尺寸制造問題，研究柔性制造技術；以新一代高視覺維度的光場顯示需求為牽引，以材料、器件、模組、算法、整機全鏈條總體協調和同步開發為研究發展思路，推進全產業創新；通過開展科學技術研究，突破納米發光二極管（NanoLED）顯示核心材料與關鍵技術，形成先發優勢，搶占未來顯示技術與產業制高點。

 

5. 生物醫用材料

 

隨著生物醫用材料的飛速發展，我國一些高端生物材料及醫療器械產品不斷涌現。我國以醫用羥基磷灰石陶瓷材料為代表的系列骨誘導人工骨，羥基磷灰石涂層及具有骨腫瘤與骨質疏松治療功能的羥基磷灰石納米材料，用于先天性心臟病和冠心病治療的生物可吸收材料及器械，基于重組人源化膠原蛋白的心血管系統修復，骨科、牙科、皮膚科、婦產科等材料及器械產品，增材制造材料及產品等的研發，位列國際發展前沿。全面推進相關材料的研發及生產，開發系列化醫用產品，建立完整的監管體系，開展臨床應用技術研發及臨床應用推廣，保持我國原始創新產品的技術領先優勢及發展國際市場，搶占國際標準制高點，推動產品走向國際是面向未來發展的關鍵。

 

6. 生物基材料

 

生物基材料作為新興產業的重要組成部分獲得了廣泛關注。目前，在生物基材料領域，我國在原料、核心技術和產業發展等方面仍面臨諸多挑戰，與其他先進國家相比仍處于“跟跑”階段。生物材料產業面臨基礎關鍵技術和產業競爭力略顯不足、關鍵或重要產品的產業化程度不足、市場認可度偏低等挑戰。未來的發展重點是實現以淀粉糖等為原料的基礎化工產品的生物法生產與應用，推動生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物基聚酯酰胺、生物尼龍、生物基環氧樹脂、生物橡膠、生物基 / 質聚合物、生物基介電儲能材料、生物基材料助劑等生物基材料產業的鏈條化、集聚化、規模化發展。

 

7. 先進結構與復合材料

 

以國家重大需求為導向，以攻克關鍵核心技術、獲取自主知識產權和工程應用為目標，解決材料設計與結構調控的重大科學問題，突破結構與復合材料制備與應用瓶頸技術，實現先進結構與復合材料技術自主發展。發展基于跨尺度多維度結構調控的新型結構材料、高性能高分子及其復合材料、高溫耐蝕結構材料、輕質高強新材料、結構陶瓷及其復合材料、重大工程結構材料、增材制造材料并取得重大技術突破，材料微結構調控、超強韌化、極限化制備與服役等一批共性瓶頸技術達到世界先進水平；形成具有國際一流水平的先進結構與復合材料主干新材料研發和產業體系，結構與復合材料創新能力進入國際前列；重大裝備用的高端結構與復合材料能夠自主保障，戰略必爭領域關鍵核心結構材料實現自主可控。

 

8. 稀土材料

 

緊密圍繞國家戰略需求，結合未來智能機器人、智慧城市、深空 / 深海開發、大數據和人機交互等應用場景，重點開展工程化及產業化關鍵技術研究，著力突破稀土永磁材料、稀土發光材料、稀土催化材料、稀土晶體材料、高純稀土金屬及靶材等先進稀土功能材料的核心制備技術、智能生產裝備、專用檢測儀器及其應用技術；通過全產業鏈同步創新，推動先進成果的推廣實施，保障戰略性新興產業、國防軍工、智能制造等對關鍵材料的需求，最終實現高端應用稀土功能材料的自主供給；開展前沿基礎理論和實驗研究，通過科學問題的深入探究和積累，提出更多原創理論和原創發現，獲得一批稀土新材料和新應用原創性成果；實現我國從稀土大國向稀土強國的戰略性轉變，引領未來稀土科技和產業發展。

 

9. 超導材料

 

超導技術是21世紀具有戰略意義的高新技術，在能源、醫療、交通、科學研究及國防軍工等領域都有重要的應用價值和應用前景。通過“產學研用”聯合攻關，實現我國低溫超導材料產業的升級換代，突破高溫超導材料批量化制備關鍵技術，開發出面向電力、能源、醫療和國防應用的超導電工裝備，實現超導材料、超導強電和超導弱電產品的協同發展和規模化應用，總體達到國際先進水平，打造并形成基于超導材料及其應用技術的戰略性新興產業。

 

（二）面向未來產業布局的新材料

 

1. 原子制造技術

 

原子制造技術是以原子水平的量子物理為基礎、以原子級功能基元為核心，在物質極限層次開展的材料與器件的制造技術，將在邏輯、存儲、傳感、超導、催化、儲能及光電等領域催生重大應用，顯著促進多學科交叉融合和技術發展。未來將重點發展原子基元設計及其材料器件制造、分子基元設計及其微系統組裝制造、基元系統及大規模器件制造、原子量子態精確控制及其器件制造、原子制造的前沿新理論與新概念。

 

2. 硅基多材料體系融合集成

 

硅基集成光電子器件 / 模塊的重要研究方向為：搭建硅與先進光電材料的混合集成工藝平臺，充分發揮集成電路工藝的超大規模、超高精度制造特性，結合各類材料的光電特性優勢，實現高性能混合光電集成芯片制備技術突破。

 

3. 碳納米管微納電子材料

 

碳納米管載流子遷移率高，可應用于射頻器件的制造，提高射頻器件的截止頻率和最大振蕩頻率，有望應用于空間通信、高速無線電鏈路、車輛雷達和芯片間通信應用領域的耦合納米振蕩器。碳納米管耐彎曲的特性使其可應用于柔性、透明電子設備的制造，推動顯示設備性能提升。隨著技術的進步，碳基半導體的應用場景將日益多元化，未來碳納米管材料在微納電子領域應用還需聚焦碳納米管制備、器件穩定性、性能與集成度兼顧等問題，建立納電子器件用碳納米管材料標準、表征方法、工藝流程。

 

4. 超寬禁帶半導體材料

 

我國的超寬禁帶半導體材料正處于前沿研究階段，高品質、大尺寸襯底材料的制備是近期技術突破的重點；基于高品質襯底生長的外延材料將成為器件制備的基礎，攻克器件制備工藝的技術難點將為超寬禁帶半導體的廣泛應用提供可能。超寬禁帶半導體材料禁帶寬度大、單晶制備難度高、高效摻雜難度大、器件接觸性能調控難度高等一系列難題成為超寬禁帶半導體應用的阻力，為超寬禁帶半導體的發展帶來了重大的挑戰。今后還需重點發展高品質、大尺寸襯底材料制備能力，開發具有自主知識產權、穩定高效的單晶生長和加工技術，形成單晶生長、缺陷控制、襯底加工技術等超寬禁帶材料專利池，儲備相關技術人才，突破大尺寸、高性能單晶襯底產業化技術。

 

5. 超材料

 

典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等，已在光學、通信、國防等領域獲得應用；多種電磁超材料、力學超材料、聲學超材料、熱學超材料及基于超材料與常規材料融合的新型材料相繼出現，形成了新材料的重要增長點。面向未來產業發展，還應提前布局光學超透鏡技術、超材料電磁隱身技術、超材料天線技術及超材料全光開關技術，推動超材料減震技術研究及其在精密機械和重大工程中的應用，研發用于聲吶、噪聲抑制及聲學信息技術方面的新型超材料，用于熱能利用及轉換、熱管理等領域的新型超材料。

 

6. 液態金屬

 

液態金屬的應用基礎研究已發展成為當前備受國際廣泛關注的重大科技前沿和熱點，為眾多行業帶來了顛覆性解決方案和實現手段，為能源、熱控、電子信息、先進制造、國防軍事、柔性智能機器人以及生物醫療健康等領域技術的發展帶來變革。未來，該領域還需重點發展液態金屬電子漿料、液態金屬熱界面材料、液態金屬相變材料、液態金屬導電膠、液態金屬磁流體、液態金屬低溫焊料等功能材料；研發液態金屬腫瘤血管栓塞制劑及治療技術、液態金屬神經連接與修復技術、液態金屬高分辨血管造影術、液態金屬內外骨骼技術與注射電子學、液態金屬皮膚電子技術、堿金屬流體腫瘤消融治療技術等前沿醫療技術，以及系列創新醫療器械產品。

 

7. 高熵合金

 

高熵合金打破了傳統合金以混合焓為主的設計理念，為新材料的研發打開了一個廣闊的成分設計空間。高熵合金可在國防、航空、航天等多個關鍵領域得到應用，開發并推廣具有自主知識產權的高熵合金新材料具有重大戰略意義。高熵合金發展的重點包括輕質高熵合金、耐高溫難熔高熵合金、耐腐蝕高熵合金、耐輻照高熵合金、生物醫用高熵合金、共晶高熵合金、耐磨高熵合金、儲氫高熵合金、催化高熵合金、軟磁高熵合金等。面向未來應用場景和具有潛力的重點應用方向，開展實際應用驗證；針對國防裝備應用、航空、航天等極端環境條件下服役需求，研制特種高性能高熵合金；開發用于寬溫域工況條件下的綜合性能優異的新型裝備高熵合金結構材料，實現高熵合金國際戰略引領。

 

五、對策建議

 

培育并發展新興產業和未來產業需要的新材料產業是把握世界科技發展趨勢，瞄準產業發展的長期方向，推動制造業朝著智能化、數字化、生態化、國際化方向發展的重要路徑，是實現高水平科技自立自強的重要基礎。在明確新興產業和未來產業對新材料發展需求的基礎上，應用產業生態系統思維，加快提升新材料產業基礎技術水平、產業鏈現代化水平，充分發揮新型舉國體制的制度優勢和超大規模市場優勢，堅持應用牽引、問題導向，堅持政府引導和市場機制相結合，堅持獨立自主和開放合作相促進，推進新材料產業高質量發展。

 

（一）著力筑牢新材料產業發展根基

 

一是加強新材料產業基礎設施建設，加快新材料重大基礎設施、共性技術平臺、檢驗檢測、質量認證等的發展。二是加強新材料核心技術攻關，形成以材料基礎研究帶動新材料應用技術突破、以技術引領產業發展、以產業推動技術創新的良性循環。三是加強新材料專業人才培養，深入推進產教融合，建立一批專業人才培養基地，同時優化高校專業設置，加強未來產業中新材料領域的學科建設。

 

（二）著力提升新材料產業鏈水平

 

一是培育壯大一批新興產業和未來產業需要的新材料企業。推動新材料產業集群化、生態化、融合化發展，在新材料產業領域率先培育形成一批面向未來產業生態的主導型企業。二是構建自主創新、安全高效的新材料產業鏈體系。針對我國新材料產業鏈、供應鏈發展中存在的短板問題，扎實推進穩鏈、補鏈、強鏈工作，著力構建以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局。三是深化國內外新材料產業鏈的融合發展。破除深度融入全球產業鏈的體制性和機制性障礙，實現新材料產業“走出去”“引進來”有機結合。

 

（三）營造良好的產業發展生態環境

 

一是統籌發揮新型舉國體制和市場機制的作用。堅持自主創新、協同創新、開放創新，抓大放小，聚焦新材料產業的關鍵環節、關鍵領域、關鍵產品，避免“碎片化”發展導致領軍人才分散、生產線重復建設、資源浪費。二是利用體制上的協同優勢，聯合新材料生產企業與應用企業，加速新材料技術迭代，滿足器件、整機持續提升性能的需求。三是成立新材料科技基金，聯合社會、政府、企業對投資大、周期長的材料產業鏈進行持續投入，培育一批面向新興產業和未來產業的新材料“高精特新”企業。

 

（四）完善產業發展配套政策

 

一是加快和完善有利于推動新材料產業技術進步的政策與法規體系，制定面向新興產業和未來產業亟需發展的新材料產業發展指導目錄和投資指南，防止出現“投資碎片化”。二是引導金融資源配置，為涉及新興產業和未來產業的新材料重點領域提供長期、穩定、充足的資金來源，發揮政府股權投資引導基金的引導作用，健全從新材料實驗研究、中試到生產全過程的科技創新融資模式。三是持續擴大新材料“首批次”保險補償機制，解決“好材不敢用”的后顧之憂。

 

作者：趙鴻濱，周旗鋼，李志輝，李騰飛，屠海令；來源：中國工程院院刊