全球新材料未來發(fā)展重點分析

◎ 中國新材料產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書處

全球新材料未來發(fā)展重點分析

◎ 中國新材料產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書處

材料一直被視為科技的“成就者”。沒有硅就沒有所謂的信息時代，沒有功能陶瓷就不可能有手機，沒有高強鋁合金何來商用航空，沒有鋼筋混泥土又何談高樓大廈。

全球新材料發(fā)展趨勢

在過去、現(xiàn)在及未來，材料在人類生活中舉足輕重。美國蘭德公司發(fā)表的題為《2020年的全球技術革命》研究報告中介紹了未來15年內(nèi)（至2020年）新材料技術領域的發(fā)展趨勢及重點，主要為智能材料、生物材料、納米功能材料、纖維及復合材料及有機電子材料，其中智能材料主要包括壓電材料、磁致伸縮材料和形狀記憶材料，而生物材料則包括組織工程材料、骨骼生長與修復材料、替代血液的聚合物材料及超分子材料。

全球材料技術總體發(fā)展呈現(xiàn)出如下趨勢：

1. 材料制備與應用向低維化、微納化、人工結(jié)構發(fā)展，材料結(jié)構功能一體化、功能材料智能化、材料與器件集成化加快了材料的應用速度、增加了可應用的材料品種。

2. 材料創(chuàng)新性集成計算方法與數(shù)據(jù)庫，高通量設計及其制備，多場跨尺度材料微觀結(jié)構與宏觀性能預測技術大大推動了材料研發(fā)速度。

3. 學科交叉融合加劇，在材料創(chuàng)新中作用越來越重要。

4. 材料研發(fā)向更加惠及民生方向發(fā)展。如組織修復與替代材料、納米生物探針和檢測技術、藥物控制釋放和靶向治療材料、組織工程支架材料、介入診斷和治療材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官等都逐漸成為研究熱點。為了應對全球氣候變化和能源緊缺，納米鋰電池材料、有機無機雜化太陽能電池、量子點太陽能電池、新型儲氫材料、燃料電池材料、相變儲能材料和熱電材料等新能源材料在實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化、儲存和利用以及發(fā)展新能源技術起到的關鍵作用。

世界各國新材料發(fā)展重點

世界各國也將新材料的發(fā)展作為重中之重，美國、日本、歐盟、德國、韓國、英國、俄羅斯等都相繼出臺相關政策及發(fā)展規(guī)劃來支持新材料的發(fā)展。

（一）美國新材料發(fā)展重點

美國政府發(fā)布《科學與國家利益》《技術與國家利益》等系列報告，提出“面向21世紀的科技發(fā)展戰(zhàn)略”，實施了國家納米技術計劃、光電子計劃、NSF先進材料與工藝工程計劃、2011關鍵材料戰(zhàn)略、材料“基因組”計劃等科技計劃，重點支持納米材料、信息材料、光電材料、極端環(huán)境材料、材料計算科學以及生物材料等。

其中材料“基因組”計劃要實現(xiàn)材料領域發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，把新材料研發(fā)和應用的速度從目前的10～20年縮短為5～10年。它試圖揭示物質(zhì)構成、不同元素排列與材料功能之間關系，進而實現(xiàn)有目的設計新材料的科學工程，有著更強烈的實用和需求背景，也是美國為保持其在先進材料及高端制造業(yè)領域領先地位的一大舉措。該計劃的目標是面向國家安全、面向人類健康與福祉、面向清潔能源以及培養(yǎng)下一代勞動力（見表1），公布了9大材料類別（生物材料、催化劑、聚合物復合材料、關聯(lián)材料、電子和光子材料、儲能材料系統(tǒng)、輕質(zhì)結(jié)構材料、有機電子材料、聚合物）研究領域下的63個重點方向，其中樹脂基復合材料、關聯(lián)材料、電子和光子材料、儲能材料以及輕質(zhì)結(jié)構材料這5類材料涉及到的37個重點方向?qū)野踩绊懼卮蟆Ｔ诓牧匣蚪M計劃出臺兩周年紀念日，基于計劃的初期成果及對計劃的認識，美國政府及一系列私營部門伙伴又宣布了新的舉措：國家標準及技術研究院成立新的卓越中心以支持材料基因組計劃、大學創(chuàng)立材料創(chuàng)新加速器網(wǎng)、建立公共-私營部門協(xié)作以推動材料快速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、數(shù)百萬材料數(shù)據(jù)公開發(fā)布、實行聚焦于新材料創(chuàng)新及商業(yè)化的教育新舉措。

2014年2月28日，美國政府公布了2014年國家納米技術項目（NNI）戰(zhàn)略計劃，由國家科技委員會小組委員會就納米科學、工程與技術的發(fā)展制定該計劃。本計劃更新和替換2011 年2月發(fā)布的NNI戰(zhàn)略計劃。NNI的目標是在未來有能力去理解和控制納米尺度上的物質(zhì)，為促進社會發(fā)展，帶來一場技術和產(chǎn)業(yè)革命。NNI加快了納米科學、工程和技術的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和部署，通過一個協(xié)同研究和發(fā)展的項目，協(xié)調(diào)與參與機構的任務，服務公共利益。為實現(xiàn)這一大目標，NNI列出了四個具體目標：1）推進一個世界級的納米技術研究和發(fā)展項目；2）促進新技術向商業(yè)產(chǎn)品和公用產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移；3）發(fā)展和維持推動納米技術發(fā)展的教育資源，熟練勞動力，動態(tài)基礎設施和工具；4）支持納米技術的可靠發(fā)展。

奧巴馬政府在第一任期提出振興美國制造業(yè)的目標，作為技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐，在2012年進一步提出了建立“15個制造業(yè)創(chuàng)新中心”的計劃。目前已成立四家中心，分別為3D增材制造中心、數(shù)字制造與設計創(chuàng)新中心、輕量級現(xiàn)代金屬制造中心、基于寬禁帶半導體技術的新一代電子電力制造中心，另有先進復合材料制造創(chuàng)新機構、集成光子器件制造創(chuàng)新機構、柔性混合電子器件創(chuàng)新機構、智能制造創(chuàng)新機構等4家創(chuàng)新機構展開競標。從以上的創(chuàng)新中心及創(chuàng)新機構可見，材料創(chuàng)新被擺在了一個極為重要的地位，同時所關注的材料也相當務實，如輕質(zhì)合金、復合材料及半導體材料已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中有了較為成熟的應用，只是仍然存在著技術上的難題，阻礙了它們的更大范圍的應用。在這些領域發(fā)力，比之在一些前沿新材料上，可能更有成效。而先進材料是先進制造的基礎，發(fā)展輕型材料的低成本生產(chǎn)方法，如低成本的碳纖維復合材料，其應用將有效提高下一代汽車、飛機、船舶和列車的燃料使用效率、性能和耐腐蝕性；其他例子還包括大型太陽能發(fā)電或下一代集成電路所需新型材料的研發(fā)。

（二）日本新材料發(fā)展重點

日本提出了“科學技術基本計劃”、“元素戰(zhàn)略計劃”、“納米電子功能技術構建”和先進材料技術計劃。重點支持納米材料、能源材料、資源替代材料、電子信息材料等方向。而AIST在2014年推出的戰(zhàn)略規(guī)劃中新設了三個研究中心，其中一個為綠色磁性材料研究中心，著重于開發(fā)不使用重稀土元素的永久磁鐵等，開發(fā)項目大致有以下三個：無重稀土類元素的體塊永久磁石、使用磁冷凍材料的新冷凍系統(tǒng)、旨在解決資源問題及環(huán)境問題的新磁性材料。2014年2月，日本最大碳纖維供應商東麗公司宣布其制定中遠期碳纖維“計劃AP-G 2016”，作為正在進行的“AP-G 2013計劃”的繼續(xù)，旨在通過“創(chuàng)新和激進的管理”實現(xiàn)碳纖維的快速發(fā)展。

材料基因組計劃研究目標

（三）歐盟新材料發(fā)展重點

歐盟材料發(fā)展戰(zhàn)略目標是有盡可能多的新材料技術成為世界第一。出臺歐盟框架計劃、歐洲地平線2020規(guī)劃、歐洲先進工程材料與技術平臺計劃等，重點支持光學材料與光電材料、納米材料、超導材料、生物醫(yī)學材料、復合材料、磁性材料以及催化材料等。2014年2月初，歐盟發(fā)布了石墨烯旗艦計劃首份招標公告和科技路線圖，介紹了擬資助的研究課題和支持課題，以及根據(jù)領域劃分的工作任務，每項課題都涉及多項工作任務。根據(jù)路線圖，石墨烯旗艦計劃將分初始熱身階段和穩(wěn)定階段兩部分進行。主要包括以下3個重點研究方向：新興傳感技術與生物學的融合、面向射頻應用的無源組件、高頻電子學。2014年9月，歐洲空間局聯(lián)合一些知名研究機構和超過180家歐洲公司，于在倫敦科學博物館正式啟動名為“歐洲冶金”計劃的研究，旨在發(fā)展21世紀新型金屬及其制造技術，參與該計劃的大型公司有：空客、羅羅、西門子、BAE系統(tǒng)公司等。“歐洲冶金”計劃將圍繞13個主題開展研究，包括用于空間和核系統(tǒng)的新型耐熱合金、基于超導合金的高效電源線、可將廢熱轉(zhuǎn)化為電的熱電材料、生產(chǎn)塑料和藥物的新型催化劑、用于醫(yī)療移植的生物相容性金屬，以及高強度的磁系統(tǒng)等。

材料基因組計劃研究目標

德國聯(lián)邦教研部實行了MatFo、MatTech和WING三個材料規(guī)劃。支持新材料開發(fā)與應用研究。制定了"納米倡議-行動計劃2010”與“納米技術行動計劃2015”，支持納米材料與納米技術領域的創(chuàng)新發(fā)展。2013年，德國在高技術戰(zhàn)略“電動汽車領域關鍵技術”專項的統(tǒng)籌下，開發(fā)稀土材料循環(huán)利用關鍵技術。如報廢電機內(nèi)永磁體部件的拆解、修復及循環(huán)使用技術，永磁體內(nèi)稀土元素的回收技術，適應循環(huán)使用電機的設計技術，生產(chǎn)過程的經(jīng)濟與環(huán)境影響控制等。為提高能源和資源的利用率，液態(tài)金屬研究也在德國受到更多重視。2013年，由亥姆霍茲德累斯頓研究中心牽頭的液態(tài)金屬研究聯(lián)盟在德國成立。液態(tài)金屬可用于新型液態(tài)金屬電池儲能、零排放氫生產(chǎn)、或是制造太陽能電池，因而被納入未來技術的行列。納米研究方面：2013年，德國聯(lián)邦環(huán)境部、德國聯(lián)邦職業(yè)與健康安全研究所與巴斯夫研究所聯(lián)合啟動實施了《納米材料安全性》長期研究項目。目標就是要了解各類重要納米材料可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生的長期影響，特別是在低劑量情況下對工作場所和居住環(huán)境的長期影響

英國提出“先進材料戰(zhàn)略” “英國復合材料戰(zhàn)略”等，重點支持高性能結(jié)構材料、功能材料、復合材料和生物材料。

（四）俄羅斯新材料發(fā)展重點

俄羅斯制定了2030年材料發(fā)展戰(zhàn)略，2014年1月開始，該戰(zhàn)略的重點材料發(fā)展方向相繼公布，主要有18個戰(zhàn)略發(fā)展方向，包括智能材料、金屬間材料、高溫金屬材料、聚合物材料、納米結(jié)構復合材料和涂層等等，戰(zhàn)略本身將附帶10個主要計劃。在18個戰(zhàn)略發(fā)展方向中約80%的方向與發(fā)動機研制和現(xiàn)代化有關，主要有以下5個方面：單晶耐高溫合金發(fā)動機葉片、自組織納米復合材料涂層、高梯度定向結(jié)晶技術、真空熔煉技術、發(fā)動機材料與國際標準接軌。

（五）韓國新材料發(fā)展重點

韓國新材料發(fā)展戰(zhàn)略是繼美國、日本、德國之后，成為世界新材料產(chǎn)業(yè)的強國。其“科技發(fā)展長遠規(guī)劃-2025年構想”中把新材料作為確保2025年國家競爭力的6項核心技術之一，重點研究“下一代高密度存儲材料、生態(tài)材料、生物材料、納米材料技術、未來碳材料技術等”。