制造業(yè)振興中的新材料發(fā)展研究

江洪 許露

制造業(yè)在各國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中都占有重要地位，不僅在發(fā)展中國(guó)家的重要性與日俱增，且對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家而言也至關(guān)重要。國(guó)家制造業(yè)的興衰已經(jīng)成為大國(guó)興衰的標(biāo)志。美國(guó)作為世界頭號(hào)大國(guó)正以技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)為引領(lǐng)，開(kāi)始新的制造業(yè)振興計(jì)劃，而制造業(yè)也成為了美國(guó)是通過(guò)國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃來(lái)推動(dòng)發(fā)展的下一個(gè)目標(biāo)；德國(guó)“工業(yè)4.0”是對(duì)制造業(yè)歷史傳統(tǒng)的總結(jié)升華及創(chuàng)新，該計(jì)劃將當(dāng)今世界視為由第三次工業(yè)革命向第四次工業(yè)革命的過(guò)渡時(shí)期，應(yīng)將傳統(tǒng)的制造業(yè)與數(shù)字信息技術(shù)相結(jié)合發(fā)展。

新材料產(chǎn)品具有資本密集、技術(shù)密集、附加值高等特性，在國(guó)家產(chǎn)業(yè)升級(jí)、技術(shù)進(jìn)步中起著關(guān)鍵性的作用，其研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展，科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志，也是各國(guó)搶占全球技術(shù)領(lǐng)先地位的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

一、世界制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的制造業(yè)發(fā)展計(jì)劃

1.制造業(yè)振興為核心的美國(guó)計(jì)劃

歷屆美國(guó)總統(tǒng)親自主持的國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃都是領(lǐng)導(dǎo)世界技術(shù)發(fā)展，保持美國(guó)霸主地位的重要舉措。從20世紀(jì)40年代的“曼哈頓計(jì)劃”、80年代的“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”到90年代初的“信息高速公路”計(jì)劃以及“911”事件后提出的“導(dǎo)彈防御計(jì)劃”，美國(guó)這一系列戰(zhàn)略計(jì)劃的目標(biāo)非常明確，即由政府構(gòu)筑國(guó)家科技力量的宏觀藍(lán)圖，憑借日新月異的高新科學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其軍事、科技、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的全面發(fā)展，這些計(jì)劃的實(shí)施都為美國(guó)發(fā)展高新技術(shù)，占據(jù)全球政治經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先地位奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)前，制造業(yè)也成為美國(guó)政府重點(diǎn)關(guān)注的產(chǎn)業(yè)之一。2010年8月，美國(guó)政府提出了《制造業(yè)促進(jìn)法案》，以期推動(dòng)美國(guó)制造業(yè)重返鼎盛時(shí)期的狀態(tài)，繁榮就業(yè)市場(chǎng)，增強(qiáng)國(guó)家制造業(yè)整體實(shí)力。2011年6月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)《先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃（AMP）》，聚合政府、高校及企業(yè)為美國(guó)制造業(yè)中新興技術(shù)的發(fā)展?fàn)I造有利的外部環(huán)境，該計(jì)劃主要由國(guó)家安全、先進(jìn)材料、工業(yè)機(jī)器人、制造工藝4個(gè)方面的子計(jì)劃構(gòu)成，旨在提升美國(guó)全球競(jìng)爭(zhēng)力[1]；2012年7月發(fā)布的《總統(tǒng)美國(guó)制造業(yè)復(fù)興計(jì)劃》則構(gòu)建出制造業(yè)振興的系統(tǒng)政策框架；2014年6月，美國(guó)白宮國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)發(fā)布了題為《美國(guó)制造：美國(guó)制造業(yè)創(chuàng)業(yè)與創(chuàng)新》的報(bào)告，報(bào)告就一些對(duì)整個(gè)制造業(yè)產(chǎn)生重要影響的新技術(shù)如何降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，并使企業(yè)家和制造商更為便捷地將新思想融入美國(guó)制造的產(chǎn)品中進(jìn)行了闡述。這些新技術(shù)已經(jīng)具有了一定的影響，其促使制造業(yè)創(chuàng)業(yè)增長(zhǎng)速度達(dá)到了20年來(lái)的最高值[2]。2014年9月15日，由美國(guó)眾議院修改通過(guò)了《振興美國(guó)制造業(yè)和創(chuàng)新法案2014》，對(duì)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）法案》進(jìn)行修改，授權(quán)商務(wù)部部長(zhǎng)在NIST框架下實(shí)施制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，在全國(guó)范圍內(nèi)建立制造業(yè)創(chuàng)新中心（Centers for Manufacturing Innovation，CMIs）。該法案強(qiáng)調(diào)了制造業(yè)創(chuàng)新中心重點(diǎn)關(guān)注納米技術(shù)、先進(jìn)陶瓷、光子及光學(xué)器件、復(fù)合材料、生物基和先進(jìn)材料、混動(dòng)技術(shù)、微電子器件工具開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域；并將現(xiàn)有的制造業(yè)擴(kuò)展伙伴關(guān)系（MEP）計(jì)劃納入到制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃中，確保中小企業(yè)參與其中；同時(shí)修改《美國(guó)2010年競(jìng)爭(zhēng)力再授權(quán)法案》，要求國(guó)家科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)下的技術(shù)委員會(huì)（Committee on Technology）與國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)合作制定和修訂制造業(yè)戰(zhàn)略計(jì)劃，提升政府協(xié)同能力，對(duì)聯(lián)邦計(jì)劃提供遠(yuǎn)期指南，以提升美國(guó)制造競(jìng)爭(zhēng)力。

2.德國(guó)“工業(yè)4.0”計(jì)劃

“工業(yè)4.0”的核心是通過(guò)信息物理系統(tǒng)（CPS）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將制造智能化，未來(lái)的智能工廠將自動(dòng)生產(chǎn)智能產(chǎn)品。憑借CPS平臺(tái)的人機(jī)交互接口，計(jì)算、通信、控制技術(shù)三者有機(jī)融合，并能協(xié)同工作，從而通過(guò)“人工智能”完成原來(lái)由人類控制的生產(chǎn)活動(dòng)。同時(shí)可以隨時(shí)定位這些智能產(chǎn)品，以及獲知這些產(chǎn)品的歷史信息，并發(fā)送指令給產(chǎn)品來(lái)完成下一步工作[3]。

“工業(yè)4.0”計(jì)劃站在技術(shù)創(chuàng)新的角度，指出德國(guó)制造商要不斷集成新興技術(shù)，提供世界領(lǐng)先的技術(shù)解決方案給相應(yīng)的制造企業(yè)，并能成功占據(jù)“工業(yè)4.0”產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)商、生廠商和市場(chǎng)先導(dǎo)的優(yōu)勢(shì)地位[4]。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須加大研發(fā)力度，使得德國(guó)在CPS領(lǐng)域的應(yīng)用研究一直處于技術(shù)領(lǐng)先地位；必須構(gòu)建一套適用于“工業(yè)4.0”時(shí)代的商業(yè)模式，形成完整的創(chuàng)新價(jià)值鏈網(wǎng)；還必須協(xié)同各方力量，共同致力于實(shí)現(xiàn)研發(fā)、應(yīng)用、培訓(xùn)集成的社會(huì)系統(tǒng)。另一方面，該計(jì)劃最與眾不同之處，就是體現(xiàn)在它通過(guò)CPS系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制、遠(yuǎn)程協(xié)作等功能，實(shí)現(xiàn)了“人-人”、“人-機(jī)”、“機(jī)-機(jī)”以及“服務(wù)-服務(wù)”之間的交互連接，集成了CPS智能網(wǎng)絡(luò)中的橫向、縱向價(jià)值鏈網(wǎng)[5]。而該集成價(jià)值鏈也正基于當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境不斷完善，“工業(yè)4.0”目前所面臨的問(wèn)題則是信息傳送的規(guī)模更大、信息流通的安全性以及生產(chǎn)柔性等。

“工業(yè)4.0”計(jì)劃構(gòu)想了制造業(yè)的未來(lái)前景，即基于物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的集成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工廠的智能化，并能制造出相應(yīng)的智能產(chǎn)品來(lái)滿足顧客的個(gè)性化需求。雖然有人認(rèn)為“工業(yè)4.0”計(jì)劃實(shí)際上為第4次工業(yè)革命，但其自身定位卻是傳統(tǒng)制造系統(tǒng)與先進(jìn)技術(shù)的有機(jī)融合，其更加強(qiáng)調(diào)要將先進(jìn)技術(shù)逐步融入當(dāng)前制造業(yè)中并非一蹴而就?？梢哉f(shuō)，“工業(yè)4.0”的實(shí)現(xiàn)方式具有先見(jiàn)性和可控性的特點(diǎn)。根據(jù)這2個(gè)特點(diǎn)，各國(guó)可以在復(fù)雜的政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境中按照自身國(guó)情掌握合適的變革力度與速度，來(lái)發(fā)展實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”，這也是“工業(yè)4.0”受到世界廣泛關(guān)注的關(guān)鍵原因之一。

3.新一代制造業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)思維

無(wú)論是美國(guó)制造業(yè)的振興計(jì)劃，還是德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃，Web 2.0時(shí)代下的互聯(lián)網(wǎng)思維都對(duì)這些計(jì)劃產(chǎn)生了深刻的影響。這些滲透了互聯(lián)網(wǎng)思維的計(jì)劃，旨在從戰(zhàn)略、業(yè)務(wù)、組織3個(gè)角度來(lái)評(píng)估現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的完善程度，并分析解讀“供、研、產(chǎn)、銷”各個(gè)子鏈條的對(duì)接融合，以期能打破原有的價(jià)值鏈壁壘，形成互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下產(chǎn)業(yè)“價(jià)值環(huán)”。

該“價(jià)值環(huán)”強(qiáng)調(diào)：①智能化是未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的核心。互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，人與人之間、人與機(jī)器之間甚至機(jī)器與機(jī)器之間的互聯(lián)互通，智能化控制都是當(dāng)前用戶的潛在需求，以用戶需求為主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)智能化是必要的。②重視技術(shù)發(fā)展，但更應(yīng)重視系統(tǒng)配套?；ヂ?lián)網(wǎng)環(huán)境中的各個(gè)主體都是相互連接、相互影響，在傳統(tǒng)制造業(yè)中融入尖端技術(shù)勢(shì)必會(huì)深刻影響到制造業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，因而在發(fā)展高新技術(shù)的同時(shí)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展也應(yīng)該全面跟進(jìn)。③關(guān)注人的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)在新的“人-技術(shù)”和“人-環(huán)境”體系中，提高人的能力?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代下機(jī)器扮演著十分重要的角色，但這并不意味著人力資源力量的削弱；相反，互聯(lián)網(wǎng)思維強(qiáng)調(diào)要充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，憑借人類智慧不斷推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。

二、制造業(yè)中的新材料調(diào)整

在互聯(lián)網(wǎng)思維下新材料產(chǎn)業(yè)也需要置身于當(dāng)前的時(shí)代環(huán)境中不斷調(diào)整自己所在的位置，從而融入到以互聯(lián)網(wǎng)為核心的制造業(yè)大發(fā)展中。作為制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有新材料問(wèn)題的解決，先進(jìn)制造業(yè)也難以從工業(yè)3.0時(shí)代進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，難以成為振興國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)。

1.新一代信息技術(shù)成為制造業(yè)中材料領(lǐng)域研究的核心

無(wú)論是美國(guó)的制造業(yè)振興計(jì)劃還是德國(guó)的“工業(yè)4.0”，都是圍繞對(duì)人類認(rèn)知技術(shù)和信息技術(shù)的提升發(fā)展而設(shè)計(jì)的，而信息技術(shù)也成為了這樣一個(gè)新型的基于互聯(lián)網(wǎng)思維制造業(yè)發(fā)展的重要基石。

（1）新一代信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈及其材料分析

《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中指出：新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)著力加快建設(shè)寬帶、泛在、融合、安全的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，推動(dòng)新一代移動(dòng)通信、下一代互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備和智能終端的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，加快推進(jìn)3網(wǎng)融合，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的研發(fā)和示范應(yīng)用；并著力發(fā)展集成電路、新型顯示、高端軟件、高端服務(wù)器等核心基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[6]。綜上可知，發(fā)展新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)要不斷完善產(chǎn)業(yè)鏈，注重整個(gè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)，重點(diǎn)則放在發(fā)展下一代互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、新型平板顯示、高性能集成電路、云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，而其中核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品等領(lǐng)域在新一代信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有重要地位，一些新材料也將會(huì)從上述領(lǐng)域中產(chǎn)生或被應(yīng)用于上述領(lǐng)域（表1）。

根據(jù)表1中新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈及其相關(guān)材料的總結(jié)歸納，不難發(fā)現(xiàn)芯片材料、光電材料是當(dāng)前信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)內(nèi)的主要關(guān)鍵材料。而芯片材料又可細(xì)分為單晶材料、石墨烯材料、高k金屬柵極材料、感光樹(shù)脂材料、金屬氧化物薄膜材料、應(yīng)變硅材料等等；光電材料可細(xì)分為低維半導(dǎo)體材料、稀磁半導(dǎo)體材料、激光材料等等。上述新材料不僅是實(shí)行相關(guān)高新技術(shù)的奠基石，也是支撐信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。

（2）信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中新材料技術(shù)瓶頸分析

根據(jù)《國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖2010修訂版》可知，國(guó)際上已開(kāi)始對(duì)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）按比例縮小的理論極限問(wèn)題開(kāi)展研究。諸如高k金屬柵極材料的使用與抑制由于帶隙變窄引起的隧穿電流的問(wèn)題；合成/過(guò)渡金屬氧化物阻性單元；III-V族溝道材料與硅（Si）之間的工藝整合等問(wèn)題亟待解決，具體瓶頸問(wèn)題如表2所示。

2.高端裝備制造業(yè)中的材料領(lǐng)域研究成為新材料領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)

裝備制造業(yè)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單再生產(chǎn)和擴(kuò)大再生產(chǎn)提供生產(chǎn)技術(shù)裝備的工業(yè)的總稱，即“生產(chǎn)機(jī)器的機(jī)器制造業(yè)”，該行業(yè)為國(guó)家各行各業(yè)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。高端裝備制造業(yè)，顧名思義，即為裝備制造業(yè)價(jià)值鏈中的高端環(huán)節(jié)，具有技術(shù)密集、附加值高、成長(zhǎng)空間大、帶動(dòng)作用強(qiáng)等突出特點(diǎn)，是裝備制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。

高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)主要集中于航空裝備、衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)、軌道交通、海洋工程裝備、智能制造裝備這5個(gè)方面[7]。高端裝備制造業(yè)中也相應(yīng)涉及到了該5大領(lǐng)域內(nèi)的大量的新材料及新技術(shù)（表3），這些關(guān)鍵新材料以及新技術(shù)是不斷推進(jìn)高端裝備制造業(yè)發(fā)展的力量之源。

三、在制造業(yè)振興中的新材料發(fā)展

美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家作為全球新材料研發(fā)生產(chǎn)的中堅(jiān)力量，除了不斷加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)材料的改造，也紛紛依據(jù)自身國(guó)情制定了相應(yīng)的新材料發(fā)展計(jì)劃。我國(guó)也緊跟世界的步伐，大力發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)。預(yù)計(jì)到今年，我國(guó)的新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到2萬(wàn)億元，年均增長(zhǎng)率超25%，政府將大力度培育出一批骨干企業(yè)、扶持出一批產(chǎn)業(yè)基地，關(guān)鍵新材料領(lǐng)域的占比將達(dá)到50%以上[8]。由于新材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)導(dǎo)向性特點(diǎn)，該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)內(nèi)的技術(shù)水平和規(guī)模大小息息相關(guān)，因而政府與高新技術(shù)企業(yè)協(xié)同對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展給予支持很有必要。

2015年，我國(guó)政府提出了“中國(guó)制造2025”行動(dòng)計(jì)劃綱領(lǐng)，必須加大結(jié)構(gòu)性改革力度，加快實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，改造傳統(tǒng)引擎，打造新引擎，才能推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。而在改良傳統(tǒng)制造業(yè)向創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展的道路中，新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展尤為關(guān)鍵，我國(guó)必須把握新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，才能真正為制造業(yè)振興打好基石，即鼓勵(lì)多學(xué)科交叉性及部門(mén)參與發(fā)展新材料；進(jìn)一步融合、完善新材料產(chǎn)業(yè)鏈；由軍事需求向經(jīng)濟(jì)需求轉(zhuǎn)變來(lái)推動(dòng)新材料發(fā)展；推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)向多功能、智能化方向發(fā)展；努力促進(jìn)資源環(huán)境與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)。

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