化工、冶金與材料領(lǐng)域顛覆性技術(shù)影響初探

“化工、冶金與材料領(lǐng)域”課題組

一、前言

能源、糧食和材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，化工、冶金和材料領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步有力保障了人類文明的演進(jìn)。石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代，均以材料的特性與應(yīng)用特征作為時(shí)代劃分的標(biāo)志?，F(xiàn)代種類繁多的材料已成為人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。各種化肥、農(nóng)藥、化纖織物增加了食品、衣服供應(yīng)，滿足了不斷增長(zhǎng)的人口的需求，各種油品為現(xiàn)代交通工具提供了充足的動(dòng)力?；?、冶金工業(yè)是生產(chǎn)制造和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的中流砥柱，是國(guó)家生存和發(fā)展的保障[1]。

化工、冶金與材料工業(yè)通過(guò)獲取自然資源進(jìn)行化學(xué)和物理加工，生產(chǎn)滿足人類幸福生活必要的多樣化的材料、化學(xué)品和二次能源。但是，由于認(rèn)知的不足、技術(shù)的局限和短期利益的推動(dòng)，也存在資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和浪費(fèi)，帶來(lái)了環(huán)境的污染和二氧化碳過(guò)度排放。隨著科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步和認(rèn)知的不斷深化，人們開(kāi)始重視社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，要求加工自然資源的化工、冶金與材料工業(yè)大力推進(jìn)科技進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。過(guò)去的幾十年，我國(guó)在化工、冶金與材料領(lǐng)域取得了巨大成就，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但是我們與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距，要迎頭趕上，就必須另辟蹊徑。研究顛覆性技術(shù)時(shí)不我待，敏銳地識(shí)別、捕獲和培育那些對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、對(duì)國(guó)防和軍工建設(shè)具有戰(zhàn)略影響的顛覆性技術(shù)，有利于搶占新科技變革的戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)，奠定國(guó)家在世界競(jìng)爭(zhēng)格局中的優(yōu)勢(shì)地位。根據(jù)這個(gè)要求，筆者梳理了化工、冶金與材料領(lǐng)域曾產(chǎn)生的顛覆性技術(shù)和帶來(lái)的影響，研究了顛覆性技術(shù)產(chǎn)生與發(fā)展的背景和條件。根據(jù)愿景驅(qū)動(dòng)、問(wèn)題導(dǎo)向及世界的技術(shù)動(dòng)向，提出了化工、冶金與材料工程領(lǐng)域未來(lái)顛覆性技術(shù)的發(fā)展方向，確定了未來(lái)可能引發(fā)的顛覆性技術(shù)。

二、化工、冶金與材料領(lǐng)域曾產(chǎn)生的顛覆性技術(shù)和所帶來(lái)的影響

歷史上化工、冶金與材料工程領(lǐng)域所產(chǎn)生的顛覆性技術(shù)，不僅顛覆了本領(lǐng)域傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝技術(shù)，而且對(duì)其他領(lǐng)域以及人類生活均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

（一）化工領(lǐng)域

化工領(lǐng)域顛覆性技術(shù)集中涌現(xiàn)于19世紀(jì)中葉至20世紀(jì)中葉，這一時(shí)期經(jīng)歷了人類歷史上的第二次工業(yè)革命和兩次世界大戰(zhàn)。在此期間，人口迅速增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步提速，人類生活方式發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變等，成為顛覆性技術(shù)從萌芽到現(xiàn)實(shí)的重要推動(dòng)器。作為第二次工業(yè)革命科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重要領(lǐng)域，石油化工工業(yè)為社會(huì)發(fā)展提供物質(zhì)和能源基礎(chǔ)，與人們的衣食住行息息相關(guān)，對(duì)社會(huì)發(fā)展和人類生活至今還有著重要的影響。顛覆性技術(shù)的誕生一方面極大滿足了社會(huì)發(fā)展對(duì)石油化工技術(shù)和產(chǎn)品的需求，對(duì)改善人們的生活方式和提高生活質(zhì)量起到了積極作用；另一方面化工領(lǐng)域顛覆性技術(shù)依靠全新的發(fā)展軌道展現(xiàn)出巨大的突破性和影響力，引導(dǎo)出了眾多的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，為人類社會(huì)創(chuàng)造出空前的生產(chǎn)力[2]。

1. 改變了人們的生活方式，推動(dòng)了社會(huì)文明進(jìn)步

改變了人類的出行方式。催化裂化等技術(shù)的誕生滿足了汽車工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)和戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)汽油、柴油、航煤等燃料的需求。通過(guò)不斷的技術(shù)進(jìn)步，逐漸提高其經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品實(shí)用性，石油煉制產(chǎn)品替代煤炭，迅速成為主要交通燃料，人類進(jìn)入石油時(shí)代[3]。流化催化裂化等顛覆性煉油技術(shù)改變了人們的出行方式，極大便捷了人們的物流需要[4]。

顛覆了世界糧食生產(chǎn)歷史軌跡。合成氨工業(yè)化技術(shù)被公認(rèn)為化學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)明之一，從20世紀(jì)初該技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái)，世界總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)了4.5倍，而糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)了7.7倍。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，化肥對(duì)糧食生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率占50%。如果沒(méi)有合成氨的發(fā)明，地球上將有50%的人口面臨饑餓。由此可見(jiàn)，合成氨工業(yè)技術(shù)為世界糧食安全和人類生存發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，至今仍處于不可替代的地位。

提供人類穿衣、住宿等生活物質(zhì)保障。世界人口快速增長(zhǎng)，天然染料、天然纖維、天然橡膠等已無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。合成染料和三大合成材料化工技術(shù)的發(fā)明使染料、纖維、橡膠和樹(shù)脂的來(lái)源轉(zhuǎn)向石油化工，使豐富的石油資源為人口快速增長(zhǎng)提供了充足的物質(zhì)保障。合成染料、合成纖維和合成樹(shù)脂的使用性能在某種程度上已優(yōu)于天然材料，帶來(lái)了衣料和建材革命。人們穿衣、住房不再僅限于保暖和擋風(fēng)蔽雨，更多的是美化生活，極大地提高了人們的生活質(zhì)量。

2. 改變了原有生產(chǎn)方式，提高了生產(chǎn)力，促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)變革和能源革命

熱裂化技術(shù)的誕生使石油煉制由一次加工發(fā)展成二次加工，由物理變化發(fā)展到化學(xué)反應(yīng)，催化裂化技術(shù)使石油煉制過(guò)程由熱加工轉(zhuǎn)變?yōu)榇呋庸?，這些技術(shù)都顯著地提高了原油利用率，并生產(chǎn)出石油基化工原料。利用催化反應(yīng)的優(yōu)越性，原油的輕油收率提高到70%以上，產(chǎn)物中富含的異構(gòu)化組分有效提高了汽油的辛烷值和柴油的安定性。加氫裂化技術(shù)可以加工催化裂化難以轉(zhuǎn)化的重油，生產(chǎn)的石腦油辛烷值較高，生產(chǎn)的航空煤油和低凝柴油都表現(xiàn)出較高的燃燒性能和穩(wěn)定性，生產(chǎn)的尾油可作為潤(rùn)滑油的原料。加氫技術(shù)不僅提高了原料的利用率，而且還是增產(chǎn)石腦油、噴氣燃料、清潔燃料最重要的途徑之一[5]。

改變了原有生產(chǎn)方式。連續(xù)蒸餾實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間上的連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，極大地提升效率，降低生產(chǎn)成本，奠定了石油化工成為流程工業(yè)的基礎(chǔ)。加氫技術(shù)突破了原有煉油技術(shù)的反應(yīng)理念，引入氫源，提高了原料適應(yīng)性、產(chǎn)品清潔性和經(jīng)濟(jì)性，是煉油行業(yè)應(yīng)對(duì)資源變化和環(huán)保限制等挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。從20世紀(jì)20年代開(kāi)始，以石腦油為原料生產(chǎn)乙烯和芳烴的石油化工技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的以煤為原料生產(chǎn)有機(jī)化工產(chǎn)品的技術(shù)。當(dāng)前，乙烯產(chǎn)量已成為衡量一個(gè)國(guó)家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志[6]。

（二）冶金領(lǐng)域

18世紀(jì)60年代，機(jī)器的發(fā)明促進(jìn)了第一次工業(yè)革命的興起，制造機(jī)器則需要大量的金屬材料，從而也促進(jìn)了冶金工業(yè)的快速發(fā)展。冶金工業(yè)包括黑色冶金工業(yè)（即鋼鐵工業(yè)）和有色冶金工業(yè)兩大類?？v觀冶金生產(chǎn)流程的演變，在20世紀(jì)稱得上顛覆性技術(shù)的是氧氣轉(zhuǎn)爐和連續(xù)鑄鋼，以及有色金屬冶金方面的電解鋁大型預(yù)焙槽和連續(xù)擠壓等技術(shù)。

1. 改變了人們的生活方式，推動(dòng)了社會(huì)文明進(jìn)步

金屬是人類文明，尤其是農(nóng)業(yè)文明和工業(yè)文明最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。自青銅器時(shí)代以來(lái)，金屬一直是人類制造生產(chǎn)工具和兵器的重要材料。金屬的冶煉水平?jīng)Q定了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，隨著工業(yè)革命的迅猛發(fā)展，19世紀(jì)中后期，轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，特別是20世紀(jì)中葉具有顛覆性技術(shù)意義的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和連續(xù)鑄鋼技術(shù)的涌現(xiàn)，使人類真正進(jìn)入了現(xiàn)代鋼鐵時(shí)代[7,8]。在有色工業(yè)方面，拜耳法制取氧化鋁和鋁電解技術(shù)、銅閃速熔煉、鋅濕法冶金等使有色金屬工業(yè)得到快速發(fā)展，鋁、銅、鉛、鋅等金屬也得到大量應(yīng)用，稀有金屬和貴金屬也進(jìn)入規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[9]。金屬材料在材料工業(yè)中無(wú)論是作為結(jié)構(gòu)材料，還是作為功能材料（導(dǎo)電、電磁、防蝕等）都一直占有主導(dǎo)地位。

在近現(xiàn)代社會(huì)中，由于各種高科技技術(shù)的迅猛發(fā)展，在航空航天、國(guó)防、交通運(yùn)輸、家用電器，甚至文化藝術(shù)等諸多方面都有了金屬材料的身影，可見(jiàn)金屬材料早已融入了人們的日常生活，特別是高層建筑、家庭汽車的普及，徹底改變了人們的居住和出行方式，這一切都與以上所述的冶金領(lǐng)域顛覆性技術(shù)發(fā)展密不可分。

2. 改變了原有生產(chǎn)方式，提高了生產(chǎn)力，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼是一種煉鋼方法，自20世紀(jì)50年代初投入工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，在世界范圍內(nèi)迅速推廣，目前已經(jīng)全部取代空氣轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼，徹底顛覆了傳統(tǒng)的煉鋼工藝，成為現(xiàn)代煉鋼的主要方法。從轉(zhuǎn)爐頂部吹入適量的氧氣進(jìn)行攪拌，可以強(qiáng)化冶煉過(guò)程，改善冶金條件，提高金屬收得率和生產(chǎn)效率，降低原材料消耗，特別是對(duì)提升鋼水質(zhì)量，降低能源消耗具有重要意義。因此，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝是鋼鐵冶金領(lǐng)域一項(xiàng)具有重大意義的顛覆性技術(shù)[10]。

在生產(chǎn)各類鋼鐵產(chǎn)品過(guò)程中，鋼水凝固成型有兩種方法：傳統(tǒng)的模鑄法和連續(xù)鑄鋼法。20世紀(jì)50年代歐美國(guó)家相繼出現(xiàn)了連續(xù)鑄鋼技術(shù)，將鋼水直接澆注成形。連續(xù)鑄鋼技術(shù)是一種將鋼水不斷地通過(guò)水冷結(jié)晶器，凝成硬殼后從結(jié)晶器下方出口連續(xù)拉出，經(jīng)噴水冷卻，全部凝固后切成坯料的鑄造工藝。它與通常鋼錠模鑄相比，具有提高生產(chǎn)效率、增加金屬收得率，節(jié)能減排，提高鑄坯質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代的兩次能源危機(jī)以后的能源價(jià)格上漲，有力地推動(dòng)了連續(xù)鑄鋼技術(shù)的發(fā)展，目前除少量特鋼外其他都實(shí)現(xiàn)了全連鑄生產(chǎn)，徹底顛覆了傳統(tǒng)的模鑄生產(chǎn)，大幅度降低了成本，大幅度提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)規(guī)模，改變了鋼廠發(fā)展模式[11]。

近幾十年來(lái)，有色金屬工業(yè)的生產(chǎn)效率得到很大提高。高效拜爾法氧化鋁生產(chǎn)和大型電解鋁預(yù)焙槽技術(shù)使原鋁產(chǎn)量顯著提高而能耗下降；銅的富氧閃速熔煉和熔池熔煉在保證大規(guī)模生產(chǎn)的同時(shí)，環(huán)境也得到了改善；新的濕法冶金工藝，如加壓浸出、溶劑萃取、離子交換、生物冶金及新型電解技術(shù)使鋅、銅、鎳、鈷及許多稀有金屬和貴金屬生產(chǎn)效率提高，成本明顯降低。有色金屬工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的裝備大型化、連續(xù)化和自動(dòng)化得以逐步推廣應(yīng)用。連續(xù)擠壓技術(shù)由于沒(méi)有擠壓余量，有材料利用率高、產(chǎn)品成品率高、生產(chǎn)效率高以及耗能少等優(yōu)點(diǎn)，在有色金屬領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從而顛覆了傳統(tǒng)的長(zhǎng)材加工流程[12]。

（三）材料領(lǐng)域

材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類生活使用的器物都是由各種材料制作的，由于工業(yè)革命與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使材料不斷更新?lián)Q代，新型材料不斷涌現(xiàn)，新材料種類更加多樣化[13]。在先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料、生物醫(yī)用材料、高性能纖維材料、新能源材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、稀土材料、超導(dǎo)材料、傳感材料及石墨烯材料等領(lǐng)域都涌現(xiàn)出一些顛覆性技術(shù)的典型案例。下面以先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料、生物醫(yī)用材料和新能源材料為例來(lái)闡述顛覆性技術(shù)對(duì)人們生活方式和生產(chǎn)方式帶來(lái)的變革。

1. 改變了人們的生活方式，推動(dòng)了社會(huì)文明進(jìn)步

超超臨界火電機(jī)組是世界電力構(gòu)成的最主要組成部分，大容量、高效率、低能耗的高蒸汽參數(shù)超超臨界電站是未來(lái)我國(guó)電力能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。高強(qiáng)韌和長(zhǎng)壽命的鐵基、鐵鎳基、鎳基耐熱材料研發(fā)及其關(guān)鍵部件制造是超超臨界火電機(jī)組的核心問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組效率提高和電站安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，其大規(guī)模應(yīng)用能降低煤耗，降低二氧化碳等污染氣體的排放量，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。

生物醫(yī)用材料是用于對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，已成為材料學(xué)科的重要分支。其應(yīng)用不僅挽救了數(shù)以千萬(wàn)計(jì)危重病人的生命，而且極大地提高了人類的健康水平和生命質(zhì)量[14]。

新能源材料主要有太陽(yáng)能電池材料、儲(chǔ)氫材料、燃料電池材料等。本文只選取薄膜太陽(yáng)能電池材料技術(shù)和高能量密度鋰離子動(dòng)力電池材料技術(shù)作為顛覆性技術(shù)的典型案例。太陽(yáng)能電池是通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，是利用太陽(yáng)能的重要形式。薄膜太陽(yáng)能電池則是以光電功能薄膜作為吸收層的太陽(yáng)能電池，其吸收層材料用量少、生產(chǎn)成本低，也可以采用柔性基體，易于實(shí)現(xiàn)光伏建筑一體化[15]。

我國(guó)是汽車保有量的大國(guó)，但內(nèi)燃機(jī)汽車核心技術(shù)缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而電動(dòng)汽車的技術(shù)水平與國(guó)外無(wú)明顯差別，并在高能量密度鋰離子動(dòng)力電池材料領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出顛覆性技術(shù)，它凸顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，有助于實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)反超傳統(tǒng)汽車強(qiáng)國(guó)的捷徑，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義。

2. 改變了原有生產(chǎn)方式，提高了生產(chǎn)力，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保

新材料領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)給人們的日常生活帶來(lái)重大影響，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用，是世界科技強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的前沿。下面僅就3D打印、超導(dǎo)材料、石墨烯及其他新型二維材料、材料基因工程等舉例闡述。

3D打印技術(shù)作為制造業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展的一項(xiàng)新興技術(shù)，催生著材料領(lǐng)域的變革。在3D打印領(lǐng)域，材料是技術(shù)的核心之一，3D打印過(guò)程不僅涉及到了成形工藝，還包含了材料的制造工藝，材料技術(shù)的深度參與，將材料工藝嵌入3D打印工藝當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)材料、成形工藝同步開(kāi)發(fā)。3D打印廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、醫(yī)療、建筑、汽車制造等行業(yè)，突破金屬粉末材料的制備技術(shù)，是未來(lái)3D打印技術(shù)面向高端制造領(lǐng)域的關(guān)鍵。

超導(dǎo)材料具有常規(guī)材料所不具備的零電阻、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)，是當(dāng)代凝聚態(tài)物理中最重要的研究方向之一，也是新材料領(lǐng)域一個(gè)十分活躍的重要前沿，它與凝聚態(tài)物理中一系列有重大意義的基本科學(xué)問(wèn)題都有緊密聯(lián)系。超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)伴隨著材料制備技術(shù)的突破、材料性能的不斷提高以及低溫系統(tǒng)成本的降低，目前在國(guó)際上已處于大規(guī)模應(yīng)用突破前的準(zhǔn)備期。超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用，可以節(jié)省能耗、減少二氧化碳排放，對(duì)推動(dòng)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)發(fā)揮著重要作用。

石墨烯及其他新型二維材料是凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)領(lǐng)域研究的前沿。大尺寸、高質(zhì)量二維材料的制備對(duì)探索新的物理現(xiàn)象和性能非常重要，并且在未來(lái)的電子、光電子器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，以磷烯、硅烯、鍺烯、鉿烯、錫烯、氮化硼、硒化銦、硫化鉬為代表的過(guò)渡金屬硫化物及過(guò)渡族金屬碳化物等二維材料都取得了一定的研究進(jìn)展，極大地拓展了二維材料的性能和應(yīng)用。未來(lái)基于二維材料的器件應(yīng)用有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝面臨的各種限制與挑戰(zhàn)，促進(jìn)微納電子領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展。

材料基因工程給材料傳統(tǒng)研發(fā)模式及思維方式帶來(lái)變革，實(shí)現(xiàn)快速、低耗、創(chuàng)新發(fā)展新材料。它的核心關(guān)鍵問(wèn)題為建立高通量自動(dòng)流程計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)與高通量材料組合設(shè)計(jì)制造與檢測(cè)，以及材料數(shù)據(jù)庫(kù)融合協(xié)同運(yùn)作。通過(guò)建模與計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)材料成分設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、加工制備以及服役行為和過(guò)程的定量表述，揭示材料化學(xué)因素和結(jié)構(gòu)因素與材料性能、功能之間的相關(guān)機(jī)制及內(nèi)在規(guī)律，為創(chuàng)制新材料、實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料提供科學(xué)基礎(chǔ)。

三、展望

未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展應(yīng)該是一種高效、安全、環(huán)保和可持續(xù)性的科學(xué)發(fā)展模式。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，化工、冶金與材料工程領(lǐng)域所發(fā)生的顛覆性技術(shù)，不僅對(duì)本行業(yè)的生產(chǎn)方式起到引領(lǐng)作用，而且還會(huì)對(duì)其他行業(yè)產(chǎn)生重大影響。

（一）化工領(lǐng)域

當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入“新常態(tài)”，更加注重發(fā)展質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約，實(shí)現(xiàn)能源清潔生產(chǎn)與能源和資源的高效利用以及開(kāi)辟重要基礎(chǔ)石化原料資源路線是我國(guó)石油化學(xué)工業(yè)綠色清潔可持續(xù)發(fā)展面臨的主要難題，漿態(tài)床渣油加氫轉(zhuǎn)化技術(shù)和甲烷直接制烯烴/芳烴技術(shù)將可能成為我國(guó)化工領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。

漿態(tài)床渣油加氫轉(zhuǎn)化技術(shù)兼顧經(jīng)濟(jì)性和清潔性，是未來(lái)實(shí)現(xiàn)重劣質(zhì)原油清潔高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)，代表了當(dāng)今煉油工業(yè)的先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著漿態(tài)床渣油加氫轉(zhuǎn)化技術(shù)的不斷成熟，將逐步取代焦化等輕質(zhì)油收率較低的劣質(zhì)渣油加工技術(shù)。漿態(tài)床渣油加氫轉(zhuǎn)化技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，將顯著提高石油資源的利用率并改善產(chǎn)品清潔度和渣油加工過(guò)程的清潔化程度，極大地促進(jìn)煉油工業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色低碳和轉(zhuǎn)型發(fā)展，對(duì)人類生存環(huán)境產(chǎn)生積極的影響[16]。

甲烷直接制烯烴/芳烴技術(shù)包括甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯技術(shù)、甲烷無(wú)氧轉(zhuǎn)化制烯烴/芳烴技術(shù)。甲烷氧化偶聯(lián)制乙烯技術(shù)經(jīng)歷了初期快速發(fā)展、衰退、再?gòu)?fù)興的歷程，目前進(jìn)入工業(yè)示范階段；甲烷無(wú)氧轉(zhuǎn)化制烯烴/芳烴技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。甲烷直接制乙烯/芳烴技術(shù)將顛覆以石腦油為原料的傳統(tǒng)乙烯/芳烴生產(chǎn)模式，改變現(xiàn)有石油產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開(kāi)辟一條重要的基礎(chǔ)石化原料生產(chǎn)的新資源路線，對(duì)于拓展我國(guó)石化原料來(lái)源、滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的石化產(chǎn)品需求均將發(fā)揮重要作用。同時(shí)，新技術(shù)路線在碳原子利用效率上具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，更有利于石化工業(yè)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。

（二）冶金領(lǐng)域

在工業(yè)化后期，資源匱乏、能源危機(jī)、環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重，冶金工業(yè)發(fā)展受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。同時(shí)也為現(xiàn)有冶金工業(yè)發(fā)展提供了機(jī)遇，在冶金流程工程學(xué)指導(dǎo)下，冶金制造流程功能拓展，發(fā)揮其廢棄物消納—再資源化功能，與其他行業(yè)或社會(huì)構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)生態(tài)鏈，一方面變“廢”為寶，在減少自身排放量的同時(shí)，消納城市廢棄物；另一方面尋求廢棄物資源化、高值化利用途徑，在滿足廢棄物排放要求的同時(shí)，提升廢棄物的價(jià)值，使得傳統(tǒng)的冶金工業(yè)生產(chǎn)模式成為綠色生產(chǎn)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。冶金產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的應(yīng)用將影響冶金制造流程廢棄物的排放量、排放形態(tài)，冶金行業(yè)與其他行業(yè)，冶金企業(yè)與城市、社會(huì)的關(guān)系。綠色生產(chǎn)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的概念已被大多數(shù)鋼廠接受并進(jìn)行應(yīng)用（如高爐渣供應(yīng)水泥、副產(chǎn)煤氣供應(yīng)化工過(guò)程生產(chǎn)化工產(chǎn)品），但尚未形成顛覆性影響；有色冶金企業(yè)創(chuàng)新高效分離和提取的綠色有色冶金技術(shù)，使原料（包括二次資源和礦石）中的有毒有害元素盡可能資源化或無(wú)害化，對(duì)環(huán)境的影響減到最小[17]。

此外，在當(dāng)前鋼鐵工業(yè)去產(chǎn)能的趨勢(shì)推動(dòng)下，未來(lái)廢鋼資源將逐步豐富，加之鐵礦資源的限制，為電爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了資源前提，低碳（廢鋼）時(shí)代的新型電爐技術(shù)將成為黑色冶金領(lǐng)域改變現(xiàn)有傳統(tǒng)生產(chǎn)流程工藝的一種創(chuàng)新技術(shù)，對(duì)中國(guó)鋼鐵工業(yè)流程結(jié)構(gòu)、模式和布局、鐵素資源消耗、能源消耗和碳排放產(chǎn)生重要影響[18]。

在氧化鋁生產(chǎn)領(lǐng)域具有顛覆性的技術(shù)為零排放清潔生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)，該技術(shù)首先從理論上擺脫了拜耳法生產(chǎn)氧化鋁對(duì)鋁土礦鋁硅比品位的限制，低品位鋁土礦也可以生產(chǎn)氧化鋁；其次，是實(shí)現(xiàn)了大幅度降低赤泥中鈉和鋁的含量，從根本上解決了赤泥的大規(guī)模、低成本、無(wú)害化和資源化再利用難題。由此取得了零排放清潔生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)和低成本規(guī)?；{赤泥技術(shù)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。

（三）材料領(lǐng)域

習(xí)近平總書(shū)記曾指出：材料是制造業(yè)的基礎(chǔ)，目前我國(guó)在先進(jìn)高端材料研發(fā)和生產(chǎn)方面差距甚大，關(guān)鍵高端材料遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)自主供給。因此先進(jìn)高端材料研發(fā)刻不容緩，如石墨烯、超材料等。

石墨烯是碳的一種同素異形體，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻集中了一系列優(yōu)異的理化性質(zhì)，使得石墨烯有望在諸多應(yīng)用領(lǐng)域中催生出一系列顛覆性技術(shù)，可以為一大批傳統(tǒng)材料的性能提升與應(yīng)用提供有力支撐，在新能源、石油化工、電子信息、復(fù)合材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用將引起相關(guān)行業(yè)的變革，成為引領(lǐng)新一代工業(yè)技術(shù)革命和未來(lái)高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略性前沿新材料[19]。

超材料指的是利用人工結(jié)構(gòu)獲得的、具有自然材料所不具備的超常性質(zhì)的人工材料。近年來(lái)，超材料也從電磁領(lǐng)域逐漸走向了力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及傳質(zhì)等領(lǐng)域，一系列具有超常性質(zhì)和奇異功能的新型超材料相繼問(wèn)世，其中備受關(guān)注的是電磁隱身材料。超材料隱身技術(shù)將超越讓電磁波反射和吸收的隱身手段，通過(guò)制備超材料覆蓋物引導(dǎo)電磁波繞射傳播，達(dá)到隱身目的。由于這類材料提供了諸多顛覆傳統(tǒng)理論和常識(shí)的新功能，可促使一系列新的顛覆性技術(shù)的誕生。

總之，化工、冶金與材料工程領(lǐng)域?yàn)楦餍懈鳂I(yè)提供安全、環(huán)保、可靠的綠色材料，極大地改變了人們的生活方式，未來(lái)也必將為人類的文明進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。

四、政策建議

（一）加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究

基礎(chǔ)理論研究和原始創(chuàng)新是顛覆性技術(shù)的源頭，沒(méi)有基礎(chǔ)研究的厚積薄發(fā)，就沒(méi)有能力掌握顛覆性技術(shù)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也就無(wú)異于無(wú)源之水、無(wú)本之木，就難以邁向中高端水平。對(duì)于化工、冶金與材料領(lǐng)域應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)前瞻性、導(dǎo)向性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為新材料的涌現(xiàn)和化工、冶金領(lǐng)域新工藝和新流程的涌現(xiàn)奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)?；ぁ⒁苯鹋c材料領(lǐng)域基礎(chǔ)研究競(jìng)爭(zhēng)力的提升不但有利于解決國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，而且可以通過(guò)基礎(chǔ)理論的源頭創(chuàng)新促進(jìn)顛覆性技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展。

（二）重視學(xué)科交叉

人類社會(huì)正面臨越來(lái)越復(fù)雜的發(fā)展難題，靠單一學(xué)科往往難以解決，多學(xué)科交叉越來(lái)越受關(guān)注。突出學(xué)科交叉融通性，就是要考慮科技創(chuàng)新的上下游融通和不同學(xué)科的融通，在交叉學(xué)科領(lǐng)域耕耘具有顛覆性意義的原創(chuàng)性成果。要從根本上破除原有學(xué)科劃分的科研管理和學(xué)科組織模式，打造一套交叉、開(kāi)放和共享的學(xué)科運(yùn)行機(jī)制，各學(xué)科互相配合，聯(lián)合攻關(guān)，培養(yǎng)復(fù)合型科研人才。重視材料生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化過(guò)程中的工程設(shè)計(jì)和工程技術(shù)研究。對(duì)于化工、冶金與材料領(lǐng)域，不僅各領(lǐng)域內(nèi)部新技術(shù)相互滲透、相互借鑒促成各領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，同時(shí)，提供原材料、燃料的其他領(lǐng)域也可以相互交叉融合，促進(jìn)顛覆性技術(shù)的產(chǎn)生。

（三）營(yíng)造顛覆性技術(shù)的成長(zhǎng)環(huán)境

顛覆性技術(shù)由萌芽到飛躍需要必要的基礎(chǔ)技術(shù)積累，而且是長(zhǎng)期的過(guò)程，且具有不確定性。因此需要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，建立顛覆性技術(shù)的長(zhǎng)效研究機(jī)制。建立更為靈活、寬容的顛覆性技術(shù)發(fā)展環(huán)境，優(yōu)化科研項(xiàng)目篩選與評(píng)審機(jī)制。營(yíng)造敢于挑戰(zhàn)權(quán)威、寬容失敗、自由探索的創(chuàng)新氛圍，鼓勵(lì)科研人員勇于超越現(xiàn)有技術(shù)體系與模式，嘗試新的研究思路，充分激發(fā)科研人員的創(chuàng)造力。營(yíng)造出適合顛覆性技術(shù)產(chǎn)生的土壤與環(huán)境，為顛覆性技術(shù)完成由萌芽到成長(zhǎng)所需要的時(shí)間和技術(shù)積累提供保障。

（四）重視技術(shù)積累與投入力度

顛覆性技術(shù)的發(fā)展，源自于各領(lǐng)域技術(shù)的融合或傳統(tǒng)技術(shù)深化后實(shí)現(xiàn)的飛躍突破。如果缺少必要的應(yīng)用技術(shù)積累，即使發(fā)現(xiàn)了顛覆性技術(shù)的潛在方向，也很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)的提升與突破，因此必須扎扎實(shí)實(shí)地完成技術(shù)積累。深入推進(jìn)化工、冶金工業(yè)強(qiáng)基工程，關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝和質(zhì)量技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展不足，不僅制約我國(guó)化工、冶金工業(yè)的發(fā)展，也是航空、航天和交通領(lǐng)域發(fā)展的重要短板，因此要以國(guó)家重大項(xiàng)目、重大工程的需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)化工、冶金與材料領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的積累，并加大支持力度，特別是對(duì)一些冷門(mén)的技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行擇優(yōu)資助。

（五）建立科學(xué)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

早期預(yù)測(cè)、識(shí)別顛覆性技術(shù)是開(kāi)展顛覆性技術(shù)研究的關(guān)鍵，但其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和方法卻是一把雙刃劍，用好了可以促進(jìn)顛覆性技術(shù)的培育與發(fā)展，用得不好會(huì)阻礙甚至?xí)髿㈩嵏残约夹g(shù)。因此，建議主管部門(mén)進(jìn)一步加強(qiáng)理論研究，提高科技政策制定的前瞻性，逐步建立顛覆性技術(shù)的識(shí)別、培育機(jī)制與評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，使其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)愈加科學(xué)，順應(yīng)國(guó)際最新發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)施前瞻性的戰(zhàn)略舉措。根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展重大需求及科技前沿發(fā)展趨勢(shì)，著眼未來(lái)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，搶占科學(xué)制高點(diǎn)，聚焦創(chuàng)新鏈的前端，提前對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行戰(zhàn)略性部署。

（六）培養(yǎng)與調(diào)動(dòng)科技人員的積極性

人才是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的重要支撐。黨的“十九大”報(bào)告指出，要培養(yǎng)造就一大批具有國(guó)際水平的戰(zhàn)略科技人才、科技領(lǐng)軍人才、青年科技人才和高水平創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。充分調(diào)動(dòng)科技人員的積極性，是形成顛覆性技術(shù)的必要條件，是我國(guó)走在世界創(chuàng)新前列的可靠保證。激發(fā)科技人員持久的創(chuàng)新動(dòng)力，加快改革科研項(xiàng)目管理機(jī)制，砍掉繁文縟節(jié)，讓科技人員把更多精力用到研究上。要加快改革科研評(píng)價(jià)機(jī)制和人才評(píng)價(jià)機(jī)制，防止短期效應(yīng)。讓更多優(yōu)秀人才脫穎而出，擴(kuò)大高校和科研院所自主權(quán)，賦予領(lǐng)軍人才更大的科研決策權(quán)。

（七）建立“產(chǎn)學(xué)研用”融合的顛覆性技術(shù)培育機(jī)制

顛覆性技術(shù)從發(fā)現(xiàn)到成熟再到工業(yè)應(yīng)用需要一個(gè)長(zhǎng)期的培育過(guò)程，建議完善以企業(yè)為主體、“產(chǎn)學(xué)研用”深度融合的顛覆性技術(shù)培育機(jī)制；建議設(shè)立顛覆性技術(shù)發(fā)展基金，支持潛在的顛覆性技術(shù)研究，降低企業(yè)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于趨于成熟的顛覆性技術(shù)，通過(guò)稅收減免、貼息貸款等政策支持推動(dòng)工業(yè)化項(xiàng)目的建設(shè)，營(yíng)造適合于顛覆性技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的綜合環(huán)境。

致謝

非常感謝邱定蕃院士、周濟(jì)院士對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)和進(jìn)行的修訂工作。