新形勢(shì)下我國新材料發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

近日，由中國工程院、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，中國材料研究學(xué)會(huì)共同主辦的“中國新材料產(chǎn)業(yè)高峰論壇——第三屆中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)暨2021“科創(chuàng)中國”新材料專家、技術(shù)、需求推介會(huì)”在武漢光谷科技會(huì)展中心舉行。

中國工程院院士、華中科技大學(xué)黨委書記李元元以中國材料研究學(xué)會(huì)承擔(dān)的中國工程院重大咨詢項(xiàng)目課題《新材料前沿技術(shù)與科普發(fā)展戰(zhàn)略研究》《新材料創(chuàng)新能力提升戰(zhàn)略研究》《化工、冶金與先進(jìn)材料工程科技未來20年發(fā)展戰(zhàn)略研究》《新材料研發(fā)與制造應(yīng)用智能化》為背景，系統(tǒng)分析了我國新材料發(fā)展的戰(zhàn)略地位、發(fā)展概況、重大需求和發(fā)展機(jī)遇，著重闡述我國新材料當(dāng)前發(fā)展面臨的重大問題與挑戰(zhàn)以及深層次的原因，提出了中國新材料攻堅(jiān)克難的主要任務(wù)和政策措施。以下為報(bào)告整理。

近年來隨著人工智能材料的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)已邁入智能制造工業(yè)4.0時(shí)代。任何一種高新技術(shù)的更新?lián)Q代，都必須以該領(lǐng)域的新材料技術(shù)突破為前提。新材料在工業(yè)革命中起到了無可替代的基礎(chǔ)和支撐作用。

尤其進(jìn)入21世紀(jì)后，全球各國都緊密出臺(tái)了新材料的國家戰(zhàn)略計(jì)劃，例如美國通過材料基因組計(jì)劃構(gòu)建先進(jìn)完備的材料研究工具與大數(shù)據(jù)，加速新材料的市場應(yīng)用進(jìn)程，以滿足多樣化的國家需要。歐盟的石墨烯旗艦計(jì)劃、日本創(chuàng)新制造戰(zhàn)略、德國國家工業(yè)戰(zhàn)略2030等，分別重點(diǎn)布局在新能源、信息、汽車、海洋等各自的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域和戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)。

我國新材料研發(fā)起步晚、底子薄、起點(diǎn)低，但經(jīng)過30余年的努力，我國現(xiàn)已成為世界的材料大國，比如前沿研究方面的發(fā)明專利和論文數(shù)量均位居世界第一位。在人才培養(yǎng)方面，專業(yè)技術(shù)人才已達(dá)120萬人，位居世界第一位。在科研機(jī)構(gòu)方面，建設(shè)新材料技術(shù)創(chuàng)新中心、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)業(yè)化基地等逾400余家。在企業(yè)建設(shè)方面，2020年全國新材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到867萬家，產(chǎn)值超過了6萬億元，約占GDP的6%——這里指的是新材料產(chǎn)業(yè)，如果是整個(gè)材料工業(yè)則約占GDP的20%。

當(dāng)前，我國新材料已進(jìn)入到了高速發(fā)展的快車道，尤其是前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。部分領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家形成了并跑，甚至部分領(lǐng)域、少數(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了領(lǐng)跑的局面。

產(chǎn)業(yè)集群已逐步形成，長三角、珠三角、環(huán)渤海三大新材料產(chǎn)業(yè)聚集地呈現(xiàn)出蒸蒸日上的發(fā)展局面。特色產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯，西部、東北、中部分別形成以能源、資源、地域?yàn)樘厣男赂窬?，呈現(xiàn)出高速發(fā)展的新態(tài)勢(shì)。此外，以企業(yè)為主體，市場為導(dǎo)向，產(chǎn)學(xué)研用相融合的新材料創(chuàng)新體系正在逐步形成。

總體而言，近幾年我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的新材料可以分為三個(gè)領(lǐng)域：先進(jìn)基礎(chǔ)材料，例如超級(jí)鋼、電解鋁等已經(jīng)突破關(guān)鍵技術(shù)；關(guān)鍵戰(zhàn)略材料領(lǐng)域，例如稀土隕石材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)是世界第一；前沿新材料領(lǐng)域，例如石墨烯也處于國際領(lǐng)先地位。

無論是在芯片技術(shù)還是高端發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等，都離不開關(guān)鍵材料瓶頸技術(shù)的突破。在高端制造領(lǐng)域?qū)π虏牧弦灿兄卮笮枨?，“中國制?025”計(jì)劃中的十大重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都涉及關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的重大需求?！懊绹冗M(jìn)制造伙伴計(jì)劃”的三大優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域也強(qiáng)調(diào)新材料的戰(zhàn)略保障作用，德國工業(yè)4.0也將新材料與信息技術(shù)列為同等地位，可見高端制造對(duì)新材料的重大需求非常迫切。

我國的墨子號(hào)天眼工程、載人航天探月工程、深海工程、北斗導(dǎo)航等都對(duì)新材料有著重大的需求，如深海工程就離不開新一代鈦合金關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破。在國家的戰(zhàn)略工程方面，無論智能制造、強(qiáng)基工程、綠色制造，還是高端裝備創(chuàng)新工程都離不開新材核心技術(shù)的突破與創(chuàng)新。

當(dāng)前我國新材料發(fā)展受到外部環(huán)境的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，特別是發(fā)達(dá)國家全球化產(chǎn)業(yè)分工優(yōu)勢(shì)已不復(fù)存在。為確保企業(yè)制造的領(lǐng)先地位，他們提出了再工業(yè)化——其本質(zhì)是再技術(shù)化。

為應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)，我國提出要加快發(fā)展智能自主制造，而這也面臨著更嚴(yán)峻的關(guān)鍵材料挑戰(zhàn)。高端數(shù)控機(jī)床、大飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵構(gòu)件的精密設(shè)備，目前95%仍然依賴進(jìn)口；關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的32%仍然依賴進(jìn)口，還有95%的高端專用芯片和70%的智能終端處理器以及大多數(shù)的存儲(chǔ)芯片都還依賴進(jìn)口，這些都與關(guān)鍵材料密切相關(guān)。

其次，我國內(nèi)部工業(yè)的發(fā)展也面臨著三重重任，包括工業(yè)2.0“補(bǔ)課”、普及工業(yè)3.0，特別在示范工業(yè)4.0的前沿有更多的探索性工作。與之相應(yīng)的新材料包括先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料，這三者都要求要加快發(fā)展，為工業(yè)重任的完成提供支撐。

同時(shí)，我國新材料高質(zhì)量發(fā)展還面臨著巨大的壓力。目前中國碳減排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國，實(shí)現(xiàn)碳中和留給美國的時(shí)間約為50年，而中國只有30年的時(shí)間。在短時(shí)間內(nèi)要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需完成四項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)，包括大力發(fā)展新能源材料，實(shí)現(xiàn)化工、冶金、建材工業(yè)流程的綠色化，大力發(fā)展固碳轉(zhuǎn)化材料，大力發(fā)展再生新材料。

此外我國新材料產(chǎn)業(yè)鏈問題突出，例如上游高純?cè)牧虾椭杏蔚募庸ぽo料都面臨嚴(yán)重的“卡脖子”問題，陶瓷、高端金屬、生物醫(yī)用原材料等高純?cè)系难兄剖芄に嚰凹庸ぱb備的限制。對(duì)此企業(yè)要通過提升基礎(chǔ)能力，突破關(guān)鍵材料，提高裝備水平等措施加以應(yīng)對(duì)。

在新材料產(chǎn)業(yè)鏈方面，企業(yè)創(chuàng)新的主體地位目前仍未明確，或者說尚未完全確立。長期以來，中國創(chuàng)新主體集中在高校和科研院所，創(chuàng)新要素與生產(chǎn)要素的融合遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。企業(yè)對(duì)研發(fā)的投入不足，產(chǎn)業(yè)化也面臨著嚴(yán)重的障礙，以企業(yè)為主導(dǎo)的產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新平臺(tái)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

在產(chǎn)業(yè)鏈的下游，新材料應(yīng)用集成能力還嚴(yán)重不足，例如新材料企業(yè)對(duì)下游客戶普遍缺乏應(yīng)用大數(shù)據(jù)的建設(shè)。材料與應(yīng)用端融合、集成普遍缺乏，產(chǎn)用平臺(tái)過度支持，這是我國的一大短板。

新材料產(chǎn)學(xué)用一體化差距較大的主要原因包括新材料原創(chuàng)能力不足、研發(fā)主要處于跟跑、創(chuàng)新源動(dòng)力不足等。我國新材料專利成果轉(zhuǎn)化率也較低，中國專利數(shù)量雖然已經(jīng)是世界第一，但是新材料專利成果的轉(zhuǎn)化率僅為10%，而美國的轉(zhuǎn)化率高達(dá)80%。

材料成果的轉(zhuǎn)化是一個(gè)系統(tǒng)工程，現(xiàn)在的轉(zhuǎn)化鏈條中間還有很多缺失的因素，因此造成的轉(zhuǎn)化率還是比較低。由于大多數(shù)成果目前仍然依托于高校和科研院所，在配備產(chǎn)業(yè)要素或者成果轉(zhuǎn)化過程當(dāng)中，往往要經(jīng)歷一個(gè)被稱為“死亡之谷”的曲線，因此新材成果轉(zhuǎn)化率較低。

同時(shí)，在基礎(chǔ)研究方面也缺乏體系化?？傮w而言，自由選題較多，缺乏宏觀系統(tǒng)整合、缺乏材料戰(zhàn)略大科學(xué)家，缺乏一個(gè)組織進(jìn)行重大共性科學(xué)問題系統(tǒng)研究，各自為戰(zhàn)、人自為戰(zhàn)的現(xiàn)象到處存在，基礎(chǔ)研究的細(xì)度、縱向深度和橫向廣度均欠缺。

我國的新材料設(shè)計(jì)制造軟件也長期依賴于進(jìn)口，這主要由于研發(fā)周期長、投入大，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)不足，材料與軟件開發(fā)領(lǐng)域缺乏技術(shù)互動(dòng)與融合，也缺乏材料大數(shù)據(jù)庫的有效支撐。

高端檢測(cè)儀器是國家高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而很多企業(yè)的新材料高端檢測(cè)儀器絕大部分均依賴于進(jìn)口。在諾貝爾獎(jiǎng)中，11%因發(fā)明儀器而獲獎(jiǎng)，70%的物理獎(jiǎng)、81%的化學(xué)獎(jiǎng)均依靠尖端科學(xué)儀器完成。我國在高端檢測(cè)儀器方面的嚴(yán)重落后，也制約著標(biāo)志性成果的發(fā)展。

新材料的基礎(chǔ)保障能力也仍然比較落后，在原材料關(guān)鍵設(shè)備、材料性能、集成化等系統(tǒng)基礎(chǔ)研究方面布局不足，材料工藝缺乏深度與細(xì)度上的突破，材料加工的數(shù)字化、智能化水平屬于長期落后的水平，這些都與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距。

上述問題與挑戰(zhàn)將伴隨著我國從制造大國向制造強(qiáng)國，從材料大國向材料強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的過程。這既是問題，同時(shí)也給新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了更大的機(jī)遇。

從2011年起，我國已成為全球制造業(yè)第一大國。中國的制造業(yè)趕上第四次工業(yè)革命，目前制造業(yè)的規(guī)模已經(jīng)居全球首位，門類齊全且有獨(dú)立完整的現(xiàn)代工業(yè)體系。雖然制造業(yè)整體位于世界第一，但單個(gè)企業(yè)的規(guī)模、質(zhì)量、效益與其他國家的世界500強(qiáng)企業(yè)相比還是有差距。

新一輪科技革命與我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型彼此交匯，將產(chǎn)生重大的戰(zhàn)略機(jī)遇。在實(shí)現(xiàn)從制造大國向制造強(qiáng)國的歷史使命中，新材料是兩大“底盤技術(shù)”之一?！暗妆P技術(shù)”就是基礎(chǔ)技術(shù)、最重要的支撐技術(shù)與基礎(chǔ)技術(shù)，它的產(chǎn)業(yè)發(fā)展將從價(jià)值鏈中低端向中高端邁進(jìn)。

當(dāng)前，全球新材料競爭表現(xiàn)出新的特征。例如在材料的前沿研究方面，隨著原創(chuàng)、變革、顛覆性技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，爭奪行業(yè)發(fā)展主動(dòng)權(quán)日趨激烈；在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，隨著高新技術(shù)、高端制造和重大工程的變革，產(chǎn)業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)成為爭奪的對(duì)象；在材料技術(shù)方面，產(chǎn)學(xué)研用融合立足企業(yè)整體創(chuàng)新，這是爭奪工業(yè)發(fā)展自主權(quán)的關(guān)鍵。

此外，人工智能與新材料相結(jié)合，加劇了材料高性能和智能化的競爭，總體上我國已具備研發(fā)制造應(yīng)用完整材料工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)的積累。

在新的歷史使命中，我們材料人肩負(fù)攻堅(jiān)克難的主要任務(wù)，一方面要加快解決關(guān)鍵問題。另一方面對(duì)未來要解決的關(guān)鍵問題也要及早進(jìn)行謀劃。

針對(duì)外部環(huán)境、內(nèi)部發(fā)展、新材料產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)學(xué)研一體化新材料支撐體系、人才與投入等方面帶來的諸多挑戰(zhàn)，我們要認(rèn)真實(shí)施國家部署的各項(xiàng)計(jì)劃和支持政策，針對(duì)技術(shù)難題來攻堅(jiān)克難，逐個(gè)擊破。

我們要堅(jiān)持四個(gè)面向，圍繞前沿研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)應(yīng)用三個(gè)維度重點(diǎn)提升六個(gè)能力——即原創(chuàng)能力、基礎(chǔ)能力、補(bǔ)短板能力、集成能力、智能能力、綠色能力。實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)邁向創(chuàng)新型國家，在先進(jìn)制造方面實(shí)現(xiàn)自主可控，在重大工程方面進(jìn)入世界一流的發(fā)展水平。

未來20年，中國新材料戰(zhàn)略布局主要基于產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、綠色產(chǎn)業(yè)、智能產(chǎn)業(yè)和材料產(chǎn)業(yè)等，重點(diǎn)布局在人工智能材料、信息技術(shù)材料、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)材料、新能源材料、量子材料、高品質(zhì)特殊鋼等領(lǐng)域；在中長期，我國將圍繞石墨烯、量子生物大分子和基因調(diào)控等展開戰(zhàn)略布局；在長遠(yuǎn)的未來將側(cè)重發(fā)展暗物質(zhì)、暗能量、引力波等。