材料科學(xué)，已成為當(dāng)代社會物質(zhì)文明進(jìn)步的根本性支撐之一，是國民經(jīng)濟(jì)、國防及其他高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料科學(xué)發(fā)展本身具有很強(qiáng)的先導(dǎo)性，須走在科技發(fā)展前列。近年來，隨著人類社會和科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展變化，我國經(jīng)濟(jì)社會由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，在社會與經(jīng)濟(jì)對材料巨大需求的牽引和學(xué)科交叉的不斷推動下，材料科學(xué)領(lǐng)域呈現(xiàn)積極活躍的發(fā)展態(tài)勢。
1. 材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
縱觀近些年來材料領(lǐng)域的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)信息材料不斷涌現(xiàn)，引領(lǐng)高技術(shù)領(lǐng)域顛覆式跨越；新能源材料發(fā)展迅猛，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)加速變革；人工智能技術(shù)加速新材料開發(fā)過程。材料的發(fā)展趨勢可歸納為以下四個方面。
- 材料追求更高使役性能滿足社會進(jìn)步和科技發(fā)展
人類對于太空、外太空等空間資源的探索、開發(fā)和利用，需要大量快速穿越大氣層的重復(fù)往返或長時間在外層空間軌道運(yùn)行的各種“跨大氣層空天飛行器”，空天飛行器需要耐高溫和超高溫的結(jié)構(gòu)材料。對海洋資源，尤其是深海資源的開發(fā)，需要大量的耐高壓、耐腐蝕的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料。礦產(chǎn)資源開發(fā)深度的不斷增加，對礦井支護(hù)材料的抗壓和隔熱性能要求也不斷提高。隨著核電工業(yè)的發(fā)展，核廢料日益增加，地下深埋對材料的需求包括抗輻射材料、 固化材料等。隨著人類步入信息化時代，對超大容量信息傳輸、超快實(shí)時信息處理和超高密度信息存儲的需求加快了信息載體從電子向光電子和光子的轉(zhuǎn)換步伐，光纖通信、移動通信和數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)時代已成為信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢。相應(yīng)地，信息功能材料對高速、低功 耗、低噪聲等性能也提出了更高的要求。
- 材料向著個性化、復(fù)合化、多功能化的方向迅速發(fā)展
隨著以原子、分子為起始物質(zhì)進(jìn)行材料合成，并在微觀尺度上控制其成分和結(jié)構(gòu)成為可能，由微觀、介觀到宏觀等不同層次上，按預(yù)定的形狀和性能來設(shè)計(jì)和制備新材料的技術(shù)日益成熟。以增材制造為代表的“按需設(shè)計(jì)和制造材料”為目標(biāo)的多尺度、多功能、跨層次的新型材料制造方式受到了世界各國的廣泛關(guān)注，并對醫(yī)療、建筑、食品、制造等諸多行業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響。
隨著超級計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、人工智能、量子計(jì)算等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展，新材料研發(fā)過程正在產(chǎn)生巨變。其中，材料基因組、量子化學(xué)等方法可為新材料研發(fā)提供海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)， 人工智能技術(shù)可從海量數(shù)據(jù)中迅速找到因果關(guān)系。上述技術(shù)的應(yīng)用，可使新材料的研發(fā)周期大幅縮短，制備成本顯著下降，從而實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由“經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)”的模式向“理論預(yù)測，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的新模式轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為材料研究領(lǐng)域的共識。未來，新材料研發(fā)將加速向第四范式轉(zhuǎn)變，人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在新材料開發(fā)中的作用將進(jìn)一步突顯。
- 綠色、節(jié)能、環(huán)保成為材料發(fā)展的強(qiáng)大推動力
隨著人類社會的發(fā)展，原材料短缺、能源匱乏、溫室氣體排放等已成為全世界范圍面臨的最為突出的問題。材料的研發(fā)也將維持社會的可持續(xù)性發(fā)展放在越來越重要的位置，綠色、 環(huán)保、節(jié)能、減排成為共同的目標(biāo)。材料技術(shù)更注重解決能源、資源短缺的約束，促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。高性能材料對資源，特別是稀有貴重金屬元素的依賴愈發(fā)顯著，開展材料中稀有貴金屬元素的替代研究已成為當(dāng)前各國的重要戰(zhàn)略。近年來，歐盟、美國、澳大利亞、 日本等發(fā)達(dá)國家和組織均將綠色、可持續(xù)發(fā)展作為經(jīng)濟(jì)增長的重要方向，出臺了一系列相關(guān)科技政策。未來氫能源技術(shù)、CO?捕獲及轉(zhuǎn)化技術(shù)、生物質(zhì)高分子材料技術(shù)等將被加速突破 并被廣泛應(yīng)用，為全球可持續(xù)發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)。2. 材料科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)科研與產(chǎn)業(yè)政策
世界各國紛紛在材料科學(xué)領(lǐng)域制定出臺相應(yīng)的科研與產(chǎn)業(yè)政策，竭力搶占材料發(fā)展的制高點(diǎn)。目前，發(fā)達(dá)國家仍在國際材料產(chǎn)業(yè)中占據(jù)領(lǐng)先地位，全球材料領(lǐng)域龍頭企業(yè)主要集中在美國、歐洲及日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。表1-1列舉了國外在材料領(lǐng)域近年來制定的主要發(fā)展規(guī)劃。
美國的材料科技戰(zhàn)略目標(biāo)是保持本領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，支撐信息技術(shù)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，滿足國防、能源、電子信息等對材料的需求。美國的新材料發(fā)展特色是以能源部、國防部、商務(wù)部（國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）和國家航空航天局等的 大型研究與發(fā)展計(jì)劃為龍頭，主要以采購合同形式來推動和確保大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的新 材料研究與發(fā)展工作。
在綜合性戰(zhàn)略規(guī)劃層面，主要包括2000年開始實(shí)施的“國家納米技術(shù)計(jì)劃”，2011年啟動的“材料基因組計(jì)劃”、2012年啟動的國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)名“制造業(yè)美國”）建設(shè)等。在各個聯(lián)邦部門層面，也有具體的行動計(jì)劃。如美國能源部近年來加大了對關(guān)鍵材料、利用高性能計(jì)算促進(jìn)材料制造創(chuàng)新的資助力度；國防部先進(jìn)研究計(jì)劃局2017年啟動的電子復(fù)興計(jì) 劃涉及相關(guān)微電子材料的集成等（圖 1-1）。
圖1-1美國在材料領(lǐng)域的戰(zhàn)略規(guī)劃與行動計(jì)劃
2000年起，美國開始實(shí)施“國家納米技術(shù)計(jì)劃”（National Nanotechnology Initiative， NNI），在國家層面協(xié)調(diào)各方參與機(jī)構(gòu)的研發(fā)活動，推動納米科學(xué)、納米工程、納米技術(shù)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和利用。八大主要領(lǐng)域包括：基本現(xiàn)象及過程；納米材料；納米器件及系統(tǒng)；設(shè)備研究、測量技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)；納米制造；主要研發(fā)設(shè)施；環(huán)境、健康與安全；教育和社會。2021年10月發(fā)布的新一輪戰(zhàn)略規(guī)劃提出了以下五大目標(biāo)：確保美國在納米技術(shù)研發(fā)方面保持世界領(lǐng)先地位；促進(jìn)納米技術(shù)研發(fā)商業(yè)化；提供可持續(xù)支持納米技術(shù)研發(fā)與推廣的基礎(chǔ)設(shè)施；鼓勵公眾參與，擴(kuò)充勞動力；確保納米技術(shù)負(fù)責(zé)任地發(fā)展。
美國自2011年起實(shí)施“材料基因組計(jì)劃”，旨在加快新材料從發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、制造到商業(yè)化的步伐，該計(jì)劃將使得以比現(xiàn)在快一倍的速度以及足夠低的成本發(fā)現(xiàn)、研制、制造并部署先進(jìn)材料?，F(xiàn)已有六家聯(lián)邦機(jī)構(gòu)參與，開創(chuàng)性研究的資助已逾4億美元，合作伙伴遍及產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界。2021年11月新版戰(zhàn)略規(guī)劃提出了材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施、材料數(shù)據(jù)和人員培養(yǎng)三方面的目標(biāo)，更加強(qiáng)調(diào)材料基因組計(jì)劃對于推動材料創(chuàng)新，尤其是推動新材料走向應(yīng)用方面所具有的潛力。
為重塑美國制造業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位和競爭力，美國政府于2012年啟動了國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)更名為“制造業(yè)美國”），以推動先進(jìn)制造技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。美國國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的核心單元是制造業(yè)創(chuàng)新中心，它擔(dān)負(fù)著特定領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)制造技術(shù)成果轉(zhuǎn)化與應(yīng)用推廣的職責(zé)。經(jīng)過向社會公開咨詢與評估，美國國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)擬建立45家創(chuàng)新研究所，截至本調(diào)研完成之時，已建成16家，領(lǐng)域涉及增材制造、光電子、材料（輕質(zhì)金 屬、復(fù)合材料、纖維紡織、可持續(xù)材料制造）、智能制造、數(shù)字制造與設(shè)計(jì)、化工過程、生物制造、機(jī)器人和制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全等。
美國能源部每年會對固態(tài)半導(dǎo)體照明研究進(jìn)行資助。該計(jì)劃為半導(dǎo)體照明確定了無機(jī)發(fā)光二極管和有機(jī)發(fā)光二極管兩個方向，已進(jìn)行了多次修訂。計(jì)劃關(guān)于半導(dǎo)體照明發(fā)展的戰(zhàn)略措施包括基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)、商業(yè)化支持、標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)合作等方面。美國國家科學(xué)基金會每年都會發(fā)布材料學(xué)科年度計(jì)劃，主要包括材料科學(xué)進(jìn)步重點(diǎn)領(lǐng)域， 如可持續(xù)發(fā)展科學(xué)工程和教育、超越摩爾定律科學(xué)與工程等項(xiàng)目。資助范圍涵蓋了材料研究 和教育等，資助領(lǐng)域廣泛，包括凝聚態(tài)物質(zhì)和材料物理、固體化學(xué)和材料化學(xué)、多功能材料、 電子、光子、金屬、超導(dǎo)、陶瓷、高分子、生物材料、復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等。
美國在新材料研究領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)一共有200多所，主要有橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室等17個科研實(shí)力全球名列前茅的國家實(shí)驗(yàn)室，以及杜邦、陶氏、GE等頂尖科技研發(fā)公司實(shí)驗(yàn)室，而涉足新材料研究的主力——高校實(shí)驗(yàn)室，如麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)等則多達(dá)近200所。
近些年以來，美國材料研究取得了非凡的進(jìn)步。美國國家科學(xué)院在2019年2月發(fā)布《材料研究前沿——十年調(diào)查報(bào)告》，旨在記錄在全球開展材料研究的背景下，美國材料研究的現(xiàn)狀和有潛力的未來方向。報(bào)告指出，過去十年，石墨烯帶動了其他二維材料的研究，激發(fā)了對新物理現(xiàn)象的研究，可應(yīng)用于太陽能電池、晶體管、相機(jī)傳感器、顯示屏和半導(dǎo)體等領(lǐng)域。增材制造已經(jīng)成為重要工藝，可大規(guī)模生產(chǎn)以及按需一次性制造。過去十年中其他一些主要 材料的進(jìn)步包括價(jià)格合理的LED照明、平板顯示和新型電池。有些重要的發(fā)展是純粹發(fā)現(xiàn)驅(qū)動的產(chǎn)物（如拓?fù)浣^緣體），有些則是通過協(xié)同技術(shù)努力產(chǎn)生的（如大猩猩玻璃），還有一些代表了兩者的組合（如增材制造和高性能塑料vitrimers）。金屬、大塊金屬玻璃、高性能合金、 陶瓷以及其他材料取得了令人振奮的進(jìn)步。復(fù)合材料和混合材料由于能夠承受惡劣環(huán)境而具 有高應(yīng)用價(jià)值。涂層技術(shù)的進(jìn)步提高了材料的可靠性，并將其用于熱量和環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)。分層材料系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)材料，每一層的獨(dú)特性能和功能可顯著提高整體性能和壽命。聚合物和多種生物材料以及膠體和液晶等軟物質(zhì)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。超導(dǎo)研究仍然前景寬廣，量子材料（包括量子自旋液體、強(qiáng)相關(guān)薄膜與異質(zhì)結(jié)構(gòu)、新型磁體、石墨烯和其他二維材料以及拓?fù)洳牧希┱谘杆侔l(fā)展。
歐盟提出要在材料科學(xué)和工程的多個研究領(lǐng)域成為國際領(lǐng)導(dǎo)者，并在盡可能多的先進(jìn)材料技術(shù)中爭當(dāng)世界第一。以法國、德國等為代表的歐盟成員國和英國等在科技發(fā)展戰(zhàn)略中，盡管各國在側(cè)重點(diǎn)上有所差異，但都是以生命科學(xué)與生命技術(shù)、信息通信技術(shù)、納米技術(shù)、 能源等四大領(lǐng)域?yàn)閮?yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域，其中材料均占有重要的地位。在“地平線2020”中， 從卓越科研、產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)力、社會挑戰(zhàn)等三個維度，設(shè)置了與材料領(lǐng)域相關(guān)的石墨烯旗艦計(jì)劃、 材料與制造使能技術(shù)、戰(zhàn)略能源技術(shù)計(jì)劃（SET-Plan）等（圖1-2）。
圖1-2“地平線 2020”從三個維度設(shè)置了與材料相關(guān)的計(jì)劃
早在2003年9月，歐盟科研總司召集相關(guān)科學(xué)家共同研討材料科學(xué)的未來，會議決定歐盟將著力推進(jìn)十大材料領(lǐng)域的發(fā)展，分別是催化劑、光學(xué)材料與光電材料、有機(jī)電子學(xué)與光電學(xué)、磁性材料、仿生學(xué)、納米生物技術(shù)、超導(dǎo)體、復(fù)合材料、生物醫(yī)學(xué)材料及智能紡織材料。歷次的歐盟框架計(jì)劃、“地平線2020”、歐洲先進(jìn)工程材料與技術(shù)平臺等都把材料和納米材料技術(shù)作為重要研究領(lǐng)域等進(jìn)行資助和布局，材料技術(shù)在歐盟科技發(fā)展領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的位置。
為保持歐盟工業(yè)的優(yōu)勢和提高未來競爭力，歐盟委員會于2010年7月成立了由高層專家組成的工作班組，系統(tǒng)地研究歐盟工業(yè)的優(yōu)勢和未來的發(fā)展方向。2011年6月，包括先進(jìn)材料在內(nèi)的六大技術(shù)被確定作為歐盟工業(yè)的關(guān)鍵使能技術(shù)（Key Enabling Technologies，KETs）， 加強(qiáng)六大關(guān)鍵使能技術(shù)A的研發(fā)創(chuàng)新，確保世界領(lǐng)先水平，關(guān)系到歐盟工業(yè)的生存和未來競爭力。2018年4月，歐盟確定了新的關(guān)鍵使能技術(shù)，先進(jìn)材料依舊在列。
歐盟框架計(jì)劃及“地平線2020”的“納米科學(xué)、納米技術(shù)、材料和新制造技術(shù)”領(lǐng)域的主要目標(biāo)是提高歐洲工業(yè)競爭力，并確保從資源密集型向知識密集型轉(zhuǎn)變，特別關(guān)注研究和技術(shù)開發(fā)成果向中小型企業(yè)轉(zhuǎn)移。“地平線2020”要求歐盟所有的研發(fā)與創(chuàng)新計(jì)劃聚焦于基礎(chǔ)科學(xué)、工業(yè)技術(shù)、社會挑戰(zhàn)三大戰(zhàn)略優(yōu)先領(lǐng)域，其中每個優(yōu)先領(lǐng)域都分別部署了多項(xiàng)行動計(jì)劃。與材料相關(guān)的行動計(jì)劃包括基礎(chǔ)科學(xué)戰(zhàn)略優(yōu)先領(lǐng)域的未來和新興技術(shù)行動計(jì)劃；以及工業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略優(yōu)先領(lǐng)域中保持領(lǐng)先地位的使能技術(shù)和工業(yè)技術(shù)行動計(jì)劃，如納米技術(shù)、先進(jìn)材料、生物技術(shù)和先進(jìn)制造行動計(jì)劃等。
歐盟“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”是一項(xiàng)長期的科研扶持項(xiàng)目，是歐盟出臺的扶持科技發(fā)展政策的重要組成部分。首批入選的是石墨烯和人腦工程計(jì)劃，自2013年10月起，各獲得持續(xù)10年總共10億歐元的資助。石墨烯旗艦計(jì)劃共有13個重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域B。2017年2月，旗艦計(jì)劃高層專家內(nèi)部評估委員會發(fā)布的中期評估報(bào)告指出，石墨烯旗艦計(jì)劃是歐洲研究與創(chuàng)新戰(zhàn)略的有機(jī)組成部分，有潛力產(chǎn)生巨大的影響。2020年4月起，石墨烯旗艦計(jì)劃進(jìn)入新階段，專注推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2018年6月發(fā)布的2021～2027年科研資助框架——“地平線歐洲”的實(shí)施方案提案中，先進(jìn)材料位列“數(shù)字與工業(yè)”九大領(lǐng)域之一，關(guān)注具有新的特性和功能的材料設(shè)計(jì)（包括塑 料、生物材料、納米材料、二維材料、智能材料和復(fù)合材料等）。
①英國。英國作為老牌工業(yè)國家，英國材料科學(xué)和技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。英國是一批世界級的制造公司的發(fā)源地，這些公司的成功取決于對先進(jìn)材料的開發(fā)利用。英國有享譽(yù)全球的教學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，在醫(yī)藥、航空航天、信息和通信技術(shù)等高科技產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入強(qiáng)度可與世界主要競爭對手國家相媲美。
英國歷次工業(yè)戰(zhàn)略都把材料、納米技術(shù)等作為重大技術(shù)進(jìn)行發(fā)展。2011年，英國發(fā)布了國家級《促進(jìn)增長的創(chuàng)新和研究戰(zhàn)略》，以創(chuàng)新和研發(fā)來推動經(jīng)濟(jì)增長。在該戰(zhàn)略報(bào)告中， 英國除了明確未來四年將發(fā)展生命科學(xué)、高附加值制造業(yè)、納米技術(shù)和數(shù)字技術(shù)四大關(guān)鍵技 術(shù)外，英國政府還重視創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)、技術(shù)與創(chuàng)新中心、新興技術(shù)的發(fā)展。英國“工業(yè)2050戰(zhàn)略”是定位于2050年英國制造業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)長期戰(zhàn)略研究，通過分析制造業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)， 提出英國制造業(yè)發(fā)展與復(fù)蘇的政策。2017年11月，英國政府正式發(fā)布新版工業(yè)戰(zhàn)略，與之相配套的“工業(yè)戰(zhàn)略挑戰(zhàn)基金”關(guān)注用于航空航天、汽車及其他先進(jìn)制造行業(yè)的下一代廉價(jià)輕質(zhì)復(fù)合材料。2016年12月，英國宣布新建六家研究中心，探索并提升靶向生物醫(yī)藥、3D打印、復(fù)合材料等領(lǐng)域的新的制造技術(shù)。這6家研究中心分別為靶向醫(yī)療未來制造中心、先進(jìn)粉末加工制造中心、未來復(fù)合材料制造中心、未來先進(jìn)計(jì)量中心、未來連續(xù)性生產(chǎn)及先進(jìn)結(jié)晶研究中心、未來化合物半導(dǎo)體制造中心。英國政府通過工程與自然科學(xué)研究理事會（EPSRC）向每個中心資助1000萬英鎊。這些中心還將聯(lián)合來自17所大學(xué)、200家企業(yè)及學(xué)術(shù)界合作伙伴的力量，通過大學(xué)與企業(yè)之間深化合作，推動研究成果從實(shí)驗(yàn)室走向市場，開發(fā)出更多的產(chǎn) 品以滿足產(chǎn)業(yè)需求及進(jìn)步。②德國。德國聯(lián)邦政府教育和研究部為鼓勵各種社會力量參與新材料研發(fā)，先后頒布實(shí)行了“材料研究”MatFo（1984～1993年）、“材料技術(shù)”MaTech（2003 年截止）和“為工業(yè)和社會而進(jìn)行材料創(chuàng)新”WING（始于2004年）三個規(guī)劃。2001年，德國啟動新一輪納米生物技術(shù)研究計(jì)劃，以介于納米和生物技術(shù)之間的物理、生物、化學(xué)、材料和工程科學(xué)為切入點(diǎn)進(jìn)行研究，政府在以后6年內(nèi)投入1億馬克。2003年，聯(lián)邦教研部斥資2.5億歐元推出工業(yè)和社會材料創(chuàng)新計(jì)劃，重點(diǎn)開發(fā)新材料，以加強(qiáng)德國工業(yè)的創(chuàng)新力。德國政府后續(xù)又推出了《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》、“工業(yè) 4.0”等來引領(lǐng)材料和制造等技術(shù)的發(fā)展。《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》提出，德國經(jīng)濟(jì)的未來競爭力主要依賴于在生物技術(shù)、納米技術(shù)、微電子學(xué)和納米電子學(xué)、光學(xué)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、材料技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、服務(wù)研究、航空技術(shù)以及信息通信技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)地位。而技術(shù)應(yīng)用主要取決于技術(shù)成功地轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì) 效益的程度，以及技術(shù)對生產(chǎn)、健康和環(huán)境的影響程度。“工業(yè)4.0”是《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》提出的十大未來項(xiàng)目之一，推動以智能制造、互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料、現(xiàn)代生物為特征的新工業(yè)革命。德國企業(yè)界普遍認(rèn)為，確保和擴(kuò)大在材料研發(fā)方面的領(lǐng)先地位是其在國際競爭中取得成功的關(guān)鍵。該項(xiàng)目由德國聯(lián)邦教研部和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)合資助，投資預(yù)計(jì)達(dá)2億歐元。2019年11月，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)與能源部發(fā)布《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》，旨在有針對性地扶持重點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域，提高工業(yè)產(chǎn)值，保證德國工業(yè)在歐洲乃至全球的競爭力。與材料相關(guān)的鋼鐵銅鋁、化工、增材制造等，連同其他總共十個工業(yè)領(lǐng)域被列為“關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域”。③法國。材料科學(xué)是法國領(lǐng)先的民用核能、航空航天、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的重要支撐。法國高等教育與研究部2009年發(fā)布了法國國家研究與創(chuàng)新戰(zhàn)略，這是法國第一個國家層面的科學(xué)研究戰(zhàn)略，確定了3個優(yōu)先研究領(lǐng)域，其中包括納米技術(shù)等與材料相關(guān)的領(lǐng)域。面對伴隨“去工業(yè)化”而來的工業(yè)增加值和就業(yè)比重的持續(xù)下降，法國政府意識到“工業(yè)強(qiáng)則國家強(qiáng)”，在2013年9月推出了《新工業(yè)法國》戰(zhàn)略，旨在通過創(chuàng)新重塑工業(yè)實(shí)力，使法國重回全球工業(yè)第一梯隊(duì)。該戰(zhàn)略是一項(xiàng)10年期的中長期規(guī)劃，展現(xiàn)了法國在第三次工業(yè)革命中實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型的決心和實(shí)力。其主要目的為解決三大問題：能源、數(shù)字革命和經(jīng)濟(jì)生活。
日本新材料產(chǎn)業(yè)以工業(yè)政策為導(dǎo)向，目標(biāo)是占有世界市場，因而選取的重點(diǎn)是使市場潛力巨大和高附加值的新材料領(lǐng)域盡快專業(yè)化、工業(yè)化。日本重點(diǎn)開發(fā)出納米玻璃、納米金屬、納米涂層等用于信息通信、新能源、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域的新材料，在電子材料、陶瓷材料、碳纖維等領(lǐng)域國際領(lǐng)先。日本的財(cái)團(tuán)控制了日本大量的工業(yè)企業(yè)，旗下的工業(yè)企業(yè)相互持股、資源共享。如三井的東麗、王子制紙，三菱的旭硝子、三菱鋁業(yè)、三菱化學(xué)，住友的住友化學(xué)、住友輕金屬，富士的神戶制鋼所、積水化學(xué)，第一勸銀的旭化成等世界知名的日本化工材料企業(yè)均屬于財(cái)團(tuán)旗下。“新增長戰(zhàn)略”的提出成為指導(dǎo)日本產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要依據(jù)，而新產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)施也預(yù)示著 日本走向新的增長模式。從創(chuàng)造“供給”為主轉(zhuǎn)向創(chuàng)造“需求”為主的政策，從直接扶持產(chǎn)業(yè)到培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)活力政策的轉(zhuǎn)變等這些政策都大大促進(jìn)了日本產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。日本政府主要通過立法和經(jīng)濟(jì)援助等方式引導(dǎo)企業(yè)和大學(xué)開展合作，在法律框架下，政府、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)和推廣等方面通力合作。日本政府發(fā)布的《日本產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)展望2010》以“新增長戰(zhàn)略”為指導(dǎo)，將包括高溫超導(dǎo)、納米、功能化學(xué)、碳纖維、IT等新材料技術(shù)在內(nèi)的十大尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)確定為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要戰(zhàn)略領(lǐng)域，并分析了相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀與問題、發(fā)展方向等，提出了相應(yīng)的行動計(jì)劃。
日本政府連續(xù)制定5期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃，確定了材料重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。如在《第四期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2011～2015）》中，涉及新材料方面的內(nèi)容有：
①加強(qiáng)可再生能源、醫(yī)療與護(hù)理、通信、高端材料、環(huán)境技術(shù)等各個方面的研究。②能源利用技術(shù)的高效化：推動高絕熱化的住宅和建筑物，高效率的家電照明、高效率的熱水器，定置型燃料電池、功率半導(dǎo)體、納米碳晶棒材料等的技術(shù)研制和推廣，同時還要 推動新一代的汽車所需要的蓄電池、燃料電池和利用功率電子控制能源使用的研究和普及。③致力于資源再生技術(shù)的創(chuàng)新，研制出稀有金屬和稀土的替代材料等。在《第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2015～2020）》中，從上一期重視災(zāi)后重建和著眼于解決問題轉(zhuǎn)變到了強(qiáng)調(diào)為未來發(fā)展做好準(zhǔn)備，將與新產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)的、實(shí)用性高的研究及制度改革作為重點(diǎn)。在此次基本計(jì)劃中，日本提出打造“超智能社會（5.0 社會）”，優(yōu)先推進(jìn)包括“綜合型材料開發(fā)系統(tǒng)”在內(nèi)的由《科技創(chuàng)新綜合戰(zhàn)略2015》確立的11項(xiàng)系統(tǒng)建設(shè)工作，圍繞機(jī)器人、傳感器、生物技術(shù)、納米技術(shù)和材料、光量子等創(chuàng)造新價(jià)值的核心優(yōu)勢技術(shù)，設(shè)定富有挑戰(zhàn)性的中長期發(fā)展目標(biāo)并為之付出努力，提升日本的國際競爭力?！兜诹诳茖W(xué)技術(shù)創(chuàng)新基本計(jì)劃（2021～2025）》的核心內(nèi)容是“如何通過科技創(chuàng)新政策實(shí)現(xiàn)社會5.0”，材料依舊是關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。該計(jì)劃實(shí)施期間，日本將基于《材料創(chuàng)新能力強(qiáng)化戰(zhàn)略》，通過提高材料領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，解決社會問題，實(shí)現(xiàn)向可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的總體目標(biāo)。同時，開展三方面的行動計(jì)劃，包括通過產(chǎn)學(xué)合作推進(jìn)革新性材料研發(fā)和社會化應(yīng)用；利用材料領(lǐng)域的數(shù)據(jù)與制造技術(shù)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動型研究體系；從擺脫資源制約、推動循環(huán)使用、加強(qiáng)人才培養(yǎng)和國際合作等方面持續(xù)強(qiáng)化國際競爭力。
在基礎(chǔ)研究方面，包括京都大學(xué)、東京大學(xué)、東北大學(xué)、大阪大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、九州大學(xué)、名古屋大學(xué)、大阪府立大學(xué)、北海道大學(xué)等在內(nèi)的一批日本高校在材料科學(xué)領(lǐng)域均有著深入研究，并設(shè)立了專門的研究所（中心）。國家支持的實(shí)驗(yàn)室也在日本材料科學(xué)研究領(lǐng)域起到巨大作用，國立材料科學(xué)研究所（NIMS）是日本最大的研究所之一，在高溫高壓技術(shù)合成單晶金剛石和氮化硼、n型摻雜金剛石薄膜，超導(dǎo)與有機(jī)材料、功能陶瓷、控制原子運(yùn)動的納米級半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域具有優(yōu)勢。在材料應(yīng)用方面，由于身處太平洋，日本的自然資源并不豐富，這使得其材料應(yīng)用更為出色，并在特種材料，尤其是特種鋼材方面領(lǐng)先全球。日本鋼鐵企業(yè)眾多，產(chǎn)量和技術(shù)均位居世界前列，在一些特種鋼材類別上甚至處于壟斷地位。新日本制鐵、JFE鋼鐵株式會所、住友金屬工業(yè)、東京制鋼、神戶制鋼等為其中翹楚。在制造用于核壓力容器的大型鋼鐵鑄鍛件市場，日本制鋼所約占全球80%的份額。日立、東芝、 三菱是日本核電設(shè)備的三大巨頭，有著強(qiáng)大的核設(shè)備供應(yīng)能力。
中國新材料前沿技術(shù)創(chuàng)新機(jī)遇
“十四五”是推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)行穩(wěn)致遠(yuǎn)、社會安定和諧， 為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家開好局、起好步的關(guān)鍵時期。展望“十四五”，全球新一輪產(chǎn)業(yè)分工和貿(mào)易格局將加快重塑，我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入從規(guī)模增長向質(zhì)量提升的重要窗口期。對于新材料發(fā)展來說，“十四五”同樣是極其關(guān)鍵的時期。
根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》， “十四五”期間，我國將重點(diǎn)發(fā)展高端新材料，如高端稀土功能材料、高性能合金、高性能陶瓷、高性能纖維及其復(fù)合材料等（表1-2）。
表1-2《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中有關(guān)推動材料發(fā)展的描述
1. 計(jì)量分析顯示，我國在材料領(lǐng)域的研究成果顯著
自2014年以來，通過持續(xù)跟蹤全球最重要的科研和學(xué)術(shù)論文，研究分析論文被引用的模式和聚類，中國科學(xué)院戰(zhàn)略情報(bào)研究團(tuán)隊(duì)與科睿唯安每年都會聯(lián)合發(fā)布《研究前沿》系列報(bào)告。2021年12月發(fā)布的最新報(bào)告顯示，“化學(xué)與材料科學(xué)”領(lǐng)域依舊領(lǐng)先，是中國活躍度表現(xiàn)突出且排名第一的領(lǐng)域之一。在該領(lǐng)域，中國的研究前沿?zé)岫戎笖?shù)得分為24.80分，約是排在第二位的美國（7.01分）的3.5倍，具有明顯的比較優(yōu)勢。中國科學(xué)技術(shù)信息研究所的統(tǒng)計(jì)顯示，2019年，我國包括材料科學(xué)在內(nèi)的八個領(lǐng)域的高質(zhì)量國際論文數(shù)量在學(xué)科排名中列世界首位。2010～2020 年（至2020年9月）SCI收錄的中國論文中，材料科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)出的論文比例占全球該學(xué)科論文的比例為35.41%，是份額最高的學(xué)科領(lǐng)域；同時，材料領(lǐng)域是論文被引次數(shù)占世界第一的三個領(lǐng)域之一。2. 我國在前沿新材料技術(shù)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展
在美國、歐盟等國家/組織提出材料基因組及相關(guān)主題研究之后， 中國工程院和中國科學(xué)院等開展了廣泛咨詢與深入調(diào)研，科技部在2015年啟動了“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點(diǎn)專項(xiàng)。近年來，我國已開發(fā)出材料高通量并發(fā)式計(jì)算和多尺度計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)萬量級（104級）高通量并發(fā)式計(jì)算，初步建成了依托國家超算中心（天津）的材料高通量計(jì)算大平臺。建立了中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會（CSTM）材料基因工程領(lǐng)域委員會，并于2019年發(fā)布了全球首個“材料基因工程數(shù)據(jù)通則”。中國科學(xué)院物理研究所“基于材料基因工程研制出高溫塊體金屬玻璃”研究成果入選2019年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。2021年6月，中科院北京市材料基因組研究平臺的材料計(jì)算子平臺正式運(yùn)行，標(biāo)志著材料基因組平臺的建設(shè)工作取得了重要的階段性進(jìn)展。該子平臺的科學(xué)家之前與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室合作，于2020年8月上線了我國首個世界級的材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫Atomly.net。
國家自然基金委、科技部、發(fā)改委、工信部等部委高度重視石墨烯的研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用，不斷加大投入與支持力度，并取得了諸多創(chuàng)新成果。2017年9月，中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心和美國化學(xué)文摘社聯(lián)合發(fā)布的《石墨烯研發(fā)態(tài)勢監(jiān)測分析 報(bào)告》顯示，中國、美國、韓國、日本已形成技術(shù)優(yōu)勢，石墨烯專利流向美國、中國居多，中國在論文發(fā)文量和專利申請量方面均位居全球首位；當(dāng)前研究主要集中在電現(xiàn)象、電化學(xué)、放射及熱能技術(shù)、光學(xué)、電子、質(zhì)譜和其他相關(guān)屬性、表面化學(xué)和膠體、硅酸鹽等領(lǐng)域。繼2016年首次實(shí)現(xiàn)石墨烯單晶的超快生長之后，北京大學(xué)利用外延生長和超快生長技術(shù)成功在20分鐘內(nèi)制備出世界最大尺寸（5cm×50cm）的外延單晶石墨烯材料。過渡金屬二硫?qū)倩?合物、六方氮化硼、黑磷等，尤其二硫化鉬（MoS?），天然具有的半導(dǎo)體特性使其成為石墨烯的強(qiáng)力挑戰(zhàn)者。近年來，各種烯材料不斷涌現(xiàn)，如我國西安交通大學(xué)首次剝離制得的紫磷烯。我國在超材料基礎(chǔ)研究取得若干原創(chuàng)性成果。部分微波超材料已在武器裝備的雷達(dá)隱身、新型天線罩等方面獲得應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了吸聲系數(shù)達(dá)到100%的完美吸聲體、聲學(xué)二極管及“聲學(xué)黑洞”，在國際上率先提出并研制的信息超材料打破了物理調(diào)控和信息調(diào)控的屏障，實(shí)現(xiàn)了我國在該方向的領(lǐng)跑地位。2017年6月，蘭德發(fā)布分析報(bào)告，對比了中美兩國在超材料領(lǐng)域的專利申請情況。報(bào)告顯示，美國和中國分別自2005年和2010年開始，圍繞超材料的專利申請數(shù)量呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢。盡管天線均為兩國最大的應(yīng)用方向，但重點(diǎn)的集中程度明顯不同（中國有41%，美國只有19%），美國超材料的應(yīng)用領(lǐng)域比中國更為寬泛（圖1-3）。
圖1-3超材料在中國（a）和美國（b）的專利應(yīng)用布局
我國在長期研發(fā)的基礎(chǔ)上，在鐵基超導(dǎo)材料領(lǐng)域取得了一定的成果，主要涉及界面高溫超導(dǎo)電性研究，通過提升制備工藝獲得良好結(jié)構(gòu)，并提高超導(dǎo)特性等。2008年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究組和中國科學(xué)院物理研究所王楠林研究組同時在鐵基中 觀測到了43K和41K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，突破了麥克米蘭極限，證明了鐵基超導(dǎo)體是高溫超導(dǎo)體。緊接著，中國的科研團(tuán)隊(duì)不僅率先突破了50K的轉(zhuǎn)變溫度，還發(fā)現(xiàn)了一系列50K以上的超導(dǎo)體，創(chuàng)造了55K的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄，被國際物理學(xué)界公認(rèn)為第二個高溫超導(dǎo)家族。當(dāng)前，圍繞新型非常規(guī)超導(dǎo)材料以及高溫超導(dǎo)和非常規(guī)超導(dǎo)的機(jī)理問題，包括我國科學(xué)家在內(nèi)的世界各國研究人員正在開展深入研究。
利用自然科研開發(fā)的Nano數(shù)據(jù)庫，對2014～2016年間涉及納米材料的論文進(jìn)行了計(jì)量分析，可以發(fā)現(xiàn)，中國在納米結(jié)構(gòu)材料、納米顆粒、納米片、納米多孔材料和納米器件等涉及納米材料的方向均有研究，與其他納米研究強(qiáng)國最熱門的納米材料類別大同小異（圖 1-4）。其中，納米多孔材料研究相對更多，納米器件論文增速更快。
圖1-4Nano 數(shù)據(jù)庫中八大熱門納米材料的各國論文數(shù)量對比 來源：中國納米科學(xué)與技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r白皮書（2017）。
在納米材料的應(yīng)用上，與其他國家相比，我國催化研究有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢，大部分高質(zhì)量的納米科研論文都出自催化研究領(lǐng)域，其次為納米醫(yī)學(xué)研究（尤其是醫(yī)療診斷方面）和與能源相關(guān)的儲能與產(chǎn)能應(yīng)用。具體到各類納米材料的研究突破，我國科研人員也取得了眾多突出成果。例如，在納米金屬領(lǐng)域，我國發(fā)展了納米孿晶、納米層片和梯度納米結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，解決了納米金屬穩(wěn)定性難題，引領(lǐng)了國際納米金屬材料領(lǐng)域的發(fā)展。
3. 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展
“十四五”時期經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要以推動高質(zhì)量發(fā)展為主題，這是根據(jù)我國發(fā)展階段、發(fā)展環(huán)境、發(fā)展條件變化作出的科學(xué)判斷。落實(shí)到產(chǎn)業(yè)層面，就需要構(gòu)建一批特色鮮明、優(yōu)勢互補(bǔ)、結(jié)構(gòu)合理的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增長引擎，更好培育新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式?！吨泄仓醒腙P(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》在“打造新興產(chǎn)業(yè)鏈”“擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資”等方面作出了安排和部署。戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)迎來了新的重大發(fā)展機(jī)遇。以新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、高端裝備、新能源汽車和綠色環(huán)保等為代表的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展對同為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的材料產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求，形成“共生共融、協(xié)同發(fā)展”的生態(tài)關(guān)系，新材料研發(fā)的迫切性前所未有。加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、先進(jìn)通信、集成電路、超高清顯示等技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，全面提升信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)核心競爭力。其中，半導(dǎo)體和新型顯示是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的兩大基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。以半導(dǎo)體材料及輔材和新型顯示材料為代表的主要相關(guān)電子信息材料受到日益關(guān)注。當(dāng)前，與國外先進(jìn)水平相比，我國在大尺寸硅基材料、第三代半導(dǎo)體襯底材料、電子氣體、光刻膠、拋光材料以及新型顯示關(guān)鍵材料等方面依舊有著較大的差距，亟須提升自主研發(fā)水平和自主保障能力。“十四五”期間，通過國家大力支持和市場需求帶動，電子信息材料領(lǐng)域面臨重大風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵材料將成為攻關(guān)重點(diǎn)，加速獲得突破，新技術(shù)和新工藝的研發(fā)能力有望顯著增強(qiáng)，關(guān)鍵材料保障能力有望得到極大提升。在航空航天、海洋工程等高端裝備應(yīng)用領(lǐng)域，新材料的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也將全面提速。當(dāng)前，制造強(qiáng)國戰(zhàn)略正在加速推進(jìn)，各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ攸c(diǎn)材料的需求急劇增長，鋼鐵材料、有色金屬材料、化工材料、建筑材料等先進(jìn)基礎(chǔ)材料將得以快速發(fā)展；在交通運(yùn)輸行業(yè)，特種合金、高溫合金、高熵合金、輕質(zhì)金屬材料、高性能纖維及其復(fù)合材料、第三代半導(dǎo)體材料等用于重點(diǎn)工程的關(guān)鍵材料的技術(shù)攻關(guān)和市場化集成將得以提速。
在生物技術(shù)、新能源、新能源汽車和綠色環(huán)保等應(yīng)用領(lǐng)域，生物醫(yī)用材料、稀土功能材料、新型太陽能電池材料、光伏材料、儲能材料、分離膜材料等關(guān)鍵材料的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將加速。包括新一代油氣開采、高效燃煤發(fā)電技術(shù)等在內(nèi)的先進(jìn)能源技術(shù)，同樣需要超級不銹鋼、耐蝕合金、耐熱合金等高端金屬結(jié)構(gòu)材料持續(xù)改進(jìn)升級。
我國通過深化科技體制改革和國家創(chuàng)新體系建設(shè)，已初步形成企業(yè)在全國技術(shù)創(chuàng)新投入產(chǎn)出活動規(guī)模中占主體的格局，相關(guān)政策體系逐步完善；現(xiàn)代科研院所制度逐步推進(jìn)，高校和科研機(jī)構(gòu)的知識創(chuàng)新能力不斷提高，科教融合的協(xié)同創(chuàng)新不斷開展。
我國新材料產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)集群式發(fā)展模式。各類新材料產(chǎn)業(yè)示范基地的建設(shè)極大促進(jìn)了新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)政策、技術(shù)、人才、資金等要素快速聚集。以基地為主的區(qū)域集群效應(yīng)進(jìn)一步顯現(xiàn)，成為各地發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)的重要抓手。當(dāng)前，我國已形成以環(huán)渤海、長三角和珠三角為重點(diǎn)，東北、中西部特色突出的產(chǎn)業(yè)集群分布。其中，環(huán)渤海、長三角和珠三角區(qū)域?qū)儆诰C合性新材料產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，企業(yè)分布密集，高校和研究院所眾多，并擁有資金、市場等優(yōu)勢，吸引著新材料產(chǎn)業(yè)的高端要素不斷向這些區(qū)域聚集。
第三方服務(wù)日趨完善助推新材料發(fā)展。各地陸續(xù)成立新材料產(chǎn)業(yè)研究院、新材料行業(yè)協(xié)會等領(lǐng)域科技中介機(jī)構(gòu)，為新材料產(chǎn)業(yè)注入新的活力，服務(wù)內(nèi)容不斷拓展，提供決策智庫支撐、科研成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)資訊獲取、市場信息對接、資本技術(shù)對接等多方面服務(wù)，加速了我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展要素的流通，推動了新材料產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。
中國新材料前沿技術(shù)發(fā)展面臨的問題與挑戰(zhàn)
當(dāng)前，我們正面臨著百年未有之大變局。國內(nèi)外形勢正在發(fā)生深刻復(fù)雜的變化，我國的發(fā)展處于重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，世界經(jīng)濟(jì)重心調(diào)整、國際政治經(jīng)濟(jì)格局變化趨勢加快，國際貿(mào)易摩擦短期仍將持續(xù)，使得我國新材料前沿技術(shù)發(fā)展存在諸多不確定性，并帶來巨大挑戰(zhàn)。
1. 發(fā)達(dá)國家擁有高端新材料話語權(quán)
近些年以來，我國自主研發(fā)出一大批高端、關(guān)鍵材料，生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。然而，毋庸置疑的是，與國際先進(jìn)水平相比，目前我國在先進(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，“大而不強(qiáng)，大而不優(yōu)” 的問題十分突出。
以稀土功能材料為例，我國盡管是稀土原料生產(chǎn)大國、功能材料生產(chǎn)大國，但還不是高端應(yīng)用強(qiáng)國。我國僅在燒結(jié)永磁材料方面占有一席之地，其他應(yīng)用仍處于中低檔技術(shù)水平，與世界發(fā)達(dá)國家差距明顯。如稀土拋光材料，我國相關(guān)產(chǎn)品的粒度分布、硬度、懸浮性等指標(biāo)與國外產(chǎn)品還有一定差距，高端拋光粉仍依賴進(jìn)口。日本和美國的稀土陶瓷材料處在領(lǐng)先地位，分別占據(jù)了50%和30%的全球市場份額。
再如碳纖維及其復(fù)合材料。國產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料的類別、品種及規(guī)格相對單一，主要用于相對低端的產(chǎn)業(yè)需求，難以有效滿足不同行業(yè)、產(chǎn)品、零部件的多樣化需求，市場競爭能力有限。特別是在高強(qiáng)高模等高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化方面，仍相對薄弱，纖維性能不高、產(chǎn)品穩(wěn)定性差等問題突出，無法滿足關(guān)鍵領(lǐng)域的需求。同時，國內(nèi)對國產(chǎn)關(guān)鍵裝備的研發(fā)投入不足。
在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，受到國家政策支持、人口老齡化、人均可支配收入提升和行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新等因素的驅(qū)動，我國生物醫(yī)用材料持續(xù)保持高速發(fā)展。然而，技術(shù)含量較高的植入性生物醫(yī)用材料較為薄弱，主要依賴進(jìn)口。在該材料領(lǐng)域，美國具有顯著的領(lǐng)先優(yōu)勢，總部位于美國的跨國企業(yè)占據(jù)了全球高端生物醫(yī)用材料市場，擁有85%的骨科醫(yī)療器械市場份額， 醫(yī)用多孔鉭更是“一家獨(dú)大”。
此外，在高溫合金、高端裝備用鋼、聚酰亞胺等結(jié)構(gòu)材料，光學(xué)石英玻璃、防護(hù)纖維材料、集成電路制造關(guān)鍵材料、有機(jī)半導(dǎo)體發(fā)光顯示等功能材料領(lǐng)域，西方國家在技術(shù)和產(chǎn)品上擁有絕對的優(yōu)勢壟斷地位。
2.“從 0 到 1”的原創(chuàng)性成果依舊不多
變革性新材料的發(fā)明與應(yīng)用引領(lǐng)著全球科技創(chuàng)新，推動著高新技術(shù)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，并催生了諸多新興產(chǎn)業(yè)。我國在發(fā)揮前沿新材料引領(lǐng)帶動方面，自主創(chuàng)新能力仍顯不足，跟蹤模仿較多，原始創(chuàng)新不足，轉(zhuǎn)化率較低。
對于20世紀(jì)50年代興起的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、90年代崛起的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)，以及當(dāng)前方興未艾的信息通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)，無一不是由于單晶硅、光纖等變革性新材料的發(fā)明、應(yīng)用及不斷更新?lián)Q代促成的。然而，在這些發(fā)揮重大引領(lǐng)作用的關(guān)鍵材料突破中，來自中國的貢獻(xiàn)并不多。引領(lǐng)材料自身發(fā)展的一些標(biāo)志性新材料，如半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)體、液晶與聚合物、富勒烯、光纖、石墨烯、藍(lán)光LED、鋰離子電池等獲得諾貝爾物理學(xué)獎或化學(xué)獎的革命性材料，均不是由我國科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)的。
3. 基礎(chǔ)設(shè)施的高效使用及產(chǎn)出尚未顯現(xiàn)
大科學(xué)裝置專為基礎(chǔ)研究服務(wù)，發(fā)揮著原始創(chuàng)新“策源地”的作用。不完全統(tǒng)計(jì)顯示， 當(dāng)前我國運(yùn)行、在建以及準(zhǔn)備中的大科學(xué)裝置約百臺，材料領(lǐng)域是部署數(shù)量較多的領(lǐng)域，且主要集中在“材料表征與調(diào)控”方向。但是我國大科學(xué)裝置普遍存在以下問題：運(yùn)行經(jīng)費(fèi)來源單一，不足的人員費(fèi)用往往依賴于單位開展科學(xué)研究進(jìn)行補(bǔ)貼；開放共享程度不夠，缺乏用戶參與機(jī)制，工作人員主要只是完成考評指標(biāo)，裝置運(yùn)行飽和度與效率有待提高；一部分大科學(xué)裝置的評價(jià)體系缺乏與產(chǎn)業(yè)相關(guān)指標(biāo)的考評，與大科學(xué)裝置的公共開放服務(wù)特點(diǎn)、助力產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新特點(diǎn)不能完全相適應(yīng)等。
而具體到特定的材料方向，同樣也存在著各式各樣的問題。例如材料基因組研究就存在著材料數(shù)據(jù)儲存標(biāo)準(zhǔn)與共享機(jī)制不足的問題。材料領(lǐng)域研究的多樣性使得數(shù)據(jù)儲存標(biāo)準(zhǔn)缺乏?；趯?shí)驗(yàn)的材料數(shù)據(jù)庫需按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組織，尤其是基于第一性原理的計(jì)算依舊十分有限。此外，科研人員傾向于報(bào)道正面的、好的研究結(jié)果，但在材料基因組中，所謂正面和負(fù)面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有同等的重要性。
4. 部分新材料的發(fā)展一哄而上
以碳纖維為例，經(jīng)過多年發(fā)展，國外領(lǐng)先企業(yè)圍繞“碳纖維+上漿劑→織物+樹脂→預(yù)浸料→應(yīng)用設(shè)計(jì)服務(wù)”形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈綜合競爭能力，牢牢掌握話語權(quán)。同時，這些企業(yè)還往往放棄低端產(chǎn)品的利潤，以低于國內(nèi)企業(yè)成本的價(jià)格，通過傾銷，遏制我國碳纖維企業(yè)的發(fā)展。在此嚴(yán)峻形勢下，我國碳纖維發(fā)展缺乏引導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)鏈整體布局能力較差，著眼于“單點(diǎn)突破”，盲目上馬并擴(kuò)大產(chǎn)能，導(dǎo)致低水平重復(fù)和同質(zhì)化競爭，使得低端產(chǎn)能過剩，相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格顯著下滑，市場內(nèi)耗嚴(yán)重。國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)虧損、開工量不足，處于進(jìn)退維谷的艱難境地，嚴(yán)重阻礙了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。
再以石墨烯為例，在快速發(fā)展的同時，“誤導(dǎo)”宣傳、“大躍進(jìn)”發(fā)展以及大量落后產(chǎn)能等一系列問題亟待解決。近年來，石墨烯受到各路資本市場的投資機(jī)構(gòu)和上市企業(yè)的熱捧，“一片藍(lán)海”“萬億級市場”“顛覆性變革”“石墨烯電池充電8分鐘可跑1000公里”“全面替代硅”等言過其實(shí)、夸大宣傳的報(bào)道頻繁進(jìn)入人們視野。然而，上游生產(chǎn)企業(yè)盲目擴(kuò)大產(chǎn)能，下游應(yīng)用產(chǎn)品附加值低、低端產(chǎn)能擴(kuò)張過快、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重等問題，已初步顯示出“低端化”發(fā)展的苗頭。在專利申請方面，盡管我國石墨烯相關(guān)專利申請超過全球總量的一半，但原創(chuàng)基礎(chǔ)專利少。除了碳纖維、石墨烯，稀土等也成為市場熱炒的新材料題材。
5. 產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、創(chuàng)新鏈上下游之間的互動不足
當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，加快構(gòu)建以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局對新材料產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈、創(chuàng)新鏈水平提出了新的要求。然而，我國新材料在推廣應(yīng)用過程中仍面臨著一定的困難與挑戰(zhàn)。國產(chǎn)新材料的應(yīng)用市場尚未完全打開，國產(chǎn)新材料上中游的發(fā)展總體上落后于下游裝備制造需求，重大工程與裝備“等米下鍋”現(xiàn)象還比較突出，制約了新材料的技術(shù)更新和迭代發(fā)展。例如，由于國產(chǎn)化應(yīng)用規(guī)模較小，我國碳纖維及其復(fù)合材料、鋰離子電池材料在市場化初期階段，成本與價(jià)格偏高，與國外企業(yè)競爭時處于不利地位，尤其是當(dāng)跨國企業(yè)開展低價(jià)競爭和聯(lián)合打壓時，國內(nèi)企業(yè)的生存空間被嚴(yán)重?cái)D壓。究其原因，還是歸因于我國部分新材料的生產(chǎn)與應(yīng)用結(jié)合不夠緊密，產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈上下游沒有形成聯(lián)合攻關(guān)、同步設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證、迭代更新的機(jī)制。
6. 新材料裝備的自給率有待提高
伴隨著全球科技競爭和貿(mào)易保護(hù)主義愈演愈烈，我國新材料專用高端裝備的進(jìn)口難度越來越大，專用設(shè)備的供應(yīng)鏈安全同樣需引起足夠重視。當(dāng)前，我國部分新材料研制的專用裝備以引進(jìn)、消化和吸收為主，發(fā)展水平仍相對滯后，自主創(chuàng)新能力不足，部分高端裝備完全依賴進(jìn)口。例如碳纖維制備用到的高溫碳化爐，相關(guān)裝備及技術(shù)一直受國外封鎖，國內(nèi)只能依靠自主研發(fā)；預(yù)氧化爐及低溫碳化爐在穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能和指標(biāo)上與國外相比還有差距。由于技術(shù)密集度高、附加值高，高端裝備處于價(jià)值鏈高端環(huán)節(jié)，很多發(fā)達(dá)國家為保護(hù)競爭優(yōu)勢，會限制高端裝備出口。國外企業(yè)圍繞部分新材料的裝備，采取有針對性的低價(jià)策略，使得國產(chǎn)裝備與國外裝備相比長期存在顯著差距，可能面臨“釜底抽薪”的風(fēng)險(xiǎn)。
7. 新材料基礎(chǔ)研究與實(shí)際需求未能完全掛鉤
當(dāng)前，面對我國高新技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中急需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題，材料基礎(chǔ)研究的關(guān)注度仍有較大的提升空間。材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究同樣需要應(yīng)用牽引、突破瓶頸，從經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家安全面臨的實(shí)際問題中凝練科學(xué)問題，弄通“卡脖子”技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)原理。由于材料研發(fā)與應(yīng)用的結(jié)合不夠緊密，工程應(yīng)用研究不足、數(shù)據(jù)積累缺乏，使得有針對性的、面向材料實(shí)際服役環(huán)境的研究缺失，還出現(xiàn)了材料質(zhì)量工藝不穩(wěn)定、性能數(shù)據(jù)不完備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不配套、考核驗(yàn)證不充分等一系列問題，導(dǎo)致“有材不能用”“有材不會用”“有材不敢用”問題非常突出。當(dāng)前，美國、歐洲和日本等國家/地區(qū)在關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料方向持續(xù)大力布局，如“制造業(yè)美國”建設(shè)的遍及全美的創(chuàng)新研究所網(wǎng)絡(luò)，由行業(yè)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)（大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室）、培訓(xùn)組織和政府部門等組成，試圖跨越從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用的“死亡之谷”，關(guān)注領(lǐng)域一半涉及材料方向。這些國家/地區(qū)一系列新的舉措與行動很有可能拉大我國新材料與世界先進(jìn)水平的差距，甚至在我們尚未完全解決當(dāng)前短板的同時又形成新的短板。
