产业观点 | 新材料产业发展战略与创新实践
2023-12-22 07:49 浏览:28
“一代材料，一代技术，一代产业”，新材料产业作为新一轮科技革命和产业变革的先导与基石，已经成为世界经济和科技竞争的战略焦点。我国新材料产业目前正处于爬坡过坎的关键阶段，有效提升新材料研发能力以及产业创新能力成为新材料产业高质量发展的关键所在。本文梳理了国内外新材料产业发展现状、趋势及存在的问题和瓶颈，并结合松山湖材料实验室从新材料研发到产业化市场化的全链条创新模式实践经验，提出了以科技创新及相关体制机制创新引领新材料产业发展的政策建议。
随着新一轮科技革命和产业变革的持续推进，新一代信息技术产业、新能源产业、新能源汽车产业、智能制造产业等新兴产业在全球范围内蓬勃发展，对材料提出了更高要求，主要发达国家和地区均高度重视新材料产业发展，积极抢占新材料产业制高点，全球新材料产业正处于高速发展阶段，产业规模由2004 年的3000 亿美元增长至2020 年的约3 万亿美元。全球新材料产业已形成以美国、日本和欧洲等发达国家（地区）为第一梯队，中国、韩国、俄罗斯等材料产业大国为第二梯队，巴西、印度等新兴大国为第三梯队的整体格局。第一梯队在新材料产业竞争中占据全面优势，第二梯队的新材料产业正处于快速增长期，对现有格局形成有力冲击。总的来说，新材料产业围绕三大领域展开竞争。一是以金属、高分子、陶瓷、玻璃等为代表的传统材料领域。金属、陶瓷、玻璃、纤维和高分子等传统材料在人类历史中一直扮演着重要角色，每次发展都会极大地推动人类社会文明和生产力的巨大进步。如今，这些传统材料领域中诞生了非晶合金、透明陶瓷、多孔陶瓷、碳纤维、金属/ 陶瓷复合材料和超高分子量聚乙烯纤维等具有广阔发展前景的新材料，成为新材料产业竞争的主要领域之一。这一领域的特点是产业发展对资源禀赋的依赖程度较高，目前美国、俄罗斯、日本等传统工业强国依托长期积累的技术和设备底蕴，在全球处于领先位置。我国在这些传统材料领域处于产业第一梯队，但产能大而不强。二是以半导体及集成电路材料、信息存储材料、光通信材料、传感器为代表的信息材料领域。信息材料构成了信息技术与应用的基础，是实现信息感知、计算、发送、传输、接收和存储的物质基础，是人工智能、智能传感、虚拟现实/增强现实、区块链和大数据等信息技术产业发展与进步的先导条件。这一领域正处于技术与设备快速迭代的高速发展期，产业发展对技术和设备的先进程度依赖性很高，目前美国、欧盟、韩国、日本等信息产业强国（组织）仍处于领先地位，我国正在加强该领域核心技术攻关和产业链布局，但光刻胶等部分关键材料、微加工技术仍不成熟，产业化水平不高，成为制约我国信息产业发展的突出短板。三是以光伏电池、锂离子动力电池、氢燃料电池等为代表的新能源材料领域。能源清洁低碳化趋势已经成为全球共识，变革性能源材料技术是未来发展的关键领域。其中，汽车电动化和智能化变革为大势所趋，新能源汽车大规模发展将大幅度降低燃油的消耗。汽车电动化需要绿色电力才能助力“双碳”目标的实现，光伏发电和储能技术是主要的解决方案，“光—储—配—用”绿色电力全链条一体化是“双碳”目标实现的关键。新能源材料这一领域发展时间相对较短，各条技术路线孰优孰劣尚不明朗，产业未来发展的核心资源与各国自身的资源禀赋的契合程度，对各国在这一产业的发展起着关键作用。目前欧盟、美国等发达国家（组织）处于世界前列，我国在这一领域中处于产业第一梯队，在光伏电池、锂离子动力电池等细分领域处于相对领先位置。近年来，世界主要发达国家围绕新材料产业发展的重点领域纷纷出台了长期精准扶持的相关政策，通过提前开展战略布局，推动本国在关键新材料领域快速发展，以期在新材料产业中夺得技术制高点。例如，美国国家科学基金会（NSF）于2017年启动的“十大理念”（10 Big Ideas）大型计划；欧盟通过“研发框架计划”（FP）及“地平线2020”（Horizon 2020）；美国国防部高级研究计划局设立LUMOS 项目；日本新能源与工业技术发展组织投入22.5 亿日元，用于硅基高亮度、高效率激光器的开发。巨额的投入换取的是技术及产业上的突飞猛进，目前发达国家在新材料产业多个细分领域上形成的技术优势也是十余年前提前布局所取得的成果。比如，在非晶材料领域中，在20 世纪90 年代，由日本和美国主导的非晶合金材料进入大块合金时代，极大地拓展了其应用范围和领域；在信息材料领域中，台湾积体电路制造股份有限公司、三星集团、英特尔公司等大型跨国公司把控着5 nm、3 nm 晶圆制程技术，90%以上的高端MEMS 传感器芯片也由各个发达国家掌握；在新能源材料领域，光伏产业最为热门的是由日本三洋公司所开发的HJT 电池，具有量产效率高、生产工序短等显著优势。新材料产业是支撑我国经济发展和产业结构转型升级的基础性、先导性、战略性产业。近年来我国新材料产业在国家一系列政策举措的指引下，产业规模实现跃升，创新能力显著提高。一是产业规模快速增长。我国新材料产业体系已经初步形成，发展形势良好。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》《“十四五”信息通信行业发展规划》《“十四五”原材料工业发展规划》《“十四五”智能制造发展规划》等国家层面战略规划的出台，为新材料产业持续向好发展创造了良好的政策环境。新材料产业规模从2010 年的6500 亿元增长至2020 年的5 万亿元。二是关键技术不断实现实质突破。通过产学研用结合，许多重要新材料技术指标大幅提升。稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、镁合金、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产能居世界前列。关键技术的不断突破和新材料品种的不断增加，使我国高端金属结构材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料保障能力明显增强，先进高分子材料、超薄平板玻璃和特种金属功能材料自给水平也在逐步提高。在中央和各地政府的支持下，各地基于产业基础、科研条件、资源禀赋、市场需求等比较优势，积极发展区域特色新材料产业，推动新材料相关企业集聚化发展。总体来看，我国新材料产业发展集聚在环渤海地区、长三角地区、珠三角地区，同时在中西部还形成了一批有显著区域特色的新材料产业基地。环渤海地区大型企业总部、国内顶尖高校和重点科研院所集聚，科技创新能力全国领先，在新能源材料、生物医用材料等新兴领域形成了高端新材料产业集群，在传统材料领域也有着位居全国前列的科研能力和产业实力。长三角地区，经济发展水平高，产业配套完善，物流交通网络发达，是我国重要的新材料研发、生产和消费市场，在高端金属、半导体材料、先进高分子材料等领域形成了一批国内外知名的产业基地。珠三角地区，应用市场空间和潜力大，外向型经济发达，新材料产业集中度高，在电子信息材料、化工新材料、先进陶瓷材料等领域培育出具有较强优势的产业集群。中西部地区，内蒙古包头、江西赣州等地依托丰富的稀土资源建设稀土产业集群；中部六省依托在钢铁、有色、建材、化工等传统领域打下的雄厚产业基础，形成了初具规模的产业基地；西部地区四川省和陕西省依托丰富的矿产与能源，通过军民融合、技术创新等，在稀土功能材料、稀有金属材料等领域形成了一批特色鲜明的新材料产业基地。一是整体发展水平偏低。我国新材料产业起步晚、底子薄，整体发展水平偏低，据统计，我国新材料产业仅有10% 左右的领域达到国际先进水平。与制造强国建设的要求相比，我国关键材料“卡脖子”问题还广泛存在，大量关键材料和专用装备依赖进口，导致重大装备、重大工程“等米下锅”的现象比较突出，新一代信息技术等战略性新兴产业供应链上游安全稳定性面临潜在风险，最先进的ArF 和EUV 工艺光刻胶几乎全部依赖进口，新材料产业还不能很好地支撑我国制造业高质量发展。二是创新支撑作用不足。从科研侧看，我国材料科学高水平论文数量高居全球第一，且占比近5 成，但从产业侧看，我国高端制造业仍有诸多关键材料依赖进口，科技产业“两张皮”现象在材料领域表现得尤为明显。一方面，我国产业长期处于全球价值链中低端，过去产业侧先进技术的获取过度依赖国外创新体系；另一方面，受政策、体制、机制等诸多因素的制约，我国新材料研发与应用脱节较为严重。三是产业生态有待提升。我国材料领域高精尖企业多为初创，抵御风险能力较弱。在发展初期，这些企业需要经过长期的应用考核和大量的资金投入。目前我国仍存在新材料的生产与应用脱节，应用技术发展滞后、市场培育力度不足等问题。例如，电子信息领域下游企业对新材料的准入具有严格的认证制度，存在较高的准入壁垒。松山湖材料实验室是广东省以打造材料领域国家实验室“预备队”为目标于2017年启动建设的省实验室。自成立以来致力于打造“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”的全链条创新模式，重点攻坚科研成果从样品到产品再到商品的转化的难题，为打通科技成果产业化的“最后一公里”贡献力量，初步形成了支撑新材料产业发展的“松山湖”模式。由于管理人才、市场经验、风险资金等资源的缺乏，很多材料科研成果只能搁置在实验室，无法迈出成果转化的第一步，导致基础研究和前沿成果转化过程中存在一个鸿沟，这个鸿沟被称作新材料成果转化的“死亡谷”现象。为突破成果转化难题，松山湖材料实验室通过创新体制机制、构建全链条管理服务体系和聚合全方位资源等多种手段探索科技成果转化新范式。在体制机制方面，综合考虑科学家、原单位、合作企业和实验室的利益，在项目入驻初期，通过与相关方签署多方协议明确各方权益，充分调动原单位、合作企业以及科学家的积极性，以提高转化成功率；在全链条管理服务方面，通过设立创新样板工厂发展部、组建松山湖（东莞）材料科技发展有限公司和广东松湖之材产业育成中心有限公司等部门，从项目征集、引入到最终成果落地，分阶段促进科研成果产业化；在资源聚合方面，以实验室为母体，与国家开发投资集团有限公司、广东省粤科母基金投资管理有限公司等共同成立新材料领域的投资资金，并与中国石油化工集团公司等一批国内龙头企业积极对接，推动科技成果应用落地。截至2022 年，实验室多个项目团队成果已实现产业化应用，注册成立新材料产业化公司39 家，总注册资本超3 亿元。培育新材料产业集群是推动新材料产业发展的重要路径。松山湖材料实验室积极致力于以创新资源引导各类产业要素向东莞市集聚，支撑培育新材料产业集群。在项目引入阶段，实验室系统布局全产业链技术攻关，如针对第三代半导体产业链分别在衬底及外延材料、芯片、封装这几个关键节点引入高水平团队，初步形成SiC 半导体产业链高水平人才及产业化团队的集聚，为产业链上下游战略合作提供了有利条件；待项目团队完成中试研发，将相关核心关键材料和器件转化成产品后，实验室结合地方产业布局，整合优质成熟项目组团落地，打造新兴产业集群内核，并依托实验室优质创新资源，拓展产业链上下游合作渠道，吸引集聚一批行业头部企业和“专精特新”企业，形成产业集聚效应。2022 年实验室已依托产业化公司初步形成了节能减碳材料、半导体传感器与芯片、新能源材料、高端制造四个新兴产业集群内核。松山湖材料实验室集聚了一批一流材料研发和应用的人才队伍，并针对材料的设计、制备、加工、表征、测量、模拟，建设了系统的、国际一流的综合性用户开放平台，包括材料制备与表征平台、微加工与器件平台、中子科学平台、材料计算与数据库平台，以及大湾区显微科学与技术研究中心和先进阿秒激光设施（筹）。平台不仅可提供材料研发和表征等通用性技术服务，还可依托一流的科研人才队伍，通过项目合作、委托研发等多种形式，满足企业材料研制、技术改进、产品升级和开发、中试验证等需求，为企业提供解决技术难题、开发新材料的“设备能力+ 人才智力”高水平、综合性研发服务。截至2022 年，平台已对外开放超过百台套原值30 万元以上的仪器设备，扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）、原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）、拉曼光谱、“天工”超算等相继对外开放共享，承接很多企业项目课题。系统化的技术服务有效推动了区域新材料产业自主创新能级提升。1.创新材料科学研究手段，以应用为牵引突破产业关键核心技术打赢新材料领域关键核心技术攻坚战亟须从基础与应用层面实现突破，需加强创新链产业链融合，从新材料产业应用面临的实际问题中凝练科学问题，并积极运用先进研究方法及工具推动解决。一方面，可依托我国已建和在建的一批大科学装置，对材料领域前沿性、基础性重大科学技术问题开展研究，激发对基本原理的认知突破，探索“卡脖子”技术的基础理论和技术原理，实现更多“从0 到1”的突破；另一方面，以材料基因工程等先进材料研发理念为抓手，突破材料科学领域高通量计算、高通量测试、高通量制备以及人工智能赋能等关键技术，构建材料基因工程创新技术体系，形成能够普遍适用的新材料研发路径，大力提高新材料研发和应用的效率，助力新材料实现迭代升级。2.布局新型创新平台建设，着力提升新材料科技成果转化效率支持在新材料产业基础较好、经济发达的地区建设国家级、省级新材料创新平台，积极打造新材料产业发展的战略科技力量。以新型创新平台为主体，集聚创新要素，创新体制机制，打通科技成果转化“死亡谷”，破解科技产业“两张皮”的难题；推动新型创新平台与龙头企业、“专精特新”企业等应用端创新主体共同开展新材料产业基础技术和产业化技术攻关，支撑企业开展产业链源头创新；支持新型创新平台建设新材料测试表征平台、中试验证平台、材料大数据平台等公共能力，推动平台设备向产业开放共享，支撑企业开展技术研发与验证。3.深入开展新材料产业集群建设，构建创新要素融通发展的创新生态发展培育新材料产业集群已经成为各国推动新材料产业发展和产业组织模式创新的主要路径，建立集群成员横向和纵向密切合作的协同创新网络对集群高质量发展至关重要。一是要推动集群内企业与科研机构的创新合作，将科研创新能力与产业发展的技术需求在空间上无缝衔接，开展产业链原始创新、源头创新；二是要推动产业链上下游创新合作，聚焦产业链供应链薄弱环节，鼓励应用端龙头企业利用人才、技术等资源对集群内供应链企业进行创新赋能，着力培育一条以集群内企业为主的供应链“备胎”；三是要推动新材料产业与集群内其他产业的协同发展，鼓励以符合未来产业变革方向的下游应用为牵引，打造更加具有全局性、更安全可靠的产业链供应链。4.围绕产业急需人才需求，打造有竞争力的创新人才发展环境新材料产业属于知识、技术、资金密集型行业，除了大量资金投入，还需要大量技术创新与产业化人才。2022 年松山湖材料实验室组织的广东省部分重点新材料企业产业链安全稳定调研问卷结果显示，缺乏专业人才是新材料领域企业反映最为集中的问题之一。欧美等西方地区和国家起步早，在信息材料等领域关键核心技术及工艺装备方面集聚了一批高层次的华人科学家和工程师。建议国内有关部门、重点地市在住房、医疗、子女教育、创新创业等方面加快出台具体的支持举措，吸引海外高层次人才回国任职或与国内单位开展合作；鼓励重大创新载体、重点高校等科研机构通过项目合作等方式与企业共同培养高素质的研发人才。本文摘编自《2022高技术发展报告》（6.1节），作者：林伟坚，黄庆礼，汪卫华，标题和内容有调整。科学人文在线，与您共同关注科技史、科技哲学、科技前沿与科学传播，关注人类社会的可持续发展，创造有价值的阅读！欢迎点赞、转发、留言讨论，我们将每月选取活跃读者给与赠书奖励，公号对话框输入“赠书”，可了解赠书活动详情。联系邮箱：kxrw@mail.sciencep.com。转载说明：申请转载请在文末留言或邮件联系，转载时请完整保留文章出处说明，未经同意不允许修改、删减文章，不允许添加与文章内容无关的信息及广告。《高技术发展报告》自2000年起开始发布，全面关注“信息技术”“生物技术”“材料和能源技术”及“航空航天和海洋技术”四大领域，每年聚焦一个领域，4年一个周期。《2022高技术发展报告》的主题是材料和能源技术。报告着重介绍了材料和能源技术领域的技术及其产业化新进展，分析了中国高技术产业国际竞争力与创新能力，探讨了纳米生物安全、核电腾飞的挑战、科技伦理教育等新兴科技带来的社会问题，邀请国内知名专家就我国制造业高质量发展、战略性新兴产业发展、新材料产业发展与创新，以及“双碳”背景下创新政策范式转型、打造高能级创新联合体等发表见解。报告有助于政府部门和社会公众了解高技术，特别是材料和能源技术发展及产业化动态，理解高技术对社会的影响。汪卫华，中国科学院院士，广东省松山湖材料实验室主任，中国科学院物理研究所研究员，中国科学院极端条件物理重点实验室主任。主要研究领域：非晶合金材料、非晶态物理等。主持中国科学院、科学技术部、国家自然科学基金委员会等单位的10多项重大课题，参与多项国家科技发展的咨询与评估工作。
