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李元元院士：新形勢下我國新材料發展的機遇與挑戰

2021-12-30 14:51:41 作者：今日新材料來源：今日新材料分享至：

近日，由中國工程院、中國科學技術協會主辦，中國材料研究學會共同主辦的“中國新材料產業高峰論壇——第三屆中國新材料產業發展大會暨2021”科創中國“新材料專家、技術、需求推介會”在武漢光谷科技會展中心舉行。

中國工程院院士、華中科技大學黨委書記李元元以中國材料研究學會承擔的中國工程院重大咨詢項目課題《新材料前沿技術與科普發展戰略研究》《新材料創新能力提升戰略研究》《化工、冶金與先進材料工程科技未來20年發展戰略研究》《新材料研發與制造應用智能化》為背景，系統分析了我國新材料發展的戰略地位、發展概況、重大需求和發展機遇，著重闡述我國新材料當前發展面臨的重大問題與挑戰以及深層次的原因，提出了中國新材料攻堅克難的主要任務和政策措施。以下為報告整理。

李元元

01 新材料具有基礎和支撐作用

材料是工業生產的物質保障。如鋼鐵材料成就了機械化生產，電池材料催生了自動化生產，半導體材料的出現催生了以信息化生產為主的工業3.0時代。

近年來隨著人工智能材料的出現，工業生產已邁入智能制造工業4.0時代。任何一種高新技術的更新換代，都必須以該領域的新材料技術突破為前提。新材料在工業革命中起到了無可替代的基礎和支撐作用。

尤其進入21世紀后，全球各國都緊密出臺了新材料的國家戰略計劃，例如美國通過材料基因組計劃構建先進完備的材料研究工具與大數據，加速新材料的市場應用進程，以滿足多樣化的國家需要。歐盟的石墨烯旗艦計劃、日本創新制造戰略、德國國家工業戰略2030等，分別重點布局在新能源、信息、汽車、海洋等各自的優勢領域和戰略支柱產業。

我國新材料研發起步晚、底子薄、起點低，但經過30余年的努力，我國現已成為世界的材料大國，比如前沿研究方面的發明專利和論文數量均位居世界第一位。在人才培養方面，專業技術人才已達120萬人，位居世界第一位。在科研機構方面，建設新材料技術創新中心、國家重點實驗室、產業化基地等逾400余家。在企業建設方面，2020年全國新材料生產企業達到867萬家，產值超過了6萬億元，約占GDP的6%——這里指的是新材料產業，如果是整個材料工業則約占GDP的20%。

02 邁上快車道產業需求迫切

當前，我國新材料已進入到了高速發展的快車道，尤其是前沿熱點領域表現出強勁的發展勢頭。部分領域與發達國家形成了并跑，甚至部分領域、少數領域出現了領跑的局面。

產業集群已逐步形成，長三角、珠三角、環渤海三大新材料產業聚集地呈現出蒸蒸日上的發展局面。特色產業優勢明顯，西部、東北、中部分別形成以能源、資源、地域為特色的新格局，呈現出高速發展的新態勢。此外，以企業為主體，市場為導向，產學研用相融合的新材料創新體系正在逐步形成。

總體而言，近幾年我國產業發展較快的新材料可以分為三個領域：先進基礎材料，例如超級鋼、電解鋁等已經突破關鍵技術；關鍵戰略材料領域，例如稀土隕石材料的產業規模已經是世界第一；前沿新材料領域，例如石墨烯也處于國際領先地位。

無論是在芯片技術還是高端發動機技術等，都離不開關鍵材料瓶頸技術的突破。在高端制造領域對新材料也有著重大需求，“中國制造2025”計劃中的十大重點產業領域都涉及關鍵戰略材料的重大需求。“美國先進制造伙伴計劃”的三大優先發展領域也強調新材料的戰略保障作用，德國工業4.0也將新材料與信息技術列為同等地位，可見高端制造對新材料的重大需求非常迫切。

我國的墨子號天眼工程、載人航天探月工程、深海工程、北斗導航等都對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鍵技術的不斷突破。在國家的戰略工程方面，無論智能制造、強基工程、綠色制造，還是高端裝備創新工程都離不開新材核心技術的突破與創新。

03 外部挑戰與內部發展并存

當前我國新材料發展受到外部環境的嚴重挑戰，特別是發達國家全球化產業分工優勢已不復存在。為確保企業制造的領先地位，他們提出了再工業化——其本質是再技術化。

為應對新挑戰，我國提出要加快發展智能自主制造，而這也面臨著更嚴峻的關鍵材料挑戰。高端數控機床、大飛機、航空發動機等關鍵構件的精密設備，目前95%仍然依賴進口；關鍵基礎材料的32%仍然依賴進口，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的存儲芯片都還依賴進口，這些都與關鍵材料密切相關。

其次，我國內部工業的發展也面臨著三重重任，包括工業2.0“補課”、普及工業3.0，特別在示范工業4.0的前沿有更多的探索性工作。與之相應的新材料包括先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料，這三者都要求要加快發展，為工業重任的完成提供支撐。

同時，我國新材料高質量發展還面臨著巨大的壓力。目前中國碳減排量遠遠高于美國，實現碳中和留給美國的時間約為50年，而中國只有30年的時間。在短時間內要實現上述目標，需完成四項關鍵的任務，包括大力發展新能源材料，實現化工、冶金、建材工業流程的綠色化，大力發展固碳轉化材料，大力發展再生新材料。

此外我國新材料產業鏈問題突出，例如上游高純原材料和中游的加工輔料都面臨嚴重的“卡脖子”問題，陶瓷、高端金屬、生物醫用原材料等高純原料的研制受工藝及加工裝備的限制。對此企業要通過提升基礎能力，突破關鍵材料，提高裝備水平等措施加以應對。

在新材料產業鏈方面，企業創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，中國創新主體集中在高校和科研院所，創新要素與生產要素的融合遠遠不夠。企業對研發的投入不足，產業化也面臨著嚴重的障礙，以企業為主導的產學研用創新平臺還需要進一步加強。

在產業鏈的下游，新材料應用集成能力還嚴重不足，例如新材料企業對下游客戶普遍缺乏應用大數據的建設。材料與應用端融合、集成普遍缺乏，產用平臺過度支持，這是我國的一大短板。

04 多方面均存在差距

新材料產學用一體化差距較大的主要原因包括新材料原創能力不足、研發主要處于跟跑、創新源動力不足等。我國新材料專利成果轉化率也較低，中國專利數量雖然已經是世界第一，但是新材料專利成果的轉化率僅為10%，而美國的轉化率高達80%。

材料成果的轉化是一個系統工程，現在的轉化鏈條中間還有很多缺失的因素，因此造成的轉化率還是比較低。由于大多數成果目前仍然依托于高校和科研院所，在配備產業要素或者成果轉化過程當中，往往要經歷一個被稱為“死亡之谷”的曲線，因此新材成果轉化率較低。

同時，在基礎研究方面也缺乏體系化。總體而言，自由選題較多，缺乏宏觀系統整合、缺乏材料戰略大科學家，缺乏一個組織進行重大共性科學問題系統研究，各自為戰、人自為戰的現象到處存在，基礎研究的細度、縱向深度和橫向廣度均欠缺。

我國的新材料設計制造軟件也長期依賴于進口，這主要由于研發周期長、投入大，知識產權保護不足，材料與軟件開發領域缺乏技術互動與融合，也缺乏材料大數據庫的有效支撐。

高端檢測儀器是國家高技術發展水平的重要標志，而很多企業的新材料高端檢測儀器絕大部分均依賴于進口。在諾貝爾獎中，11%因發明儀器而獲獎，70%的物理獎、81%的化學獎均依靠尖端科學儀器完成。我國在高端檢測儀器方面的嚴重落后，也制約著標志性成果的發展。

新材料的基礎保障能力也仍然比較落后，在原材料關鍵設備、材料性能、集成化等系統基礎研究方面布局不足，材料工藝缺乏深度與細度上的突破，材料加工的數字化、智能化水平屬于長期落后的水平，這些都與發達國家存在較大的差距。

05 新材料未來發展可期

上述問題與挑戰將伴隨著我國從制造大國向制造強國，從材料大國向材料強國轉變的過程。這既是問題，同時也給新材料產業的發展帶來了更大的機遇。

從2011年起，我國已成為全球制造業第一大國。中國的制造業趕上第四次工業革命，目前制造業的規模已經居全球首位，門類齊全且有獨立完整的現代工業體系。雖然制造業整體位于世界第一，但單個企業的規模、質量、效益與其他國家的世界500強企業相比還是有差距。

新一輪科技革命與我國經濟發展轉型彼此交匯，將產生重大的戰略機遇。在實現從制造大國向制造強國的歷史使命中，新材料是兩大“底盤技術”之一。“底盤技術”就是基礎技術、最重要的支撐技術與基礎技術，它的產業發展將從價值鏈中低端向中高端邁進。

當前，全球新材料競爭表現出新的特征。例如在材料的前沿研究方面，隨著原創、變革、顛覆性技術的不斷涌現，爭奪行業發展主動權日趨激烈；在產業發展方面，隨著高新技術、高端制造和重大工程的變革，產業發展主導權成為爭奪的對象；在材料技術方面，產學研用融合立足企業整體創新，這是爭奪工業發展自主權的關鍵。

此外，人工智能與新材料相結合，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制造應用完整材料工業體系和產業的積累。

在新的歷史使命中，我們材料人肩負攻堅克難的主要任務，一方面要加快解決關鍵問題。另一方面對未來要解決的關鍵問題也要及早進行謀劃。

針對外部環境、內部發展、新材料產業鏈產學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，我們要認真實施國家部署的各項計劃和支持政策，針對技術難題來攻堅克難，逐個擊破。

我們要堅持四個面向，圍繞前沿研究、產業發展、技術應用三個維度重點提升六個能力——即原創能力、基礎能力、補短板能力、集成能力、智能能力、綠色能力。實現高新技術邁向創新型國家，在先進制造方面實現自主可控，在重大工程方面進入世界一流的發展水平。

未來20年，中國新材料戰略布局主要基于產業創新、產業發展、產業升級、綠色產業、智能產業和材料產業等，重點布局在人工智能材料、信息技術材料、航空發動機及燃氣輪機材料、新能源材料、量子材料、高品質特殊鋼等領域；在中長期，我國將圍繞石墨烯、量子生物大分子和基因調控等展開戰略布局；在長遠的未來將側重發展暗物質、暗能量、引力波等。