材料科學(xué)，已成為當(dāng)代社會(huì)物質(zhì)文明進(jìn)步的根本性支撐之一，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)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(huì)和科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展變化，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，在社會(huì)與經(jīng)濟(jì)對(duì)材料巨大需求的牽引和學(xué)科交叉的不斷推動(dòng)下，材料科學(xué)領(lǐng)域呈現(xiàn)積極活躍的發(fā)展態(tài)勢(shì)。
新材料前沿發(fā)展趨勢(shì)與動(dòng)態(tài)分析
1. 材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
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(dòng)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(shì)可歸納為以下四個(gè)方面。
- 材料追求更高使役性能滿足社會(huì)進(jìn)步和科技發(fā)展
人類對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)代，對(duì)超大容量信息傳輸、超快實(shí)時(shí)信息處理和超高密度信息存儲(chǔ)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(dòng)通信和數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已成為信息技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。相應(yīng)地，信息功能材料對(duì)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(gè)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(guó)的廣泛關(guān)注，并對(duì)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(jí)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(cè)，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(shí)。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(dòng)力
隨著人類社會(huì)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(huì)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(huì)的可持續(xù)發(fā)展。高性能材料對(duì)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(guó)的重要戰(zhàn)略。近年來，歐盟、美國(guó)、澳大利亞、 日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和組織均將綠色、可持續(xù)發(fā)展作為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要方向，出臺(tái)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(guó)紛紛在材料科學(xué)領(lǐng)域制定出臺(tái)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(guó)家仍在國(guó)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(guó)、歐洲及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。表1-1列舉了國(guó)外在材料領(lǐng)域近年來制定的主要發(fā)展規(guī)劃。
美國(guó)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(guó)防、能源、電子信息等對(duì)材料的需求。美國(guó)的新材料發(fā)展特色是以能源部、國(guó)防部、商務(wù)部（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院）和國(guó)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(gòu)合同形式來推動(dòng)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(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃”，2011年啟動(dòng)的“材料基因組計(jì)劃”、2012年啟動(dòng)的國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)名“制造業(yè)美國(guó)”）建設(shè)等。在各個(gè)聯(lián)邦部門層面，也有具體的行動(dòng)計(jì)劃。如美國(guó)能源部近年來加大了對(duì)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(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局2017年啟動(dòng)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(guó)在材料領(lǐng)域的戰(zhàn)略規(guī)劃與行動(dòng)計(jì)劃
2000年起，美國(guó)開始實(shí)施“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃”（National Nanotechnology Initiative， NNI），在國(guó)家層面協(xié)調(diào)各方參與機(jī)構(gòu)的研發(fā)活動(dòng)，推動(dòng)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(cè)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(huì)。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(guó)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(lì)公眾參與，擴(kuò)充勞動(dòng)力；確保納米技術(shù)負(fù)責(zé)任地發(fā)展。
美國(guó)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。現(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(duì)于推動(dòng)材料創(chuàng)新，尤其是推動(dòng)新材料走向應(yīng)用方面所具有的潛力。
為重塑美國(guó)制造業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位和競(jìng)爭(zhēng)力，美國(guó)政府于2012年啟動(dòng)了國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（現(xiàn)更名為“制造業(yè)美國(guó)”），以推動(dòng)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(guó)國(guó)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(huì)公開咨詢與評(píng)估，美國(guó)國(guó)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(shí)，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(guó)能源部每年會(huì)對(duì)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(gè)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)每年都會(huì)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(guó)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等17個(gè)科研實(shí)力全球名列前茅的國(guó)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(guó)材料研究取得了非凡的進(jìn)步。美國(guó)國(guó)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(guó)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(dòng)了其他二維材料的研究，激發(fā)了對(duì)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(dòng)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(gè)研究領(lǐng)域成為國(guó)際領(lǐng)導(dǎo)者，并在盡可能多的先進(jìn)材料技術(shù)中爭(zhēng)當(dāng)世界第一。以法國(guó)、德國(guó)等為代表的歐盟成員國(guó)和英國(guó)等在科技發(fā)展戰(zhàn)略中，盡管各國(guó)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(huì)挑戰(zhàn)等三個(gè)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(gè)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(huì)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(tái)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(shì)和提高未來競(jìng)爭(zhēng)力，歐盟委員會(huì)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(shì)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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)力，并確保從資源密集型向知識(shí)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(huì)挑戰(zhàn)三大戰(zhàn)略優(yōu)先領(lǐng)域，其中每個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域都分別部署了多項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃。與材料相關(guān)的行動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)計(jì)劃等。
歐盟“未來和新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”是一項(xiàng)長(zhǎng)期的科研扶持項(xiàng)目，是歐盟出臺(tái)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(gè)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(píng)估委員會(huì)發(fā)布的中期評(píng)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(guó)。英國(guó)作為老牌工業(yè)國(guó)家，英國(guó)材料科學(xué)和技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。英國(guó)是一批世界級(jí)的制造公司的發(fā)源地，這些公司的成功取決于對(duì)先進(jìn)材料的開發(fā)利用。英國(guó)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手國(guó)家相媲美。
英國(guó)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(guó)發(fā)布了國(guó)家級(jí)《促進(jìn)增長(zhǎng)的創(chuàng)新和研究戰(zhàn)略》，以創(chuàng)新和研發(fā)來推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。在該戰(zhàn)略報(bào)告中， 英國(guó)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(guó)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(guó)“工業(yè)2050戰(zhàn)略”是定位于2050年英國(guó)制造業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)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(guó)制造業(yè)發(fā)展與復(fù)蘇的政策。2017年11月，英國(guó)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(guó)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(guó)政府通過工程與自然科學(xué)研究理事會(huì)（EPSRC）向每個(gè)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(dòng)研究成果從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，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(guó)。德國(guó)聯(lián)邦政府教育和研究部為鼓勵(lì)各種社會(huì)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(huì)而進(jìn)行材料創(chuàng)新”WING（始于2004年）三個(gè)規(guī)劃。2001年，德國(guó)啟動(dòng)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(huì)材料創(chuàng)新計(jì)劃，重點(diǎn)開發(fā)新材料，以加強(qiáng)德國(guó)工業(yè)的創(chuàng)新力。德國(guó)政府后續(xù)又推出了《德國(guó)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(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》提出，德國(guó)經(jīng)濟(jì)的未來競(jìng)爭(zhēng)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(duì)生產(chǎn)、健康和環(huán)境的影響程度。“工業(yè)4.0”是《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》提出的十大未來項(xiàng)目之一，推動(dòng)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(guó)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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中取得成功的關(guān)鍵。該項(xiàng)目由德國(guó)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(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)與能源部發(fā)布《國(guó)家工業(yè)戰(zhàn)略2030》，旨在有針對(duì)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(guó)工業(yè)在歐洲乃至全球的競(jìng)爭(zhēng)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域被列為“關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域”。③法國(guó)。材料科學(xué)是法國(guó)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(guó)高等教育與研究部2009年發(fā)布了法國(guó)國(guó)家研究與創(chuàng)新戰(zhàn)略，這是法國(guó)第一個(gè)國(guó)家層面的科學(xué)研究戰(zhàn)略，確定了3個(gè)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(duì)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(guó)政府意識(shí)到“工業(yè)強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng)”，在2013年9月推出了《新工業(yè)法國(guó)》戰(zhàn)略，旨在通過創(chuàng)新重塑工業(yè)實(shí)力，使法國(guó)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(zhǎng)期規(guī)劃，展現(xiàn)了法國(guó)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(chǎng)，因而選取的重點(diǎn)是使市場(chǎng)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)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(gè)方面的研究。②能源利用技術(shù)的高效化：推動(dòng)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(shí)還要 推動(dòng)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(huì)（5.0 社會(huì)）”，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(shì)技術(shù)，設(shè)定富有挑戰(zhàn)性的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)并為之付出努力，提升日本的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。《第六期科學(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(huì)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(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，解決社會(huì)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(shí)，開展三方面的行動(dòng)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(huì)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(dòng)型研究體系；從擺脫資源制約、推動(dòng)循環(huán)使用、加強(qiáng)人才培養(yǎng)和國(guó)際合作等方面持續(xù)強(qiáng)化國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(guó)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(guó)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(dòng)的納米級(jí)半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)。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(huì)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(chǎng)，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(guó)新材料前沿技術(shù)創(chuàng)新機(jī)遇
“十四五”是推進(jìn)國(guó)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(huì)安定和諧， 為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家開好局、起好步的關(guān)鍵時(shí)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(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入從規(guī)模增長(zhǎng)向質(zhì)量提升的重要窗口期。對(duì)于新材料發(fā)展來說，“十四五”同樣是極其關(guān)鍵的時(shí)期。
根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》， “十四五”期間，我國(guó)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中有關(guān)推動(dòng)材料發(fā)展的描述
1. 計(jì)量分析顯示，我國(guó)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(guó)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(huì)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(guó)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(guó)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(guó)（7.01分）的3.5倍，具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所的統(tǒng)計(jì)顯示，2019年，我國(guó)包括材料科學(xué)在內(nèi)的八個(gè)領(lǐng)域的高質(zhì)量國(guó)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(guó)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(shí)，材料領(lǐng)域是論文被引次數(shù)占世界第一的三個(gè)領(lǐng)域之一。2. 我國(guó)在前沿新材料技術(shù)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展
在美國(guó)、歐盟等國(guó)家/組織提出材料基因組及相關(guān)主題研究之后， 中國(guó)工程院和中國(guó)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(dòng)了“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”重點(diǎn)專項(xiàng)。近年來，我國(guó)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(jí)（104級(jí)）高通量并發(fā)式計(jì)算，初步建成了依托國(guó)家超算中心（天津）的材料高通量計(jì)算大平臺(tái)。建立了中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CSTM）材料基因工程領(lǐng)域委員會(huì)，并于2019年發(fā)布了全球首個(gè)“材料基因工程數(shù)據(jù)通則”。中國(guó)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(guó)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(tái)的材料計(jì)算子平臺(tái)正式運(yùn)行，標(biāo)志著材料基因組平臺(tái)的建設(shè)工作取得了重要的階段性進(jìn)展。該子平臺(tái)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(guó)首個(gè)世界級(jí)的材料科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)Atomly.net。
國(guó)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(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心和美國(guó)化學(xué)文摘社聯(lián)合發(fā)布的《石墨烯研發(fā)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析 報(bào)告》顯示，中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本已形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)，石墨烯專利流向美國(guó)、中國(guó)居多，中國(guó)在論文發(fā)文量和專利申請(qǐng)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(zhǎng)之后，北京大學(xué)利用外延生長(zhǎng)和超快生長(zhǎng)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(guó)西安交通大學(xué)首次剝離制得的紫磷烯。我國(guó)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(guó)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(guó)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(duì)比了中美兩國(guó)在超材料領(lǐng)域的專利申請(qǐng)情況。報(bào)告顯示，美國(guó)和中國(guó)分別自2005年和2010年開始，圍繞超材料的專利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。盡管天線均為兩國(guó)最大的應(yīng)用方向，但重點(diǎn)的集中程度明顯不同（中國(guó)有41%，美國(guó)只有19%），美國(guó)超材料的應(yīng)用領(lǐng)域比中國(guó)更為寬泛（圖1-3）。
圖1-3超材料在中國(guó)（a）和美國(guó)（b）的專利應(yīng)用布局
我國(guó)在長(zhǎng)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究組和中國(guó)科學(xué)院物理研究所王楠林研究組同時(shí)在鐵基中 觀測(cè)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(guó)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(guó)際物理學(xué)界公認(rèn)為第二個(gè)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(guó)科學(xué)家在內(nèi)的世界各國(guó)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(kù)，對(duì)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(guó)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(guó)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(duì)更多，納米器件論文增速更快。
圖1-4Nano 數(shù)據(jù)庫(kù)中八大熱門納米材料的各國(guó)論文數(shù)量對(duì)比 來源：中國(guó)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(guó)家相比，我國(guó)催化研究有明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)能與產(chǎn)能應(yīng)用。具體到各類納米材料的研究突破，我國(guó)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(guó)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(guó)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(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要以推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展為主題，這是根據(jù)我國(guó)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(shì)互補(bǔ)、結(jié)構(gòu)合理的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)引擎，更好培育新技術(shù)、新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新模式。《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)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(guó)家大力支持和市場(chǎng)需求帶動(dòng)，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(guó)戰(zhàn)略正在加速推進(jìn)，各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χ攸c(diǎn)材料的需求急劇增長(zhǎng)，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(chǎng)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(chǔ)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(jí)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(jí)。
我國(guó)通過深化科技體制改革和國(guó)家創(chuàng)新體系建設(shè)，已初步形成企業(yè)在全國(guó)技術(shù)創(chuàng)新投入產(chǎn)出活動(dòng)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(shí)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(guó)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(guó)已形成以環(huán)渤海、長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)等優(yōu)勢(shì)，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(huì)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(kù)支撐、科研成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)資訊獲取、市場(chǎng)信息對(duì)接、資本技術(shù)對(duì)接等多方面服務(wù)，加速了我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展要素的流通，推動(dòng)了新材料產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。
中國(guó)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(guó)內(nèi)外形勢(shì)正在發(fā)生深刻復(fù)雜的變化，我國(guó)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(guó)際政治經(jīng)濟(jì)格局變化趨勢(shì)加快，國(guó)際貿(mào)易摩擦短期仍將持續(xù)，使得我國(guó)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(guó)家擁有高端新材料話語權(quán)
近些年以來，我國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平。然而，毋庸置疑的是，與國(guó)際先進(jìn)水平相比，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，“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(guó)盡管是稀土原料生產(chǎn)大國(guó)、功能材料生產(chǎn)大國(guó)，但還不是高端應(yīng)用強(qiáng)國(guó)。我國(guó)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(guó)家差距明顯。如稀土拋光材料，我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品的粒度分布、硬度、懸浮性等指標(biāo)與國(guó)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(guó)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(chǎng)份額。
再如碳纖維及其復(fù)合材料。國(guó)產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料的類別、品種及規(guī)格相對(duì)單一，主要用于相對(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)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(guó)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(dòng)，我國(guó)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(guó)具有顯著的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，總部位于美國(guó)的跨國(guó)企業(yè)占據(jù)了全球高端生物醫(yī)用材料市場(chǎng)，擁有85%的骨科醫(yī)療器械市場(chǎng)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(guó)家在技術(shù)和產(chǎn)品上擁有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)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(dòng)著高新技術(shù)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，并催生了諸多新興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)在發(fā)揮前沿新材料引領(lǐng)帶動(dòng)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(duì)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(guó)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(jiǎng)或化學(xué)獎(jiǎng)的革命性材料，均不是由我國(guó)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(guó)運(yùn)行、在建以及準(zhǔn)備中的大科學(xué)裝置約百臺(tái)，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(guó)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(píng)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(píng)價(jià)體系缺乏與產(chǎn)業(yè)相關(guān)指標(biāo)的考評(píng)，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(chǔ)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(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)缺乏。基于實(shí)驗(yàn)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)能力，牢牢掌握話語權(quán)。同時(shí)，這些企業(yè)還往往放棄低端產(chǎn)品的利潤(rùn)，以低于國(guó)內(nèi)企業(yè)成本的價(jià)格，通過傾銷，遏制我國(guó)碳纖維企業(yè)的發(fā)展。在此嚴(yán)峻形勢(shì)下，我國(guó)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(jìng)爭(zhēng)，使得低端產(chǎn)能過剩，相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格顯著下滑，市場(chǎng)內(nèi)耗嚴(yán)重。國(guó)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(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。
再以石墨烯為例，在快速發(fā)展的同時(shí)，“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(chǎng)的投資機(jī)構(gòu)和上市企業(yè)的熱捧，“一片藍(lán)海”“萬億級(jí)市場(chǎng)”“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(qǐng)方面，盡管我國(guó)石墨烯相關(guān)專利申請(qǐng)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(chǎng)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(dòng)不足
當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，加快構(gòu)建以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局對(duì)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(guó)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(guó)產(chǎn)新材料的應(yīng)用市場(chǎng)尚未完全打開，國(guó)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(guó)產(chǎn)化應(yīng)用規(guī)模較小，我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料、鋰離子電池材料在市場(chǎng)化初期階段，成本與價(jià)格偏高，與國(guó)外企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)處于不利地位，尤其是當(dāng)跨國(guó)企業(yè)開展低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)和聯(lián)合打壓時(shí)，國(guó)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)和貿(mào)易保護(hù)主義愈演愈烈，我國(guó)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(guó)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(duì)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(guó)外封鎖，國(guó)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(guó)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(guó)家為保護(hù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，會(huì)限制高端裝備出口。國(guó)外企業(yè)圍繞部分新材料的裝備，采取有針對(duì)性的低價(jià)策略，使得國(guó)產(chǎn)裝備與國(guó)外裝備相比長(zhǎng)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(duì)我國(guó)高新技術(shù)和國(guó)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(huì)發(fā)展和國(guó)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(duì)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(huì)用”“有材不敢用”問題非常突出。當(dāng)前，美國(guó)、歐洲和日本等國(guó)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(guó)”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(guó)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(guó)家/地區(qū)一系列新的舉措與行動(dòng)很有可能拉大我國(guó)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(shí)又形成新的短板。
