材料科學，已成為當代社會物質文明進步的根本性支撐之一，是國民經濟、國防及其他高新技術產業發展不可或缺的物質基礎。材料科學發展本身具有很強的先導性，須走在科技發展前列。近年來，隨著人類社會和科學技術日新月異的發展變化，我國經濟社會由高速增長轉向高質量發展，在社會與經濟對材料巨大需求的牽引和學科交叉的不斷推動下，材料科學領域呈現積極活躍的發展態勢。
1. 材料科學領域發展現狀與趨勢
縱觀近些年來材料領域的發展歷程可以發現，先進信息材料不斷涌現，引領高技術領域顛覆式跨越；新能源材料發展迅猛，推動相關產業加速變革；人工智能技術加速新材料開發過程。材料的發展趨勢可歸納為以下四個方面。人類對于太空、外太空等空間資源的探索、開發和利用，需要大量快速穿越大氣層的重復往返或長時間在外層空間軌道運行的各種“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構材料。對海洋資源，尤其是深海資源的開發，需要大量的耐高壓、耐腐蝕的高強結構材料。礦產資源開發深度的不斷增加，對礦井支護材料的抗壓和隔熱性能要求也不斷提高。隨著核電工業的發展，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換步伐，光纖通信、移動通信和數字化信息網絡時代已成為信息技術發展的大趨勢。相應地，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。
隨著以原子、分子為起始物質進行材料合成，并在微觀尺度上控制其成分和結構成為可能，由微觀、介觀到宏觀等不同層次上，按預定的形狀和性能來設計和制備新材料的技術日益成熟。以增材制造為代表的“按需設計和制造材料”為目標的多尺度、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注，并對醫療、建筑、食品、制造等諸多行業產生了革命性的影響。
隨著超級計算機、大數據、人工智能、量子計算等先進信息技術的發展，新材料研發過程正在產生巨變。其中，材料基因組、量子化學等方法可為新材料研發提供海量結構化數據， 人工智能技術可從海量數據中迅速找到因果關系。上述技術的應用，可使新材料的研發周期大幅縮短，制備成本顯著下降，從而實現新材料研發由“經驗指導實驗”的模式向“理論預測，實驗驗證”的新模式轉變，這種轉變已經成為材料研究領域的共識。未來，新材料研發將加速向第四范式轉變，人工智能、大數據等技術在新材料開發中的作用將進一步突顯。
隨著人類社會的發展，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。材料的研發也將維持社會的可持續性發展放在越來越重要的位置，綠色、 環保、節能、減排成為共同的目標。材料技術更注重解決能源、資源短缺的約束，促進社會的可持續發展。高性能材料對資源，特別是稀有貴重金屬元素的依賴愈發顯著，開展材料中稀有貴金屬元素的替代研究已成為當前各國的重要戰略。近年來，歐盟、美國、澳大利亞、 日本等發達國家和組織均將綠色、可持續發展作為經濟增長的重要方向，出臺了一系列相關科技政策。未來氫能源技術、CO?捕獲及轉化技術、生物質高分子材料技術等將被加速突破 并被廣泛應用，為全球可持續發展提供物質基礎。
世界各國紛紛在材料科學領域制定出臺相應的科研與產業政策，竭力搶占材料發展的制高點。目前，發達國家仍在國際材料產業中占據領先地位，全球材料領域龍頭企業主要集中在美國、歐洲及日本等發達國家和地區。表1-1列舉了國外在材料領域近年來制定的主要發展規劃。
美國的材料科技戰略目標是保持本領域的全球領導地位，支撐信息技術、生命科學、環境科學和納米技術等領域的發展，滿足國防、能源、電子信息等對材料的需求。美國的新材料發展特色是以能源部、國防部、商務部（國家標準與技術研究院）和國家航空航天局等的 大型研究與發展計劃為龍頭，主要以采購合同形式來推動和確保大學、科研機構和企業的新 材料研究與發展工作。
在綜合性戰略規劃層面，主要包括2000年開始實施的“國家納米技術計劃”，2011年啟動的“材料基因組計劃”、2012年啟動的國家制造業創新網絡（現名“制造業美國”）建設等。在各個聯邦部門層面，也有具體的行動計劃。如美國能源部近年來加大了對關鍵材料、利用高性能計算促進材料制造創新的資助力度；國防部先進研究計劃局2017年啟動的電子復興計 劃涉及相關微電子材料的集成等（圖 1-1）。
圖1-1美國在材料領域的戰略規劃與行動計劃
2000年起，美國開始實施“國家納米技術計劃”（National Nanotechnology Initiative， NNI），在國家層面協調各方參與機構的研發活動，推動納米科學、納米工程、納米技術的發現、發展和利用。八大主要領域包括：基本現象及過程；納米材料；納米器件及系統；設備研究、測量技術和標準；納米制造；主要研發設施；環境、健康與安全；教育和社會。2021年10月發布的新一輪戰略規劃提出了以下五大目標：確保美國在納米技術研發方面保持世界領先地位；促進納米技術研發商業化；提供可持續支持納米技術研發與推廣的基礎設施；鼓勵公眾參與，擴充勞動力；確保納米技術負責任地發展。
美國自2011年起實施“材料基因組計劃”，旨在加快新材料從發現、創新、制造到商業化的步伐，該計劃將使得以比現在快一倍的速度以及足夠低的成本發現、研制、制造并部署先進材料。現已有六家聯邦機構參與，開創性研究的資助已逾4億美元，合作伙伴遍及產業界和學術界。2021年11月新版戰略規劃提出了材料創新基礎設施、材料數據和人員培養三方面的目標，更加強調材料基因組計劃對于推動材料創新，尤其是推動新材料走向應用方面所具有的潛力。
為重塑美國制造業的全球領導地位和競爭力，美國政府于2012年啟動了國家制造業創新網絡（現更名為“制造業美國”），以推動先進制造技術向產業轉移、向生產力轉化。美國國家制造業創新網絡的核心單元是制造業創新中心，它擔負著特定領域內先進制造技術成果轉化與應用推廣的職責。經過向社會公開咨詢與評估，美國國家制造業創新網絡擬建立45家創新研究所，截至本調研完成之時，已建成16家，領域涉及增材制造、光電子、材料（輕質金 屬、復合材料、纖維紡織、可持續材料制造）、智能制造、數字制造與設計、化工過程、生物制造、機器人和制造業網絡安全等。
美國能源部每年會對固態半導體照明研究進行資助。該計劃為半導體照明確定了無機發光二極管和有機發光二極管兩個方向，已進行了多次修訂。計劃關于半導體照明發展的戰略措施包括基礎研究、核心技術研究、產品開發、商業化支持、標準開發以及產業合作等方面。美國國家科學基金會每年都會發布材料學科年度計劃，主要包括材料科學進步重點領域， 如可持續發展科學工程和教育、超越摩爾定律科學與工程等項目。資助范圍涵蓋了材料研究 和教育等，資助領域廣泛，包括凝聚態物質和材料物理、固體化學和材料化學、多功能材料、 電子、光子、金屬、超導、陶瓷、高分子、生物材料、復合材料和納米結構等。
美國在新材料研究領域的科研機構一共有200多所，主要有橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室等17個科研實力全球名列前茅的國家實驗室，以及杜邦、陶氏、GE等頂尖科技研發公司實驗室，而涉足新材料研究的主力——高校實驗室，如麻省理工學院、哈佛大學等則多達近200所。
近些年以來，美國材料研究取得了非凡的進步。美國國家科學院在2019年2月發布《材料研究前沿——十年調查報告》，旨在記錄在全球開展材料研究的背景下，美國材料研究的現狀和有潛力的未來方向。報告指出，過去十年，石墨烯帶動了其他二維材料的研究，激發了對新物理現象的研究，可應用于太陽能電池、晶體管、相機傳感器、顯示屏和半導體等領域。增材制造已經成為重要工藝，可大規模生產以及按需一次性制造。過去十年中其他一些主要 材料的進步包括價格合理的LED照明、平板顯示和新型電池。有些重要的發展是純粹發現驅動的產物（如拓撲絕緣體），有些則是通過協同技術努力產生的（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步。復合材料和混合材料由于能夠承受惡劣環境而具 有高應用價值。涂層技術的進步提高了材料的可靠性，并將其用于熱量和環境保護系統。分層材料系統正在取代傳統材料，每一層的獨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的研究已經取得了很大進展。超導研究仍然前景寬廣，量子材料（包括量子自旋液體、強相關薄膜與異質結構、新型磁體、石墨烯和其他二維材料以及拓撲材料）正在迅速發展。
歐盟提出要在材料科學和工程的多個研究領域成為國際領導者，并在盡可能多的先進材料技術中爭當世界第一。以法國、德國等為代表的歐盟成員國和英國等在科技發展戰略中，盡管各國在側重點上有所差異，但都是以生命科學與生命技術、信息通信技術、納米技術、 能源等四大領域為優先發展的戰略領域，其中材料均占有重要的地位。在“地平線2020”中， 從卓越科研、產業領導力、社會挑戰等三個維度，設置了與材料領域相關的石墨烯旗艦計劃、 材料與制造使能技術、戰略能源技術計劃（SET-Plan）等（圖1-2）。
圖1-2“地平線 2020”從三個維度設置了與材料相關的計劃
早在2003年9月，歐盟科研總司召集相關科學家共同研討材料科學的未來，會議決定歐盟將著力推進十大材料領域的發展，分別是催化劑、光學材料與光電材料、有機電子學與光電學、磁性材料、仿生學、納米生物技術、超導體、復合材料、生物醫學材料及智能紡織材料。歷次的歐盟框架計劃、“地平線2020”、歐洲先進工程材料與技術平臺等都把材料和納米材料技術作為重要研究領域等進行資助和布局，材料技術在歐盟科技發展領域占據了越來越重要的位置。
為保持歐盟工業的優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，系統地研究歐盟工業的優勢和未來的發展方向。2011年6月，包括先進材料在內的六大技術被確定作為歐盟工業的關鍵使能技術（Key Enabling Technologies，KETs）， 加強六大關鍵使能技術A的研發創新，確保世界領先水平，關系到歐盟工業的生存和未來競爭力。2018年4月，歐盟確定了新的關鍵使能技術，先進材料依舊在列。
歐盟框架計劃及“地平線2020”的“納米科學、納米技術、材料和新制造技術”領域的主要目標是提高歐洲工業競爭力，并確保從資源密集型向知識密集型轉變，特別關注研究和技術開發成果向中小型企業轉移。“地平線2020”要求歐盟所有的研發與創新計劃聚焦于基礎科學、工業技術、社會挑戰三大戰略優先領域，其中每個優先領域都分別部署了多項行動計劃。與材料相關的行動計劃包括基礎科學戰略優先領域的未來和新興技術行動計劃；以及工業技術戰略優先領域中保持領先地位的使能技術和工業技術行動計劃，如納米技術、先進材料、生物技術和先進制造行動計劃等。
歐盟“未來和新興技術旗艦項目”是一項長期的科研扶持項目，是歐盟出臺的扶持科技發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劃，自2013年10月起，各獲得持續10年總共10億歐元的資助。石墨烯旗艦計劃共有13個重點研發領域B。2017年2月，旗艦計劃高層專家內部評估委員會發布的中期評估報告指出，石墨烯旗艦計劃是歐洲研究與創新戰略的有機組成部分，有潛力產生巨大的影響。2020年4月起，石墨烯旗艦計劃進入新階段，專注推進產業化應用。2018年6月發布的2021～2027年科研資助框架——“地平線歐洲”的實施方案提案中，先進材料位列“數字與工業”九大領域之一，關注具有新的特性和功能的材料設計（包括塑 料、生物材料、納米材料、二維材料、智能材料和復合材料等）。
①英國。英國作為老牌工業國家，英國材料科學和技術處于世界領先地位。英國是一批世界級的制造公司的發源地，這些公司的成功取決于對先進材料的開發利用。英國有享譽全球的教學和研究機構，在醫藥、航空航天、信息和通信技術等高科技產業的研發投入強度可與世界主要競爭對手國家相媲美。
英國歷次工業戰略都把材料、納米技術等作為重大技術進行發展。2011年，英國發布了國家級《促進增長的創新和研究戰略》，以創新和研發來推動經濟增長。在該戰略報告中， 英國除了明確未來四年將發展生命科學、高附加值制造業、納米技術和數字技術四大關鍵技 術外，英國政府還重視創意產業、技術與創新中心、新興技術的發展。英國“工業2050戰略”是定位于2050年英國制造業發展的一項長期戰略研究，通過分析制造業面臨的問題和挑戰， 提出英國制造業發展與復蘇的政策。2017年11月，英國政府正式發布新版工業戰略，與之相配套的“工業戰略挑戰基金”關注用于航空航天、汽車及其他先進制造行業的下一代廉價輕質復合材料。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藥、3D打印、復合材料等領域的新的制造技術。這6家研究中心分別為靶向醫療未來制造中心、先進粉末加工制造中心、未來復合材料制造中心、未來先進計量中心、未來連續性生產及先進結晶研究中心、未來化合物半導體制造中心。英國政府通過工程與自然科學研究理事會（EPSRC）向每個中心資助1000萬英鎊。這些中心還將聯合來自17所大學、200家企業及學術界合作伙伴的力量，通過大學與企業之間深化合作，推動研究成果從實驗室走向市場，開發出更多的產 品以滿足產業需求及進步。②德國。德國聯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，先后頒布實行了“材料研究”MatFo（1984～1993年）、“材料技術”MaTech（2003 年截止）和“為工業和社會而進行材料創新”WING（始于2004年）三個規劃。2001年，德國啟動新一輪納米生物技術研究計劃，以介于納米和生物技術之間的物理、生物、化學、材料和工程科學為切入點進行研究，政府在以后6年內投入1億馬克。2003年，聯邦教研部斥資2.5億歐元推出工業和社會材料創新計劃，重點開發新材料，以加強德國工業的創新力。德國政府后續又推出了《德國2020高技術戰略》、“工業 4.0”等來引領材料和制造等技術的發展。《德國2020高技術戰略》提出，德國經濟的未來競爭力主要依賴于在生物技術、納米技術、微電子學和納米電子學、光學技術、微系統技術、材料技術、生產技術、服務研究、航空技術以及信息通信技術領域內的領導地位。而技術應用主要取決于技術成功地轉化為經濟 效益的程度，以及技術對生產、健康和環境的影響程度。“工業4.0”是《德國2020高技術戰略》提出的十大未來項目之一，推動以智能制造、互聯網、新能源、新材料、現代生物為特征的新工業革命。德國企業界普遍認為，確保和擴大在材料研發方面的領先地位是其在國際競爭中取得成功的關鍵。該項目由德國聯邦教研部和聯邦經濟技術部聯合資助，投資預計達2億歐元。2019年11月，德國聯邦經濟事務與能源部發布《國家工業戰略2030》，旨在有針對性地扶持重點工業領域，提高工業產值，保證德國工業在歐洲乃至全球的競爭力。與材料相關的鋼鐵銅鋁、化工、增材制造等，連同其他總共十個工業領域被列為“關鍵工業領域”。③法國。材料科學是法國領先的民用核能、航空航天、交通運輸和農業等領域的重要支撐。法國高等教育與研究部2009年發布了法國國家研究與創新戰略，這是法國第一個國家層面的科學研究戰略，確定了3個優先研究領域，其中包括納米技術等與材料相關的領域。面對伴隨“去工業化”而來的工業增加值和就業比重的持續下降，法國政府意識到“工業強則國家強”，在2013年9月推出了《新工業法國》戰略，旨在通過創新重塑工業實力，使法國重回全球工業第一梯隊。該戰略是一項10年期的中長期規劃，展現了法國在第三次工業革命中實現工業轉型的決心和實力。其主要目的為解決三大問題：能源、數字革命和經濟生活。
日本新材料產業以工業政策為導向，目標是占有世界市場，因而選取的重點是使市場潛力巨大和高附加值的新材料領域盡快專業化、工業化。日本重點開發出納米玻璃、納米金屬、納米涂層等用于信息通信、新能源、生物技術、醫療領域的新材料，在電子材料、陶瓷材料、碳纖維等領域國際領先。日本的財團控制了日本大量的工業企業，旗下的工業企業相互持股、資源共享。如三井的東麗、王子制紙，三菱的旭硝子、三菱鋁業、三菱化學，住友的住友化學、住友輕金屬，富士的神戶制鋼所、積水化學，第一勸銀的旭化成等世界知名的日本化工材料企業均屬于財團旗下。“新增長戰略”的提出成為指導日本產業發展的重要依據，而新產業政策的實施也預示著 日本走向新的增長模式。從創造“供給”為主轉向創造“需求”為主的政策，從直接扶持產業到培養產業活力政策的轉變等這些政策都大大促進了日本產業發展，特別是材料產業的發展。日本政府主要通過立法和經濟援助等方式引導企業和大學開展合作，在法律框架下，政府、企業、大學和研究機構在材料產業發展目標、技術開發、生產和推廣等方面通力合作。日本政府發布的《日本產業結構展望2010》以“新增長戰略”為指導，將包括高溫超導、納米、功能化學、碳纖維、IT等新材料技術在內的十大尖端技術產業確定為未來產業發展主要戰略領域，并分析了相關領域的現狀與問題、發展方向等，提出了相應的行動計劃。
日本政府連續制定5期科學技術基本計劃，確定了材料重點發展領域。如在《第四期科學技術基本計劃（2011～2015）》中，涉及新材料方面的內容有：
①加強可再生能源、醫療與護理、通信、高端材料、環境技術等各個方面的研究。②能源利用技術的高效化：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、功率半導體、納米碳晶棒材料等的技術研制和推廣，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的創新，研制出稀有金屬和稀土的替代材料等。在《第五期科學技術基本計劃（2015～2020）》中，從上一期重視災后重建和著眼于解決問題轉變到了強調為未來發展做好準備，將與新產業發展密切相關的、實用性高的研究及制度改革作為重點。在此次基本計劃中，日本提出打造“超智能社會（5.0 社會）”，優先推進包括“綜合型材料開發系統”在內的由《科技創新綜合戰略2015》確立的11項系統建設工作，圍繞機器人、傳感器、生物技術、納米技術和材料、光量子等創造新價值的核心優勢技術，設定富有挑戰性的中長期發展目標并為之付出努力，提升日本的國際競爭力。《第六期科學技術創新基本計劃（2021～2025）》的核心內容是“如何通過科技創新政策實現社會5.0”，材料依舊是關注的重點領域之一。該計劃實施期間，日本將基于《材料創新能力強化戰略》，通過提高材料領域的創新能力，推動經濟發展，解決社會問題，實現向可持續發展經濟轉型的總體目標。同時，開展三方面的行動計劃，包括通過產學合作推進革新性材料研發和社會化應用；利用材料領域的數據與制造技術形成數據驅動型研究體系；從擺脫資源制約、推動循環使用、加強人才培養和國際合作等方面持續強化國際競爭力。
在基礎研究方面，包括京都大學、東京大學、東北大學、大阪大學、東京工業大學、九州大學、名古屋大學、大阪府立大學、北海道大學等在內的一批日本高校在材料科學領域均有著深入研究，并設立了專門的研究所（中心）。國家支持的實驗室也在日本材料科學研究領域起到巨大作用，國立材料科學研究所（NIMS）是日本最大的研究所之一，在高溫高壓技術合成單晶金剛石和氮化硼、n型摻雜金剛石薄膜，超導與有機材料、功能陶瓷、控制原子運動的納米級半導體器件等領域具有優勢。在材料應用方面，由于身處太平洋，日本的自然資源并不豐富，這使得其材料應用更為出色，并在特種材料，尤其是特種鋼材方面領先全球。日本鋼鐵企業眾多，產量和技術均位居世界前列，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、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、 三菱是日本核電設備的三大巨頭，有著強大的核設備供應能力。
“十四五”是推進國家治理體系和治理能力現代化，實現經濟行穩致遠、社會安定和諧， 為全面建設社會主義現代化國家開好局、起好步的關鍵時期。展望“十四五”，全球新一輪產業分工和貿易格局將加快重塑，我國產業發展進入從規模增長向質量提升的重要窗口期。對于新材料發展來說，“十四五”同樣是極其關鍵的時期。
根據《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》， “十四五”期間，我國將重點發展高端新材料，如高端稀土功能材料、高性能合金、高性能陶瓷、高性能纖維及其復合材料等（表1-2）。
表1-2《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中有關推動材料發展的描述
自2014年以來，通過持續跟蹤全球最重要的科研和學術論文，研究分析論文被引用的模式和聚類，中國科學院戰略情報研究團隊與科睿唯安每年都會聯合發布《研究前沿》系列報告。2021年12月發布的最新報告顯示，“化學與材料科學”領域依舊領先，是中國活躍度表現突出且排名第一的領域之一。在該領域，中國的研究前沿熱度指數得分為24.80分，約是排在第二位的美國（7.01分）的3.5倍，具有明顯的比較優勢。中國科學技術信息研究所的統計顯示，2019年，我國包括材料科學在內的八個領域的高質量國際論文數量在學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，材料科學領域產出的論文比例占全球該學科論文的比例為35.41%，是份額最高的學科領域；同時，材料領域是論文被引次數占世界第一的三個領域之一。
在美國、歐盟等國家/組織提出材料基因組及相關主題研究之后， 中國工程院和中國科學院等開展了廣泛咨詢與深入調研，科技部在2015年啟動了“材料基因工程關鍵技術與支撐平臺”重點專項。近年來，我國已開發出材料高通量并發式計算和多尺度計算軟件，實現萬量級（104級）高通量并發式計算，初步建成了依托國家超算中心（天津）的材料高通量計算大平臺。建立了中國材料與試驗團體標準委員會（CSTM）材料基因工程領域委員會，并于2019年發布了全球首個“材料基因工程數據通則”。中國科學院物理研究所“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年度中國科學十大進展。2021年6月，中科院北京市材料基因組研究平臺的材料計算子平臺正式運行，標志著材料基因組平臺的建設工作取得了重要的階段性進展。該子平臺的科學家之前與松山湖材料實驗室合作，于2020年8月上線了我國首個世界級的材料科學數據庫Atomly.net。
國家自然基金委、科技部、發改委、工信部等部委高度重視石墨烯的研發、生產與應用，不斷加大投入與支持力度，并取得了諸多創新成果。2017年9月，中國科學院文獻情報中心和美國化學文摘社聯合發布的《石墨烯研發態勢監測分析 報告》顯示，中國、美國、韓國、日本已形成技術優勢，石墨烯專利流向美國、中國居多，中國在論文發文量和專利申請量方面均位居全球首位；當前研究主要集中在電現象、電化學、放射及熱能技術、光學、電子、質譜和其他相關屬性、表面化學和膠體、硅酸鹽等領域。繼2016年首次實現石墨烯單晶的超快生長之后，北京大學利用外延生長和超快生長技術成功在20分鐘內制備出世界最大尺寸（5cm×50cm）的外延單晶石墨烯材料。過渡金屬二硫屬化 合物、六方氮化硼、黑磷等，尤其二硫化鉬（MoS?），天然具有的半導體特性使其成為石墨烯的強力挑戰者。近年來，各種烯材料不斷涌現，如我國西安交通大學首次剝離制得的紫磷烯。我國在超材料基礎研究取得若干原創性成果。部分微波超材料已在武器裝備的雷達隱身、新型天線罩等方面獲得應用，實現了吸聲系數達到100%的完美吸聲體、聲學二極管及“聲學黑洞”，在國際上率先提出并研制的信息超材料打破了物理調控和信息調控的屏障，實現了我國在該方向的領跑地位。2017年6月，蘭德發布分析報告，對比了中美兩國在超材料領域的專利申請情況。報告顯示，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量呈現快速增長態勢。盡管天線均為兩國最大的應用方向，但重點的集中程度明顯不同（中國有41%，美國只有19%），美國超材料的應用領域比中國更為寬泛（圖1-3）。
圖1-3超材料在中國（a）和美國（b）的專利應用布局
我國在長期研發的基礎上，在鐵基超導材料領域取得了一定的成果，主要涉及界面高溫超導電性研究，通過提升制備工藝獲得良好結構，并提高超導特性等。2008年3月，中國科學技術大學陳仙輝研究組和中國科學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的超導轉變溫度，突破了麥克米蘭極限，證明了鐵基超導體是高溫超導體。緊接著，中國的科研團隊不僅率先突破了50K的轉變溫度，還發現了一系列50K以上的超導體，創造了55K的鐵基超導體轉變溫度紀錄，被國際物理學界公認為第二個高溫超導家族。當前，圍繞新型非常規超導材料以及高溫超導和非常規超導的機理問題，包括我國科學家在內的世界各國研究人員正在開展深入研究。
利用自然科研開發的Nano數據庫，對2014～2016年間涉及納米材料的論文進行了計量分析，可以發現，中國在納米結構材料、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 數據庫中八大熱門納米材料的各國論文數量對比 來源：中國納米科學與技術發展狀況白皮書（2017）。
在納米材料的應用上，與其他國家相比，我國催化研究有明顯的領先優勢，大部分高質量的納米科研論文都出自催化研究領域，其次為納米醫學研究（尤其是醫療診斷方面）和與能源相關的儲能與產能應用。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，在納米金屬領域，我國發展了納米孿晶、納米層片和梯度納米結構等結構，解決了納米金屬穩定性難題，引領了國際納米金屬材料領域的發展。
“十四五”時期經濟社會發展要以推動高質量發展為主題，這是根據我國發展階段、發展環境、發展條件變化作出的科學判斷。落實到產業層面，就需要構建一批特色鮮明、優勢互補、結構合理的戰略性新興產業增長引擎，更好培育新技術、新產品、新業態、新模式。《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》在“打造新興產業鏈”“擴大戰略性新興產業投資”等方面作出了安排和部署。戰略性新興產業迎來了新的重大發展機遇。以新一代信息技術、生物技術、新能源、高端裝備、新能源汽車和綠色環保等為代表的戰略性新興產業快速發展對同為戰略性新興產業的材料產業提出了更高的要求，形成“共生共融、協同發展”的生態關系，新材料研發的迫切性前所未有。加快工業互聯網、大數據、人工智能、先進通信、集成電路、超高清顯示等技術創新和應用，全面提升信息技術產業核心競爭力。其中，半導體和新型顯示是信息技術產業的兩大基礎性產業。以半導體材料及輔材和新型顯示材料為代表的主要相關電子信息材料受到日益關注。當前，與國外先進水平相比，我國在大尺寸硅基材料、第三代半導體襯底材料、電子氣體、光刻膠、拋光材料以及新型顯示關鍵材料等方面依舊有著較大的差距，亟須提升自主研發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，電子信息材料領域面臨重大風險的關鍵材料將成為攻關重點，加速獲得突破，新技術和新工藝的研發能力有望顯著增強，關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用領域，新材料的技術研發與產業化進程也將全面提速。當前，制造強國戰略正在加速推進，各個應用領域對重點材料的需求急劇增長，鋼鐵材料、有色金屬材料、化工材料、建筑材料等先進基礎材料將得以快速發展；在交通運輸行業，特種合金、高溫合金、高熵合金、輕質金屬材料、高性能纖維及其復合材料、第三代半導體材料等用于重點工程的關鍵材料的技術攻關和市場化集成將得以提速。
在生物技術、新能源、新能源汽車和綠色環保等應用領域，生物醫用材料、稀土功能材料、新型太陽能電池材料、光伏材料、儲能材料、分離膜材料等關鍵材料的技術研發與產業化發展將加速。包括新一代油氣開采、高效燃煤發電技術等在內的先進能源技術，同樣需要超級不銹鋼、耐蝕合金、耐熱合金等高端金屬結構材料持續改進升級。
我國通過深化科技體制改革和國家創新體系建設，已初步形成企業在全國技術創新投入產出活動規模中占主體的格局，相關政策體系逐步完善；現代科研院所制度逐步推進，高校和科研機構的知識創新能力不斷提高，科教融合的協同創新不斷開展。
我國新材料產業呈現集群式發展模式。各類新材料產業示范基地的建設極大促進了新材料產業的發展，相關政策、技術、人才、資金等要素快速聚集。以基地為主的區域集群效應進一步顯現，成為各地發展新材料產業的重要抓手。當前，我國已形成以環渤海、長三角和珠三角為重點，東北、中西部特色突出的產業集群分布。其中，環渤海、長三角和珠三角區域屬于綜合性新材料產業聚集區，企業分布密集，高校和研究院所眾多，并擁有資金、市場等優勢，吸引著新材料產業的高端要素不斷向這些區域聚集。
第三方服務日趨完善助推新材料發展。各地陸續成立新材料產業研究院、新材料行業協會等領域科技中介機構，為新材料產業注入新的活力，服務內容不斷拓展，提供決策智庫支撐、科研成果轉化、產業資訊獲取、市場信息對接、資本技術對接等多方面服務，加速了我國新材料產業發展要素的流通，推動了新材料產業的融合發展。
當前，我們正面臨著百年未有之大變局。國內外形勢正在發生深刻復雜的變化，我國的發展處于重要戰略機遇期，世界經濟重心調整、國際政治經濟格局變化趨勢加快，國際貿易摩擦短期仍將持續，使得我國新材料前沿技術發展存在諸多不確定性，并帶來巨大挑戰。
1. 發達國家擁有高端新材料話語權
近些年以來，我國自主研發出一大批高端、關鍵材料，生產和應用技術達到或接近國際先進水平。然而，毋庸置疑的是，與國際先進水平相比，目前我國在先進高端材料研發和生產方面差距甚大，關鍵高端材料遠未實現自主供給，“大而不強，大而不優” 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大國、功能材料生產大國，但還不是高端應用強國。我國僅在燒結永磁材料方面占有一席之地，其他應用仍處于中低檔技術水平，與世界發達國家差距明顯。如稀土拋光材料，我國相關產品的粒度分布、硬度、懸浮性等指標與國外產品還有一定差距，高端拋光粉仍依賴進口。日本和美國的稀土陶瓷材料處在領先地位，分別占據了50%和30%的全球市場份額。
再如碳纖維及其復合材料。國產碳纖維及其復合材料的類別、品種及規格相對單一，主要用于相對低端的產業需求，難以有效滿足不同行業、產品、零部件的多樣化需求，市場競爭能力有限。特別是在高強高模等高端產品的產業化方面，仍相對薄弱，纖維性能不高、產品穩定性差等問題突出，無法滿足關鍵領域的需求。同時，國內對國產關鍵裝備的研發投入不足。
在生物醫用材料領域，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技術創新等因素的驅動，我國生物醫用材料持續保持高速發展。然而，技術含量較高的植入性生物醫用材料較為薄弱，主要依賴進口。在該材料領域，美國具有顯著的領先優勢，總部位于美國的跨國企業占據了全球高端生物醫用材料市場，擁有85%的骨科醫療器械市場份額， 醫用多孔鉭更是“一家獨大”。
此外，在高溫合金、高端裝備用鋼、聚酰亞胺等結構材料，光學石英玻璃、防護纖維材料、集成電路制造關鍵材料、有機半導體發光顯示等功能材料領域，西方國家在技術和產品上擁有絕對的優勢壟斷地位。
2.“從 0 到 1”的原創性成果依舊不多
變革性新材料的發明與應用引領著全球科技創新，推動著高新技術行業的轉型升級，并催生了諸多新興產業。我國在發揮前沿新材料引領帶動方面，自主創新能力仍顯不足，跟蹤模仿較多，原始創新不足，轉化率較低。
對于20世紀50年代興起的半導體產業、90年代崛起的網絡信息技術產業，以及當前方興未艾的信息通信技術產業，無一不是由于單晶硅、光纖等變革性新材料的發明、應用及不斷更新換代促成的。然而，在這些發揮重大引領作用的關鍵材料突破中，來自中國的貢獻并不多。引領材料自身發展的一些標志性新材料，如半導體材料、超導體、液晶與聚合物、富勒烯、光纖、石墨烯、藍光LED、鋰離子電池等獲得諾貝爾物理學獎或化學獎的革命性材料，均不是由我國科學家首先發現的。
3. 基礎設施的高效使用及產出尚未顯現
大科學裝置專為基礎研究服務，發揮著原始創新“策源地”的作用。不完全統計顯示， 當前我國運行、在建以及準備中的大科學裝置約百臺，材料領域是部署數量較多的領域，且主要集中在“材料表征與調控”方向。但是我國大科學裝置普遍存在以下問題：運行經費來源單一，不足的人員費用往往依賴于單位開展科學研究進行補貼；開放共享程度不夠，缺乏用戶參與機制，工作人員主要只是完成考評指標，裝置運行飽和度與效率有待提高；一部分大科學裝置的評價體系缺乏與產業相關指標的考評，與大科學裝置的公共開放服務特點、助力產業技術創新特點不能完全相適應等。
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據儲存標準與共享機制不足的問題。材料領域研究的多樣性使得數據儲存標準缺乏。基于實驗的材料數據庫需按照一定的標準進行組織，尤其是基于第一性原理的計算依舊十分有限。此外，科研人員傾向于報道正面的、好的研究結果，但在材料基因組中，所謂正面和負面的實驗結果具有同等的重要性。
4. 部分新材料的發展一哄而上
以碳纖維為例，經過多年發展，國外領先企業圍繞“碳纖維+上漿劑→織物+樹脂→預浸料→應用設計服務”形成了完整的產業鏈綜合競爭能力，牢牢掌握話語權。同時，這些企業還往往放棄低端產品的利潤，以低于國內企業成本的價格，通過傾銷，遏制我國碳纖維企業的發展。在此嚴峻形勢下，我國碳纖維發展缺乏引導，產業鏈整體布局能力較差，著眼于“單點突破”，盲目上馬并擴大產能，導致低水平重復和同質化競爭，使得低端產能過剩，相關產品價格顯著下滑，市場內耗嚴重。國內碳纖維生產虧損、開工量不足，處于進退維谷的艱難境地，嚴重阻礙了國產碳纖維產業的長遠發展。
再以石墨烯為例，在快速發展的同時，“誤導”宣傳、“大躍進”發展以及大量落后產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構和上市企業的熱捧，“一片藍海”“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、夸大宣傳的報道頻繁進入人們視野。然而，上游生產企業盲目擴大產能，下游應用產品附加值低、低端產能擴張過快、產品同質化嚴重等問題，已初步顯示出“低端化”發展的苗頭。在專利申請方面，盡管我國石墨烯相關專利申請超過全球總量的一半，但原創基礎專利少。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. 產業鏈、供應鏈、創新鏈上下游之間的互動不足
當前，我國經濟社會進入高質量發展階段，加快構建以國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局對新材料產業鏈、供應鏈、創新鏈水平提出了新的要求。然而，我國新材料在推廣應用過程中仍面臨著一定的困難與挑戰。國產新材料的應用市場尚未完全打開，國產新材料上中游的發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”現象還比較突出，制約了新材料的技術更新和迭代發展。例如，由于國產化應用規模較小，我國碳纖維及其復合材料、鋰離子電池材料在市場化初期階段，成本與價格偏高，與國外企業競爭時處于不利地位，尤其是當跨國企業開展低價競爭和聯合打壓時，國內企業的生存空間被嚴重擠壓。究其原因，還是歸因于我國部分新材料的生產與應用結合不夠緊密，產業鏈、供應鏈上下游沒有形成聯合攻關、同步設計、系統驗證、迭代更新的機制。
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易保護主義愈演愈烈，我國新材料專用高端裝備的進口難度越來越大，專用設備的供應鏈安全同樣需引起足夠重視。當前，我國部分新材料研制的專用裝備以引進、消化和吸收為主，發展水平仍相對滯后，自主創新能力不足，部分高端裝備完全依賴進口。例如碳纖維制備用到的高溫碳化爐，相關裝備及技術一直受國外封鎖，國內只能依靠自主研發；預氧化爐及低溫碳化爐在穩定性等關鍵性能和指標上與國外相比還有差距。由于技術密集度高、附加值高，高端裝備處于價值鏈高端環節，很多發達國家為保護競爭優勢，會限制高端裝備出口。國外企業圍繞部分新材料的裝備，采取有針對性的低價策略，使得國產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”的風險。
7. 新材料基礎研究與實際需求未能完全掛鉤
當前，面對我國高新技術和國民經濟發展中急需解決的關鍵科學問題，材料基礎研究的關注度仍有較大的提升空間。材料領域的基礎研究同樣需要應用牽引、突破瓶頸，從經濟社會發展和國家安全面臨的實際問題中凝練科學問題，弄通“卡脖子”技術的基礎理論和技術原理。由于材料研發與應用的結合不夠緊密，工程應用研究不足、數據積累缺乏，使得有針對性的、面向材料實際服役環境的研究缺失，還出現了材料質量工藝不穩定、性能數據不完備、技術標準不配套、考核驗證不充分等一系列問題，導致“有材不能用”“有材不會用”“有材不敢用”問題非常突出。當前，美國、歐洲和日本等國家/地區在關鍵戰略材料和前沿新材料方向持續大力布局，如“制造業美國”建設的遍及全美的創新研究所網絡，由行業企業、研究機構（大學和國家實驗室）、培訓組織和政府部門等組成，試圖跨越從基礎研究到應用的“死亡之谷”，關注領域一半涉及材料方向。這些國家/地區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水平的差距，甚至在我們尚未完全解決當前短板的同時又形成新的短板。
