李元元院士：新形势下我国新材料发展的机遇与挑战

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

近日，由中国工程院、中国科学技术协会主办，中国材料研究学会共同主办的“中国新材料产业高峰论坛——第三届中国新材料产业发展大会暨2021”科创中国“新材料专家、技术、需求推介会”在武汉光谷科技会展中心举行。

中国工程院院士、华中科技大学党委书记李元元以中国材料研究学会承担的中国工程院重大咨询项目课题《新材料前沿技术与科普发展战略研究》《新材料创新能力提升战略研究》《化工、冶金与先进材料工程科技未来20年发展战略研究》《新材料研发与制造应用智能化》为背景，系统分析了我国新材料发展的战略地位、发展概况、重大需求和发展机遇，着重阐述我国新材料当前发展面临的重大问题与挑战以及深层次的原因，提出了中国新材料攻坚克难的主要任务和政策措施。以下为报告整理。

李元元

01 新材料具有基础和支撑作用

材料是工业生产的物质保障。如钢铁材料成就了机械化生产，电池材料催生了自动化生产，半导体材料的出现催生了以信息化生产为主的工业3.0时代。

近年来随着人工智能材料的出现，工业生产已迈入智能制造工业4.0时代。任何一种高新技术的更新换代，都必须以该领域的新材料技术突破为前提。新材料在工业革命中起到了无可替代的基础和支撑作用。

尤其进入21世纪后，全球各国都紧密出台了新材料的国家战略计划，例如美国通过材料基因组计划构建先进完备的材料研究工具与大数据，加速新材料的市场应用进程，以满足多样化的国家需要。欧盟的石墨烯旗舰计划、日本创新制造战略、德国国家工业战略2030等，分别重点布局在新能源、信息、汽车、海洋等各自的优势领域和战略支柱产业。

我国新材料研发起步晚、底子薄、起点低，但经过30余年的努力，我国现已成为世界的材料大国，比如前沿研究方面的发明专利和论文数量均位居世界第一位。在人才培养方面，专业技术人才已达120万人，位居世界第一位。在科研机构方面，建设新材料技术创新中心、国家重点实验室、产业化基地等逾400余家。在企业建设方面，2020年全国新材料生产企业达到867万家，产值超过了6万亿元，约占GDP的6%——这里指的是新材料产业，如果是整个材料工业则约占GDP的20%。

02 迈上快车道产业需求迫切

当前，我国新材料已进入到了高速发展的快车道，尤其是前沿热点领域表现出强劲的发展势头。部分领域与发达国家形成了并跑，甚至部分领域、少数领域出现了领跑的局面。

产业集群已逐步形成，长三角、珠三角、环渤海三大新材料产业聚集地呈现出蒸蒸日上的发展局面。特色产业优势明显，西部、东北、中部分别形成以能源、资源、地域为特色的新格局，呈现出高速发展的新态势。此外，以企业为主体，市场为导向，产学研用相融合的新材料创新体系正在逐步形成。

总体而言，近几年我国产业发展较快的新材料可以分为三个领域：先进基础材料，例如超级钢、电解铝等已经突破关键技术；关键战略材料领域，例如稀土陨石材料的产业规模已经是世界第一；前沿新材料领域，例如石墨烯也处于国际领先地位。

无论是在芯片技术还是高端发动机技术等，都离不开关键材料瓶颈技术的突破。在高端制造领域对新材料也有着重大需求，“中国制造2025”计划中的十大重点产业领域都涉及关键战略材料的重大需求。“美国先进制造伙伴计划”的三大优先发展领域也强调新材料的战略保障作用，德国工业4.0也将新材料与信息技术列为同等地位，可见高端制造对新材料的重大需求非常迫切。

我国的墨子号天眼工程、载人航天探月工程、深海工程、北斗导航等都对新材料有着重大的需求，如深海工程就离不开新一代钛合金关键技术的不断突破。在国家的战略工程方面，无论智能制造、强基工程、绿色制造，还是高端装备创新工程都离不开新材核心技术的突破与创新。

03 外部挑战与内部发展并存

当前我国新材料发展受到外部环境的严重挑战，特别是发达国家全球化产业分工优势已不复存在。为确保企业制造的领先地位，他们提出了再工业化——其本质是再技术化。

为应对新挑战，我国提出要加快发展智能自主制造，而这也面临着更严峻的关键材料挑战。高端数控机床、大飞机、航空发动机等关键构件的精密设备，目前95%仍然依赖进口；关键基础材料的32%仍然依赖进口，还有95%的高端专用芯片和70%的智能终端处理器以及大多数的存储芯片都还依赖进口，这些都与关键材料密切相关。

其次，我国内部工业的发展也面临着三重重任，包括工业2.0“补课”、普及工业3.0，特别在示范工业4.0的前沿有更多的探索性工作。与之相应的新材料包括先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料，这三者都要求要加快发展，为工业重任的完成提供支撑。

同时，我国新材料高质量发展还面临着巨大的压力。目前中国碳减排量远远高于美国，实现碳中和留给美国的时间约为50年，而中国只有30年的时间。在短时间内要实现上述目标，需完成四项关键的任务，包括大力发展新能源材料，实现化工、冶金、建材工业流程的绿色化，大力发展固碳转化材料，大力发展再生新材料。

此外我国新材料产业链问题突出，例如上游高纯原材料和中游的加工辅料都面临严重的“卡脖子”问题，陶瓷、高端金属、生物医用原材料等高纯原料的研制受工艺及加工装备的限制。对此企业要通过提升基础能力，突破关键材料，提高装备水平等措施加以应对。

在新材料产业链方面，企业创新的主体地位目前仍未明确，或者说尚未完全确立。长期以来，中国创新主体集中在高校和科研院所，创新要素与生产要素的融合远远不够。企业对研发的投入不足，产业化也面临着严重的障碍，以企业为主导的产学研用创新平台还需要进一步加强。

在产业链的下游，新材料应用集成能力还严重不足，例如新材料企业对下游客户普遍缺乏应用大数据的建设。材料与应用端融合、集成普遍缺乏，产用平台过度支持，这是我国的一大短板。

04 多方面均存在差距

新材料产学用一体化差距较大的主要原因包括新材料原创能力不足、研发主要处于跟跑、创新源动力不足等。我国新材料专利成果转化率也较低，中国专利数量虽然已经是世界第一，但是新材料专利成果的转化率仅为10%，而美国的转化率高达80%。

材料成果的转化是一个系统工程，现在的转化链条中间还有很多缺失的因素，因此造成的转化率还是比较低。由于大多数成果目前仍然依托于高校和科研院所，在配备产业要素或者成果转化过程当中，往往要经历一个被称为“死亡之谷”的曲线，因此新材成果转化率较低。

同时，在基础研究方面也缺乏体系化。总体而言，自由选题较多，缺乏宏观系统整合、缺乏材料战略大科学家，缺乏一个组织进行重大共性科学问题系统研究，各自为战、人自为战的现象到处存在，基础研究的细度、纵向深度和横向广度均欠缺。

我国的新材料设计制造软件也长期依赖于进口，这主要由于研发周期长、投入大，知识产权保护不足，材料与软件开发领域缺乏技术互动与融合，也缺乏材料大数据库的有效支撑。

高端检测仪器是国家高技术发展水平的重要标志，而很多企业的新材料高端检测仪器绝大部分均依赖于进口。在诺贝尔奖中，11%因发明仪器而获奖，70%的物理奖、81%的化学奖均依靠尖端科学仪器完成。我国在高端检测仪器方面的严重落后，也制约着标志性成果的发展。

新材料的基础保障能力也仍然比较落后，在原材料关键设备、材料性能、集成化等系统基础研究方面布局不足，材料工艺缺乏深度与细度上的突破，材料加工的数字化、智能化水平属于长期落后的水平，这些都与发达国家存在较大的差距。

05 新材料未来发展可期

上述问题与挑战将伴随着我国从制造大国向制造强国，从材料大国向材料强国转变的过程。这既是问题，同时也给新材料产业的发展带来了更大的机遇。

从2011年起，我国已成为全球制造业第一大国。中国的制造业赶上第四次工业革命，目前制造业的规模已经居全球首位，门类齐全且有独立完整的现代工业体系。虽然制造业整体位于世界第一，但单个企业的规模、质量、效益与其他国家的世界500强企业相比还是有差距。

新一轮科技革命与我国经济发展转型彼此交汇，将产生重大的战略机遇。在实现从制造大国向制造强国的历史使命中，新材料是两大“底盘技术”之一。“底盘技术”就是基础技术、最重要的支撑技术与基础技术，它的产业发展将从价值链中低端向中高端迈进。

当前，全球新材料竞争表现出新的特征。例如在材料的前沿研究方面，随着原创、变革、颠覆性技术的不断涌现，争夺行业发展主动权日趋激烈；在产业发展方面，随着高新技术、高端制造和重大工程的变革，产业发展主导权成为争夺的对象；在材料技术方面，产学研用融合立足企业整体创新，这是争夺工业发展自主权的关键。

此外，人工智能与新材料相结合，加剧了材料高性能和智能化的竞争，总体上我国已具备研发制造应用完整材料工业体系和产业的积累。

在新的历史使命中，我们材料人肩负攻坚克难的主要任务，一方面要加快解决关键问题。另一方面对未来要解决的关键问题也要及早进行谋划。

针对外部环境、内部发展、新材料产业链产学研一体化新材料支撑体系、人才与投入等方面带来的诸多挑战，我们要认真实施国家部署的各项计划和支持政策，针对技术难题来攻坚克难，逐个击破。

我们要坚持四个面向，围绕前沿研究、产业发展、技术应用三个维度重点提升六个能力——即原创能力、基础能力、补短板能力、集成能力、智能能力、绿色能力。实现高新技术迈向创新型国家，在先进制造方面实现自主可控，在重大工程方面进入世界一流的发展水平。

未来20年，中国新材料战略布局主要基于产业创新、产业发展、产业升级、绿色产业、智能产业和材料产业等，重点布局在人工智能材料、信息技术材料、航空发动机及燃气轮机材料、新能源材料、量子材料、高品质特殊钢等领域；在中长期，我国将围绕石墨烯、量子生物大分子和基因调控等展开战略布局；在长远的未来将侧重发展暗物质、暗能量、引力波等。