新材料是指新出現(xiàn)的具有優(yōu)異性能和特殊功能的材料，以及傳統(tǒng)材料成分、工藝改進(jìn)后性能明顯提高或具有新功能的材料。融入了當(dāng)代眾多學(xué)科先進(jìn)成果的新材料產(chǎn)業(yè)是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是發(fā)展其他各類高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，全球新材料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2018年市場規(guī)模已經(jīng)接近2.56萬億美元，平均每年以10%以上的速度增長。此外，技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)面臨新突破，新材料和新物質(zhì)結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，使全球新材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)仍然保持著增長態(tài)勢。總體上，全球新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)如下特征。

世界各國高度重視新材料的創(chuàng)新研發(fā)

世界各國（地區(qū)）紛紛在新材料領(lǐng)域制定了相應(yīng)的規(guī)劃， 全面加強(qiáng)研究開發(fā)，并在市場、產(chǎn)業(yè)環(huán)境等不同層面出臺政策，全力提升新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。美國于2009年、2011年和2015年三度發(fā)布“美國創(chuàng)新戰(zhàn)略”，其中清潔能源、生物技術(shù)、納米技術(shù)、空間技術(shù)、健康醫(yī)療等優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域均涉及新材料；2012年制定了“國家先進(jìn)制造戰(zhàn)略計(jì)劃”，進(jìn)一步加大了對材料科技創(chuàng)新的扶持力度。歐盟為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、消除發(fā)展痼疾、應(yīng)對全球挑戰(zhàn)，于2010年制定了“歐洲2020：智慧、可持續(xù)、包容增長戰(zhàn)略”， 提出三大戰(zhàn)略重點(diǎn)。德國政府發(fā)布了“德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略”，其中工業(yè)4.0是十大未來項(xiàng)目中最引人注目的課題之一。2013年，英國推出“制造的未來：英國迎接機(jī)遇和挑戰(zhàn)的新時(shí)代”，重點(diǎn)支持建設(shè)新能源、智能系統(tǒng)和材料化學(xué)等創(chuàng)新中心。日本于2010年發(fā)布了“新增長戰(zhàn)略”、“新信息通信技術(shù)戰(zhàn)略”和“日本產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)展望2010”，于2016年出臺了“第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃（2016—2020年）”。韓國于2009 年公布了“綠色增長國家戰(zhàn)略（2009—2050 年）”和“新增長動力規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略”，于2013年出臺了“第三次科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃”。巴西、印度、俄羅斯等新興經(jīng)濟(jì)體采取重點(diǎn)趕超戰(zhàn)略，在新能源材料、節(jié)能環(huán)保材料、納米材料、生物材料、醫(yī)療和健康材料、信息材料等領(lǐng)域制定專門規(guī)劃，力圖在未來國際競爭中搶占一席之地。

高新技術(shù)發(fā)展促使新材料不斷更新?lián)Q代

高新技術(shù)的突破加快了技術(shù)向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化速度，同時(shí)也對關(guān)鍵基礎(chǔ)材料提出新的挑戰(zhàn)和需求。例如，微電子芯片集成度及信息處理速度大幅提高，成本不斷降低，硅材料發(fā)揮了重要作用。目前，300mm硅片可以滿足14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的集成電路要求，450mm硅片已經(jīng)產(chǎn)出樣片。此外，A2B7型稀土儲氫合金已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化，并將5號電池的容量提高到2700mA·h。低溫共燒陶瓷技術(shù)的研究開發(fā)取得重要突破，大量無源電子元器件整合于同一基板內(nèi)已經(jīng)成為可能。伴隨著先進(jìn)材料研究技術(shù)的不斷延展，也產(chǎn)生了諸多新興產(chǎn)業(yè)。例如，氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料的發(fā)展催生了半導(dǎo)體照明技術(shù)；白光發(fā)光二極管（LED）的光效已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過白熾燈和熒光燈，給照明行業(yè)帶來革命性的變化。太陽能電池轉(zhuǎn)換效率不斷提高，極大地推動了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。鎂合金與鈦合金等高性能結(jié)構(gòu)材料的加工技術(shù)取得突破，成本不斷降低，研究與應(yīng)用重點(diǎn)由航空航天及軍工擴(kuò)展到高附加值民用領(lǐng)域?；诜肿雍突虻扰R床診斷材料和器械的發(fā)展，肝癌等重大疾病得以早日發(fā)現(xiàn)和治療；介入器械的研發(fā)催生了微創(chuàng)和介入治療技術(shù)，使心臟病死亡率大幅下降。

綠色、低碳成為新材料發(fā)展的重要趨勢

面對日益嚴(yán)重的資源枯竭、不斷惡化的生態(tài)環(huán)境和大幅提升的人均需求等發(fā)展困境，綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展等理念已經(jīng)成為人類共識。世界各國都積極將新材料的發(fā)展與綠色發(fā)展緊密結(jié)合，高度重視新材料與資源、環(huán)境和能源的協(xié)調(diào)發(fā)展，大力推進(jìn)與綠色發(fā)展密切相關(guān)的新材料的開發(fā)與應(yīng)用。以新能源為代表的新興產(chǎn)業(yè)崛起，引起電力、建筑、汽車、通信等多個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)生重大變革，拉動上游產(chǎn)業(yè)（如風(fēng)機(jī)、電池組件、多晶硅等一系列制造業(yè)和資源加工業(yè)）的發(fā)展，促進(jìn)智能電網(wǎng)、電動汽車等輸送與終端產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法促進(jìn)節(jié)能建筑和光伏發(fā)電建筑的發(fā)展。通過提高新型結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)韌性、提高溫度適應(yīng)性、延長壽命及材料的復(fù)合化設(shè)計(jì)可以降低成本、提高質(zhì)量。功能材料向微型化、多功能化、模塊集成化、智能化等方向發(fā)展可以提升材料的性能；納米技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的融合將產(chǎn)生體積更小、集成度更高、更加智能化、功能更優(yōu)異的產(chǎn)品。歐洲首倡的全生命周期技術(shù)對鋼鐵、有色金屬、水泥等大宗基礎(chǔ)材料的單產(chǎn)能耗、環(huán)境載荷降低20%以上。綠色、低碳的新材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化將成為未來發(fā)展的主要方向，在追求經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的同時(shí)更加注重資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)、公共健康等社會目標(biāo)。

跨國集團(tuán)仍然占據(jù)新材料產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位

目前，世界著名企業(yè)和集團(tuán)憑借其技術(shù)研發(fā)、資金和人才等優(yōu)勢不斷向新材料領(lǐng)域拓展，在高附加值新材料產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位。日本信越化學(xué)工業(yè)公司、日本勝高公司及德國世創(chuàng)電子公司等企業(yè)占據(jù)國際半導(dǎo)體硅材料市場份額的70%以上。90%以上半絕緣砷化鎵市場被日本的日立電線公司、住友電氣工業(yè)公司、德國弗萊貝格化合物材料公司、美國晶體技術(shù)公司所占有。美國陶氏化學(xué)公司、通用電氣公司、瓦克化學(xué)公司和法國羅納·普朗克公司及日本一些公司基本控制了全球有機(jī)硅材料市場。杜邦公司、大金工業(yè)公司、德國赫希斯特公司、美國明尼蘇達(dá)礦務(wù)及制造業(yè)公司、意大利奧斯蒙特公司、法國埃爾夫阿托化學(xué)公司和英國帝國化學(xué)工業(yè)公司等7 家公司擁有全球90%的有機(jī)氟材料生產(chǎn)能力。美國科銳公司的碳化硅襯底制備技術(shù)具有很強(qiáng)的市場競爭力，荷蘭皇家飛利浦公司控股的美國Lumileds公司的功率型白光LED處于世界先進(jìn)水平，美國、日本、德國等國的企業(yè)擁有70% LED 外延生長和芯片制備核心專利。日本東麗公司基本壟斷了高性能碳纖維及其復(fù)合材料的市場。美國鋁業(yè)公司掌握了80%的飛機(jī)用金屬新材料專利，美國杜邦、日本帝人公司控制了對位芳酰胺纖維90%的產(chǎn)能。

變革新材料研發(fā)模式成為關(guān)注熱點(diǎn)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，發(fā)達(dá)國家逐漸意識到依賴于科學(xué)直覺與試錯(cuò)的傳統(tǒng)材料研究方法已經(jīng)跟不上工業(yè)快速發(fā)展的需求，甚至可能成為制約技術(shù)和工業(yè)進(jìn)步的瓶頸。因此，革新材料研發(fā)方法，加速材料從研發(fā)到應(yīng)用的進(jìn)程被提上各國政府的議事日程。例如，作為美國聯(lián)邦政府AMP的重要組成部分，奧巴馬政府在2011年提出“材料基因組計(jì)劃”，目的是將材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的速度至少提高一倍，成本至少降低一半，發(fā)展以先進(jìn)材料為基礎(chǔ)的高端制造業(yè)，希望繼續(xù)保持其在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢。

MGI的具體措施包括：①發(fā)展計(jì)算工具和方法，減少耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)，加快材料設(shè)計(jì)和篩選；②發(fā)展和推廣高通量材料實(shí)驗(yàn)工具，更快地進(jìn)行候選材料驗(yàn)證和篩選；③發(fā)展和完善材料數(shù)據(jù)庫/信息學(xué)工具，有效管理材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用全過程數(shù)據(jù)鏈；④培育開放、協(xié)作的新型合作模式。MGI的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)通過理論模擬和計(jì)算完成先進(jìn)材料的“按需設(shè)計(jì)”和全程數(shù)字化制造。

在這場材料研發(fā)模式變革的過程中，歐盟、日本等也啟動了類似的科學(xué)計(jì)劃。歐盟以輕量、高溫、高溫超導(dǎo)、磁性及熱磁、熱電和相變記憶存儲六類高性能合金材料需求為牽引，推出了“加速冶金學(xué)”計(jì)劃。

本文摘編自《中國工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略·化工、冶金與材料領(lǐng)域報(bào)告》，標(biāo)題和內(nèi)容有調(diào)整。點(diǎn)擊下面“擴(kuò)展鏈接”可立即購書。歡迎廣大科研工作者投稿，聊聊你們的所見所聞、所感所思，投稿郵箱：houjunlin@mail.sciencep.com。