新材料是電子信息、新能源、航空航天和生物醫(yī)藥等高新技術發(fā)展的基石和先導，是各個產業(yè)鏈中處在最上游、技術壁壘最高的部分，其對一個國家經濟發(fā)展、國防安全等的重要性不言而喻。

新材料將為新一輪科技革命和產業(yè)革命提供堅實的物質基礎，誰掌握了最先進的材料，誰就能在未來高新技術發(fā)展上掌握主動權。

當前，中國新材料產業(yè)大而不強，與美日德等發(fā)達國家相比差距明顯，尤其是以半導體材料、碳纖維材料、航空航天材料等為代表的戰(zhàn)略性材料嚴重依賴國外，給我國家科技安全帶來巨大挑戰(zhàn)。一旦這些新材料遭遇“卡脖子”問題，先進電子信息、新能源汽車、商業(yè)航空等諸多產業(yè)，將會在短時間內喪失競爭力、受人制約，乃至會喪失掉前沿顛覆性技術的發(fā)展先機，后果難以設想。值得慶幸的是，中國新材料產業(yè)已迎來科研范式重大轉變、下游需求迅猛增長等歷史機遇，并已積累起科研、人才、政策和資本等方面的巨大勢能，未來發(fā)展可期！本文將從戰(zhàn)略層面淺析新材料產業(yè)的重要性，中國新材料產業(yè)面臨的歷史機遇、嚴峻挑戰(zhàn)，以及未來發(fā)展之路。

一、為什么要高度重視新材料產業(yè)？

新材料（New Materials）究竟意味著什么？為何新材料能夠與信息、能源一起被稱作21世紀的三大支柱產業(yè)，每逢談到前沿科技時必會被人們提及？讓我們一起探個究竟，了解一下新材料緣何重要。

（一）新材料是科學規(guī)律與物質世界的橋梁

在維基百科中，材料（Material）的釋義為：構成客體的物質或混合物，且可以根據物理或化學等特性進行分類。在百度百科中，材料的釋義為：人類用于制造物品、器件、構件、機器或其他產品的物質。簡而言之，材料是人類創(chuàng)造生產生活工具的物質來源，是人類改造大自然的物質基礎。而新材料（New Materials），是人類從微觀層面深入理解物質的物理和化學規(guī)律后，研發(fā)出的具有更高強度、更優(yōu)性能、更廣用途的新型材料。從更高維度看，新材料是物理化學（科學）規(guī)律與物質世界之間的橋梁，形象一點就是人類利用科學規(guī)律進行生產生活的“武器”。

新材料是科學規(guī)律與物質世界間的橋梁

被譽為人類最高學術榮譽的諾貝爾獎（本文主要指物理學獎、化學獎），歷年諸多獎項都與新材料存在緊密的聯(lián)系。2019年，諾貝爾化學獎頒給約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆、吉野彰三人，就是表彰他們對鋰電池材料方面的研究貢獻。往回追溯，2017年諾貝爾化學獎頒給“冷凍電子顯微鏡”發(fā)明人；2016年物理學獎頒給“拓撲相變”理論發(fā)現(xiàn)者，化學獎頒給“分子機器設計與合成”領域的科學家；2014年物理學獎頒給“高亮度藍色發(fā)光二極管”發(fā)明人，化學獎頒給“超分辨率熒光顯微技術”領域的科學家；2010年物理學獎頒給“石墨烯”領域的科學家，等等。上述物理和化學領域的重大發(fā)現(xiàn)，都直接或間接地推動著新材料技術的發(fā)展。反過來看，曾徹底改變人類生活的半導體材料、新能源材料等，背后都凝結著許多諾貝爾獎級的科學突破。

諾貝爾獎與新材料科學（部分年份）

由此可見，一個國家新材料產業(yè)的發(fā)展水平，本質上取決于該國在物理、化學等基礎科研上的積累。德國、美國和日本這些公認的新材料強國，歷史上均曾獲得過大量諾貝爾物理學獎和化學獎。新材料領域的原創(chuàng)性突破多數都來自美國、日本和西歐，最高獎章諾貝爾獎不僅是這些國家科技實力的象征，更是這些國家科技安全的根本保障。此外，新材料產業(yè)的發(fā)展需要日積月累，科學突破轉化為實際的工程成果，更需要曠日彌久的嘗試（試錯）。因此，發(fā)達國家在上游“材料+裝備”環(huán)節(jié)積累起的技術優(yōu)勢或技術壁壘，成為了他們掌握產業(yè)發(fā)展規(guī)律、站在產業(yè)價值鏈頂端的法寶。

（二）新材料是國家經濟發(fā)展、科技安全的重要保障

在之前“新材料如何支撐國家崛起”一文中，筆者詳細梳理了新材料技術在國家經濟發(fā)展、產業(yè)革命中的作用。一言以蔽之，英國、德國、美國和日本在歷次工業(yè)革命中能夠異軍突起，離不開鋼鐵冶煉、化工、微納技術和硅基材料等技術的突破。新材料在工業(yè)革命中的先導地位和經濟發(fā)展中的支撐地位十分顯著，上述國家在產業(yè)升級、經濟騰飛和國家崛起的過程中，都曾建立起強大的新材料工業(yè)。

實際上，西歐、美國和日本等主要發(fā)達經濟體，其科技產業(yè)核心競爭力往往就在上游部分，尤其是“材料+裝備”環(huán)節(jié)。2019年7月，日本經濟產業(yè)省宣布對韓國實施出口貿易管制，首當其沖的就是聚酰亞胺、光刻膠和氟化氫3種涉及半導體器件和顯示面板生產的材料，給韓國三星、LG、SK海力士帶來極大沖擊。半導體產業(yè)強大之如韓國，都難以避免在原材料上被日本“卡脖子”，面對出口管制顯得非常脆弱。更可怕的是，日本還占據沉積、刻蝕、顯影和涂布等關鍵設備的全球大多數份額，真正實施科技遏制的話韓國絕對難以招架。日韓半導體貿易摩擦事件的出現(xiàn)，更加證明了上游“材料+裝備”在保障國家科技安全方面的重要性。

半導體產業(yè)鏈示意圖，藍色部分為日本占據50%份額的環(huán)節(jié)（資料來源：新時代證券）

目前，中國和東南亞地區(qū)在中低端制造或者下游集成制造方面具備了較強實力，但產業(yè)鏈中最“難啃的骨頭”、技術壁壘最高的上游“材料+裝備”環(huán)節(jié)卻仍離發(fā)達國家有較大差距。這些差距，才是中國與發(fā)達國家科技實力上的真正差距，也是產業(yè)鏈轉型升級、經濟高質量發(fā)展需要真正克服的，但也是難度最高、需要大量投入積累、非一朝一夕能實現(xiàn)的。從長遠看，中國這一人口超過美歐日人口總和的國家想要實現(xiàn)真正的富裕，所需要的經濟增長總量將會遠超人類歷史。這意味著，無論是在化工、機械等傳統(tǒng)產業(yè)領域（存量市場），還是微電、光電和新能源等新興產業(yè)領域（增量市場），中國都要成為全球最具實力的選手。而“材料+裝備”作為大部分產業(yè)的基礎和競爭力所在，無疑將成為中國未來最需要經營和突破的關鍵產業(yè)之一。

（三）他山之石——短談日本新材料發(fā)展歷程

在日韓半導體貿易摩擦中，日本新材料產業(yè)的實力一覽無余。但回顧歷史，日本并非一直都是新材料強國。作為一個后發(fā)國家，日本前期以借鑒引進歐美技術為主，后期通過加強自主研發(fā)逐漸取得產業(yè)優(yōu)勢，最終才奠定今天的新材料產業(yè)霸主地位。以半導體產業(yè)為例，現(xiàn)代半導體工業(yè)起源于美國硅谷，1950s年代成立的肖克利實驗室和仙童半導體（Fairchild）奠定了半導體產業(yè)的基礎。1963年，日本電氣公司（NEC）獲得仙童半導體平面技術的授權，隨后日本政府要求日本電氣將技術分享給其他企業(yè)，由此日本電氣、三菱、夏普和京都電氣正式進入半導體產業(yè)。

1960s年代，美國半導體產業(yè)開始向日本大規(guī)模轉移。當時由于美蘇爭霸，美國集成電路產品主要面向軍事領域，日本民用集成電路產品得以大規(guī)模進入美國市場，隨后日立、NEC、富士通和東芝等一批日本電子企業(yè)迅速崛起。1970s年代，日本政府為提升本國集成電路產業(yè)競爭力，制定了一系列發(fā)展政策和措施，如1971年制定《特定電子工業(yè)及特定機械工業(yè)振興臨時措施法》，1978年制定的《特定機械情報產業(yè)振興臨時措施法》，1976-1980年領導“官產學”一體化研發(fā)、組織大型企業(yè)合作實施超大規(guī)模集成電路（VLSI）計劃。1980s年代，日本半導體產業(yè)發(fā)展迅猛，一度超過美國成為半導體產業(yè)第一大國。

在產業(yè)升級和經濟騰飛的過程中，日本半導體企業(yè)積累了空前的財富。但這些企業(yè)并不僅僅滿足于引進、消化美國技術，以信越化學為代表的日本新材料公司，致力于推動半導體材料和裝備的國產化。在半導體產業(yè)發(fā)展的過程中，日本政府和企業(yè)有意識地布局上游“材料+裝備”環(huán)節(jié)，經過數十年的精耕細作與突破，終于成就了半導體材料強國地位。眾所周知，2000年以后日本諾貝爾獎大爆發(fā)，幾乎每年都有一枚獎章入手。殊不知，正是1980s年代日本政府尤其是企業(yè)對基礎研究的大量投入，才使得科學之花長成了碩碩果實?？偨Y日本新材料科技發(fā)展歷史，其成功一是離不開日本政府對產業(yè)鏈上游的高度重視和持續(xù)資助，二是離不開日本企業(yè)對掌握核心技術、實現(xiàn)國產化的決心，三是離不開日本“官產學研”一體化的實施。

二、中國新材料產業(yè)迎來重大歷史機遇

相信大家都有體會，中國新材料產業(yè)發(fā)展水平與日本、美國和德國等國相比存在很大差距，且這一差距并未因經濟快速增長得到顯著消弭。2018年，工信部對全國30多家大型企業(yè)130多種關鍵基礎材料調研結果顯示，32%的關鍵材料在中國仍為空白，52%依賴進口，形勢不容樂觀。但筆者認為，中國新材料產業(yè)已經積累起足夠的勢能，未來十年二十年必然會取得巨大的成就。

（一）新材料科研范式正在發(fā)生重大轉變，人工智能助力中國新材料產業(yè)發(fā)展

首先，新材料科學研究的范式正在被人工智能、大數據、材料基因工程等技術所改變，新材料正在以想象不到的速度和范圍被開發(fā)出來。中國在人工智能、大數據等信息技術上積累的優(yōu)勢，將為中國新材料產業(yè)崛起提供堅實基礎。

《科學研究范式的演化——大數據時代的科學研究第四范式》. 鄧仲華, 李志芳.

回顧歷史，許許多多學科的誕生，都是不經意間發(fā)生的“美麗邂逅”。例如，1820年丹麥物理學家奧斯特在講座時發(fā)現(xiàn)電磁感應效應；1895年德國物理學家倫琴在從事陰極射線研究時發(fā)現(xiàn)X射線；1928年，英國細菌學家弗萊明在研究葡萄球菌時發(fā)現(xiàn)青霉素。這些科學研究多是“試錯型”的經驗科學，帶有一定的盲目性和隨機性。2009年，微軟在《The Fourth Paradigm: Data-IntensiveScientific Discovery》一文中總結了科研的四種范式：第一范式即上述“試錯型”的經驗科學，在研究方法上以歸納為主，帶有較多盲目性的觀測和實驗；第二范式即理論科學，偏重理論總結和理性概括，在研究方法上以演繹法為主；第三范式即計算科學，主要用數值模擬和計算優(yōu)化的方法進行研究；第四范式即當前流行的數據驅動型科學，它以大量數據為前提，運用人工智能、數據挖掘等技術，可從大量已知數據中得到未知理論。

近年來，人工智能技術發(fā)展十分迅猛，已滲透到社會生產生活的各個角落。在新材料科研領域，人工智能技術也得到了廣泛的滲透與應用。在筆者日常跟蹤的兩大科技網站Phys.org和Eurekalert!中，有關人工智能應用于新材料研發(fā)的新聞比比皆是。實際上，新材料的研發(fā)過程也是大數據的處理過程。新材料研發(fā)中的設計、實驗、測試、證明環(huán)節(jié)，都離不開數據的搜集、選擇、分析等。人工智能特別擅長在大數據中尋找“隱藏”的因果關系，因此其在新材料研發(fā)上能夠體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。當前，人工智能、大數據和基因工程等技術的廣泛應用，正使得新材料科研范式產生重大轉變，研發(fā)效率提升百倍、千倍！

人工智能變革新材料的研發(fā)模式

（二）中國經濟發(fā)展、產業(yè)升級需求迫切，發(fā)展上游“材料+裝備”產業(yè)勢在必行

其次，中國經濟正處在從高速發(fā)展向高質量發(fā)展轉變的歷史階段，新材料產業(yè)將為中國跨越中等收入陷阱奠定堅實的物質基礎。根據任澤平等人研究，全球主要發(fā)達經濟體均經歷過“增速換擋”，即從高速增長收斂到高質量增長的歷史階段。從發(fā)展曲線上看，人均GDP達到約10000美元時會出現(xiàn)拐點，這就是產業(yè)轉型升級所產生的“陣痛期”。歷史上，德國、日本和韓國等國都通過大力發(fā)展科技產業(yè)、推動產業(yè)轉型升級，成功擺脫“陣痛期”成為發(fā)達經濟體。相反，巴西、阿根廷和墨西哥等經濟體在產業(yè)轉型、技術升級上相對失敗，長期陷入到所謂“中等收入陷阱”中。當前中國正處在歷史拐點，如何擺脫“陣痛”走出“陷阱”將是未來中國面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

世界主要國家人均GDP與增速間的關系

在經濟高質量發(fā)展、產業(yè)轉型升級的過程中，上游“材料+裝備”環(huán)節(jié)的發(fā)展至關重要。舉個例子，一臺筆記本或手機的生產過程中，芯片主要來自美國，元器件主要來自日本，顯示器主要來自韓國，生產這些器件的材料主要來自美國、日本，裝備主要來自美國、西歐和日本，產品利潤的大頭都被這些國家收入囊中，而主要負責組裝制造的中國實際所得寥寥無幾。新材料產業(yè)的強大，不僅意味著能夠“卡別人脖子”、掌握主動權，更意味著在全球產業(yè)分工中能夠獲取高技術溢價、成為高端玩家。時至今日，美國、德國和日本等主要發(fā)達經濟體，無一例外都是新材料強國。“新材料強大”與“經濟發(fā)達”之間，存在著明顯的正相關關系。

未來中國新材料產業(yè)發(fā)展的原動力，正來源于中國對經濟高質量發(fā)展、產業(yè)轉型升級的巨大需求。“新材料強大”和“中國崛起”之間，必然也是相輔相成、互為因果的正相關關系。盡管當前國際形勢云譎波詭、暗流涌動，尤其是中美貿易戰(zhàn)給中國經濟產業(yè)發(fā)展蒙上了層層陰影，但這一形勢恰恰也點燃新材料產業(yè)發(fā)展的原動力，中美貿易戰(zhàn)幫助我們了解到自身產業(yè)鏈是不安全的，認清了上游“材料+裝備”產業(yè)環(huán)節(jié)的重要性，給中國新材料產業(yè)注入了新的活力。從戰(zhàn)略層面上看，中國新材料產業(yè)發(fā)展迎來了絕佳的歷史機遇。

（三）大飛機、集成電路等下游需求旺盛，將全面帶動中國新材料產業(yè)發(fā)展

再次，中國高端制造業(yè)正在崛起過程中，未來將可全面帶動新材料產業(yè)蓬勃發(fā)展。尤其是大飛機、集成電路等“體量龐大”的下游高科技產業(yè)，一旦打開局面站穩(wěn)市場，將能夠有效反哺、帶動上游“材料+裝備”環(huán)節(jié)的突破。

縱覽全球經濟史，后發(fā)國家經濟的成功崛起，往往都是從承接發(fā)達國家的紡織、鋼鐵和家電等中低端產業(yè)開始的。例如，20世紀60年代以后，韓國通過對國際產業(yè)轉移的成功承接，推動了國內產業(yè)結構的升級，促進了經濟社會的快速發(fā)展。第一階段（20世紀60年代），韓國承接產業(yè)以勞動密集型輕紡產業(yè)為主；第二階段（20世紀70年代），韓國承接產業(yè)以資本密集型重化工業(yè)為主，包括鋼鐵、造船、石化等重化工業(yè)；第三階段（20世紀80年代），韓國承接產業(yè)以兼具資本和技術密集型的產業(yè)為主，包括電子、化工、運輸機械等產業(yè)。經20世紀60到80年代的發(fā)展，韓國完成了英、美、日等發(fā)達國家需要半個世紀到一個世紀才能實現(xiàn)的工業(yè)化進程，從一個資源短缺的農業(yè)國轉型為先進工業(yè)國，這一過程也被譽為“江漢奇跡”。

在經濟騰飛過程中，韓國有意識地進軍高端制造業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)，成功發(fā)展起了汽車、半導體、消費電子等高附加值產業(yè)。這些高附加值產業(yè)所獲的高額利潤，又成功反哺了韓國上游“材料+設備”產業(yè)環(huán)節(jié)，使得韓國科技競爭力不斷提升。目前，韓國新材料企業(yè)在全球市場已經頗具競爭力，以三星SDI、LG化學、SK化學、韓國工程塑料和韓國浦項鋼鐵為代表的新材料企業(yè)，為韓國電子電氣、半導體、汽車、船舶和新能源等產業(yè)發(fā)展提供了強大支撐。由此可見，高端需求能夠催生先進技術，下游高端集成制造產品才是上游新材料產業(yè)發(fā)展的環(huán)境和條件。

宏觀經濟增速換擋與追趕進程

當前，中國正在有意識、有計劃地進軍高端制造業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)，在《中國制造2025》戰(zhàn)略布局下，中國正在大力發(fā)展大飛機、半導體、新能源汽車等高端產業(yè)。盡管這些產業(yè)未來數年難以盈利，但其戰(zhàn)略價值無疑是巨大的，其對上游“材料+裝備”環(huán)節(jié)的推動作用將會是顯著的。以國產大飛機產業(yè)為例，C919型號飛機的設計、研發(fā)和制造成本巨大，整個開發(fā)周期就需要大約十年，收回成本的時間也難以估量，但隨著時間的積累，它將帶動中國一整條產業(yè)鏈的興起，包括上游“材料+裝備”、中游設計制造和下游科技服務業(yè)，其對產業(yè)升級和經濟增長的貢獻或更難以估量。盡管C919為保證質量當前基本采用的都是國外部件，甚至被人詬病為“空殼子”，但這種先做好總體集成的路線無疑是正確的。先利用全球最好的技術生產出高質量產品，再努力實現(xiàn)關鍵零部件的國產化，這才是更有效率、更經濟的做法。日本和韓國的半導體產業(yè)發(fā)展，基本也是遵循這一路徑的。從長期看，隨著國產大飛機的崛起，中國碳纖維、鋁合金、高溫合金等新材料產業(yè)將會誕生一批全球領先的技術性企業(yè)。

中國商飛C919供應鏈簡圖（FT中文網）

（四）中國積累起科研、人才、政策和資本基礎

最后，中國在過去30余年的經濟高速增長過程中，已經積累起科研、人才、政策和資本基礎。這主要源于政府層面對新材料科學研究、產業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)的高度重視，使得中國已擁有全球最完備的新材料產業(yè)體系，開始具備與美日歐展開競爭的實力。

從科研實力上看，尤其是科技論文總量和專利申請總量等指標上看，中國已經超過美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)，成為名副其實的新材料科研第一大國。中國新材料產業(yè)發(fā)展起步較晚，但經過“十五”、“十一五”期間的持續(xù)科技攻關，中國在新材料的某些領域也逐漸達到與國際同步的水平。如下圖所示，在中國政府大力推進新材料的背景下，中國自 2007 年起專利申請呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長，并迅速成為該領域申請量最多的國家，尤其是2009年以后超過了日本成為年專利申請量最大的國家。當然，從原創(chuàng)國家/地區(qū)分布情況，以及專利價值情況上看，中國與日本和美國相比仍存在不小差距。此外，據科技部統(tǒng)計，2016-2017年，中國材料領域基礎研究論文數量（67276篇）/增長率（24.71%）、高被引論文增長率（11.08%）等指標均處于世界第一。

1995-2015新材料產業(yè)主要原創(chuàng)國家/地區(qū)全球專利申請份額趨勢（國家知識產權局）

從人才培養(yǎng)上看，中國材料學科建設整體水平大幅提升，材料人才儲備量逐年增大。截至2018年，中國高校已有208個材料科學與工程學位授予點，92個博士點，116個碩士點；30所高校材料學科入選國家一流學科建設，屬各學科之最；116個單位的材料學科進入世界ESI排名前1%，21所高校進入ESI學科排名前1‰。目前，中國現(xiàn)有材料類研發(fā)科技人才115萬人，每年材料類本科畢業(yè)生4萬余人，每年材料類碩博畢業(yè)生1萬余人。

從政策支持上看，中國近年來將發(fā)展新材料產業(yè)列為國家戰(zhàn)略的重要組成部分，積極采取重點趕超戰(zhàn)略，《新材料產業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》、《新材料產業(yè)發(fā)展指南》等政策文件相繼出臺，已經建立起日臻完善的新材料科技政策。從政府資金投入上看，中國自2008年金融危機以來顯著提高了對新材料研發(fā)的資助，《Nature》期刊統(tǒng)計了近年來國家自然科學基金的所有經費，材料科學與工程領域的經費排名第二，僅排在醫(yī)藥領域后面。

2001年以來國家自然科學基金委資助材料科學與工程的情況

作者丨宮學源，博士，國務院發(fā)展研究中心國際技術經濟研究所研究一室副主任

研究所簡介

國際技術經濟研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國務院發(fā)展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發(fā)展中的重大政策性、戰(zhàn)略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發(fā)展態(tài)勢，為中央和有關部委提供決策咨詢服務?！叭蚣夹g地圖”為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力于向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創(chuàng)新洞見。

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