当前新一轮科技革命和产业革命不断深入,全球竞争格局正在发生深刻变革。科技创新成为推动全球经济和社会发展的新引擎,制造业成为各国新一轮竞争的焦点。新一代信息技术与新材料是制造业的两大“底盘技术”。
新一代信息技术是第四次工业革命的驱动力,而新材料是支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的物质基础。信息技术与新材料深度融合,共同推动制造业向高端化发展。加快先进材料产业发展,是党中央、国务院着眼建设制造强国、科技强国做出的重要战略部署。加快新材料产业发展,有利于推动传统产业转型升级和战略性新兴产业发展,实现社会生产力和经济发展质量的跃升,对实施创新驱动发展战略、 加快供给侧结构性改革、增强产业核心竞争力具有重要战略意义。
全球新材料产业发展现状
1.全球各国新材料产业政策持续推出,纷纷抢占制高点
进入21世纪,世界各国特别是发达国家都高度重视新材料产业的发展,均制订了相应的新材料发展战略和研究计划。2008年金融危机以来,发达国家纷纷启动“再工业化”战略, 将制造业作为回归实体经济、抢占新一轮国际科技经济竞争制高点的重要抓手。材料作为制造业的基石,其战略地位日益提升。此外,主要发达国家针对新材料重点领域,如高温合金、 碳纤维及复合材料、新型显示材料、新型能源材料、第三代半导体材料、稀土新材料、石墨 烯等,还出台了专项政策。
2. 产业规模不断扩大,地区差异日益明显
随着全球高新技术产业的快速发展和制造业的不断升级,以及可持续发展的持续推进, 新材料的产品、技术、模式不断更新,应用领域不断拓展,市场前景更加广阔,对新材料的需求十分旺盛,产业规模持续增长。据统计,2010年全球新材料市场规模超过4000亿美元,到2017年2.3万亿美元,2019年2.82万亿美元,每年以10%以上的速度增长。
世界上新材料龙头企业主要集中在美国、欧洲和日本,拥有全球绝大部分大型跨国公司, 在经济实力、核心技术、研发能力、市场占有率等方面占据绝对优势,形成全球市场的垄断。中国、韩国、俄罗斯紧随其后,属于第二梯队。其中,中国在半导体照明、稀土永磁、人工晶体材料领域具有较强竞争力。除巴西、印度等少数国家之外,大多数发展中国家的新材料 产业比较落后。
3. 市场竞争日趋剧烈,关键材料成为焦点
信息技术是当前世界经济复苏和推动未来产业革命的重要引擎。信息化的发展水平主要取决于光电信息功能材料,其主流仍然是半导体材料。另外,砷化镓、碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体材料也将对光纤通信、互联网做出重要贡献。美国等发达国家在电子信息等关键材料领域占据主导地位。近两年,美国特朗普政府为巩固其全球霸主地位,蓄意挑起中美贸易争端,联手其他国家对我国材料产业实施打压。对钢铁、铝等优势基础材料产品实施高关税;对芯片、光刻胶等核心高端材料实施出口禁运,压制我国高技术产业发展。
4. 集约化集群化发展,高端材料垄断加剧
随着全球经济一体化进程加快,集约化、集群化和高效化成为新材料产业发展的突出特点。新材料产业呈现横向、纵向扩展,上下游产业联系也越来越紧密,产业链日趋完善,多学科、多部门联合进一步加强,形成新的产业联盟,有利于产品的开发与应用,但是也容易形成市场垄断。大型跨国公司凭借技术研发、资金、人才等优势,以技术、专利等作为壁垒, 已在大多数高技术含量、高附加值的新材料产品中占据了主导地位。国际新材料企业呈现集团化、寡头化、国际化发展趋势。例如,日本、德国的5家企业占据了80%以上的半导体硅 材料国际市场销售额。
全球新材料产业发展趋势
1. 新技术与新材料交叉融合、加速创新
21世纪以来,全球新材料产业竞争格局发生重大调整,新材料、信息、能源、生物等学科间交叉融合不断深化,大数据、数字仿真等技术在新材料研发设计中作用不断突出, “互联网+”、材料基因组计划、增材制造等新技术、新模式蓬勃兴起,新材料创新步伐持续加快,新技术更新迭代日益加速,新思路、新创意、新产品层出不穷,国际市场竞争日趋激烈。
基础学科突破、多学科交叉、多技术融合快速推进新材料的创制、新功能的发现和传统材料性能的提升,新材料研发日益依赖多专业合作。例如:固体物理的重大突破催生了系列拓扑材料的出现;材料与物理深度融合诞生了高温超导材料;高密度、低功耗、非挥发性存储器技术开发更是多专业合作的典范;物理学家提出阻变、相变、磁隧道结和电荷俘获四种新的存储概念,材料学家找出合适的材料来实现相应功能,微电子专家设计相应的电路保证存储信号的写入、读取和擦除。
以材料基因工程为代表的一系列材料设计新方法的出现,不断突破现有思路、方法的局限性,以高通量计算、高通量制备、高通量表征、数据库与大数据等技术为支撑,立足把握材料成分-原子排列-相-显微组织-材料性能-环境参数-使用寿命之间的关系,推动新材料的研发、设计、制造和应用模式发生重大变革,大幅缩减新材料研发周期和研发成本,加速新材料的创新过程。
2. 绿色化、低碳化、智能化成为新材料发展的新趋势
进入21世纪以来,面对日益严重的资源枯竭、不断恶化的生态环境和大幅提升的人均需求等发展困境,绿色发展和可持续发展等理念已经成为人类共识。资源、能源、环境对材料生产、应用、失效的承载能力,战略性元素的绿色化高效获取、利用、回收再利用以及替代等受到空前重视。
以新能源为代表的新兴产业崛起将引起电力、IT、建筑业、汽车业、通信行业等多个产业的重大变革和深度裂变,拉动上游产业(如风机制造、光伏组件、多晶硅深加工等一系列 加工制造业和资源加工业)的发展,促进智能电网、电动汽车等输送与终端产品的开发和发 展,促进节能建筑和光伏发电建筑的发展。欧美等发达国家已经通过立法要求必须或鼓励使用低辐射(Low-e)等节能玻璃,目前欧洲80%的中空玻璃为Low-e玻璃,美国Low-e中空玻璃普及率达82%。短流程、少污染、低能耗、绿色化生产制造,节约资源以及材料回收循环再利用,是新材料产业满足经济社会可持续发展的必然选择。
随着物联网、人工智能、云计算等新一代信息技术和互联网技术的飞速发展,以及新型感知技术和自动化技术的应用,先进制造技术正在向智能化的方向发展,智能制造装备在数 控装备的基础上集成了若干智能控制软件和模块,使制造工艺能适应制造环境和制造过程的 变化以达到优化,从而实现工艺的自动优化。具有感知、分析、推理、决策、控制功能,实现高效、高品质、节能环保和安全可靠生产的下一代制造装备的支撑材料是未来材料产业发 展的急需。
3. 新材料技术日益提升人类生活质量
伴随着新材料研究技术的不断延展,产生了诸多与人类生活水平提升息息相关的新兴产业。如氮化镓等化合物半导体材料的发展,催生了半导体照明技术;质子膜燃料电池(PEMFC)已用于交通示范运行,促进了新能源汽车产业的发展。生物医用材料的应用显著降低了心脑血管、癌症等疾病和重大创伤的病死率,极大地提高了人类的健康水平和生命质量,是保障全民医疗保健基本需求和发展健康服务的重要物质基础。基于分子和基因等临床诊断材料和器械的发展,使肝癌等重大疾病得以早日发现和治疗;血管支架等介入器械的研发催生了微创和介入治疗技术;生物活性物质(如药物、蛋白质、基因等)的靶向/智能型控释系统及其载体材料的发展,不仅导致传统给药方式发生革命性变革,而且为先天性基因缺陷、老年病、肿瘤等难治愈疾病的治疗开辟了新的途径。
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