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中國工程院院士李元元根據(jù)中國工程院幾個重大咨詢項目的部分研究成果作了《新形勢下我國新材料發(fā)展的戰(zhàn)略機遇與挑戰(zhàn)》的主題報告。

針對該主題，李元元院士從新材料的戰(zhàn)略地位、發(fā)展概況、重大需求、問題挑戰(zhàn)、戰(zhàn)略機遇、歷史任務(wù)等多個維度進行了詳細解讀。

2020新材料企業(yè)產(chǎn)值超6萬億

材料是工業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)保障，鋼鐵材料成就了機器化生產(chǎn)，電磁材料催生自動化材料，半導(dǎo)體材料形成了以信息化生產(chǎn)為主的工業(yè)3.0時代，近年來隨著人工智能材料的出現(xiàn)工業(yè)以邁入智能制造工業(yè)4.0的時代。“任何一次高新技術(shù)的更新?lián)Q代，都必須以該領(lǐng)域的新材料技術(shù)突破前提，新材料在工業(yè)革命中起到了無可替代的基礎(chǔ)和支撐作用。

進入21世紀以后，在全球范圍內(nèi)，各國都在緊密出臺新材料的國家戰(zhàn)略計劃。比如美國通過“材料基因組”計劃，構(gòu)建先進完備的材料研究工具與大數(shù)據(jù)，加速新材料的市場應(yīng)用進程，以滿足多樣化的國家需要。

歐盟的“石墨烯旗艦計劃”，日本的“創(chuàng)新制造戰(zhàn)略”，德國的“國家工業(yè)戰(zhàn)略2030”等，重點布局在新能源、信息、汽車、海洋等各自優(yōu)勢的領(lǐng)域和戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)。

李元元院士介紹了我國的新材料發(fā)展概況。他表示，我國的新材料產(chǎn)業(yè)起步晚、底子薄、起點低，但經(jīng)過材料人35年的努力，取得了舉世矚目的成就，我國已成為世界的材料大國。他表示，在前沿研究方面，發(fā)明專利和論文數(shù)量均位居世界第一；在人才培養(yǎng)方面，專業(yè)技術(shù)人才已達120萬人，位居世界第一；在研發(fā)機構(gòu)方面，新材料技術(shù)創(chuàng)新中心，國家重點實驗室，產(chǎn)業(yè)化基地等達400多家；在生產(chǎn)企業(yè)方面，2020年新材料生產(chǎn)企業(yè)達到867萬家，產(chǎn)值超過了6萬億元，約占我國GDP的6%。

當前中國新材料已進入到了高速發(fā)展的快車道，例如前沿研究正邁向世界的前列，尤其是前沿?zé)狳c領(lǐng)域表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭，部分領(lǐng)域與發(fā)達國家形成了并跑，甚至少數(shù)的領(lǐng)域已經(jīng)形成領(lǐng)跑局面。產(chǎn)業(yè)集群已逐步形成長三角、珠三角、環(huán)渤海三大新材料產(chǎn)業(yè)聚集地，表現(xiàn)出蒸蒸日上的發(fā)展局面。特色產(chǎn)業(yè)形成優(yōu)勢，西部、東北、中部分別以能源、資源、地域為特色的新格局，呈現(xiàn)出高速發(fā)展的新態(tài)勢。以企業(yè)為主體，市場為導(dǎo)向，產(chǎn)學(xué)研用相融合的新材料創(chuàng)新體系正在逐步形成。

李元元院士指出，近幾年，我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的新材料包括先進基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料、前沿新材料三大領(lǐng)域。例如，先進基礎(chǔ)材料方面，超級鋼、電解鋁、低負荷水泥等都已經(jīng)突破了關(guān)鍵技術(shù)；關(guān)鍵戰(zhàn)略材料方面，稀土永磁等材料的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)是世界第一；前沿新材料領(lǐng)域，石墨烯等材料處于國際領(lǐng)先地位。

高端制造對新材料提出迫切需求

當前在決定國家未來的6大核心推動技術(shù)方面，中國與美國等西方領(lǐng)先國家比較，仍然存在較大的差距，其差距的縮小均與關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的發(fā)展密不可分。美國智庫曾提出“中國不能發(fā)展”的5大“卡脖子”核心技術(shù)，無論是芯片技術(shù)、高端發(fā)動機技術(shù)還是生物醫(yī)藥與裝備技術(shù)等，都離不開關(guān)鍵材料瓶頸技術(shù)的突破。

李元元院士表示，高端制造對新材料的需求十分重大且迫切。“中國制造2025計劃”中的十大重點產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，均涉及關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的重大需求。美國的“先進制造伙伴計劃”中三大優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，也強調(diào)新材料的戰(zhàn)略保障作用。德國“工業(yè)4.0”也把新材料與信息技術(shù)列為同等地位。

在我國，“墨子號”量子衛(wèi)星、“天眼”工程、載人航天、探月工程、深海工程、北斗導(dǎo)航等國家工程都對新材料存在重大需求。國家戰(zhàn)略工程方面，如制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程、智能制造工程、工業(yè)強基工程、綠色制造工程、高端裝備創(chuàng)新工程等均離不開新材料與新技術(shù)的突破創(chuàng)新。

新材料產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)重重

不可忽視的是，我國新材料亦面臨各種問題與挑戰(zhàn)。李元元院士從新材料產(chǎn)業(yè)外部、內(nèi)部、產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)學(xué)研用一體化、支撐體系等維度進行了深入分析。

他指出，我國新材料發(fā)展受到外部環(huán)境的嚴重挑戰(zhàn)，特別是當前發(fā)達國家全球化產(chǎn)業(yè)分工優(yōu)勢已不復(fù)存在的情況下，為確保其制造領(lǐng)先地位，提出了“再工業(yè)化”，其本質(zhì)是“再技術(shù)化”，這將對我國智能自主制造帶來嚴重挑戰(zhàn)。而突破的本質(zhì)，則在于發(fā)展新材料技術(shù)。

當前發(fā)達國家對中國實施“卡脖子封鎖”已成為常態(tài)，中國在高端數(shù)控機床、大飛機、航空發(fā)動機等精密設(shè)備的關(guān)鍵部件，進口依賴仍占95%，關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的進口依賴占32%。另外， 95%的高端專用芯片和70%的智能終端處理器，以及大多數(shù)的存儲芯片都仍依賴進口。“這些都與關(guān)鍵材料密切相關(guān)。”

隨著國際形勢日趨復(fù)雜多變，近年來美國已開始實施“小院高墻”政策，對我國依賴進口的新材料形成更加嚴厲的“卡脖子”封鎖，如在半導(dǎo)體材料、顯示材料，生物醫(yī)用材料，高性能纖維、高性能膜材料，先進高分子材料等方面，都被列入對中國嚴格限制出口的名單。

除了外部環(huán)境，我國內(nèi)部工業(yè)發(fā)展也面臨“三重重任”，比如“補課工業(yè)2.0”，尚存在20%缺口，“普及工業(yè)3.0”，還有一半的任務(wù)未完成，尤其是在“示范工業(yè)4.0”前沿，還有更多的探索性工作。“三重重任”要求著力進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，解決創(chuàng)新能力，緊跟工業(yè)4.0步伐，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

李元元院士指出，與“三重重任”相應(yīng)的新材料戰(zhàn)略，包括先進基礎(chǔ)材料，關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料。“這三類材料都要求加快發(fā)展，為我國工業(yè)的‘三重任’的完成提供支撐。”

同時我國新材料高質(zhì)量發(fā)展面臨巨大壓力。“雙碳”目標提出后，實現(xiàn)碳中和留給美國的時間是50年，而中國僅僅有30年的時間，中國的碳減排目標遠遠高于美國。李元元院士認為，在短時間內(nèi)要實現(xiàn)上述目標，需要完成4項關(guān)鍵的任務(wù)，如大力發(fā)展新能源材料，實現(xiàn)化工、冶金、建材工業(yè)流程的綠色化，大力發(fā)展固碳轉(zhuǎn)化材料，大力發(fā)展再生新材料等。

此外，我國新材料產(chǎn)業(yè)鏈問題突出，例如上游高純原材料和中游的加工輔料，都面臨嚴重的“卡脖子”問題，如碳、硫、硅、陶瓷、高端金屬、生物醫(yī)用原材料等高純原料的研制，受提純工藝及加工裝備的限制，因此需要通過提升基礎(chǔ)能力、突破關(guān)鍵材料、提高裝備水平等措施加以應(yīng)對。

新材料產(chǎn)業(yè)鏈方面，新材料企業(yè)創(chuàng)新主體地位仍不明確是另一大問題。他表示，長期以來中國創(chuàng)新的主體集中在高校和科研院所，創(chuàng)新要素與生產(chǎn)要素的融合遠遠不足，企業(yè)對研發(fā)的投入意識也不充分，以企業(yè)為主導(dǎo)的產(chǎn)、學(xué)、研、用創(chuàng)新平臺建設(shè)仍有待進一步加強。

在產(chǎn)業(yè)鏈下游方面，新材料應(yīng)用集成能力也嚴重不足。例如新材料企業(yè)對下游客戶普遍缺乏應(yīng)用大數(shù)據(jù)的建設(shè)，這方面與美國差距巨大；在材料與應(yīng)用端一體化集成能力方面與國外存在較大差距；在材料與應(yīng)用端融合集成方面，普遍缺乏“產(chǎn)用”平臺過渡與支持，是其中的一大短板。

李元元院士認為，當前國內(nèi)新材料產(chǎn)、學(xué)、用一體化差距較大，比如新材料原創(chuàng)能力不足，在研發(fā)方面主要處于跟跑狀態(tài)，創(chuàng)新源動力不足；我國新材料專利成果轉(zhuǎn)化率較低，盡管中國的新材料發(fā)明專利數(shù)量已經(jīng)是世界第一，但是新材料專業(yè)專利成果的轉(zhuǎn)化率僅占10%，而美國轉(zhuǎn)化率達80%，可見差距仍然巨大。

材料成果轉(zhuǎn)化作為一個系統(tǒng)工程，當前轉(zhuǎn)化鏈條中間存在諸多缺失的因素，所以造成轉(zhuǎn)化率較低。由于大多數(shù)的成果目前仍然依托于高校和科研院所，在成果轉(zhuǎn)化過程當中，往往要經(jīng)歷一個“死亡之谷”的曲線，因此，我國新材料成果轉(zhuǎn)化率較低。

在基礎(chǔ)研究方面，缺乏體系化。例如，目前總體上以自由選題為主，缺乏宏觀系統(tǒng)整合；缺乏材料戰(zhàn)略大科學(xué)家組織重大共性科學(xué)問題進行系統(tǒng)研究，與美國“集團軍作戰(zhàn)”的局面差距較大；此外，基礎(chǔ)研究的細度、縱向深度和橫向廣度均欠佳。

另外，新材料支撐體系風(fēng)險巨大。

表現(xiàn)為，一是新材料設(shè)計軟件完全受制于國外。設(shè)計制造軟件長期依賴進口，主要是由于研發(fā)周期長，投入大，知識產(chǎn)權(quán)保護不足，材料與軟件開發(fā)領(lǐng)域缺乏技術(shù)互動與融合，也缺乏材料大數(shù)據(jù)庫的有效支撐。

二是，新材料高端檢測儀器依賴進口。高端檢測儀器作為國家高技術(shù)發(fā)展水平的重要標志，目前，絕大部分都是依賴進口。在諾貝爾獎中，11%是因發(fā)明儀器而獲獎，72%的物理獎、81%的化學(xué)獎，依靠尖端科學(xué)儀器完成。由于我國在高端檢測儀器方面的嚴重的落后，制約著我國在上述標志性成果方面的爭取。

三是，新材料的基礎(chǔ)保障能力仍較落后，在原材料、關(guān)鍵設(shè)備、材料性能集成化等系統(tǒng)基礎(chǔ)研究方面布局不足。材料工藝缺乏深度、細度上的突破。材料加工的數(shù)字化智能化水平長期落后。

“這些都與發(fā)達國家存在較大的差距，上述問題與挑戰(zhàn)將伴隨著我國從制造大國向制造強國，從材料大國向材料強國轉(zhuǎn)變的過程。”李元元院士表示。

新一輪科技革命與經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型帶來戰(zhàn)略機遇

上述挑戰(zhàn)，也給新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了重大的機遇。李元元院士指出，從2011年起，我國已成為全球制造業(yè)第一大國，中國的制造業(yè)完全趕上了第4次工業(yè)革命。目前制造業(yè)的規(guī)模已經(jīng)居全球首位，門類齊全，有獨立完整的現(xiàn)代工業(yè)體系。

他認為，新一輪科技革命與我國經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型形成歷史交匯，將產(chǎn)生重大的戰(zhàn)略機遇。在實現(xiàn)從制造大國向制造強國的歷史使命中，新材料作為兩大底盤技術(shù)之一，產(chǎn)業(yè)發(fā)展將從價值鏈中低端向中高端邁進。

當前全球新材料競爭表現(xiàn)出新的特征，例如在材料的前沿研究方面，隨著原創(chuàng)、變革、顛覆性技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，爭奪行業(yè)發(fā)展的主動權(quán)日趨激烈；在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，隨著高新技術(shù)、高端制造和重大工程的變革，產(chǎn)業(yè)發(fā)展主導(dǎo)權(quán)成為爭奪的對象；在材料技術(shù)應(yīng)用方面，產(chǎn)學(xué)研用融合，立足企業(yè)整體創(chuàng)新，是爭奪工業(yè)發(fā)展自主權(quán)的關(guān)鍵。

此外，人工智能與新材料相結(jié)合，加劇了材料高性能和智能化的競爭。“總體上我國已具備研發(fā)、制造、應(yīng)用的完整材料工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)的積累。”

材料人要堅持“四個面向”

“在新的歷史使命中，我們材料人肩負攻堅克難的主要任務(wù)，一方面，要加快解決亟待解決的關(guān)鍵問題，另一方面，對未來要解決的關(guān)鍵問題也要及早進行謀劃。”李元元院士說。

因此材料人需要堅持“四個面向”，圍繞材料的前沿研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)應(yīng)用等三個維度，重點提升原創(chuàng)、基礎(chǔ)、補短、集成、智能、綠色等六項能力。從而實現(xiàn)高新技術(shù)邁入創(chuàng)新型國家前列，在先進制造方面實現(xiàn)自主把控世界產(chǎn)業(yè)格局。在重大工程方面實現(xiàn)世界一流發(fā)展水平。

在未來20年，中國新材料戰(zhàn)略布局主要基于產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級、綠色產(chǎn)業(yè)、材料產(chǎn)業(yè)、智能產(chǎn)業(yè)，重點布局人工智能材料、信息技術(shù)材料、航空發(fā)動機及燃氣輪機材料、新能源材料、量子材料、高品質(zhì)特殊鋼等。

未來中長期將圍繞石墨烯、量子、生物大分子和基因調(diào)控、類腦等展開戰(zhàn)略布局。

在長遠未來，則將側(cè)重發(fā)展暗物質(zhì)、暗能量、引力波等新物質(zhì)新材料。