新材料是指新出現的具有優(yōu)異性能和特殊功能的材料，以及傳統(tǒng)材料成分、工藝改進后性能明顯提高或具有新功能的材料。融入了當代眾多學科先進成果的新材料產業(yè)是支撐國民經濟發(fā)展的基礎產業(yè)，是發(fā)展其他各類高技術產業(yè)的物質基礎。近年來，全球新材料產業(yè)蓬勃發(fā)展，據賽迪顧問數據統(tǒng)計，到2018年市場規(guī)模已經接近2.56萬億美元，平均每年以10%以上的速度增長。此外，技術領域研發(fā)面臨新突破，新材料和新物質結構不斷涌現，使全球新材料技術與產業(yè)仍然保持著增長態(tài)勢。總體上，全球新材料產業(yè)的發(fā)展呈現如下特征。

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)）紛紛在新材料領域制定了相應的規(guī)劃， 全面加強研究開發(fā)，并在市場、產業(yè)環(huán)境等不同層面出臺政策，全力提升新材料產業(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、納米技術、空間技術、健康醫(yī)療等優(yōu)先發(fā)展領域均涉及新材料；2012年制定了“國家先進制造戰(zhàn)略計劃”，進一步加大了對材料科技創(chuàng)新的扶持力度。歐盟為實現經濟復蘇、消除發(fā)展痼疾、應對全球挑戰(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。德國政府發(fā)布了“德國2020高技術戰(zhàn)略”，其中工業(yè)4.0是十大未來項目中最引人注目的課題之一。2013年，英國推出“制造的未來：英國迎接機遇和挑戰(zhàn)的新時代”，重點支持建設新能源、智能系統(tǒng)和材料化學等創(chuàng)新中心。日本于2010年發(fā)布了“新增長戰(zhàn)略”、“新信息通信技術戰(zhàn)略”和“日本產業(yè)結構展望2010”，于2016年出臺了“第五期科學技術基本計劃（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“第三次科學技術基本計劃”。巴西、印度、俄羅斯等新興經濟體采取重點趕超戰(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。

高新技術發(fā)展促使新材料不斷更新換代

高新技術的突破加快了技術向生產力的轉化速度，同時也對關鍵基礎材料提出新的挑戰(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技術節(jié)點的集成電路要求，450mm硅片已經產出樣片。此外，A2B7型稀土儲氫合金已經實現工程化，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已經成為可能。伴隨著先進材料研究技術的不斷延展，也產生了諸多新興產業(yè)。例如，氮化鎵（GaN）等化合物半導體材料的發(fā)展催生了半導體照明技術；白光發(fā)光二極管（LED）的光效已經遠遠超過白熾燈和熒光燈，給照明行業(yè)帶來革命性的變化。太陽能電池轉換效率不斷提高，極大地推動了新能源產業(yè)的發(fā)展。鎂合金與鈦合金等高性能結構材料的加工技術取得突破，成本不斷降低，研究與應用重點由航空航天及軍工擴展到高附加值民用領域?；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)現和治療；介入器械的研發(fā)催生了微創(chuàng)和介入治療技術，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)展緊密結合，高度重視新材料與資源、環(huán)境和能源的協(xié)調發(fā)展，大力推進與綠色發(fā)展密切相關的新材料的開發(fā)與應用。以新能源為代表的新興產業(yè)崛起，引起電力、建筑、汽車、通信等多個產業(yè)發(fā)生重大變革，拉動上游產業(yè)（如風機、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，促進智能電網、電動汽車等輸送與終端產品的開發(fā)和生產。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經通過立法促進節(jié)能建筑和光伏發(fā)電建筑的發(fā)展。通過提高新型結構材料強韌性、提高溫度適應性、延長壽命及材料的復合化設計可以降低成本、提高質量。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；納米技術與先進制造技術的融合將產生體積更小、集成度更高、更加智能化、功能更優(yōu)異的產品。歐洲首倡的全生命周期技術對鋼鐵、有色金屬、水泥等大宗基礎材料的單產能耗、環(huán)境載荷降低20%以上。綠色、低碳的新材料技術及產業(yè)化將成為未來發(fā)展的主要方向，在追求經濟目標的同時更加注重資源節(jié)約、環(huán)境保護、公共健康等社會目標。

跨國集團仍然占據新材料產業(yè)的主導地位

目前，世界著名企業(yè)和集團憑借其技術研發(fā)、資金和人才等優(yōu)勢不斷向新材料領域拓展，在高附加值新材料產品中占據主導地位。日本信越化學工業(yè)公司、日本勝高公司及德國世創(chuàng)電子公司等企業(yè)占據國際半導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、美國晶體技術公司所占有。美國陶氏化學公司、通用電氣公司、瓦克化學公司和法國羅納·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、美國明尼蘇達礦務及制造業(yè)公司、意大利奧斯蒙特公司、法國埃爾夫阿托化學公司和英國帝國化學工業(yè)公司等7 家公司擁有全球90%的有機氟材料生產能力。美國科銳公司的碳化硅襯底制備技術具有很強的市場競爭力，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合材料的市場。美國鋁業(yè)公司掌握了80%的飛機用金屬新材料專利，美國杜邦、日本帝人公司控制了對位芳酰胺纖維90%的產能。

變革新材料研發(fā)模式成為關注熱點

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

MGI的具體措施包括：①發(fā)展計算工具和方法，減少耗時費力的實驗，加快材料設計和篩選；②發(fā)展和推廣高通量材料實驗工具，更快地進行候選材料驗證和篩選；③發(fā)展和完善材料數據庫/信息學工具，有效管理材料從發(fā)現到應用全過程數據鏈；④培育開放、協(xié)作的新型合作模式。MGI的終極目標是實現通過理論模擬和計算完成先進材料的“按需設計”和全程數字化制造。

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計劃。歐盟以輕量、高溫、高溫超導、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”計劃。

本文摘編自《中國工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略·化工、冶金與材料領域報告》，標題和內容有調整。點擊下面“擴展鏈接”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。