李元元院士：在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革中新材料迎來戰(zhàn)略機(jī)遇
2022-01-07 15:11:46
作者： 新材料在線 來源： 新材料在線
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在由中國(guó)工程院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)共同主辦的“中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)高峰論壇——第三屆中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)暨2021‘科創(chuàng)中國(guó)’新材料專家、技術(shù)、需求推介會(huì)”上，中國(guó)工程院院士李元元根據(jù)中國(guó)工程院幾個(gè)重大咨詢項(xiàng)目的部分研究成果作了“新形勢(shì)下我國(guó)新材料發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇與挑戰(zhàn)”的主題報(bào)告。
針對(duì)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(jī)遇、歷史任務(wù)等多個(gè)維度進(jìn)行了詳細(xì)解讀。
01 2020年我國(guó)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(jī)器化生產(chǎn)，電磁材料催生自動(dòng)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(shí)代。近年來隨著人工智能材料的出現(xiàn)，工業(yè)已邁入智能制造工業(yè)4.0的時(shí)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)突破為前提，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(jìn)入21世紀(jì)以后，在全球范圍內(nèi)，各國(guó)都在緊密出臺(tái)新材料的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃。比如美國(guó)通過“材料基因組”計(jì)劃，構(gòu)建先進(jìn)完備的材料研究工具與大數(shù)據(jù)，加速新材料的市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)程，以滿足多樣化的國(guó)家需要。歐盟的“石墨烯旗艦計(jì)劃”，日本的“創(chuàng)新制造戰(zhàn)略”，德國(guó)的“國(guó)家工業(yè)戰(zhàn)略2030”等，重點(diǎn)布局在新能源、信息、汽車、海洋等各自優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域和戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)。
會(huì)上，李元元院士介紹了我國(guó)的新材料發(fā)展概況。他表示，我國(guó)的新材料產(chǎn)業(yè)起步晚、底子薄、起點(diǎn)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(guó)已成為世界材料大國(guó)。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(dá)120萬人，位居世界第一；在研發(fā)機(jī)構(gòu)方面，新材料技術(shù)創(chuàng)新中心、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)業(yè)化基地等達(dá)400多家；在生產(chǎn)企業(yè)方面，2020年新材料生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到867萬家，產(chǎn)值超過了6萬億元，約占我國(guó)GDP的6%。
當(dāng)前中國(guó)新材料已進(jìn)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(diǎn)領(lǐng)域表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，部分領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)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(zhǎng)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(shì)，西部、東北、中部分別以能源、資源、地域?yàn)樘厣男赂窬殖尸F(xiàn)出高速發(fā)展的新態(tài)勢(shì)。以企業(yè)為主體，市場(chǎng)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(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的新材料包括先進(jìn)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(jìn)基礎(chǔ)材料方面，超級(jí)鋼、電解鋁、低負(fù)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(guó)際領(lǐng)先地位。
02 高端制造對(duì)新材料提出迫切需求
當(dāng)前在決定國(guó)家未來的6大核心推動(dòng)技術(shù)方面，中國(guó)與美國(guó)等西方領(lǐng)先國(guó)家相比，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(guó)智庫(kù)曾提出“中國(guó)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(dòng)機(jī)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(duì)新材料的需求十分重大且迫切。“中國(guó)制造2025計(jì)劃”中的十大重點(diǎn)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(guó)的“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”中三大優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，也強(qiáng)調(diào)新材料的戰(zhàn)略保障作用。德國(guó)“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(guó)，“墨子號(hào)”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(guó)家工程都對(duì)新材料存在重大需求。國(guó)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(qiáng)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。
03 新材料產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)重重
不可忽視的是，我國(guó)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(jìn)行了深入分析。
他指出，我國(guó)新材料發(fā)展受到外部環(huán)境的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，特別是在當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家全球化產(chǎn)業(yè)分工優(yōu)勢(shì)已不復(fù)存在的一個(gè)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(duì)我國(guó)智能自主制造帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。而突破的本質(zhì)，則在于發(fā)展新材料技術(shù)。
李元元院士表示，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)中國(guó)實(shí)施“卡脖子封鎖”已成為常態(tài)，中國(guó)在高端數(shù)控機(jī)床、大飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等精密設(shè)備的關(guān)鍵部件，進(jìn)口依賴仍占95%，關(guān)鍵基礎(chǔ)材料的進(jìn)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(chǔ)芯片都仍依賴進(jìn)口。“這些都與關(guān)鍵材料密切相關(guān)。”
隨著國(guó)際形勢(shì)日趨復(fù)雜多變，近年來美國(guó)已開始實(shí)施“小院高墻”政策，對(duì)我國(guó)依賴進(jìn)口的新材料形成更加嚴(yán)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(jìn)高分子材料等領(lǐng)域，都將大批新材料列入對(duì)中國(guó)嚴(yán)格限制出口的名單。
除了外部環(huán)境，我國(guó)內(nèi)部工業(yè)發(fā)展也面臨“三重重任”，比如“補(bǔ)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，解決創(chuàng)新能力問題，緊跟工業(yè)4.0步伐，實(shí)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(jìn)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(guó)工業(yè)的‘三重重任’的完成提供支撐。”
同時(shí)我國(guó)新材料高質(zhì)量發(fā)展面臨巨大壓力。“雙碳”目標(biāo)提出后，實(shí)現(xiàn)碳中和留給美國(guó)的時(shí)間是50年，而中國(guó)僅僅有30年的時(shí)間，中國(guó)的碳減排目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)。李元元院士認(rèn)為，在短時(shí)間內(nèi)要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要完成4項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)，如大力發(fā)展新能源材料，實(shí)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(guó)新材料產(chǎn)業(yè)鏈問題突出，例如上游高純?cè)牧虾椭杏蔚募庸ぽo料，都面臨嚴(yán)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?cè)系难兄疲芴?/span>
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(duì)。
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(zhǎng)期以來中國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)不足，企業(yè)對(duì)研發(fā)的投入意識(shí)也不充分，以企業(yè)為主導(dǎo)的產(chǎn)、學(xué)、研、用創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。
在產(chǎn)業(yè)鏈下游方面，新材料應(yīng)用集成能力也嚴(yán)重不足。例如新材料企業(yè)對(duì)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(guó)差距巨大；在材料與應(yīng)用端一體化集成能力方面與國(guó)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(tái)過渡與支持，是其中的一大短板。
李元元院士認(rèn)為，當(dāng)前國(guó)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(dòng)力不足；我國(guó)新材料專利成果轉(zhuǎn)化率較低，盡管中國(guó)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(guó)轉(zhuǎn)化率達(dá)80%，可見差距仍然巨大。
材料成果轉(zhuǎn)化作為一個(gè)系統(tǒng)工程，當(dāng)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(dāng)中，往往要經(jīng)歷一個(gè)“死亡之谷”的曲線，因此，我國(guó)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)略大家組織重大共性科學(xué)問題研究，與美國(guó)“集團(tuán)軍作戰(zhàn)”差距較大；此外，基礎(chǔ)研究的細(xì)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(xiǎn)巨大。
表現(xiàn)為，一是新材料設(shè)計(jì)軟件完全受制于國(guó)外。設(shè)計(jì)制造軟件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，主要是由于研發(fā)周期長(zhǎng)，投入大，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)不足，材料與軟件開發(fā)領(lǐng)域缺乏技術(shù)互動(dòng)與融合，也缺乏材料大數(shù)據(jù)庫(kù)的有效支撐。
二是，新材料高端檢測(cè)儀器依賴進(jìn)口。高端檢測(cè)儀器作為國(guó)家高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，目前，絕大部分都是依賴進(jìn)口。“在諾貝爾獎(jiǎng)中，11%是因發(fā)明儀器而獲獎(jiǎng)，72%的物理獎(jiǎng)、81%的化學(xué)獎(jiǎng)，依靠尖端科學(xué)儀器完成。由于我國(guó)在高端檢測(cè)儀器方面的嚴(yán)重的落后，制約著我國(guó)在上述標(biāo)志性成果方面的爭(zhēng)取。”李元元院士表示。
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(xì)度上的突破。材料加工的數(shù)字化、智能化水平長(zhǎng)期落后。
“這些都與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大的差距，上述問題與挑戰(zhàn)將伴隨著我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)，從材料大國(guó)向材料強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的過程。”李元元院士表示。
04 新一輪科技革命與經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型帶來戰(zhàn)略機(jī)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(jī)遇。李元元院士指出，從2011年起，我國(guó)已成為全球制造業(yè)第一大國(guó)，中國(guó)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(dú)立完整的現(xiàn)代工業(yè)體系。
他認(rèn)為，新一輪科技革命與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型形成歷史交匯，將產(chǎn)生重大的戰(zhàn)略機(jī)遇。在實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)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(jià)值鏈中低端向中高端邁進(jìn)。
當(dāng)前全球新材料競(jìng)爭(zhēng)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(zhēng)奪行業(yè)發(fā)展的主動(dòng)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(zhēng)奪的對(duì)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(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)。“總體上我國(guó)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。”
05 長(zhǎng)遠(yuǎn)未來涉及暗物質(zhì)
“在新的歷史使命中，我們材料人肩負(fù)攻堅(jiān)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(duì)未來要解決的關(guān)鍵問題也要及早進(jìn)行謀劃。”李元元院士說。
因此材料人需要堅(jiān)持“四個(gè)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(gè)維度，重點(diǎn)提升原創(chuàng)、基礎(chǔ)、補(bǔ)短、集成、智能、綠色等六項(xiàng)能力，從而實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)邁入創(chuàng)新型國(guó)家前列、在先進(jìn)制造方面實(shí)現(xiàn)自主把控世界產(chǎn)業(yè)格局、在重大工程方面實(shí)現(xiàn)世界一流發(fā)展水平的目標(biāo)。
在未來20年，中國(guó)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(jí)、綠色產(chǎn)業(yè)、材料產(chǎn)業(yè)、智能產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)布局人工智能材料、信息技術(shù)材料、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)材料、新能源材料、量子材料、高品質(zhì)特殊鋼等。
未來中長(zhǎng)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(zhǎng)遠(yuǎn)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。
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