中国新材料科学技术的创新发展研究

干勇

工程（英文） ›› 2024, Vol. 32 ›› Issue (1) : 12 -15.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 32 ›› Issue (1) : 12 -15. DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.022
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中国新材料科学技术的创新发展研究

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Research on the Innovative Development of New Materials Science and Technology in China

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干勇. 中国新材料科学技术的创新发展研究[J]. 工程（英文）, 2024, 32(1): 12-15 DOI:10.1016/j.eng.2023.03.022

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1 背景

新材料是指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料，或是传统材料改进后性能明显提升或产生新功能的材料，国外又称“先进材料”（advanced materials）。当前，信息技术、生物技术、新能源技术、新材料技术等交叉融合正在引发新一轮科技革命和产业变革[1]。材料的自身属性决定了其处在航空航天装备、海洋工程装备、先进轨道交通、新能源汽车等制造业产业链的上游，贯穿生产、分配、流通、消费各环节，对下游产业的带动性强、辐射面广。随着高新技术产业的快速发展和制造业的不断升级，世界各国对新材料的需求持续旺盛，新材料产业规模持续增长。根据中国电子信息产业发展研究院统计及预测，2015年以来，在全球经济增长乏力的背景下，全球新材料产值仍保持10%以上的年复合增长率，我国新材料产值年复合增长率甚至超过20%。目前我国新材料产业规模约占全球的30%，部分品种的产业规模已跃居世界首位。

新材料研发水平及产业化规模已经成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志，因而被视为保障和提升国家竞争力关键领域中的基盘技术。总体来看，发达国家和地区仍然是世界新材料的主导者，美国、日本、欧盟位列第一梯队，中国、韩国、俄罗斯属于第二梯队，巴西、印度等国位于第三梯队。我国新材料创新能力不强，产业基础薄弱[2]，技术转化能力有待提升，新材料技术竞争力较美国、日本、欧盟仍有较大差距。

2 机遇与挑战

2.1 发展机遇

当前我国新材料发展进入关键窗口期，面临重大发展机遇。随着产业升级，我国新一代信息技术、新能源、装备制造、航空航天、轨道交通、海洋工程、健康医疗等产业快速发展，为新材料提供了最繁荣的应用场景，牵引新材料技术不断迭代升级，创造和释放巨大的市场增量。例如，为实现碳达峰、碳中和的“国家承诺”，亟需大规模发展和应用远海风电等新能源装置，将对第三代半导体材料与器件、耐候稀土永磁材料、高温超导材料、低成本大丝束碳纤维等材料产生巨大的需求。又如，全球每年塑料产量接近3亿吨，中国塑料产量约占全球的三分之一[3]。据经济合作与发展组织（OECD）预测，到2030年25%的石化塑料将被以淀粉等天然物质为原料生产的生物基塑料代替[4]。为降低对石化资源的过度依赖，我国亟需对生物基材料进行研发和产业化布局。

2.2 面临挑战

从国际环境来看，发达国家凭借其固有的战略优势地位，以技术、标准、专利等手段在全球布局产业生态，构建技术和市场壁垒。例如，在2019年日韩贸易争端中，日本通过对三种电子材料的管控实现对韩国电子信息产业的精准打击。总体来看，我国新材料研发能力与国际先进水平相比还存在较大差距。

2.2.1 在材料发明和发现方面缺乏引领发展的能力

虽然我国科学家在材料科学众多领域取得了不少成绩，但是在重大材料突破方面缺乏划时代的贡献。因瓦合金和艾林瓦合金、半导体材料、富勒烯和石墨烯、光纤、蓝光LED、拓扑相变与拓扑材料等这些划时代的重大材料均不是由我国科学家首先发现[5]。

2.2.2 缺乏系统稳定的研发投入

我国产业体系建设起步晚，在追赶工业化的进程中，对材料研发缺乏体系化、持续化的投入。通过对比各典型国家材料研发投入强度可以发现，尽管受经济危机和新冠疫情影响，各国对新材料的研发投入强度基本都在逐年提高，反映出各国都高度重视新材料科技竞争并不断增加新材料研发投入。当前我国新材料研发投入强度也在不断提高，但是较其他国家仍有较大差距，见表1。我国2021年新材料研发投入强度仅为2.92%，不但低于处于第一梯队的美国、日本、英国、法国、德国，还低于同处于第二梯队的俄罗斯和韩国[6‒9]。

2.2.3 专利成果“含金量”不高

我国材料领域申请专利数列国际第一，但相关专利成果的创新性不足。根据国家知识产权局对先进钢铁材料、先进有色材料、先进石化化工材料、先进无机非金属材料、高性能纤维及复合材料、前沿新材料等领域典型品种的专利分析，从发明专利授权率看，我国本土发明专利平均授权率为28.7%，远低于国外来华发明专利的平均授权率（37.2%）[10‒12]。从技术角度来看，我国专利技术主要聚焦于改进装置和优化工艺，关注于降低成本、提高生产效率、扩展材料替代性、提升环境友好性等方面，并非侧重于材料组成和结构本身的研发，多属于外围改进型发明，基础性研发不多，在原创性方面与美国、日本、欧盟尚存在较大差距。从国际化水平来看，我国申请人提出的PCT（专利合作条约）专利申请量全球占比平均值仅为4.37%，美国、日本和欧洲提出的PCT专利申请量全球占比平均值分别为31.6%、28.8%、23.6%，是我国的5~7倍[10‒12]。

2.2.4 科技推广和应用服务投入不足

我国材料领域发表论文数也是国际第一，但“重论文、轻转化”的情况还没有得到根本扭转。科技评价制度尚不完善，在科技推广和应用服务上投入不足。虽然2020年以来，我国科技推广和应用服务投入强度已超过德国、俄罗斯和韩国，但较美国、日本和英国等国家还有较大差距，见表2 [6‒9]。

3 发展策略

我国新材料发展起步晚、底子薄、积累不足。在经济快速发展阶段，创新资源被主要投入到应用端创新上，整个社会对处于产业链上游的材料发展重视不够、投入不足。新材料研发模式和成果评价机制改革缓慢，科研和产业脱节问题尚未得到根本改善。这些都是我国新材料科技创新发展面临的主要障碍。当前应采取有力措施，集中优势资源，促进我国新材料科技创新能力的快速提升。

3.1 建设和完善新材料科技创新平台

当前全球新兴产业快速发展，对新材料提出了更高要求，如超高纯度、超高性能、超低缺陷、高速迭代等，新材料的研发难度前所未有[13]。基础学科的突破、多学科交叉、多技术融合正在催生新材料快速发展。我国应针对材料科技发展特点和发展需求进行顶层设计，建立和完善新材料创新体系[14]，提升新材料技术供给能力。

3.1.1 加快建设材料国家实验室

学习美国橡树岭国家实验室等的成功经验[15]，以构筑系统性解决重大问题的能力为出发点，布局材料科学、材料技术和材料工程研究。面向未来的重大科学任务，建成稳定、高水平、高效率、创新链完整的新材料研发基地。

3.1.2 重组优化材料领域全国重点实验室

国家重点实验室经过40年的建设已形成庞大的体系，但存在科研资源分散、同质化等问题。应针对新一代信息技术、新能源、国防军工、高端装备制造、生命健康等重点领域对新材料的需求，调整原有国家重点实验室的定位和研究方向，进行统筹规划、系统布局、分类管理，使之在新时期焕发新活力[13]。

3.1.3 建设全生命周期表征和评价综合科技设施

围绕材料科学、材料制造和材料应用对理论基础、制备技术和全生命周期评价技术的需求，布局建设大型实验装置和材料全生命周期综合研究评价设施。开展材料基因工程技术在前沿材料探索发现、新材料性能提升和生产工艺优化等方面的示范应用研究。建设新材料数据中心，激活数据生产要素新动能，打造资源富集、应用繁荣、治理有序的材料大数据生态。

3.2 夯实新材料技术基础

新材料对基础科学发展的推动作用日益强大，已成为验证物理、化学、生物等学科重大理论研究成果，获得重大科学发现的重要手段，同时也是推动量子力学、物质科学、生命科学等基础科学向前沿技术转化的重要物质基础。此外，新材料的原创发现还不断催生出量子生物学、转角电子学、介观神经动力学等全新的研究领域，并为这些新生领域提供先进的研究与检测工具，帮助人类加深对物质本质、生命本质的认识。我国亟需解决在这些基础、共性领域认识不足、研究不深入的问题。

当前应借鉴发达国家在基础研究方面的成功经验，一方面在材料基础、共性领域和交叉、前瞻性领域，如物质向材料的演变理论、材料基因工程、材料全生命周期服役性能与表征评价方法、流程制造业绿色智能化技术，以及拓扑材料、量子材料、超导材料与超材料等前沿新材料领域，以大学和研发机构为主体，加强政府资金和资源的持续性、稳定性投入，强化积累，提升原始创新能力，争取取得重大原创性成果。另一方面，在以关键基础原材料、基础工艺与装备、基础零部件/元器件、基础检验检测仪器、基础工业软件等“五基”为代表的产业基础领域，以头部企业为主导，产学研紧密结合，全面提升产业基础能力，为新材料产业发展提供源源不断的动力。

3.3 推进体制机制和研发模式创新

3.3.1 进一步突出企业科技创新主体地位

以企业为主整合资源，可借鉴以下几种模式：一是由大型科技企业牵头。例如，由中国钢研科技集团有限公司牵头，各重大领域头部企业10余家共同参与组建高端金属材料创新联合体，聚焦高强高韧结构钢、先进耐热钢及合金、高性能不锈钢及耐蚀合金、高温合金、难熔合金等应用需求，建立材料研发、生产、检测、验证、应用一体化的协同创新组织体系。二是由地方（省、市）实验室牵头。例如，季华实验室联合我国装备领域的优势研究单位和产业链上下游企业共同发起“显示制造装备璀璨行动计划”，组建“显示制造装备创新联合体”，力争解决我国“缺芯少屏”中的“屏”的下一代技术装备问题。三是由民营龙头企业牵头。例如，华为技术有限公司利用其在5G和存储方面的研发经验，加速融入国内科技创新体系，在下一代宽带和存储技术材料等方面加快研发布局，完善产业链、供应链。

3.3.2 改革科研评价机制

科技立项评审不应只注重“程序设计”的公开性和公平性，应强化目标导向，更多地关注“专业性”和责任主体的落实。科技成果的评价应持续打破“唯论文论”[16]，从以论文为主转向以创新性、实用性和社会效益综合评价为主，鼓励新材料领域青年科学家面向重大应用开展研发活动。

3.3.3 促进新材料科技成果转化与应用

建立适应新材料研发投资大、周期长等特点的长效投资和风险补偿机制，在航空航天装备、轨道交通、高技术船舶、新能源汽车等高端装备制造领域，为新材料提供更多的验证平台和应用场景，加快新材料的升级迭代。

3.3.4 改革研发项目管理运行模式

借鉴国外经验，按项目性质和实际情况选择不同的责任主体。在公益性和基础共性技术研究方向，可由知名科学家牵头，组织大学、科研机构和企业共同参与。在竞争性技术研究方向，可由具备能力的头部企业牵头，组织上下游企业联合攻关。在资金投入上，以政府投入为引导，调动社会资本参与投资的积极性，打造多要素、可持续的科技金融链网，构建基于国家信用的长期资本链以支撑新材料研发链。发挥市场配置资源的决定性作用，引导应用端多元化社会资本反哺研发端。联合新材料领域的龙头企业形成行业联盟或共同组建市场化投资平台，对重大任务给予集中投入。

3.4 加强人才培养与国际交流合作

培养跨学科高端人才，引导青年科学家在新材料领域精耕细作。加大政策支持力度，吸引海外高端人才。虽然当前“逆全球化”思潮不断涌动，但国际分工合作的大趋势难以改变。我国应在新材料领域继续加强国际交流合作，为全球新材料产业发展贡献力量。

4 结论

“一代材料，一代技术”，新材料产业的战略地位日益突出。当前我国新材料科技和产业发展正处在最关键的历史转折期，已从“以解决有无问题为主”的规模扩张阶段，跨越到以满足国家重大战略需求、提升国际竞争力为主的高质量发展阶段。应加大新材料研发投入，建设和完善科技创新平台，夯实基础，推进体制机制和研发模式创新，加强人才培养与国际交流合作，从而实现我国新材料科技快速、可持续发展。

参考文献

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