我国关键基础材料发展现状及展望

屠海令 ,  李腾飞 ,  马飞

中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (3) : 125 -135.

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中国工程科学 ›› 2017, Vol. 19 ›› Issue (3) : 125 -135. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2017.03.018
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我国关键基础材料发展现状及展望

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The Development Status and Prospect of China’s Critical Basic Materials

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摘要

关键基础材料作为工业“四基”的重要组成部分，是我国制造业赖以发展的关键，对国民经济、国防军工建设起着重要的支撑和保障作用。本文概述国内外关键基础材料的发展现状，归纳存在的问题，提出其进一步发展的政策建议。

Abstract

Critical basic materials are a key factor in the development of the manufacturing industry. In addition, they play an important role in economic development and in the construction of the national defense industry. This paper describes the current status of critical basic materials in China and abroad, and presents related challenges that are confronting domestic enterprises. Finally, it puts forward suggestions for government policies that will promote the development of critical basic materials.

关键词

关键基础材料 / 发展现状 / 政策建议

Key words

关键基础材料 / 发展现状 / 政策建议 / critical basic materials / development status / policy suggestion

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屠海令,李腾飞,马飞. 我国关键基础材料发展现状及展望[J]. 中国工程科学, 2017, 19(3): 125-135 DOI:10.15302/J-SSCAE-2017.03.018

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一、前言

关键基础材料是指先进工业制成品自身及其生 产过程中所使用的支撑和关键材料，是先进制造业 发展的基础，主要包括：先进制造业中应用量大面 广，但仍存在问题的材料；影响经济安全和国防安 全，必须自主研发的材料；引领先进制造业未来发 展，需要提前布局的前沿新材料。本文中所述的关 键基础材料涉及电子信息材料、新能源材料、关键 化工新材料、建筑新材料、重大和高端装备用钢铁 材料、高性能有色及稀有金属材料、无机非金属材 料、特种纤维材料、生物医用和制药材料等。

总体上看，我国关键基础材料经过多年的发展 取得了长足的进步，核心技术水平显著提高，产业 规模日益扩大，为国民经济发展和国防工业建设 提供了有力支撑。但作为工业发展的基础，关键 基础材料的竞争力有待提高，产品质量和可靠性 难以满足需求，部分关键材料依赖进口的局面仍然存在 [1]。为此，有必要加强关键基础材料发展 的顶层设计，完善政策措施，这对落实《中国制造 2025》战略、提升我国工业基础能力、增强国防 军工实力和加快经济发展方式转变具有重要的战 略意义。

二、我国关键基础材料的发展现状

（一）关键基础材料的宏观政策环境不断完善

近年来，国务院、国家发展与改革委员会、工 业和信息化部、科学技术部等有关部委发布了《国 务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》 《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《中国制 造 2025》《〈中国制造 2025〉重点领域技术路线图》《工 业强基工程实施指南（2016—2020 年）》《关于加快 新材料产业创新发展的指导意见》《“十三五”国家 科技创新规划》等宏观产业发展规划（见表 1）[2]， 同时针对具体领域发布了相关的阶段发展规划， 进一步明确了关键基础材料产业发展的目标和任 务并细化到具体产品、技术和装备，落实到重大 工程，为企业决策、政府配置公共资源以及战略 性新兴产业的健康发展奠定了基础。

表 1 我国关键基础材料产业发展规划

（二）关键基础材料的研究水平进一步提高

提高自主创新能力、加强核心技术突破是推进 工业强基、提高竞争力的关键环节。经过近 20 年 的发展，通过产学研用结合，我国关键基础材料的 一批核心技术取得了突破，大量研发成果开展了 推广应用，显著提高了相关领域的核心竞争力 [2]。 大直径硅材料在缺陷、几何参数、颗粒、杂质控 制技术等方面不断完善，300 mm 硅材料可满足 45 nm 技术节点的集成电路要求，此外还研制了无 位错 450 mm 硅单晶材料 [3]。人工晶体材料经过 多年的发展，偏硼酸钡（BBO）和三硼酸锂（LBO） 等紫外非线性光学晶体研究居国际领先水平并实 现了商品化，氟代硼铍酸钾（KBBF）是国际上唯 一可实用的深紫外非线性光学晶体，并在我国首 先成功装备先进的科学仪器，Nd:YAG、Nd:GGG 和 Nd:YVO4 等激光晶体主要技术指标达到国际 先进水平，实现了千瓦级全固态激光输出 [4]。锂 离子电池正极材料、负极材料、电解液均能满足 小型电池要求，隔膜、电解质锂盐等关键材料基 本改变了依靠进口的局面。通过开展超高分子量 聚乙烯纤维、卤化丁基橡胶以及高性能驱油聚合 物等工业化技术开发，缩小了我国化工材料产业 和国外发达国家的差距。海底管线钢 X65、X70、 X80 及厚壁海洋油气焊管、化学品船用中厚板均 已实现国产化，自主研制的 2205 型双相不锈钢， 已用于化学品船。液化天然气（LNG）船用 9 % Ni 钢和液化乙烯储罐用 12Ni19 钢已经批量生产。 研制出的强度大于 800 MPa 的快速凝固喷射沉积 铝合金和新一代高强高韧高淬透性铝合金材料， 综合性能达到国际先进水平 [5]。铜带、铜管拉 铸以及铜铝复合等铜材的高值化和节约化制备技 术已经形成自主知识产权。亚微米级超细晶硬质 合金整体刀具的性能达到世界先进水平。屈服强 度 355 MPa 以下平台用钢基本实现国产化，占平 台用钢量的 90 %。大型钛合金铸锭和锻件研制生 产取得明显进展，钛合金材料研制、大规格钛合 金材料加工等领域技术水平显著提高 [6]。C194、 KFC、C7025 电子引线框架铜带突破了产业化关 键技术，达到万吨级生产规模。T300 级碳纤维 实现了稳定生产，单线产能提高到 1 200 t，T700 级高性能碳纤维突破干喷湿法纺丝工艺，关键装 备实现了自主设计和制造，大幅降低了生产成本。 玄武岩纤维、聚苯硫醚纤维等产品性能达到国际 先进水平。我国发布了《电磁超材料术语》国家 标准，开发了基于超材料与超射频技术的新型卫 星通信产品，如图 1 所示。石墨烯等二维材料研 究方兴未艾，低成本石墨烯相关材料实现了初步 应用，如图 2 所示 [7,8]。

图 1 超材料及其应用

图 2 石墨烯材料及其应用

（三）关键基础材料的规模不断扩大

近年来，作为战略性新兴产业先导的新材料 产业发展迅速，产业规模由 2010 年的 6 500 亿元 增长至 2016 年的 25 000 亿元（见表 2），年均增 速约为 25 % [9]。在关键基础材料中，稀土功能材 料产量居世界首位，2016 年出口总量为 47 227 t， 同比增长 35.6 % [10]。2015 年半导体硅材料产值 达到 53 亿元，约占全球份额的 5 %，相比 2010 年增长 60 %。膜材料研究及应用发展迅速，2015 年仅膜法水处理产业的总产值就达 849 亿元，比 2014 年增长 15.8 % [11]。光伏发电产业持续增长， 2016 年新增装机容量为 34.54 GW，累计装机容 量为 77.42 GW，新增和累计装机容量均为全球第 一 [12]。半导体照明产业初步形成了从上游外延材 料生长与芯片制造、中游器件封装、下游集成应用 的比较完整的研发与产业体系，2015 年产值达到 5 216 亿元，同比增长 22.8 % [13]。生物医用材料 和制品规模持续增长，2015 年我国生物医用材料市 场销售额近 1 440 亿元，年增长率超过 17.2 % [14]。 同时，作为国民经济建设中不可或缺的支柱材 料，2016 年钢材产量为 1.138×109 t，同比增 长 2.3 %，继续稳居世界首位，其中特殊钢同比 增长 10.52 %。2016 年十种有色金属总产量达到 5.283×107 t，同比增长 2.46 %；其中铜加工材产 量达到 2.095×107 t，同比增长 12.53 %；铝加工 材产量达到 5.796×107 t，同比增长 9.72 %。

表 2 2010—2016 年我国新材料产业规模

（四）关键基础材料对国家重要战略的支撑作用日 益显现

随着环境保护和绿色低碳要求的进一步提高， 我国实施节能减排战略，逐步改变高投入、高消耗、 高污染、低效益的传统模式，在提高资源能源利用 效率、降低制造过程环境污染方面进行了不懈努 力 [15]。在产业转型升级的过程中，关键基础材料 的产品结构也得到了调整，绿色环保材料的开发与 应用力度不断加大。铝、钛、镁等轻质结构材料的 使用和推广对能源、资源、环境的作用日益突出， 自主研制的新型阴极结构高效节能铝电解槽，大幅 降低了的能耗，为节约能源作出了突出贡献。攻克 了特殊钢专业化生产线共性关键技术问题，突破了 汽车用钢的短流程、深加工制备工艺，单位生产能 耗大幅降低 [16,17]。实现了碳纤维复合材料在航空 领域的应用，有效减轻了装备重量，降低油耗和排 放，节约了运营成本 [18]。发展完善了废旧纺织品、 塑料等回收与资源再利用体系，调整化纤再生与循 环产业结构与原料构成，提高了优质产能与再生纺 织品的比例，科学推进再生与循环技术创新，建立 了高品质、多功能、低能耗为特征的新一代化纤循 环产业体系。

关键基础材料对民生安居、新能源环保和新 一代信息技术等重大工程的顺利实施作出了重大贡 献。建材新材料产业已经形成自身发展与国家重大 工程相结合的发展模式，为绿色建筑、建筑节能、 旧城改造、安居工程、新农村建设、防灾减灾及灾 后重建等重大工程提供了重要支撑 [19]。镍氢动力 电池、锂离子动力电池和燃料电池等新能源材料的 技术进步，促进了电动汽车的发展，产品在北京奥 运会、上海世博会和“十城千辆”等电动汽车示范 运行中得到应用，为发展新型能源、减少环境污染 起到了良好的示范作用 [20]。微电子材料的技术进 步有力支撑了“十二五”期间科技重大专项的顺利 实施，对国内集成电路和信息产业的健康发展起到 了推动作用。通过产学研用结合，攻克了若干技术 难关，钢的强度不断提高、韧性和塑性有了显著改 善，重大和高端装备用钢铁材料品种和质量控制有 了长足进步，有力地支撑了国家重大工程和高端装 备制造的发展，如图 3 所示 [21,22]。

图 6 Low-E 玻璃的节能原理

（四）变革关键基础材料的研发模式成为共识

进入 21 世纪以来，发达国家逐渐意识到依 赖于试错的传统材料研究方法已跟不上工业快速 发展的步伐，甚至可能成为制约技术进步的瓶 颈。因此，亟需革新材料研发方法，加速材料从 研发到应用的进程。例如，作为美国政府“先进制造伙伴计划”（AMP）的重要组成部分，2011 年启动的“材料基因组计划”（MGI），其新材料 从发现到应用的速度至少提高一倍，成本至少降 低一半，旨在发展以先进材料为基础的高端制造 业，并继续保持其在核心科技领域的优势 [39~41]。 MGI 的具体内容包括：①发展高通量计算工具 和方法，减少耗时费力的实验，加快材料设计； ②发展和推广高通量材料制备和检测工具，更快 地进行候选材料的验证和筛选；③发展和完善材 料数据库 / 信息学工具，有效管理材料从发现到应 用的全过程数据链；④培育开放、协作的新型合 作模式。MGI 与人类基因组计划的类比，如图 7 所示。在这场变革材料研发模式过程中，欧盟、 日本等也启动了类似的科学计划，例如欧盟以轻 量、高温超导、磁性及热磁、热电和相变记忆存 储等高性能材料需求为牵引，推出了“加速冶金 学计划”（ACCMET）[2]。

图 7 MGI 与人类基因组计划的类比

四、我国关键基础材料发展重点

根据我国经济建设和国防工业对关键基础材料 的需求，结合国际最新发展趋势，有重点的遴选出 关键基础材料，加速重大技术突破，营造适宜产业 发展的环境，促进产业结构升级，形成良好产业生 态，推动经济社会可持续发展。

（一）发展目标

1. 2020 年发展目标

掌握大量关键基础材料的核心技术，实现规模 化生产技术的突破和系统集成技术的完善，缩短与 世界先进水平的差距；建立以企业为主体的高水平 材料研发平台，加强工程化技术的研究，推动重大 材料制造装备的国产化，实现关键基础材料的批量 生产，自给率达到 70 %，基本满足国家重大工程建 设、国家安全等领域的需求。

2. 2025 年发展目标

关键基础材料产业整体水平达到国际先进水 平，实现大规模绿色制造使役和循环利用，基本建 成关键基础材料产业创新体系，实现绝大部分关键 基础材料的自给，满足国民经济、国家安全、社会 可持续发展的需求，实现我国由材料大国向材料强 国的战略性转变。

（二）重点发展领域

关键基础材料的重点发展领域，如表 4 所示。

表 4 关键基础材料的重点发展领域

五、加快发展我国关键基础材料的政策建议

（一）加快研发体系建设

紧密围绕国家发展战略，加强顶层设计，合理 布局关键基础材料的研发体系。重视当前处于研发 阶段的前沿材料，适度超前安排，建立符合行业标 准的关键基础材料设计 – 制造 – 评价共享数据库， 建设与国际接轨并具有我国特色的材料标准体系， 着力突破关键基础材料产业发展的工程化问题。

（二）完善产业发展环境

加快制定关键基础材料产业发展指导目录和投 资导向意见，完善产业链、创新链、资金链。发挥 市场的资源配置作用，科学引导，理性投资，协调 国家对重点基础材料行业的聚焦支持，帮助关键基 础材料中小企业群体健康成长，营造具有国际竞争 力的产业生态环境。

（三）促进提质增效协同发展

提升关键基础材料的产品质量稳定性，降低生 产成本，增强产业支撑能力。围绕国家重大工程建 设需求，加强产学研用协同创新，提高关键基础材 料的一致性和服役可靠性。推动优势关键基础材料 企业与高端装备制造企业建立供应链协作关系，优 化品种结构，促进产品融入全球高端制造业供应链， 提高我国关键基础材料的国际竞争力。

（四）加强配套政策支持

加大财政、金融、税收等政策对关键基础材料 的扶持力度，建立和完善规范化的风险投资运行、 避险和退出机制，形成鼓励使用国产关键基础材料 的健康体系。完善支持创新的税收政策，创造良好 的投资环境，防止一哄而上，出现“投资碎片化”， 落实研发费用加计扣除和高新技术企业所得税优惠 等政策。

（五）推进人才队伍建设

实施创新人才发展战略，鼓励采取核心人才引 进和团队引进等多种方式引进海内外人才，鼓励企 业积极培养自主创新的人才队伍。同时充分发挥行 业协会、科研单位和大学的作用，共同建立关键基 础材料产业专家系统，加强材料研发、生产和应用 的直接沟通和交流。关键基础材料产业专家系统可 就关键基础材料发展现状、发展趋势和需要关注的 重点问题提供咨询意见。

参考文献

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基金资助

中国工程院咨询项目“工业强基战略研究”(2014-ZD-10)()

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