材料科学，已成为当代社会物质文明进步的根本性支撑之一，是国民经济、国防及其他高新技术产业发展不可或缺的物质基础。材料科学发展本身具有很强的先导性，须走在科技发展前列。近年来，随着人类社会和科学技术日新月异的发展变化，我国经济社会由高速增长转向高质量发展，在社会与经济对材料巨大需求的牵引和学科交叉的不断推动下，材料科学领域呈现积极活跃的发展态势。

 

一、新材料前沿发展趋势与动态分析

 

1. 材料科学领域发展现状与趋势

 

纵观近些年来材料领域的发展历程可以发现，先进信息材料不断涌现，引领高技术领域颠覆式跨越；新能源材料发展迅猛，推动相关产业加速变革；人工智能技术加速新材料开发过程。材料的发展趋势可归纳为以下四个方面。

 

材料追求更高使役性能满足社会进步和科技发展 

 

人类对于太空、外太空等空间资源的探索、开发和利用，需要大量快速穿越大气层的重复往返或长时间在外层空间轨道运行的各种“跨大气层空天飞行器”，空天飞行器需要耐高温和超高温的结构材料。对海洋资源，尤其是深海资源的开发，需要大量的耐高压、耐腐蚀的高强结构材料。矿产资源开发深度的不断增加，对矿井支护材料的抗压和隔热性能要求也不断提高。随着核电工业的发展，核废料日益增加，地下深埋对材料的需求包括抗辐射材料、 固化材料等。随着人类步入信息化时代，对超大容量信息传输、超快实时信息处理和超高密度信息存储的需求加快了信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐，光纤通信、移动通信和数字化信息网络时代已成为信息技术发展的大趋势。相应地，信息功能材料对高速、低功 耗、低噪声等性能也提出了更高的要求。

 

材料向着个性化、复合化、多功能化的方向迅速发展

 

随着以原子、分子为起始物质进行材料合成，并在微观尺度上控制其成分和结构成为可能，由微观、介观到宏观等不同层次上，按预定的形状和性能来设计和制备新材料的技术日益成熟。以增材制造为代表的“按需设计和制造材料”为目标的多尺度、多功能、跨层次的新型材料制造方式受到了世界各国的广泛关注，并对医疗、建筑、食品、制造等诸多行业产生了革命性的影响。

 

材料研发加速向第四范式转变

 

随着超级计算机、大数据、人工智能、量子计算等先进信息技术的发展，新材料研发过程正在产生巨变。其中，材料基因组、量子化学等方法可为新材料研发提供海量结构化数据， 人工智能技术可从海量数据中迅速找到因果关系。上述技术的应用，可使新材料的研发周期大幅缩短，制备成本显著下降，从而实现新材料研发由“经验指导实验”的模式向“理论预测，实验验证”的新模式转变，这种转变已经成为材料研究领域的共识。未来，新材料研发将加速向第四范式转变，人工智能、大数据等技术在新材料开发中的作用将进一步突显。

 

绿色、节能、环保成为材料发展的强大推动力

 

随着人类社会的发展，原材料短缺、能源匮乏、温室气体排放等已成为全世界范围面临的最为突出的问题。材料的研发也将维持社会的可持续性发展放在越来越重要的位置，绿色、 环保、节能、减排成为共同的目标。材料技术更注重解决能源、资源短缺的约束，促进社会的可持续发展。高性能材料对资源，特别是稀有贵重金属元素的依赖愈发显著，开展材料中稀有贵金属元素的替代研究已成为当前各国的重要战略。近年来，欧盟、美国、澳大利亚、 日本等发达国家和组织均将绿色、可持续发展作为经济增长的重要方向，出台了一系列相关科技政策。未来氢能源技术、CO₂捕获及转化技术、生物质高分子材料技术等将被加速突破 并被广泛应用，为全球可持续发展提供物质基础。

 

2. 材料科学领域相关科研与产业政策

 

世界各国纷纷在材料科学领域制定出台相应的科研与产业政策，竭力抢占材料发展的制高点。目前，发达国家仍在国际材料产业中占据领先地位，全球材料领域龙头企业主要集中在美国、欧洲及日本等发达国家和地区。表1-1列举了国外在材料领域近年来制定的主要发展规划。

 

 

美国

 

美国的材料科技战略目标是保持本领域的全球领导地位，支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等领域的发展，满足国防、能源、电子信息等对材料的需求。美国的新材料发展特色是以能源部、国防部、商务部（国家标准与技术研究院）和国家航空航天局等的 大型研究与发展计划为龙头，主要以采购合同形式来推动和确保大学、科研机构和企业的新 材料研究与发展工作。

 

在综合性战略规划层面，主要包括2000年开始实施的“国家纳米技术计划”，2011年启动的“材料基因组计划”、2012年启动的国家制造业创新网络（现名“制造业美国”）建设等。在各个联邦部门层面，也有具体的行动计划。如美国能源部近年来加大了对关键材料、利用高性能计算促进材料制造创新的资助力度；国防部先进研究计划局2017年启动的电子复兴计 划涉及相关微电子材料的集成等（图 1-1）。

 

图1-1美国在材料领域的战略规划与行动计划

 

2000年起，美国开始实施“国家纳米技术计划”（National Nanotechnology Initiative， NNI），在国家层面协调各方参与机构的研发活动，推动纳米科学、纳米工程、纳米技术的发现、发展和利用。八大主要领域包括：基本现象及过程；纳米材料；纳米器件及系统；设备研究、测量技术和标准；纳米制造；主要研发设施；环境、健康与安全；教育和社会。2021年10月发布的新一轮战略规划提出了以下五大目标：确保美国在纳米技术研发方面保持世界领先地位；促进纳米技术研发商业化；提供可持续支持纳米技术研发与推广的基础设施；鼓励公众参与，扩充劳动力；确保纳米技术负责任地发展。

 

美国自2011年起实施“材料基因组计划”，旨在加快新材料从发现、创新、制造到商业化的步伐，该计划将使得以比现在快一倍的速度以及足够低的成本发现、研制、制造并部署先进材料。现已有六家联邦机构参与，开创性研究的资助已逾4亿美元，合作伙伴遍及产业界和学术界。2021年11月新版战略规划提出了材料创新基础设施、材料数据和人员培养三方面的目标，更加强调材料基因组计划对于推动材料创新，尤其是推动新材料走向应用方面所具有的潜力。

 

为重塑美国制造业的全球领导地位和竞争力，美国政府于2012年启动了国家制造业创新网络（现更名为“制造业美国”），以推动先进制造技术向产业转移、向生产力转化。美国国家制造业创新网络的核心单元是制造业创新中心，它担负着特定领域内先进制造技术成果转化与应用推广的职责。经过向社会公开咨询与评估，美国国家制造业创新网络拟建立45家创新研究所，截至本调研完成之时，已建成16家，领域涉及增材制造、光电子、材料（轻质金 属、复合材料、纤维纺织、可持续材料制造）、智能制造、数字制造与设计、化工过程、生物制造、机器人和制造业网络安全等。

 

美国能源部每年会对固态半导体照明研究进行资助。该计划为半导体照明确定了无机发光二极管和有机发光二极管两个方向，已进行了多次修订。计划关于半导体照明发展的战略措施包括基础研究、核心技术研究、产品开发、商业化支持、标准开发以及产业合作等方面。美国国家科学基金会每年都会发布材料学科年度计划，主要包括材料科学进步重点领域， 如可持续发展科学工程和教育、超越摩尔定律科学与工程等项目。资助范围涵盖了材料研究 和教育等，资助领域广泛，包括凝聚态物质和材料物理、固体化学和材料化学、多功能材料、 电子、光子、金属、超导、陶瓷、高分子、生物材料、复合材料和纳米结构等。

 

美国在新材料研究领域的科研机构一共有200多所，主要有橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室等17个科研实力全球名列前茅的国家实验室，以及杜邦、陶氏、GE等顶尖科技研发公司实验室，而涉足新材料研究的主力——高校实验室，如麻省理工学院、哈佛大学等则多达近200所。

 

近些年以来，美国材料研究取得了非凡的进步。美国国家科学院在2019年2月发布《材料研究前沿——十年调查报告》，旨在记录在全球开展材料研究的背景下，美国材料研究的现状和有潜力的未来方向。报告指出，过去十年，石墨烯带动了其他二维材料的研究，激发了对新物理现象的研究，可应用于太阳能电池、晶体管、相机传感器、显示屏和半导体等领域。增材制造已经成为重要工艺，可大规模生产以及按需一次性制造。过去十年中其他一些主要 材料的进步包括价格合理的LED照明、平板显示和新型电池。有些重要的发展是纯粹发现驱动的产物（如拓扑绝缘体），有些则是通过协同技术努力产生的（如大猩猩玻璃），还有一些代表了两者的组合（如增材制造和高性能塑料vitrimers）。金属、大块金属玻璃、高性能合金、 陶瓷以及其他材料取得了令人振奋的进步。复合材料和混合材料由于能够承受恶劣环境而具 有高应用价值。涂层技术的进步提高了材料的可靠性，并将其用于热量和环境保护系统。分层材料系统正在取代传统材料，每一层的独特性能和功能可显著提高整体性能和寿命。聚合物和多种生物材料以及胶体和液晶等软物质的研究已经取得了很大进展。超导研究仍然前景宽广，量子材料（包括量子自旋液体、强相关薄膜与异质结构、新型磁体、石墨烯和其他二维材料以及拓扑材料）正在迅速发展。

 

欧盟及欧洲国家

 

欧盟提出要在材料科学和工程的多个研究领域成为国际领导者，并在尽可能多的先进材料技术中争当世界第一。以法国、德国等为代表的欧盟成员国和英国等在科技发展战略中，尽管各国在侧重点上有所差异，但都是以生命科学与生命技术、信息通信技术、纳米技术、 能源等四大领域为优先发展的战略领域，其中材料均占有重要的地位。在“地平线2020”中， 从卓越科研、产业领导力、社会挑战等三个维度，设置了与材料领域相关的石墨烯旗舰计划、 材料与制造使能技术、战略能源技术计划（SET-Plan）等（图1-2）。

 

图1-2“地平线 2020”从三个维度设置了与材料相关的计划

 

早在2003年9月，欧盟科研总司召集相关科学家共同研讨材料科学的未来，会议决定欧盟将着力推进十大材料领域的发展，分别是催化剂、光学材料与光电材料、有机电子学与光电学、磁性材料、仿生学、纳米生物技术、超导体、复合材料、生物医学材料及智能纺织材料。历次的欧盟框架计划、“地平线2020”、欧洲先进工程材料与技术平台等都把材料和纳米材料技术作为重要研究领域等进行资助和布局，材料技术在欧盟科技发展领域占据了越来越重要的位置。

 

为保持欧盟工业的优势和提高未来竞争力，欧盟委员会于2010年7月成立了由高层专家组成的工作班组，系统地研究欧盟工业的优势和未来的发展方向。2011年6月，包括先进材料在内的六大技术被确定作为欧盟工业的关键使能技术（Key Enabling Technologies，KETs）， 加强六大关键使能技术A的研发创新，确保世界领先水平，关系到欧盟工业的生存和未来竞争力。2018年4月，欧盟确定了新的关键使能技术，先进材料依旧在列。

 

欧盟框架计划及“地平线2020”的“纳米科学、纳米技术、材料和新制造技术”领域的主要目标是提高欧洲工业竞争力，并确保从资源密集型向知识密集型转变，特别关注研究和技术开发成果向中小型企业转移。“地平线2020”要求欧盟所有的研发与创新计划聚焦于基础科学、工业技术、社会挑战三大战略优先领域，其中每个优先领域都分别部署了多项行动计划。与材料相关的行动计划包括基础科学战略优先领域的未来和新兴技术行动计划；以及工业技术战略优先领域中保持领先地位的使能技术和工业技术行动计划，如纳米技术、先进材料、生物技术和先进制造行动计划等。

 

欧盟“未来和新兴技术旗舰项目”是一项长期的科研扶持项目，是欧盟出台的扶持科技发展政策的重要组成部分。首批入选的是石墨烯和人脑工程计划，自2013年10月起，各获得持续10年总共10亿欧元的资助。石墨烯旗舰计划共有13个重点研发领域B。2017年2月，旗舰计划高层专家内部评估委员会发布的中期评估报告指出，石墨烯旗舰计划是欧洲研究与创新战略的有机组成部分，有潜力产生巨大的影响。2020年4月起，石墨烯旗舰计划进入新阶段，专注推进产业化应用。

 

2018年6月发布的2021～2027年科研资助框架——“地平线欧洲”的实施方案提案中，先进材料位列“数字与工业”九大领域之一，关注具有新的特性和功能的材料设计（包括塑 料、生物材料、纳米材料、二维材料、智能材料和复合材料等）。

 

①英国。英国作为老牌工业国家，英国材料科学和技术处于世界领先地位。英国是一批世界级的制造公司的发源地，这些公司的成功取决于对先进材料的开发利用。英国有享誉全球的教学和研究机构，在医药、航空航天、信息和通信技术等高科技产业的研发投入强度可与世界主要竞争对手国家相媲美。

 

英国历次工业战略都把材料、纳米技术等作为重大技术进行发展。2011年，英国发布了国家级《促进增长的创新和研究战略》，以创新和研发来推动经济增长。在该战略报告中， 英国除了明确未来四年将发展生命科学、高附加值制造业、纳米技术和数字技术四大关键技 术外，英国政府还重视创意产业、技术与创新中心、新兴技术的发展。英国“工业2050战略”是定位于2050年英国制造业发展的一项长期战略研究，通过分析制造业面临的问题和挑战， 提出英国制造业发展与复苏的政策。2017年11月，英国政府正式发布新版工业战略，与之相配套的“工业战略挑战基金”关注用于航空航天、汽车及其他先进制造行业的下一代廉价轻质复合材料。

 

2016年12月，英国宣布新建六家研究中心，探索并提升靶向生物医药、3D打印、复合材料等领域的新的制造技术。这6家研究中心分别为靶向医疗未来制造中心、先进粉末加工制造中心、未来复合材料制造中心、未来先进计量中心、未来连续性生产及先进结晶研究中心、未来化合物半导体制造中心。英国政府通过工程与自然科学研究理事会（EPSRC）向每个中心资助1000万英镑。这些中心还将联合来自17所大学、200家企业及学术界合作伙伴的力量，通过大学与企业之间深化合作，推动研究成果从实验室走向市场，开发出更多的产 品以满足产业需求及进步。

 

②德国。德国联邦政府教育和研究部为鼓励各种社会力量参与新材料研发，先后颁布实行了“材料研究”MatFo（1984～1993年）、“材料技术”MaTech（2003 年截止）和“为工业和社会而进行材料创新”WING（始于2004年）三个规划。2001年，德国启动新一轮纳米生物技术研究计划，以介于纳米和生物技术之间的物理、生物、化学、材料和工程科学为切入点进行研究，政府在以后6年内投入1亿马克。2003年，联邦教研部斥资2.5亿欧元推出工业和社会材料创新计划，重点开发新材料，以加强德国工业的创新力。德国政府后续又推出了《德国2020高技术战略》、“工业 4.0”等来引领材料和制造等技术的发展。

 

《德国2020高技术战略》提出，德国经济的未来竞争力主要依赖于在生物技术、纳米技术、微电子学和纳米电子学、光学技术、微系统技术、材料技术、生产技术、服务研究、航空技术以及信息通信技术领域内的领导地位。而技术应用主要取决于技术成功地转化为经济 效益的程度，以及技术对生产、健康和环境的影响程度。

 

“工业4.0”是《德国2020高技术战略》提出的十大未来项目之一，推动以智能制造、互联网、新能源、新材料、现代生物为特征的新工业革命。德国企业界普遍认为，确保和扩大在材料研发方面的领先地位是其在国际竞争中取得成功的关键。该项目由德国联邦教研部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元。

 

2019年11月，德国联邦经济事务与能源部发布《国家工业战略2030》，旨在有针对性地扶持重点工业领域，提高工业产值，保证德国工业在欧洲乃至全球的竞争力。与材料相关的钢铁铜铝、化工、增材制造等，连同其他总共十个工业领域被列为“关键工业领域”。

 

③法国。材料科学是法国领先的民用核能、航空航天、交通运输和农业等领域的重要支撑。法国高等教育与研究部2009年发布了法国国家研究与创新战略，这是法国第一个国家层面的科学研究战略，确定了3个优先研究领域，其中包括纳米技术等与材料相关的领域。面对伴随“去工业化”而来的工业增加值和就业比重的持续下降，法国政府意识到“工业强则国家强”，在2013年9月推出了《新工业法国》战略，旨在通过创新重塑工业实力，使法国重回全球工业第一梯队。该战略是一项10年期的中长期规划，展现了法国在第三次工业革命中实现工业转型的决心和实力。其主要目的为解决三大问题：能源、数字革命和经济生活。

 

日本

 

日本新材料产业以工业政策为导向，目标是占有世界市场，因而选取的重点是使市场潜力巨大和高附加值的新材料领域尽快专业化、工业化。日本重点开发出纳米玻璃、纳米金属、纳米涂层等用于信息通信、新能源、生物技术、医疗领域的新材料，在电子材料、陶瓷材料、碳纤维等领域国际领先。日本的财团控制了日本大量的工业企业，旗下的工业企业相互持股、资源共享。如三井的东丽、王子制纸，三菱的旭硝子、三菱铝业、三菱化学，住友的住友化学、住友轻金属，富士的神户制钢所、积水化学，第一劝银的旭化成等世界知名的日本化工材料企业均属于财团旗下。

 

“新增长战略”的提出成为指导日本产业发展的重要依据，而新产业政策的实施也预示着 日本走向新的增长模式。从创造“供给”为主转向创造“需求”为主的政策，从直接扶持产业到培养产业活力政策的转变等这些政策都大大促进了日本产业发展，特别是材料产业的发展。日本政府主要通过立法和经济援助等方式引导企业和大学开展合作，在法律框架下，政府、企业、大学和研究机构在材料产业发展目标、技术开发、生产和推广等方面通力合作。

 

日本政府发布的《日本产业结构展望2010》以“新增长战略”为指导，将包括高温超导、纳米、功能化学、碳纤维、IT等新材料技术在内的十大尖端技术产业确定为未来产业发展主要战略领域，并分析了相关领域的现状与问题、发展方向等，提出了相应的行动计划。

 

日本政府连续制定5期科学技术基本计划，确定了材料重点发展领域。如在《第四期科学技术基本计划（2011～2015）》中，涉及新材料方面的内容有：

 

①加强可再生能源、医疗与护理、通信、高端材料、环境技术等各个方面的研究。

 

②能源利用技术的高效化：推动高绝热化的住宅和建筑物，高效率的家电照明、高效率的热水器，定置型燃料电池、功率半导体、纳米碳晶棒材料等的技术研制和推广，同时还要 推动新一代的汽车所需要的蓄电池、燃料电池和利用功率电子控制能源使用的研究和普及。

 

③致力于资源再生技术的创新，研制出稀有金属和稀土的替代材料等。

 

在《第五期科学技术基本计划（2015～2020）》中，从上一期重视灾后重建和着眼于解决问题转变到了强调为未来发展做好准备，将与新产业发展密切相关的、实用性高的研究及制度改革作为重点。在此次基本计划中，日本提出打造“超智能社会（5.0 社会）”，优先推进包括“综合型材料开发系统”在内的由《科技创新综合战略2015》确立的11项系统建设工作，围绕机器人、传感器、生物技术、纳米技术和材料、光量子等创造新价值的核心优势技术，设定富有挑战性的中长期发展目标并为之付出努力，提升日本的国际竞争力。《第六期科学技术创新基本计划（2021～2025）》的核心内容是“如何通过科技创新政策实现社会5.0”，材料依旧是关注的重点领域之一。该计划实施期间，日本将基于《材料创新能力强化战略》，通过提高材料领域的创新能力，推动经济发展，解决社会问题，实现向可持续发展经济转型的总体目标。同时，开展三方面的行动计划，包括通过产学合作推进革新性材料研发和社会化应用；利用材料领域的数据与制造技术形成数据驱动型研究体系；从摆脱资源制约、推动循环使用、加强人才培养和国际合作等方面持续强化国际竞争力。

 

在基础研究方面，包括京都大学、东京大学、东北大学、大阪大学、东京工业大学、九州大学、名古屋大学、大阪府立大学、北海道大学等在内的一批日本高校在材料科学领域均有着深入研究，并设立了专门的研究所（中心）。国家支持的实验室也在日本材料科学研究领域起到巨大作用，国立材料科学研究所（NIMS）是日本最大的研究所之一，在高温高压技术合成单晶金刚石和氮化硼、n型掺杂金刚石薄膜，超导与有机材料、功能陶瓷、控制原子运动的纳米级半导体器件等领域具有优势。在材料应用方面，由于身处太平洋，日本的自然资源并不丰富，这使得其材料应用更为出色，并在特种材料，尤其是特种钢材方面领先全球。日本钢铁企业众多，产量和技术均位居世界前列，在一些特种钢材类别上甚至处于垄断地位。新日本制铁、JFE钢铁株式会所、住友金属工业、东京制钢、神户制钢等为其中翘楚。在制造用于核压力容器的大型钢铁铸锻件市场，日本制钢所约占全球80%的份额。日立、东芝、 三菱是日本核电设备的三大巨头，有着强大的核设备供应能力。

 

二、中国新材料前沿技术创新机遇

 

“十四五”是推进国家治理体系和治理能力现代化，实现经济行稳致远、社会安定和谐， 为全面建设社会主义现代化国家开好局、起好步的关键时期。展望“十四五”，全球新一轮产业分工和贸易格局将加快重塑，我国产业发展进入从规模增长向质量提升的重要窗口期。对于新材料发展来说，“十四五”同样是极其关键的时期。

 

根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》， “十四五”期间，我国将重点发展高端新材料，如高端稀土功能材料、高性能合金、高性能陶瓷、高性能纤维及其复合材料等（表1-2）。

 

表1-2《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中有关推动材料发展的描述

 

1. 计量分析显示，我国在材料领域的研究成果显著

 

自2014年以来，通过持续跟踪全球最重要的科研和学术论文，研究分析论文被引用的模式和聚类，中国科学院战略情报研究团队与科睿唯安每年都会联合发布《研究前沿》系列报告。2021年12月发布的最新报告显示，“化学与材料科学”领域依旧领先，是中国活跃度表现突出且排名第一的领域之一。在该领域，中国的研究前沿热度指数得分为24.80分，约是排在第二位的美国（7.01分）的3.5倍，具有明显的比较优势。

 

中国科学技术信息研究所的统计显示，2019年，我国包括材料科学在内的八个领域的高质量国际论文数量在学科排名中列世界首位。2010～2020 年（至2020年9月）SCI收录的中国论文中，材料科学领域产出的论文比例占全球该学科论文的比例为35.41%，是份额最高的学科领域；同时，材料领域是论文被引次数占世界第一的三个领域之一。

 

2. 我国在前沿新材料技术领域取得了重要进展

 

材料基因组工程

 

在美国、欧盟等国家/组织提出材料基因组及相关主题研究之后， 中国工程院和中国科学院等开展了广泛咨询与深入调研，科技部在2015年启动了“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项。近年来，我国已开发出材料高通量并发式计算和多尺度计算软件，实现万量级（104级）高通量并发式计算，初步建成了依托国家超算中心（天津）的材料高通量计算大平台。建立了中国材料与试验团体标准委员会（CSTM）材料基因工程领域委员会，并于2019年发布了全球首个“材料基因工程数据通则”。中国科学院物理研究所“基于材料基因工程研制出高温块体金属玻璃”研究成果入选2019年度中国科学十大进展。2021年6月，中科院北京市材料基因组研究平台的材料计算子平台正式运行，标志着材料基因组平台的建设工作取得了重要的阶段性进展。该子平台的科学家之前与松山湖材料实验室合作，于2020年8月上线了我国首个世界级的材料科学数据库Atomly.net。

 

石墨烯及类石墨烯二维材料

 

国家自然基金委、科技部、发改委、工信部等部委高度重视石墨烯的研发、生产与应用，不断加大投入与支持力度，并取得了诸多创新成果。2017年9月，中国科学院文献情报中心和美国化学文摘社联合发布的《石墨烯研发态势监测分析 报告》显示，中国、美国、韩国、日本已形成技术优势，石墨烯专利流向美国、中国居多，中国在论文发文量和专利申请量方面均位居全球首位；当前研究主要集中在电现象、电化学、放射及热能技术、光学、电子、质谱和其他相关属性、表面化学和胶体、硅酸盐等领域。继2016年首次实现石墨烯单晶的超快生长之后，北京大学利用外延生长和超快生长技术成功在20分钟内制备出世界最大尺寸（5cm×50cm）的外延单晶石墨烯材料。过渡金属二硫属化 合物、六方氮化硼、黑磷等，尤其二硫化钼（MoS₂），天然具有的半导体特性使其成为石墨烯的强力挑战者。近年来，各种烯材料不断涌现，如我国西安交通大学首次剥离制得的紫磷烯。

 

超材料技术

 

我国在超材料基础研究取得若干原创性成果。部分微波超材料已在武器装备的雷达隐身、新型天线罩等方面获得应用，实现了吸声系数达到100%的完美吸声体、声学二极管及“声学黑洞”，在国际上率先提出并研制的信息超材料打破了物理调控和信息调控的屏障，实现了我国在该方向的领跑地位。2017年6月，兰德发布分析报告，对比了中美两国在超材料领域的专利申请情况。报告显示，美国和中国分别自2005年和2010年开始，围绕超材料的专利申请数量呈现快速增长态势。尽管天线均为两国最大的应用方向，但重点的集中程度明显不同（中国有41%，美国只有19%），美国超材料的应用领域比中国更为宽泛（图1-3）。

 

图1-3超材料在中国（a）和美国（b）的专利应用布局 

 

超导材料

 

我国在长期研发的基础上，在铁基超导材料领域取得了一定的成果，主要涉及界面高温超导电性研究，通过提升制备工艺获得良好结构，并提高超导特性等。2008年3月，中国科学技术大学陈仙辉研究组和中国科学院物理研究所王楠林研究组同时在铁基中 观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了麦克米兰极限，证明了铁基超导体是高温超导体。紧接着，中国的科研团队不仅率先突破了50K的转变温度，还发现了一系列50K以上的超导体，创造了55K的铁基超导体转变温度纪录，被国际物理学界公认为第二个高温超导家族。当前，围绕新型非常规超导材料以及高温超导和非常规超导的机理问题，包括我国科学家在内的世界各国研究人员正在开展深入研究。

 

纳米材料与技术

 

利用自然科研开发的Nano数据库，对2014～2016年间涉及纳米材料的论文进行了计量分析，可以发现，中国在纳米结构材料、纳米颗粒、纳米片、纳米多孔材料和纳米器件等涉及纳米材料的方向均有研究，与其他纳米研究强国最热门的纳米材料类别大同小异（图 1-4）。其中，纳米多孔材料研究相对更多，纳米器件论文增速更快。

 

 

图1-4Nano 数据库中八大热门纳米材料的各国论文数量对比 来源：中国纳米科学与技术发展状况白皮书（2017）。

 

在纳米材料的应用上，与其他国家相比，我国催化研究有明显的领先优势，大部分高质量的纳米科研论文都出自催化研究领域，其次为纳米医学研究（尤其是医疗诊断方面）和与能源相关的储能与产能应用。

 

具体到各类纳米材料的研究突破，我国科研人员也取得了众多突出成果。例如，在纳米金属领域，我国发展了纳米孪晶、纳米层片和梯度纳米结构等结构，解决了纳米金属稳定性难题，引领了国际纳米金属材料领域的发展。

 

3. 战略性新兴产业快速发展 

 

“十四五”时期经济社会发展要以推动高质量发展为主题，这是根据我国发展阶段、发展环境、发展条件变化作出的科学判断。落实到产业层面，就需要构建一批特色鲜明、优势互补、结构合理的战略性新兴产业增长引擎，更好培育新技术、新产品、新业态、新模式。《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》在“打造新兴产业链”“扩大战略性新兴产业投资”等方面作出了安排和部署。战略性新兴产业迎来了新的重大发展机遇。以新一代信息技术、生物技术、新能源、高端装备、新能源汽车和绿色环保等为代表的战略性新兴产业快速发展对同为战略性新兴产业的材料产业提出了更高的要求，形成“共生共融、协同发展”的生态关系，新材料研发的迫切性前所未有。

 

加快工业互联网、大数据、人工智能、先进通信、集成电路、超高清显示等技术创新和应用，全面提升信息技术产业核心竞争力。其中，半导体和新型显示是信息技术产业的两大基础性产业。以半导体材料及辅材和新型显示材料为代表的主要相关电子信息材料受到日益关注。当前，与国外先进水平相比，我国在大尺寸硅基材料、第三代半导体衬底材料、电子气体、光刻胶、抛光材料以及新型显示关键材料等方面依旧有着较大的差距，亟须提升自主研发水平和自主保障能力。“十四五”期间，通过国家大力支持和市场需求带动，电子信息材料领域面临重大风险的关键材料将成为攻关重点，加速获得突破，新技术和新工艺的研发能力有望显著增强，关键材料保障能力有望得到极大提升。

 

在航空航天、海洋工程等高端装备应用领域，新材料的技术研发与产业化进程也将全面提速。当前，制造强国战略正在加速推进，各个应用领域对重点材料的需求急剧增长，钢铁材料、有色金属材料、化工材料、建筑材料等先进基础材料将得以快速发展；在交通运输行业，特种合金、高温合金、高熵合金、轻质金属材料、高性能纤维及其复合材料、第三代半导体材料等用于重点工程的关键材料的技术攻关和市场化集成将得以提速。

 

在生物技术、新能源、新能源汽车和绿色环保等应用领域，生物医用材料、稀土功能材料、新型太阳能电池材料、光伏材料、储能材料、分离膜材料等关键材料的技术研发与产业化发展将加速。包括新一代油气开采、高效燃煤发电技术等在内的先进能源技术，同样需要超级不锈钢、耐蚀合金、耐热合金等高端金属结构材料持续改进升级。

 

创新能力建设取得成效 

 

我国通过深化科技体制改革和国家创新体系建设，已初步形成企业在全国技术创新投入产出活动规模中占主体的格局，相关政策体系逐步完善；现代科研院所制度逐步推进，高校和科研机构的知识创新能力不断提高，科教融合的协同创新不断开展。

 

我国新材料产业呈现集群式发展模式。各类新材料产业示范基地的建设极大促进了新材料产业的发展，相关政策、技术、人才、资金等要素快速聚集。以基地为主的区域集群效应进一步显现，成为各地发展新材料产业的重要抓手。当前，我国已形成以环渤海、长三角和珠三角为重点，东北、中西部特色突出的产业集群分布。其中，环渤海、长三角和珠三角区域属于综合性新材料产业聚集区，企业分布密集，高校和研究院所众多，并拥有资金、市场等优势，吸引着新材料产业的高端要素不断向这些区域聚集。

 

第三方服务日趋完善助推新材料发展。各地陆续成立新材料产业研究院、新材料行业协会等领域科技中介机构，为新材料产业注入新的活力，服务内容不断拓展，提供决策智库支撑、科研成果转化、产业资讯获取、市场信息对接、资本技术对接等多方面服务，加速了我国新材料产业发展要素的流通，推动了新材料产业的融合发展。

 

三、中国新材料前沿技术发展面临的问题与挑战

 

当前，我们正面临着百年未有之大变局。国内外形势正在发生深刻复杂的变化，我国的发展处于重要战略机遇期，世界经济重心调整、国际政治经济格局变化趋势加快，国际贸易摩擦短期仍将持续，使得我国新材料前沿技术发展存在诸多不确定性，并带来巨大挑战。

1. 发达国家拥有高端新材料话语权

 

近些年以来，我国自主研发出一大批高端、关键材料，生产和应用技术达到或接近国际先进水平。然而，毋庸置疑的是，与国际先进水平相比，目前我国在先进高端材料研发和生产方面差距甚大，关键高端材料远未实现自主供给，“大而不强，大而不优” 的问题十分突出。

 

以稀土功能材料为例，我国尽管是稀土原料生产大国、功能材料生产大国，但还不是高端应用强国。我国仅在烧结永磁材料方面占有一席之地，其他应用仍处于中低档技术水平，与世界发达国家差距明显。如稀土抛光材料，我国相关产品的粒度分布、硬度、悬浮性等指标与国外产品还有一定差距，高端抛光粉仍依赖进口。日本和美国的稀土陶瓷材料处在领先地位，分别占据了50%和30%的全球市场份额。

 

再如碳纤维及其复合材料。国产碳纤维及其复合材料的类别、品种及规格相对单一，主要用于相对低端的产业需求，难以有效满足不同行业、产品、零部件的多样化需求，市场竞争能力有限。特别是在高强高模等高端产品的产业化方面，仍相对薄弱，纤维性能不高、产品稳定性差等问题突出，无法满足关键领域的需求。同时，国内对国产关键装备的研发投入不足。

 

在生物医用材料领域，受到国家政策支持、人口老龄化、人均可支配收入提升和行业技术创新等因素的驱动，我国生物医用材料持续保持高速发展。然而，技术含量较高的植入性生物医用材料较为薄弱，主要依赖进口。在该材料领域，美国具有显著的领先优势，总部位于美国的跨国企业占据了全球高端生物医用材料市场，拥有85%的骨科医疗器械市场份额， 医用多孔钽更是“一家独大”。

 

此外，在高温合金、高端装备用钢、聚酰亚胺等结构材料，光学石英玻璃、防护纤维材料、集成电路制造关键材料、有机半导体发光显示等功能材料领域，西方国家在技术和产品上拥有绝对的优势垄断地位。

 

2.“从 0 到 1”的原创性成果依旧不多

 

变革性新材料的发明与应用引领着全球科技创新，推动着高新技术行业的转型升级，并催生了诸多新兴产业。我国在发挥前沿新材料引领带动方面，自主创新能力仍显不足，跟踪模仿较多，原始创新不足，转化率较低。

 

对于20世纪50年代兴起的半导体产业、90年代崛起的网络信息技术产业，以及当前方兴未艾的信息通信技术产业，无一不是由于单晶硅、光纤等变革性新材料的发明、应用及不断更新换代促成的。然而，在这些发挥重大引领作用的关键材料突破中，来自中国的贡献并不多。引领材料自身发展的一些标志性新材料，如半导体材料、超导体、液晶与聚合物、富勒烯、光纤、石墨烯、蓝光LED、锂离子电池等获得诺贝尔物理学奖或化学奖的革命性材料，均不是由我国科学家首先发现的。

 

3. 基础设施的高效使用及产出尚未显现 

 

大科学装置专为基础研究服务，发挥着原始创新“策源地”的作用。不完全统计显示， 当前我国运行、在建以及准备中的大科学装置约百台，材料领域是部署数量较多的领域，且主要集中在“材料表征与调控”方向。但是我国大科学装置普遍存在以下问题：运行经费来源单一，不足的人员费用往往依赖于单位开展科学研究进行补贴；开放共享程度不够，缺乏用户参与机制，工作人员主要只是完成考评指标，装置运行饱和度与效率有待提高；一部分大科学装置的评价体系缺乏与产业相关指标的考评，与大科学装置的公共开放服务特点、助力产业技术创新特点不能完全相适应等。

 

而具体到特定的材料方向，同样也存在着各式各样的问题。例如材料基因组研究就存在着材料数据储存标准与共享机制不足的问题。材料领域研究的多样性使得数据储存标准缺乏。基于实验的材料数据库需按照一定的标准进行组织，尤其是基于第一性原理的计算依旧十分有限。此外，科研人员倾向于报道正面的、好的研究结果，但在材料基因组中，所谓正面和负面的实验结果具有同等的重要性。

 

4. 部分新材料的发展一哄而上

 

以碳纤维为例，经过多年发展，国外领先企业围绕“碳纤维+上浆剂→织物+树脂→预浸料→应用设计服务”形成了完整的产业链综合竞争能力，牢牢掌握话语权。同时，这些企业还往往放弃低端产品的利润，以低于国内企业成本的价格，通过倾销，遏制我国碳纤维企业的发展。在此严峻形势下，我国碳纤维发展缺乏引导，产业链整体布局能力较差，着眼于“单点突破”，盲目上马并扩大产能，导致低水平重复和同质化竞争，使得低端产能过剩，相关产品价格显著下滑，市场内耗严重。国内碳纤维生产亏损、开工量不足，处于进退维谷的艰难境地，严重阻碍了国产碳纤维产业的长远发展。

 

再以石墨烯为例，在快速发展的同时，“误导”宣传、“大跃进”发展以及大量落后产能等一系列问题亟待解决。近年来，石墨烯受到各路资本市场的投资机构和上市企业的热捧，“一片蓝海”“万亿级市场”“颠覆性变革”“石墨烯电池充电8分钟可跑1000公里”“全面替代硅”等言过其实、夸大宣传的报道频繁进入人们视野。然而，上游生产企业盲目扩大产能，下游应用产品附加值低、低端产能扩张过快、产品同质化严重等问题，已初步显示出“低端化”发展的苗头。在专利申请方面，尽管我国石墨烯相关专利申请超过全球总量的一半，但原创基础专利少。除了碳纤维、石墨烯，稀土等也成为市场热炒的新材料题材。

 

5. 产业链、供应链、创新链上下游之间的互动不足

 

当前，我国经济社会进入高质量发展阶段，加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局对新材料产业链、供应链、创新链水平提出了新的要求。然而，我国新材料在推广应用过程中仍面临着一定的困难与挑战。国产新材料的应用市场尚未完全打开，国产新材料上中游的发展总体上落后于下游装备制造需求，重大工程与装备“等米下锅”现象还比较突出，制约了新材料的技术更新和迭代发展。例如，由于国产化应用规模较小，我国碳纤维及其复合材料、锂离子电池材料在市场化初期阶段，成本与价格偏高，与国外企业竞争时处于不利地位，尤其是当跨国企业开展低价竞争和联合打压时，国内企业的生存空间被严重挤压。究其原因，还是归因于我国部分新材料的生产与应用结合不够紧密，产业链、供应链上下游没有形成联合攻关、同步设计、系统验证、迭代更新的机制。

 

6. 新材料装备的自给率有待提高

 

伴随着全球科技竞争和贸易保护主义愈演愈烈，我国新材料专用高端装备的进口难度越来越大，专用设备的供应链安全同样需引起足够重视。当前，我国部分新材料研制的专用装备以引进、消化和吸收为主，发展水平仍相对滞后，自主创新能力不足，部分高端装备完全依赖进口。例如碳纤维制备用到的高温碳化炉，相关装备及技术一直受国外封锁，国内只能依靠自主研发；预氧化炉及低温碳化炉在稳定性等关键性能和指标上与国外相比还有差距。由于技术密集度高、附加值高，高端装备处于价值链高端环节，很多发达国家为保护竞争优势，会限制高端装备出口。国外企业围绕部分新材料的装备，采取有针对性的低价策略，使得国产装备与国外装备相比长期存在显著差距，可能面临“釜底抽薪”的风险。

 

7. 新材料基础研究与实际需求未能完全挂钩

 

当前，面对我国高新技术和国民经济发展中急需解决的关键科学问题，材料基础研究的关注度仍有较大的提升空间。材料领域的基础研究同样需要应用牵引、突破瓶颈，从经济社会发展和国家安全面临的实际问题中凝练科学问题，弄通“卡脖子”技术的基础理论和技术原理。由于材料研发与应用的结合不够紧密，工程应用研究不足、数据积累缺乏，使得有针对性的、面向材料实际服役环境的研究缺失，还出现了材料质量工艺不稳定、性能数据不完备、技术标准不配套、考核验证不充分等一系列问题，导致“有材不能用”“有材不会用”“有材不敢用”问题非常突出。当前，美国、欧洲和日本等国家/地区在关键战略材料和前沿新材料方向持续大力布局，如“制造业美国”建设的遍及全美的创新研究所网络，由行业企业、研究机构（大学和国家实验室）、培训组织和政府部门等组成，试图跨越从基础研究到应用的“死亡之谷”，关注领域一半涉及材料方向。这些国家/地区一系列新的举措与行动很有可能拉大我国新材料与世界先进水平的差距，甚至在我们尚未完全解决当前短板的同时又形成新的短板。