中国工程院院士李元元《新形势下我国新材料发展的战略机遇与挑战》的主题报告

时间:2022/01/07

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中国工程院院士李元元根据中国工程院几个重大咨询项目的部分研究成果作了《新形势下我国新材料发展的战略机遇与挑战》的主题报告。

针对该主题,李元元院士从新材料的战略地位、发展概况、重大需求、问题挑战、战略机遇、历史任务等多个维度进行了详细解读。

2020新材料企业产值超6万亿

材料是工业生产的物质保障,钢铁材料成就了机器化生产,电磁材料催生自动化材料,半导体材料形成了以信息化生产为主的工业3.0时代,近年来随着人工智能材料的出现工业以迈入智能制造工业4.0的时代。“任何一次高新技术的更新换代,都必须以该领域的新材料技术突破前提,新材料在工业革命中起到了无可替代的基础和支撑作用。

进入21世纪以后,在全球范围内,各国都在紧密出台新材料的国家战略计划。比如美国通过“材料基因组”计划,构建先进完备的材料研究工具与大数据,加速新材料的市场应用进程,以满足多样化的国家需要。

欧盟的“石墨烯旗舰计划”,日本的“创新制造战略”,德国的“国家工业战略2030”等,重点布局在新能源、信息、汽车、海洋等各自优势的领域和战略支柱产业。

李元元院士介绍了我国的新材料发展概况。他表示,我国的新材料产业起步晚、底子薄、起点低,但经过材料人35年的努力,取得了举世瞩目的成就,我国已成为世界的材料大国。他表示,在前沿研究方面,发明专利和论文数量均位居世界第一;在人才培养方面,专业技术人才已达120万人,位居世界第一;在研发机构方面,新材料技术创新中心,国家重点实验室,产业化基地等达400多家;在生产企业方面,2020年新材料生产企业达到867万家,产值超过了6万亿元,约占我国GDP的6%。

当前中国新材料已进入到了高速发展的快车道,例如前沿研究正迈向世界的前列,尤其是前沿热点领域表现出强劲的发展势头,部分领域与发达国家形成了并跑,甚至少数的领域已经形成领跑局面。产业集群已逐步形成长三角、珠三角、环渤海三大新材料产业聚集地,表现出蒸蒸日上的发展局面。特色产业形成优势,西部、东北、中部分别以能源、资源、地域为特色的新格局,呈现出高速发展的新态势。以企业为主体,市场为导向,产学研用相融合的新材料创新体系正在逐步形成。

李元元院士指出,近几年,我国新材料产业发展较快的新材料包括先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料三大领域。例如,先进基础材料方面,超级钢、电解铝、低负荷水泥等都已经突破了关键技术;关键战略材料方面,稀土永磁等材料的产业规模已经是世界第一;前沿新材料领域,石墨烯等材料处于国际领先地位。

高端制造对新材料提出迫切需求

当前在决定国家未来的6大核心推动技术方面,中国与美国等西方领先国家比较,仍然存在较大的差距,其差距的缩小均与关键战略材料的发展密不可分。美国智库曾提出“中国不能发展”的5大“卡脖子”核心技术,无论是芯片技术、高端发动机技术还是生物医药与装备技术等,都离不开关键材料瓶颈技术的突破。

李元元院士表示,高端制造对新材料的需求十分重大且迫切。“中国制造2025计划”中的十大重点产业领域,均涉及关键战略材料的重大需求。美国的“先进制造伙伴计划”中三大优先发展领域,也强调新材料的战略保障作用。德国“工业4.0”也把新材料与信息技术列为同等地位。

在我国,“墨子号”量子卫星、“天眼”工程、载人航天、探月工程、深海工程、北斗导航等国家工程都对新材料存在重大需求。国家战略工程方面,如制造业创新中心建设工程、智能制造工程、工业强基工程、绿色制造工程、高端装备创新工程等均离不开新材料与新技术的突破创新。

新材料产业挑战重重

不可忽视的是,我国新材料亦面临各种问题与挑战。李元元院士从新材料产业外部、内部、产业链、产学研用一体化、支撑体系等维度进行了深入分析。

他指出,我国新材料发展受到外部环境的严重挑战,特别是当前发达国家全球化产业分工优势已不复存在的情况下,为确保其制造领先地位,提出了“再工业化”,其本质是“再技术化”,这将对我国智能自主制造带来严重挑战。而突破的本质,则在于发展新材料技术。

当前发达国家对中国实施“卡脖子封锁”已成为常态,中国在高端数控机床、大飞机、航空发动机等精密设备的关键部件,进口依赖仍占95%,关键基础材料的进口依赖占32%。另外, 95%的高端专用芯片和70%的智能终端处理器,以及大多数的存储芯片都仍依赖进口。“这些都与关键材料密切相关。”

随着国际形势日趋复杂多变,近年来美国已开始实施“小院高墙”政策,对我国依赖进口的新材料形成更加严厉的“卡脖子”封锁,如在半导体材料、显示材料,生物医用材料,高性能纤维、高性能膜材料,先进高分子材料等方面,都被列入对中国严格限制出口的名单。

除了外部环境,我国内部工业发展也面临“三重重任”,比如“补课工业2.0”,尚存在20%缺口,“普及工业3.0”,还有一半的任务未完成,尤其是在“示范工业4.0”前沿,还有更多的探索性工作。“三重重任”要求着力进行产业转型升级,解决创新能力,紧跟工业4.0步伐,实现高质量发展。

李元元院士指出,与“三重重任”相应的新材料战略,包括先进基础材料,关键战略材料和前沿新材料。“这三类材料都要求加快发展,为我国工业的‘三重任’的完成提供支撑。”

同时我国新材料高质量发展面临巨大压力。“双碳”目标提出后,实现碳中和留给美国的时间是50年,而中国仅仅有30年的时间,中国的碳减排目标远远高于美国。李元元院士认为,在短时间内要实现上述目标,需要完成4项关键的任务,如大力发展新能源材料,实现化工、冶金、建材工业流程的绿色化,大力发展固碳转化材料,大力发展再生新材料等。

此外,我国新材料产业链问题突出,例如上游高纯原材料和中游的加工辅料,都面临严重的“卡脖子”问题,如碳、硫、硅、陶瓷、高端金属、生物医用原材料等高纯原料的研制,受提纯工艺及加工装备的限制,因此需要通过提升基础能力、突破关键材料、提高装备水平等措施加以应对。

新材料产业链方面,新材料企业创新主体地位仍不明确是另一大问题。他表示,长期以来中国创新的主体集中在高校和科研院所,创新要素与生产要素的融合远远不足,企业对研发的投入意识也不充分,以企业为主导的产、学、研、用创新平台建设仍有待进一步加强。

在产业链下游方面,新材料应用集成能力也严重不足。例如新材料企业对下游客户普遍缺乏应用大数据的建设,这方面与美国差距巨大;在材料与应用端一体化集成能力方面与国外存在较大差距;在材料与应用端融合集成方面,普遍缺乏“产用”平台过渡与支持,是其中的一大短板。

李元元院士认为,当前国内新材料产、学、用一体化差距较大,比如新材料原创能力不足,在研发方面主要处于跟跑状态,创新源动力不足;我国新材料专利成果转化率较低,尽管中国的新材料发明专利数量已经是世界第一,但是新材料专业专利成果的转化率仅占10%,而美国转化率达80%,可见差距仍然巨大。

材料成果转化作为一个系统工程,当前转化链条中间存在诸多缺失的因素,所以造成转化率较低。由于大多数的成果目前仍然依托于高校和科研院所,在成果转化过程当中,往往要经历一个“死亡之谷”的曲线,因此,我国新材料成果转化率较低。

在基础研究方面,缺乏体系化。例如,目前总体上以自由选题为主,缺乏宏观系统整合;缺乏材料战略大科学家组织重大共性科学问题进行系统研究,与美国“集团军作战”的局面差距较大;此外,基础研究的细度、纵向深度和横向广度均欠佳。

另外,新材料支撑体系风险巨大。

表现为,一是新材料设计软件完全受制于国外。设计制造软件长期依赖进口,主要是由于研发周期长,投入大,知识产权保护不足,材料与软件开发领域缺乏技术互动与融合,也缺乏材料大数据库的有效支撑。

二是,新材料高端检测仪器依赖进口。高端检测仪器作为国家高技术发展水平的重要标志,目前,绝大部分都是依赖进口。在诺贝尔奖中,11%是因发明仪器而获奖,72%的物理奖、81%的化学奖,依靠尖端科学仪器完成。由于我国在高端检测仪器方面的严重的落后,制约着我国在上述标志性成果方面的争取。

三是,新材料的基础保障能力仍较落后,在原材料、关键设备、材料性能集成化等系统基础研究方面布局不足。材料工艺缺乏深度、细度上的突破。材料加工的数字化智能化水平长期落后。

“这些都与发达国家存在较大的差距,上述问题与挑战将伴随着我国从制造大国向制造强国,从材料大国向材料强国转变的过程。”李元元院士表示。

新一轮科技革命与经济发展转型带来战略机遇

上述挑战,也给新材料产业的发展带来了重大的机遇。李元元院士指出,从2011年起,我国已成为全球制造业第一大国,中国的制造业完全赶上了第4次工业革命。目前制造业的规模已经居全球首位,门类齐全,有独立完整的现代工业体系。

他认为,新一轮科技革命与我国经济发展转型形成历史交汇,将产生重大的战略机遇。在实现从制造大国向制造强国的历史使命中,新材料作为两大底盘技术之一,产业发展将从价值链中低端向中高端迈进。

当前全球新材料竞争表现出新的特征,例如在材料的前沿研究方面,随着原创、变革、颠覆性技术的不断涌现,争夺行业发展的主动权日趋激烈;在产业发展方面,随着高新技术、高端制造和重大工程的变革,产业发展主导权成为争夺的对象;在材料技术应用方面,产学研用融合,立足企业整体创新,是争夺工业发展自主权的关键。

此外,人工智能与新材料相结合,加剧了材料高性能和智能化的竞争。“总体上我国已具备研发、制造、应用的完整材料工业体系和产业的积累。”

材料人要坚持“四个面向”

“在新的历史使命中,我们材料人肩负攻坚克难的主要任务,一方面,要加快解决亟待解决的关键问题,另一方面,对未来要解决的关键问题也要及早进行谋划。”李元元院士说。

因此材料人需要坚持“四个面向”,围绕材料的前沿研究、产业发展、技术应用等三个维度,重点提升原创、基础、补短、集成、智能、绿色等六项能力。从而实现高新技术迈入创新型国家前列,在先进制造方面实现自主把控世界产业格局。在重大工程方面实现世界一流发展水平。

在未来20年,中国新材料战略布局主要基于产业创新、产业发展、产业升级、绿色产业、材料产业、智能产业,重点布局人工智能材料、信息技术材料、航空发动机及燃气轮机材料、新能源材料、量子材料、高品质特殊钢等。

未来中长期将围绕石墨烯、量子、生物大分子和基因调控、类脑等展开战略布局。

在长远未来,则将侧重发展暗物质、暗能量、引力波等新物质新材料。

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