第一章
新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀概述
一、 國外新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國際金融危機(jī)影響深遠(yuǎn)，氣候變化更加突出，世界范圍內(nèi)以知識(shí)技術(shù)密集、綠色低碳增長為主要特征的新興產(chǎn)業(yè)逐漸崛起，新材料作為引導(dǎo)性新興產(chǎn)業(yè)正成為未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要力量。
世界各國對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與重視達(dá)到了一個(gè)新的高度，紛紛對(duì)新材料領(lǐng)域制定了相應(yīng)的規(guī)劃，在研發(fā)、市場、產(chǎn)業(yè)環(huán)境等不同層面出臺(tái)政策，全面加強(qiáng)政策扶持力度，推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。迄今為止，20 多個(gè)發(fā)達(dá)國家和新興國家已制定了與新材料相關(guān)的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，啟動(dòng)了100 余項(xiàng)專門計(jì)劃。
美國于2009 年和2011 年兩度發(fā)布《國家創(chuàng)新戰(zhàn)略》，其創(chuàng)新戰(zhàn)略的核心理念是構(gòu)筑“創(chuàng)新金字塔”，其中，清潔能源、生物技術(shù)、納米技術(shù)、空間技術(shù)、健康醫(yī)療等國家優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域都涉及了新材料技術(shù)。歐盟為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、消除發(fā)展痼疾、應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)，于2010 年3 月制定了《歐洲2020 戰(zhàn)略》，提出三大戰(zhàn)略重點(diǎn)。2010 年，德國政府發(fā)布《創(chuàng)意、繁榮：德國高技術(shù)2020 戰(zhàn)略》。 2011年12 月，英國商業(yè)、創(chuàng)新與技能部發(fā)布了《促進(jìn)增長的創(chuàng)新與研究戰(zhàn)略》。日本于2010 年6 月發(fā)布了《新增長戰(zhàn)略》。巴西、印度、俄羅斯等新興經(jīng)濟(jì)體采取重點(diǎn)趕超戰(zhàn)略。韓國于2009 年公布了《綠色增長國家戰(zhàn)略及五年行動(dòng)計(jì)劃》，于2011 年公布了《新增長動(dòng)力規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略》[2]。上述規(guī)劃都將新材料列為重點(diǎn)發(fā)展方向和發(fā)展領(lǐng)域，并以此作為新一輪工業(yè)革命的重要支撐（表1-1）。
在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、全球化趨勢日益加快的背景下，新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下主要特點(diǎn)和趨勢。
（一）新材料前沿技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴(kuò)大
新材料技術(shù)發(fā)展日新月異，前沿技術(shù)的突破加快了技術(shù)與生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化速度。例如，微電子材料的快速突破使芯片集成度及信息處理速度得到大幅提高，芯片特征線寬不斷減小，大直徑硅材料在缺陷、幾何參數(shù)、顆粒、雜質(zhì)等控制技術(shù)方面不斷完善，12 英寸（1 英寸≈ 0.025 4 米）硅材料可滿足22 納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的集成電路（integrated circuit，IC）要求，18 英寸硅片已產(chǎn)出樣片。A2B7 型稀土儲(chǔ)氫合金已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化，并將AA 電池的容量提高到2 700 毫安時(shí)[3]。低溫共燒陶瓷技術(shù)（low temperature co-fired ceramic，LTCC）的研究開發(fā)取得重要突破，將大量無源電子元件整合于同一基板內(nèi)的夢想已成為可能。發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)30 開爾文的新鐵基層狀化合物K0.8Fe1.7Se2[4]。
臨界電流近200 安/ 平方厘米，長度達(dá)到千米級(jí)的釔鋇銅氧（yttrium barium copper oxide，YBCO）超導(dǎo)帶材已經(jīng)成功制備。
技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了全球新材料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，2010 年已接近10 000 億美元[5]。與新材料產(chǎn)業(yè)相關(guān)的納米、航天、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)增長迅速，據(jù)美國國家科學(xué)技術(shù)理事會(huì)納米分會(huì)預(yù)測，未來10 ～ 15 年全球納米相關(guān)產(chǎn)品市場將超過1.3 萬億美元；美國航天基金會(huì)的報(bào)告表明，2011 年全球航天經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值為2 897.1 億美元，年度增長率高達(dá)12.2%[6] ；據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心表示，2012 年全球物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模已達(dá)到3 500 億美元，未來5 年全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模年均增長率將達(dá)25%。十余年來，全球生物醫(yī)用材料（biomedicalmaterials）以高達(dá)約15%的復(fù)合增長率（compound annual growth rate，CAGR）持續(xù)增長，2012 年市場已達(dá)1 850 多億美元，預(yù)計(jì)2015 年和2020 年將分別達(dá)到2 460 多億美元和3 970 多億美元[7] ；在發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）封裝產(chǎn)業(yè)方面，2013 年全球產(chǎn)值超過125 億美元，預(yù)計(jì)2015 年將達(dá)到200 億美元，包括應(yīng)用市場在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模將達(dá)到2 000 億美元。
（二）新材料對(duì)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響日益增強(qiáng)
伴隨著新材料研究技術(shù)的不斷延展，產(chǎn)生了諸多新興產(chǎn)業(yè)。例如，氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料的發(fā)展，催生了半導(dǎo)體照明技術(shù)；白光LED 的光效已達(dá)276 流明/ 瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過白熾燈（15 流明/ 瓦）和熒光燈（80 流明/ 瓦），正在給照明工業(yè)帶來革命性的變化。太陽能電池最高轉(zhuǎn)換效率不斷提高，其中晶體硅電池達(dá)到23%、薄膜電池（α-Si、CdTe、CIGS1 ①） 接近20%、有機(jī)和染料敏化電池約11%，極大地推動(dòng)了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[8]； 質(zhì)子膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）已用于交通示范運(yùn)行，從性能上看可以滿足車輛的需求，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。鎂合金與鈦合金等高性能結(jié)構(gòu)材料的加工技術(shù)取得突破，成本不斷降低，研究與應(yīng)用重點(diǎn)由航空、航天及軍工擴(kuò)展到高附加值民用領(lǐng)域，給汽車及電子產(chǎn)品等行業(yè)的發(fā)展帶來了變革。生物醫(yī)用材料的發(fā)展為世界范圍內(nèi)的患者帶來福音，心血管系統(tǒng)修復(fù)材料和器械的使用及醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，使心臟病死亡率下降近60% ；基于分子和基因等臨床診斷材料和器械的發(fā)展，使肝癌等重大疾病得以早日發(fā)現(xiàn)和治療；血管支架等介入器械的研發(fā)催生了微創(chuàng)和介入治療技術(shù)。生物活性物質(zhì)（如藥物、蛋白、基因等）的靶向/ 智能型控釋系統(tǒng)及其載體材料的發(fā)展，不僅導(dǎo)致傳統(tǒng)給藥方式發(fā)生革命性變革，而且為先天性基因缺陷、老年病、腫瘤等難治愈疾病的治療開辟了新的途徑。
（三）跨國集團(tuán)在新材料產(chǎn)業(yè)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位
目前，世界著名企業(yè)集團(tuán)憑借其技術(shù)研發(fā)、資金和人才等優(yōu)勢不斷向新材料領(lǐng)域拓展，已在高附加值產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位。信越、瓦克、住友（Sumitomo）、MEMC 公司和三菱材料公司5 家企業(yè)就占據(jù)國際半導(dǎo)體硅材料市場銷售額的80% 以上。半絕緣砷化鎵市場90% 以上被日本的日立電工、住友電工、三菱化學(xué)和德國FCM 所占有。Dow Corning 公司、GE 公司、Wacker公司和Rhone-Poulenc 公司及日本一些公司基本控制了全球有機(jī)硅材料市場。有機(jī)氟材料則是Du Pont、Daikin、DN-Hoechst、3M、Ausimont、ATo 和ICI7 家公司占據(jù)全球90％的生產(chǎn)能力，在全球居于壟斷地位。日本日亞公司在高端藍(lán)、綠光LED 市場具有較大優(yōu)勢，美國科銳（Cree）公司使用碳化硅（SiC）襯底制備GaN 基LED 芯片的技術(shù)具有很強(qiáng)的市場競爭力，飛利浦（Philips）控股的美國Lumileds 公司的功率型白光LED 國際領(lǐng)先，德國歐司朗（Osram）公司在車用、照明用領(lǐng)域領(lǐng)先，美國、日本、德國等國企業(yè)掌握了70% 的LED 外延生長和芯片制備核心專利技術(shù)。小絲束碳纖維的制造基本被日本的東麗纖維公司、東邦(Toho) 公司、三菱材料公司和美國的Hexel 公司所壟斷，而大絲束碳纖維則幾乎由美國的Fortafil 公司、卓爾泰克（Zoltek）公司、Aldila 公司和德國的SGL 公司4 家所壟斷。核用鋯合金市場則由九大公司所壟斷，其中，法國法馬通占23%，美國西屋公司占17%，美國通用電氣占11%，德國西門子占10%。美鋁、德鋁、法鋁等世界先進(jìn)企業(yè)在高強(qiáng)高韌鋁合金材料的研制生產(chǎn)領(lǐng)域占據(jù)世界主導(dǎo)地位，是全球航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域輕質(zhì)高強(qiáng)材料的供應(yīng)主體。美國的Timet、RMI 和Allegen Teledyne 三大鈦生產(chǎn)企業(yè)的總產(chǎn)量占美國鈦加工總量的90%，它們也是世界航空級(jí)鈦材的主要供應(yīng)商。
近年來，新興經(jīng)濟(jì)體的崛起帶來了全球創(chuàng)新要素的轉(zhuǎn)移，為發(fā)展中國家的發(fā)展創(chuàng)造了非常有利的條件。據(jù)2010 年聯(lián)合國教育、科學(xué)及文化組織發(fā)布的報(bào)告，“金磚四國”（即中國、俄羅斯、巴西和印度）的研發(fā)投入占全球的比例從2002 年的10% 增長到2007 年的15% ，發(fā)展中國家的研發(fā)人員占全球總數(shù)的比例從2002 年的30% 增長到2007 年的38%[9 ～ 11]。在某些新材料領(lǐng)域，新興經(jīng)濟(jì)體已成為重要的市場和產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)力量。截至2011 年，中國風(fēng)電的新增裝機(jī)容量為18 491 兆瓦，占世界新增裝機(jī)容量的43% ；總裝機(jī)容量達(dá)到63 225 兆瓦，占世界的26%，均居世界第一位。根據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《全球風(fēng)能2011 年年度報(bào)告》，印度的風(fēng)電裝機(jī)量也躋身世界前五名。
（四）新材料的高性能、低成本及綠色化發(fā)展趨勢明顯
新材料技術(shù)的突破促使新材料產(chǎn)品向高性能化、多功能化、智能化發(fā)展，從而降低生產(chǎn)成本，延長使用壽命，提高新材料產(chǎn)品的附加值和市場競爭力。
新型結(jié)構(gòu)材料主要通過提高強(qiáng)韌性、提高溫度適應(yīng)性、延長壽命以及材料的復(fù)合化設(shè)計(jì)等來降低成本、提高質(zhì)量，如T800 碳纖維抗壓縮強(qiáng)度達(dá)到350 兆帕，使用溫度達(dá)到400℃以上并在大型飛機(jī)和導(dǎo)彈的主結(jié)構(gòu)件中得到大量應(yīng)用，減重效率達(dá)到25% 以上；功能材料向微型化、多功能化、模塊集成化、智能化等方向發(fā)展以提升材料的性能，如納米技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的融合和發(fā)展將產(chǎn)生體積更小、集成度更高、更加智能化、功能更優(yōu)異、環(huán)境更友好的器件和系統(tǒng)。面對(duì)資源、環(huán)境和人口的巨大壓力，世界各國都在調(diào)整新材料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略， 材料的綠色化趨勢日益顯著， 歐美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)通過立法要求必須或鼓勵(lì)使用LOW-E（lowemissivity）等節(jié)能玻璃，目前歐洲80% 的中空玻璃使用LOW-E 玻璃，美國LOW-E 中空玻璃普及率達(dá)82%。短流程、少污染、低能耗、綠色化生產(chǎn)制造，節(jié)約資源以及材料回收循環(huán)再利用，是新材料產(chǎn)業(yè)滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[12]。
（五）新科技革命給新材料產(chǎn)業(yè)帶來機(jī)遇和挑戰(zhàn)
2011 年美國發(fā)布了“材料基因組計(jì)劃”（ Materials Genome Initiative，MGI），并將該計(jì)劃作為國家性“運(yùn)動(dòng)”積極地展開，借以保持和提升美國新材料的技術(shù)優(yōu)勢，促進(jìn)其制造業(yè)的復(fù)興[13]。“材料基因組計(jì)劃”是美國“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）的重要組成部分，其目標(biāo)是集成各個(gè)尺度的計(jì)算模擬工具、高效實(shí)驗(yàn)手段和數(shù)據(jù)庫，把材料研發(fā)從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式的“炒菜”法提升到高效率的“設(shè)計(jì)—驗(yàn)證”法，從而大大加快材料的研發(fā)速度、降低材料的研發(fā)成本、提高材料設(shè)計(jì)的成功率，幫助美國企業(yè)把發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用先進(jìn)材料的速度提高到目前的兩倍以上。美國政府在當(dāng)前財(cái)政窘迫的背景下推出這項(xiàng)計(jì)劃是由于現(xiàn)代材料領(lǐng)域的發(fā)展正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，新型材料可以幫助解決新能源等很多緊迫的問題，而新型材料從發(fā)現(xiàn)到進(jìn)入市場耗時(shí)太長。當(dāng)前材料領(lǐng)域的發(fā)展模式是直線型的，這樣的時(shí)間跨度平均是18 ～ 20 年。而“材料基因組計(jì)劃”旨在通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，直接面向最終的應(yīng)用需求，根據(jù)量子力學(xué)基本原理，從原子尺度出發(fā)，進(jìn)行新型材料的設(shè)計(jì)，配合快速的實(shí)驗(yàn)合成和檢測手段， 優(yōu)化新材料性能，大大加速新材料從發(fā)現(xiàn)到走向市場的步伐，從而從根本上改變材料領(lǐng)域的發(fā)展模式。美國“材料基因組計(jì)劃”一經(jīng)提出，立刻在世界上引起巨大關(guān)注，各國紛紛出臺(tái)與之相應(yīng)的計(jì)劃。例如，印度在2011 年7 月5 日選擇新型電池材料推出了印度版本的“材料基因組計(jì)劃”。
二、 中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
經(jīng)過多年的努力，我國新材料產(chǎn)業(yè)從無到有，得到了國家的高度重視，出臺(tái)了一系列政策（表1-2），實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)膶?shí)力和優(yōu)勢，為促進(jìn)我國材料產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、提升國防軍工實(shí)力及實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)等做出了重大貢獻(xiàn)。
（ 一）新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大
2010 年我國新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過6 500 億元[14]，2011 年超過8 000 億元，2012 年據(jù)初步估算已超過10 000 億元。稀土功能材料、先進(jìn)儲(chǔ)能材料、光伏材料、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復(fù)合材料等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能居世界前