新材料產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展研究報告
定 價:86 元
叢書名:戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展研究叢書
- 作者:屠海令等著
- 出版時間:2015/4/1
- ISBN:9787030436566
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類:F426
- 頁碼:158
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:大32開
《新材料產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展研究報告》是中國工程院重大咨詢項目“戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展”子課題“新材料產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展”的研究成果!缎虏牧袭a(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展研究報告》在剖析新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的國內(nèi)外發(fā)展特點以及關(guān)鍵新材料領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,論述了新材料產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題,提出了中國新材料產(chǎn)業(yè)未來一段時期的發(fā)展方向、發(fā)展目標(biāo)、發(fā)展重點和政策建議。
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《新材料產(chǎn)業(yè)培育與發(fā)展研究報告》有助于讀者了解中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和走向,可作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)研究的重要參考資料,也可供各級領(lǐng)導(dǎo)干部、有關(guān)決策部門和產(chǎn)業(yè)界及社會公眾參考。
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
進入 21 世紀(jì)以來,國際金融危機影響深遠,氣候變化更加突出,世界范圍內(nèi)以知識技術(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)濟社會發(fā)展的重要力量。
世界各國對新材料產(chǎn)業(yè)的關(guān)注與重視達到了一個新的高度,紛紛對新材料領(lǐng)域制定了相應(yīng)的規(guī)劃,在研發(fā)、市場、產(chǎn)業(yè)環(huán)境等不同層面出臺政策,全面加強政策扶持力度,推動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。迄今為止,20 多個發(fā)達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,啟動了100 余項專門計劃。
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)。歐盟為實現(xiàn)經(jīng)濟復(fù)蘇、消除發(fā)展痼疾、應(yīng)對全球挑戰(zhàn),于2010 年3 月制定了《歐洲2020 戰(zhàn)略》,提出三大戰(zhàn)略重點。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)濟體采取重點趕超戰(zhàn)略。韓國于2009 年公布了《綠色增長國家戰(zhàn)略及五年行動計劃》,于2011 年公布了《新增長動力規(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)。
在社會和經(jīng)濟飛速發(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 型稀土儲氫合金已經(jīng)實現(xiàn)工程化,并將AA 電池的容量提高到2 700 毫安時[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,長度達到千米級的釔鋇銅氧(yttrium barium copper oxide,YBCO)超導(dǎo)帶材已經(jīng)成功制備。
技術(shù)的進步推動了全球新材料產(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)理事會納米分會預(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;美國航天基金會的報告表明,2011 年全球航天經(jīng)濟總產(chǎn)值為2 897.1 億美元,年度增長率高達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25%。十余年來,全球生物醫(yī)用材料(biomedicalmaterials)以高達約15%的復(fù)合增長率(compound annual growth rate,CAGR)持續(xù)增長,2012 年市場已達1 850 多億美元,預(yù)計2015 年和2020 年將分別達到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2015 年將達到200 億美元,包括應(yīng)用市場在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模將達到2 000 億美元。
(二)新材料對新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響日益增強
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276 流明/ 瓦,遠遠超過白熾燈(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,其中晶體硅電池達到23%、薄膜電池(α-Si、CdTe、CIGS1 ①) 接近20%、有機和染料敏化電池約11%,極大地推動了新能源產(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)用重點由航空、航天及軍工擴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硅材料市場。有機氟材料則是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、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、法鋁等世界先進企業(yè)在高強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、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域輕質(zhì)高強材料的供應(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鈦材的主要供應(yīng)商。
近年來,新興經(jīng)濟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)濟體已成為重要的市場和產(chǎn)業(yè)驅(qū)動力量。截至2011 年,中國風(fēng)電的新增裝機容量為18 491 兆瓦,占世界新增裝機容量的43% ;總裝機容量達到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)會發(fā)布的《全球風(fēng)能2011 年年度報告》,印度的風(fēng)電裝機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)計等來降低成本、提高質(zhì)量,如T800 碳纖維抗壓縮強度達到350 兆帕,使用溫度達到400℃以上并在大型飛機和導(dǎo)彈的主結(jié)構(gòu)件中得到大量應(yīng)用,減重效率達到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)達國家已經(jīng)通過立法要求必須或鼓勵使用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)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[12]。
(五)新科技革命給新材料產(chǎn)業(yè)帶來機遇和挑戰(zhàn)
2011 年美國發(fā)布了“材料基因組計劃”( Materials Genome Initiative,MGI),并將該計劃作為國家性“運動”積極地展開,借以保持和提升美國新材料的技術(shù)優(yōu)勢,促進其制造業(yè)的復(fù)興[13]!安牧匣蚪M計劃”是美國“先進制造業(yè)伙伴關(guān)系”(Advanced Manufacturing Partnership,AMP)的重要組成部分,其目標(biāo)是集成各個尺度的計算模擬工具、高效實驗手段和數(shù)據(jù)庫,把材料研發(fā)從傳統(tǒng)經(jīng)驗式的“炒菜”法提升到高效率的“設(shè)計—驗證”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)用先進材料的速度提高到目前的兩倍以上。美國政府在當(dāng)前財政窘迫的背景下推出這項計劃是由于現(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)到進入市場耗時太長。當(dāng)前材料領(lǐng)域的發(fā)展模式是直線型的,這樣的時間跨度平均是18 ~ 20 年。而“材料基因組計劃”旨在通過利用計算機技術(shù)的進步,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),進行新型材料的設(shè)計,配合快速的實驗合成和檢測手段, 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,各國紛紛出臺與之相應(yīng)的計劃。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,出臺了一系列政策(表1-2),實現(xiàn)了快速發(fā)展,已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)膶嵙蛢?yōu)勢,為促進我國材料產(chǎn)業(yè)升級換代、加快經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、提升國防軍工實力及實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)等做出了重大貢獻。
( 一)新材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大
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、先進儲能材料、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