产业发展
房汉廷:“三维文明”视角看中国新材料布局与发展
发布时间:2018-3-29  作者:房汉廷  来源:科技日报社  浏览量:1409

中国科技网讯 为深度探讨我国新材料产业最新政策、发展现状和趋势,分享最新行业资讯,并结合最新行业趋势进行交流,3月29日,首届粤港澳大湾区新材料产业高峰论坛将在广州银行大厦7楼国际路演厅举办。科技日报社副社长、研究员,北京国科传媒公司CEO房汉廷发表题为《“三维文明”视角看中国新材料布局与发展》的主旨演讲。以下是演讲内容:

一、趋势:三维文明时代的开启

种种迹象表明,当今社会已经不再是经典意义上的工业文明,更不是经典意义上的农业文明,而是跨入了更高层级的信息文明。

农业文明的经典标志是物质生产工具的创造与大规模应用。如青铜器、铁器的广泛使用,使种植业、养殖业得到了规模化的扩张,把劳动力、土地和自然资源有机地结合起来。这种由物质生产工具驱动的农业文明,我将其定义为“一维文明”。

工业文明的经典标志是能源的发现与规模化、约束化应用。此阶段,在物质生产工具的改进、创造基础上,人类把煤炭、石油等能源有效地纳入到大规模化财富创造之中,实现了人类历史上的工业化。早在马克思时代,就惊呼“资本主义短短100年的历史,所创造的财富量已经超过了前资本主义的总和”。中国是工业文明的后进者,即便如此,在短短40年时间所创造的财富总和,也超过了以前中国创造财富的总量。这种由物质工具、能源工具共同驱动的工业文明,我将其定义为“二维文明”。

信息文明的经典标志是知识的智慧化以及独立化应用。此阶段,在物质工具、能源工具的基础上,人类通过信息工具(硬件、软件)把知识、技术全面比特化,使人类文明推进到了信息文明阶段。从上个世纪70年代因特尔第一个芯片厂的建立,到今天物联网、5G、人工智能的发展,人类比任何时候智慧、自由和充满能力。因此,我把这种由物质工具、能源工具和信息工具共同驱动的信息文明,定义为“三维文明”。

因此,我们今天来研究、判断新材料问题,必须站在三维文明的高度去审视和行动。换言之,在信息文明主导的三维文明中,新材料之性能和功能必须满足三维文明的需要,才会成为重点和主流。世界新材料已经出现的一系列趋势,也充分表明三维文明时代的突出特点。如材料制备与应用向低维化、微纳化、人工结构发展,材料结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备及应用过程绿色化成为材料研发的重要方向;材料研发周期缩短、可应用材料品种快速增长;材料与物理、化学、信息、生物等多学科交叉融合加剧

二、政策:中国政府的行动方向

代表中国官方的工信部、科技部分别在2016年底、2017年4月发布了《新材料产业发展指南》“十三五”材料领域科技创新专项规划》综合看这两个文件,科技部的“十三五”材料领域科技创新专项规划》更符合三维文明的演进趋势。因此,以下的分析以科技部的专项规划为重点。

1.总体目标的三条主线:加强、重点、推进

在加强方面,核心是材料体系的建设,大力发展高性能碳纤维与复合材料、高温合金、军工新材料、第三代半导体材料、新型显示技术、特种合金和稀土新材料等,满足中国重大工程与国防建设的材料需求。

在重点方面,主要是海洋工程材料、高品质特殊钢、先进轻合金、特种工程塑料、特种玻璃与陶瓷等先进结构材料技术;高性能膜材料、智能/仿生/超材料、高温超导材料、新型生物医用材料、生态环境材料等特种功能与智能材料技术;新型微电子/光电子/磁电子材料、印刷电子材料、功能晶体与激光技术等战略性先进电子材料技术;以高通量设计/制备/表征为特征的材料基因组技术;石墨烯等纳米材料技术。

在大力方面,推进的是钢铁、有色、石化、轻工、纺织、建材等量大面广的基础性原材料技术提升,实现重点基础材料关键共性技术的重点突破,提升产业整体竞争力,实现优势产能合作,落实节能减排,实现中国材料产业由大变强。

2.终极诉求的三大看点

第一方面:初步建立中国自主的基础材料与新材料体系;建立材料领域的产学研用结合的技术创新体系,开发全面覆盖中国产业应用的高性能结构与复合材料、特种功能与智能材料、战略性先进电子材料、纳米材料系列产品和应用技术,关键材料的自给率超过80%;培育8-10个战略性新兴产业的增长点;开发出具有自主知识产权的高通量材料模拟算法和计算软件,建立材料基因工程的计算平台、实验平台和数据库平台,发展系列高通量制备和表征的新方法和新装备,实现典型新材料的研发周期缩短一半、研发成本降低一半。

第二方面:中国重点基础材料高端产品平均占比提高15%-20%,减少碳排放5亿吨/年。典型钢铁品种、高端有色金属材料的国内市场自给率超过80%,钢铁与有色金属生产综合能效提高10%,化工新材料和精细化学品的产值率达到60%;特种工程塑料等高端产品的自给率5年内从30%提高到50%;实现轻工重点材料国产化率从15%提高40%;化纤差别化率由56%提升至65%,产业用纺织纤维加工量由23%增加到30%以上;建材新兴产业的产值比重达到建材总量的16%左右。

第三方面:形成专利3000项,制定标准和规范500项,建成500条产业化示范线,在重点领域培养15-20个团结协作的全链条攻关人才团队;聚集10-15个从事前瞻性技术创新的有活力的青年人才团队,形成研究和创新的人才梯队。培养领军型创新创业人才1000名。

3.具体行动的六大重点

十三五”期间,重点发展基础材料技术提升与产业升级、战略性先进电子材料、材料基因工程关键技术与支撑平台、纳米材料与器件、先进结构与复合材料、新型功能与智能材料

1)在重点基础材料技术提升与产业升级方面,着力解决基础材料产品同质化、低值化,环境负荷重、能源效率低、资源瓶颈制约等重大共性问题,突破基础材料的设计开发、制造流程、工艺优化及智能化绿色化改造等关键技术和国产化装备,开展先进生产示范。在这个方面包括:钢铁材料技术有色金属材料技术纺织材料技术 石油与化工材料技术轻工材料技术建筑材料技术。

2)在战略性先进电子材料方面以第三代半导体材料与半导体照明、新型显示为核心,以大功率激光材料与器件、高端光电子与微电子材料为重点,推动跨界技术整合,抢占先进电子材料技术的制高点。主要包括:第三代半导体材料与半导体照明技术新型显示技术大功率激光材料及激光器高端光电子与微电子材料前沿交叉电子材料五个方面

3)在材料基因工程关键技术与支撑平台方面,构建高通量计算、高通量实验和专用数据库三大平台,研发多层次跨尺度设计、高通量制备、高通量表征与服役评价、材料大数据四大关键技术,实现新材料研发由传统的“经验指导实验”模式向“理论预测、实验验证”新模式转变,在五类典型新材料的应用示范上取得突破,实现新材料研发周期缩短一半、研发成本降低一半的目标。主要包括:构建以高通量计算平台、高通量制备与表征平台和专用数据库平台等 三维一体的三大平台;研发多尺度集成化、高通量并发式计算方法与计算软件,高通量材料制备技术,高通量表征与服役行为评价技术,面向材料基因工程的大数据技术等四大关键技术;形成典型材料重点示范应用。

4)在纳米材料与器件方面,研发新型纳米功能材料、纳米光电器件及集成系统、纳米生物医用材料、纳米药物、纳米能源材料与器件、纳米环境材料、纳米安全与检测技术等,突破纳米材料宏量制备及器件加工的关键技术与标准,加强示范应用。主要包括石墨烯碳材料技术信息电子纳米材料技术 能量转换与存储纳米材料技术纳米生物医用材料技术传统产业提升与节能减排用纳米材料技术纳米加工、制备、表征、安全评价、标准技术与装备五个方面

5)在先进结构与复合材料方面,以高性能纤维及复合材料、高温合金为核心,以轻质高强材料、金属基和陶瓷基复合材料、材料表面工程、3D打印材料为重点,解决材料设计与结构调控的重大科学问题,突破结构与复合材料制备及应用的关键共性技术,提升先进结构材料的保障能力和国际竞争力。主要包括:高性能纤维与复合材料高温合金高端装备用特种合金海洋工程用关键结构材料轻质高强材料高性能高分子结构材料材料表面工程技术3D打印材料及先进粉末冶金技术金属与陶瓷复合材料九个方面。

6)在新型功能与智能材料方面,以稀土功能材料、先进能源材料、高性能膜材料、功能陶瓷等战略新材料为重点,大力提升功能材料在重大工程中的保障能力;以超导材料、智能/仿生/超材料、极端环境材料等前沿新材料为突破口,抢占材料前沿制高点。重点包括:新型稀土功能材料先进能源材料高性能分离膜 智能、仿生与超材料新一代生物医用材料生态环境材料重大装备与工程用特种功能材料七个方面。

 

三、聚焦:2018新材料产业技术创新

站在“三维文明”的入口处看新材料产业以及技术创新,可以让人豁然开朗。综合多维度的分析,我认为2018年新材料的重点包括但不限于以下五个方面。

1.硅基材料。三维文明的核心文明,而信息文明是建立在硅基材料上的。因此,硅基材料将是持续的需求热点和成长点。鉴于当前硅基半导体技术已逐步迫近物理极限,二维半导体、第三代半导体等技术仍不够成熟整个半导体行业都急需一场在材料这一最基础层面的革命性突破,从根本上解决未来信息化社会对计算能力的巨大需求。

目前全球市场领先的半导体材料企业包括巴斯夫、住友化学、信越集团、陶氏化学等。国内较为突出的半导体材料企业包括浙江金瑞泓科技股份有限公司、南京国盛电子科技有限公司、宁波江丰电子材料股份有限公司、有研亿金新材料有限公司等。

2.石墨烯。石墨烯的发现,无疑是三维文明最大的福音之一,必然是新文明的当家基础材料。BCCResearch、中科院等不同机构预测,全球石墨烯材料的市场规模将在2023年超过13亿美元,其应用市场则在2020年就可能突破1000亿元人民币。不过在近期,国内以石墨稀为主营业务的四大上市公司第六元素、华高墨烯、二维碳素、厦门凯纳还均处于亏损状态。这也说明了整个石墨烯行业提升发展质量、推进下游应用场景实现的重要性和急迫性。

当前,中国在产能和专利数量方面均处于全球石墨烯产业的引领地位。国内从事石墨烯粉体材料的公司主要有宁波墨西、常州第六元素、常州二维碳素、厦门凯纳、鸿纳新材料、德阳烯碳等;从事石墨烯薄膜的有常州二维碳素、无锡格菲、重庆墨希等。

3.车用新材。节能减排是汽车行业的技术进步红线。如中国发布的《中国制造2025》就要求到2020年乘用车(含新能源乘用车)新车整体油耗降至5升/100公里;美国政府则规定到2025年汽车企业平均燃油经济性标准须达到每加仑54.5英里(约为每百公里4.32升)。在这些计划的推动下,近年来各大车企均持续加强相关的研发和应用力度。而汽车节能减排的两大途径——车体轻量化和新能源动力归根结底都需要依托新材料领域的不断进步。

在车体轻量化材料方面,高强度钢、镁铝合金、碳复合材料、长纤维增强材料、低密度PP材料、低VOC绿色环保材料、免喷涂材料、无卤阻燃材料等各种新材料都在持续提升自身性能,并越来越广泛的应用于实际产品。在新能源材料方面,锂电池较为成熟,相关的正极材料、负极材料、电解液、隔膜等锂电池材料也将持续增长;氢燃料电池的应用进程虽然较为滞后,但仍然是一个重要的、不可替代的并行技术路线,相关材料有望在未来进入快速增长的轨道,甚至一些机构认为未来会超过锂电池的规模。

据分析,全球轻量化汽车材料市场在2017年达到了953.4亿美元,锂电池材料市场则为150亿美元。

4.3D打印材料。目前3D打印材料的市场规模占整个3D打印产业的37%,是打印材料、打印设备和打印服务三大环节中附加值最高的一环。据IDC估计,整个3D打印市场将在今年保持平均22.3%的高速增长,打印材料市场也将同步扩张。

出于对整个3D打印行业的重视,韩国未来创造科学部联合多家部门共同发布了《韩国3D打印产业振兴计划(2017—2019年)》,其中就提到了在材料领域培养全球主导企业,以及4D融合材料、生物材料、多重复合型多功能材料等方向的材料研发。Frost &Sullivan也建议除了现有的聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳醚酮(PAEK)、半结晶热塑性塑料、碳纤维增强材料以及一些高性能金属粉末等通用性较强的材料之外,3D打印材料的供应商应当以不同终端行业的需要为基础开发一些新的应用导向的打印材料。

IDC预测,到2020年,全球3D打印市场总额将达到289亿美元。打印材料市场相应的也将达到越100亿美元的水平。

5.显示材料。三维文明的表达基础之一就是显示材料中国正在编制《新型显示产业超越发展三年行动计划(2018~2020 年)》,预计显示材料将是其中关注的重点之一。今后几年中国的新型显示材料产业兼具旺盛的需求市场和政府的强力支持,将迎来一个重要的发展机遇期。从历史上看,日本、台湾、韩国的电子产业已验证了“下游兴则上游强,品牌弱则上游弱”的发展规律。

在显示器的整体产值中,光学膜材料占到了20~30%的份额,液晶和OLED材料占到了15~20%的份额。据相关机构预测,全球显示器市场到2022年预计将达到1691.7亿美元。相应显示材料的市场规模将达到约600-800亿美元水平。当前主要的液晶生产企业包括日本JNC、德国Merck和日本DIC。国内从事液晶及OLED前端材料的主要企业包括万润股份、永太科技、上海康鹏、瑞联新材等。

 

信息文明开启的是一个全新的世界。“一维文明”让人类学会了制造和使用工具,实现了“人猿相揖别”,即使显在看也有8000-10000年的历史;“二维文明”让人类学会了规模化地控制和使用能源,实现了生产力的巨大飞跃;“三维文明”让人类学会了存储以及自我创造知识,实现了由知识、智慧加持下的人类新文明。这个新文明会持续多久,我们今天无以判断,但未来已来则是不争的事实!

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