新材料产业分析:这5个问题正在制约我国产业发展

1新材料的构成和特征

   1、新材料的构成

   材料,我们每个人都不陌生,比如毛衣的构成材料是毛线、瓷碗的制作材料是无机非金属材料等等,我们生活中的方方面面都有材料的存在,那么什么是材料呢,材料是由什么构成的呢。

   正常来说,材料是指具有一定的化学成分与分子结构,以及能提供一定的物理和化学性能使其可用来制造各种产品和工具的物质。这个定义是非常广泛的,它几乎涉及人类生活和工作的方方面面,以及所有现代高新技术领域和所有现代化产业体系。所以说材料是人类物质文明的基础,也是现代高新技术的基础和先导。

   那什么是新材料呢?新材料是指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料以及传统材料成分、工艺改进后性能明显提高或具有新功能的材料。具体的分类如下图所示:

图一 新材料的分类

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   2、新材料的产业特征

  (1)新材料:自主研发创新的重要性凸显

   在全世界的范围内,新材料的创新研发都得到高度重视,纷纷制定新材料发展规划,在全面开发研究的基础上,在市场和产业环境等不同层面出台相应的政策,全力提升新材料的研发及产业水平。

图二 世界部分国家的新材料领域战略规划

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   (2)新材料:高新技术产业的快速发展促使新材料加快更新换代

   材料工业是国民经济的基础产业,新材料是材料工业发展的先导,是重要的战略性新兴产业之一。生产力是社会发展的根本动力,高新技术的突破加快了技术向生产力的转化,同时对关键的基础材料提出了新的挑战和需求,例如:氮化镓(GaN)等化合物半导体材料的发展,催生了半导体照明技术;太阳能电池转换效率的提高,极大地推进了新能源产业的发展。

   (3)跨国集团占据主导地位、国企奋发追赶

   新材料产业作为我国的战略性新兴产业和“中国制造2025”重点发展的十大领域之一,是我国实现产业结构优化升级和提升装备制造业的基础。为使我国早日成为世界制造强国,我国加大对新材料产业的政策扶持力度、引进外资、招纳贤才等,从而扩大我国新材料市场。一些著名的跨国公司通过对华新产业投资规模的增加、投资形式和内容的多元化等方式,不断提升在华新材料产业的投资布局,从而带动我国新材料产业的发展。同时,为解决跨国公司信息技术的垄断,我国有关方面也正在努力提高攻克“关键核心技术”的创新能力。

   目前,世界著名企业集团凭借其技术研发、资金和人才等优势不断向新材料领域拓展,在高附加值新材料产品中占据主导地位。比如:半导体硅材料市场份额的70%以上由日本信越、日本胜高和德国世创所占据;飞利浦控股的美国流明的功率型白光LED国际领先,美国日本德国等国家的企业拥有70%LED外延生长和芯片制备核心专利。

   (4)新材料绿色产业成为发展的重要趋势

   绿色经济是以市场为导向、以传统产业经济为基础、以经济与环境的和谐为目的而发展起来的一种新的经济形式,是产业经济为适应人类环保与健康需要而产生并表现出来的一种发展状态。如今,资源的日益枯竭、不断恶化的生态环境和大幅提升的人均需求等发展困境,绿色发展和可持续发展理念已经成为人类共识,如何发展绿色经济,成为最关键的问题。

   以新材料产业为导向,壮大“绿色经济+新材料产业”的发展,是各国目前奋斗的目标。中国工程院院士屠海令院士曾说,绿色新材料产业的崛起,引起电力、建筑、汽车、通信等多个产业发生重大变革,绿色低碳的新材料技术及产业化将成为今后发展的主要方向,未来在追求经济目的的同时更加注重资源节约、环境保护、公共健康等社会目标。

   (5)新材料研发模式的变革、创新

   过去,材料的研发模式主要依赖科学直觉与试错的材料传统研究方法,但这种模式效率低下、成本过高,弊端明显,已不能适应工业快速发展的需求,反而成为制约技术发展和工业进步的瓶颈。近年来,随着大数据、人工智能等技术的发展,利用新技术进行材料设计的成果大量涌现,其中最受到好评的是材料基因大数据驱动的新材料研发模式。

   随着大数据时代的到来,海量数据处理技术的积累和人工智能算法的逐步成熟,以数据驱动的创新研究手段,已成为继实验、理论和模拟之后的第四种研究范式,这也正在成为新材料研发的必然选择。

2全球新材料产业发展的格局变化及未来发展趋势

   1、新材料的发展历程

   新材料的发展历程可以说和人类文明的发展息息相关,从石器文明、青铜器文明、铁器文明,都见证着人类发现、掌握、使用材料的漫漫历程。自18世纪60年代的第一次工业革命拉开帷幕,人类文明相继走过争气时代、电气时代,一直到今天的信息时代。三次工业革命表面上看似与新材料没有直接的关系。但试想,若没有第一次工业革命中钢铁工艺、第二次工业革命蒸汽机、第三次工业革命石化工业的兴起,怎会有信息化和通信产业的变革,怎会有飞机、汽车、邮轮的驰骋,更别谈互联互通的虚拟世界,别谈大数据、人工智能产业为今天的成果加持。人类技术的更新迭代同样伴随着人们的衣食住行而发生。

   第一个工业革命是发生于18世纪60年代的英国,英国主导的第一次工业革命中,钢铁工业无疑是生产力飞跃的物质基础。随着坩埚炼钢法和瓦特蒸汽机等革命性技术的广泛应用,英国钢铁产量不断上升、钢铁价格不断下降,铁已经丰富和便宜到可以用于一般的建设。

   第二次工业革命始于19世纪60年代末期,以电能的突破、应用以及内燃机的出现为标志,德国是这一场工业革命的引领者,美国则是集大成者。德国化学工业与化工材料在第二次工业革命中异军突起,更成为了德国经济弯道超车、军事迅猛崛起的基础。在过去100多年中,德国几经兴衰,却都能完成复兴,这离不开德国在第二次工业革命中完成的技术积累与沉淀。

   第三次工业革命起始于20世纪50年,以计算机的发明、信息化和通信产业的变革为标志,美国是这一次革命的发起者与当之无愧的领军者。美国在核技术、生物技术、喷气航空技术、载人航天技术、微电子技术和信息技术等领域几乎全面领先于世界。与上述领域相关的核工程材料、生物高分子材料、高温合金、航空航天材料、半导体材料与信息材料等技术,更成为了美国获得全球霸权的物质基础。

   随着互联网、移动互联网、物联网的迅猛发展,信息技术对经济活动和人类生活方式产生了较为深刻的影响。半导体工业已经成为蓝色星球上最为精密、产值最高、全球化程度最深的产业,半导体材料则成为了承载信息社会的重要物质基础。随着半导体超晶体格概念的提出,以及分子束外延、化学束外延等先进外延生长技术的进步,半导体物理从过去的“杂质工程”发展到“能带工程”,为基于量子效应的新一代器件应用奠定了基础。截至目前,半导体材料已经发展到第三代。

   2、新材料产业发展格局变化

   近些年,新一轮的科技革命和产业变革蓄势待发,全球新材料产业的竞争格局也正在发生重大调整。无疑这是我国材料产业结构调整的机遇与挑战。

   材料技术领域研发面临新的突破,新材料和新物质结构不断涌现,全球新材料技术与产业发展迅猛,新材料技术成为各国竞争的热点之一,2016年新材料产业市场规模超过2万亿美元,到2018年已经达到2.5万亿美元,平均每年以10%以上的速度增长,如下图所示:

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   3、国际新材料行业发展趋势

   第一,新材料+绿色经济。全球新材料行业趋于绿色低碳化,与环境的兼容性也日趋增强,以期形成绿色可持续发展之态势。材料的生态环境化是材料及其产业在资源和环境问题制约下,满足经济可承受性,实现可持续发展的必然选择。生态环境材料的性能具备优异并节省资源、减少污染和再生利用,实现资源、材料的有机统一和优化配置,达到资源的高度综合利用,以获得最大的资源效益和环境效益。

   第二,新材料全产业链布局的区域集聚态势明显。新材料产业正向着多样化、功能集成、结构微型、模块集成、数字智能等方向并行发展,为提高新材料的综合研发能力,全球多个国家已经通过法律法规来促进新材料的发展。

   而我国的新材料产业区域特色逐步显现,区域集聚态势明显,初步形成“东部沿海集聚,中西部特色发展”的空间格局。长三角已形成包括航空航天、新能源、电子信息、新型化工等领域的新材料产业集群。珠三角新材料产业集中度高,已形成较为完整产业链,在膜材料、硅材料、高技术陶瓷等新材料领域取得显著成效。

   第三,经济全球化也对各国的军事经济产生直接影响。21世纪以来,新材料支撑重大应用示范工程的作用日益显现,为我国能源、资源环境、信息领域的发展提供了重要的技术支撑,是建设重大工程、巩固国防军工的重要保障。

   4、引发产业变革颠覆性技术

   颠覆性技术最早是由美国哈佛商学院的克莱顿克里斯滕森教授提出的,指的是对某个领域或行业产生颠覆性效果的技术,往往具有强大的变革性,会重构应用领域的体系和秩序。比如:

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3我国新材料产业市场现状及存在问题

   1、关注“十二五”以来我国新材料产业发展经验

   (1)核心技术的自主创新

   我国高新技术的发展促使了技术向生产力转化的速度,同时对关键的基础材料提出了新的挑战和需求,使得新材料的创新能力不断增强,核心技术不断取得突破。比如原为进口产品垄断市场的中高端生物医用材料产品,近年来都逐步实现了国产替代,如心血管支架国产化率已达80%以上,骨创伤生物医用材料及器械70%以上实现了国产化。

   为推动我国材料领域科技创新和产业化发展,国家制定《国家创新驱动发展战略纲要》《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》《“十三五”国家科技创新规划》和《中国制造2025》等政策发展性文件来为新材料产业“保驾护航”。

   (2)围绕国家重大工程需求发展

   材料产业是国民经济的基础,具有举足轻重的地位。其发展为我国能源、资源环境、信息领域的经济社会发展提供了重要的技术支撑和物资保障。如东海防空识别区的设立,南海石油的开采,以及国防安全、海洋开发、航空航天、先进轨道交通、核电和平利用等大型工程的建设都需要高温合金、高性能碳纤维等核心关键材料。

   (3)适应经济社会发展,壮大产业规模优势

   随着国家经济社会由高速转向高质量发展,战略性新兴产业迅速崛起,重大和高端装备用钢铁材料、新一代的信息技术、生物医药、新能源等重点产业及其新业态加速成长壮大,部分领域产业规模都位居世界前列。

   (4)依据地区优势形成区域发展特色

   近些年,国家相关部门为提高材料产业的发展水平,在原有地域空间上进行资源整合,积极推动产业基地建设,材料产业的区域特色逐步显现,形成了长三角、珠三角、环渤海地区三大石油化工基地和上海、南京、宁波、惠州、天津等具有国际水平的工业化园区,钢铁材料方面形成了东北、华北、华东、华中、西南等区域发展的格局。另外环渤海、长三角、珠三角地区依托自身的产业优势、人才优势、技术优势形成了较为完整的新材料产业体系。

   2、我国新材料产业发展存在的问题

   改革开放以来,我国新材料产业取得了长足的进步,产业规模持续扩大,产业技术水平不断提升,在个别领域已经处于国际领先水平,产业集聚区加快布局,宏观发展环境积极改善,为下一步加快发展奠定了坚实基础。新材料已成为我国“工业强基”的四大支柱之一,同时,“中国制造2025”也亟需大量新材料。

   总体来说,我国新材料产业与世界先进水平相比仍有较大差距,为“超欧赶美”,需解决我们自身发展过程中还存在的突出矛盾和问题,解决制约新材料产业快速发展的瓶颈。现如今,我国新材料产业主要体现在以下方面。

   (1)顶层设计和统筹协调不够,存在低水平重复建设现象

   从目前国内各地区发布的新材料产业规划来看,新材料布局顶层设计不足,没有立足于自身条件和优势进行合理定位和差异化分工,存在着严重的趋同现象。一些产业已出现了产业链上游的产品无法在下游使用,致使上游产能过剩、下游市场有效供给不足的现象。此外,盲目跟风式投入依然没有得到有效遏制,其结果不仅会造成重复建设和产能过剩,还会影响到产业发展的可持续性。

   (2)原始创新能力不足,高端产品自给率不高

   我国新材料原始创新能力不足,缺乏不同学科之间的深层次交流和原创性的理论研究。企业作为创新主体,参与创新研发少、生产跟踪仿制多,普遍存在关键技术自给率低、发明专利少、关键元器件和核心部件受制于人。产业共性关键技术是提高自主创新能力的基础。目前我国大多数行业没有专门的产业共性技术研发机构,共性技术研发处于缺位状态;由于缺乏良好的资源配置机制和持续有效的投入,因而无法在技术源头上支撑自主创新。此外,我国新材料没有形成大批具有自主知识产权的材料牌号与体系;通用基础原材料的国家及行业标准、统一的设计规范和材料工艺质量控制规范尚不完善;缺少符合行业标准的新材料结构设计—制造—评价共享数据库,基础支撑体系缺位。多数企业仍在“引进—加工生产—再引进—再加工生产”的怪圈里挣扎,使得“中国制造”产品中缺乏“中国创造”元素,只能依靠廉价销售与低层次竞争寻找出路,这在很大程度上制约了新材料产业的跨越式发展。

   (3)共性技术研发与支撑能力不强,基础支撑体系不健全

   产业共性关键技术是提高自主创新能力的基础。第一,目前我国大多数行业没有专门的产业共性技术研发机构,共性和前沿技术研发缺乏良好的资源配置机制与持续有效的投入,因而无法在技术源头上支撑自主创新;第二,目前我国新材料没有形成大批具有自主知识产权的材料牌号和体系,缺乏符合行业标准的新材料结构设计/制造/评价共享数据库。

   (4)新材料投资比较分散,产业链不够完整

   目前,我国部分新材料领域的产业结构不够合理,新材料产业投资支持的是一些“点”,尚未形成以点带线、以线带面的联动效应。国家更愿意把扶持资金投入到国有企业和科研院所,对民营企业虽然从政策上鼓励参与竞争,但从操作层面上看,民营企业进入国家大型项目壁垒重重。此外,作为发展主体的新材料企业普遍规模较小,产业发展缺乏统筹规划,投资分散,成果转化率低,产业链不够完整。有些行业的新材料企业大多集中在中下游环节,产业配套能力不强。

   (5)政策及保障机制难以适应新材料产业发展的需求

   新材料产业的关键环节和重点领域存在着“老办法管新事物”的现象,创新产品进入市场困难。行政审批周期长(如医疗产品)阻碍了企业创新的积极性。对于开发风险较大的项目,缺少资金保障机制的支持。市场的准入机制也存在一定的缺陷。此外,新材料产业服务平台尚未建立,风险投资、中介服务不能满足企业创新创业的需求。新材料成果转化和工程化过程需要大量投入,但面向工程化服务的多元化投融资体系和中介服务体系尚不完善,制约了新材料创新和产业的发展。


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