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謝建新院士：提升前沿新材料產業基礎能力戰略研究

軍工資源網 2022年06月23日

本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第2期

作者：劉雪峰，劉昌勝，謝建新

來源：提升前沿新材料產業基礎能力戰略研究[J].中國工程科學,2022,24(2):29-37.

編者按

前沿新材料是孕育戰略性新興產業和引領未來科技發展的具有優異性能和特殊功能的材料，具有戰略性、先導性和顛覆性，兼具產業帶動性強、附加值高的技術特征。發展前沿新材料產業意義重大，是決定高端制造和國防裝備水平的關鍵因素。

中國工程院謝建新院士、中國科學院劉昌勝院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2022年第2期發表《提升前沿新材料產業基礎能力戰略研究》一文。文章重點分析了面向類腦智能、人工智能、深空探測、網絡安全、高效能量轉化等尖端科技領域中前沿新材料產業的基礎能力現狀與問題。面向2025年、 2035年的階段性發展規劃，從提升前沿新材料產業科技創新基礎能力、支撐保障基礎能力、競爭基礎能力、可持續發展基礎能力、基礎設施建設水平以及改善產業生態環境等方面提出了我國前沿新材料產業基礎能力的發展目標與發展戰略。為滿足新一輪科技革命和產業變革對前沿新材料的需求，文章從材料基因工程提升前沿新材料產業基礎能力，雙循環新發展格局下前沿新材料產業布局，碳達峰與碳中和發展戰略下的前沿新材料產業布局，自主可控的前沿新材料測試表征能力建設等方面提出了發展建議。

一、前言

類腦智能、人工智能（AI）、深空探測、網絡安全、高效能量轉化是前沿新材料研發和應用集中的重點領域。

1、類腦智能領域用前沿新材料是用于實現機器智能的信息處理機制類腦、認知行為表現類人、智能水平達到或超越人的材料，分為類腦智能感知材料、類腦智能功能材料、類腦功能修復材料、智能強腦前沿新材料等。

2、AI領域用前沿新材料是為滿足AI及與其交叉融合的產業發展需要而開發的新材料，具有結構多功能化、功能智能化的特點；綜合性能、對環境的感知、處理及響應能力優于傳統材料，分為智能高分子材料、輕質功能化金屬材料、機敏復合材料等。

3、深空探測領域用前沿新材料是使深空探測器適應外太空、行星大氣層及行星地表的超低溫、強輻射、高真空、零（微）重力等多種復雜服役環境的材料，分為新一代熱防護燒蝕材料、熱管理材料、低溫潤滑材料、防塵 / 自清潔材料、緩沖吸能材料等。

4、網絡安全領域用前沿新材料是保證網絡信息保密性、完整性、可用性、可控性、可審查性、安全傳遞的材料，分為多波段化 / 低維化的吸波與屏蔽材料、量子信息記憶材料等。

5、高效能量轉化領域用前沿新材料是轉換效率高、安全性高、結構穩定性高、使用壽命長、成本低和環境負荷低的材料，分為光電光熱材料、熱電材料、壓電材料、電致發光材料、化學能 – 電能轉換材料、磁能 – 機械能轉換材料等。

整體來看，全球前沿新材料產業的發展不均衡，長期積累形成國家 / 地區間高科技產業、高端制造業的差異，不可避免地沿續至前沿新材料產業基礎能力的形成過程，導致目前全球前沿新材料產業三級梯隊的競爭格局：美國、日本、歐洲等發達國家和地區處于第一梯隊，在前沿新材料的研發實力、產業基礎能力、市場占有率等方面具有明顯優勢；中國、韓國、俄羅斯處于第二梯隊，正在高速發展；印度、巴西等國家處于第三梯隊，正在奮力追趕。

在培育前沿新材料戰略性新興產業集群行動計劃等產業政策的促進下，我國前沿新材料產業的發展勢頭良好，但存在重大原始創新能力不足，部分關鍵核心技術、關鍵原輔材料、核心裝備、高端檢驗檢測儀器等受制于人的問題。未來需對前沿新材料產業發展進行前瞻性頂層設計，積極發揮新型舉國體制優勢，提升前沿新材料產業科技創新基礎能力、支撐保障基礎能力、競爭基礎能力、可持續發展基礎能力，改善前沿新材料產業生態環境。針對前沿新材料多學科交叉、創新性和顛覆性強的特征，培育交叉融合創新型產業人才，將材料基因工程等前沿共性關鍵技術與產業發展充分結合，以此促進前沿新材料產業的跨越式發展。

二、前沿新材料產業基礎能力發展現狀

（一）類腦智能領域

類腦智能領域前沿新材料作為類腦智能技術的基礎，正在引領類腦智能技術的發展和新一輪的科技革命。我國類腦智能領域前沿新材料的產業基礎相對薄弱，在具有知識產權的新材料、關鍵裝備軟件、重大產品與系統設計、高端人才隊伍等方面嚴重匱乏，部分關鍵性原輔材料被國外壟斷，產業鏈安全存在較大隱患。在類腦智能感知材料方面，關鍵原輔材料中高純合成有機試劑有近 30% 的品種完全依賴進口；用于高精細光刻技術的高端光刻膠基本依賴進口。

（二）人工智能領域

AI 產業基礎與技術不斷演進發展，和應用交替前進、相互牽引。當前，大量科技企業瞄準了類腦芯片、量子計算芯片、智能電子器件等底層技術進行研發，AI 產業鏈研究重心正在向基礎層轉移。由于科技創新能力不足，工業發展起步晚、底子薄，我國在 AI 領域前沿新材料產業發展過程中存在核心技術掌握不到位，中低端產能過剩與高端產品及關鍵材料、核心工藝等保障不足并存的問題，關鍵零部件、核心工藝、高性能材料等的進口比例仍然很高，被迫處于“跟跑”階段。以覆銅板關鍵材料銅箔為例，國內在銅及銅合金軋制、銅箔表面處理等核心工藝及關鍵原輔材料等方面尚未建立具有自主知識產權的技術體系，產品主要供應低端市場，綜合技術水平、質量穩定性、產品可靠性等與國際先進水平有較大差距。

（三）深空探測領域

深空探測是航天事業的重要組成部分，但平臺規模小、材料用量少、性能要求高、技術難度大。我國深空探測領域前沿新材料產業具有較強的能力，保障了一系列深空探測與空間科學重大任務實施。然而深空探測前沿新材料科技創新基礎能力有所欠缺，核心能力處于“跟跑”階段；玻璃纖維蜂窩填充酚醛樹脂燒蝕材料、酚醛樹脂浸漬碳基體燒蝕材料等熱防護燒蝕材料、納米氣凝膠、智能熱控涂層等熱管理材料均由發達國家率先提出，僅有超疏防塵材料等少數材料由我國科學家推動發展。關鍵材料的性能和產能有待提高，如空間結構廣泛應用的高強高模、超高模量碳纖維亟需突破關鍵技術指標并建立自主生產能力。國內深空探測前沿新材料的研究與開發主要以科研院所、高校、國有航天企業為主，市場化運作機制長期欠缺，沒有形成規模化產業。

（四）網絡安全領域

網絡安全事關經濟社會發展和國家安全。我國網絡安全領域前沿新材料產業的基礎設施比較完善，為相關材料研發提供了有力支持。一些核心技術如第五代移動通信（5G）、量子通信走在世界前列，但涉及的關鍵材料、零部件等仍依賴進口，制約了相關技術的應用和推廣。網絡安全前沿新材料科技創新基礎能力欠缺，自研產品較難滿足濾波、吸波、屏蔽材料應用所提出的“薄、寬、輕、強” 綜合要求。相關領域人才規模不足，企業參與度不夠，產業競爭能力較弱。

（五）高效能量轉化領域

高效能源轉換材料是建設重大工程、研制國防裝備、構建節能環保社會的重要支撐和基礎保障。以光熱材料、熱電材料、電池材料為代表的高效能源轉換材料，產能逐年增加，產業規模和市場占有率不斷擴大，部分核心技術取得了實質性突破，技術指標得到大幅提升；但因起步較晚、底子薄，在核心技術、創新能力、關鍵產品、產業規模、重大裝備等方面仍存在明顯短板，與國際先進水平存在較大差距。資金、創新資源、政策等方面的支持比較分散，產業鏈上、下游尚未形成協同創新模式，同時科研機構與企業“產學研用”脫節，導致國產高效能量轉化領域材料主要為中低端產品，難以融入全球新材料供應體系。關鍵零部件、核心工藝、基礎材料等較高比例依賴進口，制約了前沿新材料的研發和應用。高效能源轉換新材料的標準、計量、管理不健全的問題沒有得到根本解決，影響了管理部門和企業對產業發展態勢的準確判斷，不利于合理出臺扶持措施、精準安排發展重點。

三、前沿新材料產業基礎能力分析

智能高分子材料、輕質高強及高功能金屬材料、新型無機非金屬材料、多功能復合材料等，將支撐類腦智能、AI、深空探測、網絡安全、高效能量轉化領域未來發展。原輔材料供應、基礎工藝制造水平、產業關鍵核心技術、核心基礎裝備水平、關鍵基礎零部件 / 元器件、基礎檢驗檢測儀器、基礎工業軟件等產業基礎能力是前沿新材料發展的重要保障。

重點前沿新材料產業涉及近 30 種主要原輔材料，石墨烯、丙烯腈、稀土礦、鈦鐵礦、鋰電池負極材料、鹵素鈣鈦礦、稀土金屬及氧化物、銦、鎵、硒等自主可控（即 90% 以上可自主保障），生物感知凝膠、酚醛樹脂、光鹵石等安全可控（即 70% 以上可自主保障），鋁土礦等對外依賴度大（即 50% 以上依賴進口），光刻膠、晶圓、電子特氣、光掩膜、濕電子化學品、高純鐵氧體、高純金屬微粒、鋰、鎳、鈷、發光二極管（LED）外延片及芯片、材料數據庫等對外依賴度極大（即 80% 以上依賴進口）。

在重點前沿新材料的主要基礎制造工藝中，激光刻蝕、高效低成本金屬熔體增材制造、鑄造、塑性加工成形、金屬層狀復合材料短流程制備加工、耐燒蝕熱防護材料制造及數據挖掘等達到了國際先進水平，但第三代碳纖維復合材料制造、光刻、鋰離子電池生產、熱電材料制備等與國際先進水平仍有差距。未來，需要進一步突破激光刻蝕自動化精準化、連續金屬液流控制與隨形快冷、大規格鑄錠成分均勻性控制、輕合金型材精密擠壓、高界面結合強度寬幅金屬復合薄板制備加工、針對前沿新材料的數據挖掘等技術，保持或擴大領先優勢；在發展水平滯后的細分方向，需要打破關鍵核心技術封鎖，提高自身研發能力，實現關鍵設備、原料、核心技術的持續自主創新。

在重點前沿新材料產業關鍵核心技術中，中國鋁業股份有限公司、清華大學、北京航空材料研究院分別在鋁電解技術、類腦計算、鈦合金精密鑄造方面達到了國際先進水平；南大光電材料股份有限公司、華為技術有限公司、中芯國際集成電路制造有限公司、長電科技股份有限公司、亞聯高科股份有限公司、杉杉能源有限公司、北京科技大學、中國科學院金屬研究所分別在光刻機核心技術、芯片設計制造、高端芯片封裝技術與裝備、LED 外延材料、鋰電池材料制備技術、制氫與儲氫技術、材料基因工程前沿共性技術、智能制造技術方面處于國內優勢地位，但與國際先進水平仍有差距。當前，全球圍繞重點前沿新材料產業關鍵核心技術主導權的競爭日趨激烈，我國加大關鍵核心技術的研發投入，是提升產業關鍵核心技術、推動產業邁向高端水平的必然選擇。

在重點前沿新材料產業核心基礎裝備中，面光源制造設備、智能制造設備達到了國際先進水平，但大型及精密鍛造設備、多晶硅提純設備、燃料電池檢測設備等與國際先進水平仍有差距（見表 1）。

表1.產業核心基礎裝備水平

在重點前沿新材料產業關鍵基礎零部件 / 元器件中，類腦計算硬件平臺、激光反射薄膜等達了國際先進水平，但光刻機光源、光刻機鏡頭、腦機接口、高性能濾波器、掩膜版等與國際先進水平仍有差距（見表 2）。

表2.產業關鍵基礎零部件 / 元器件情況

在重點前沿新材料產業主要基礎檢驗檢測儀器中，材料靜態萬能試驗機、電化學檢測器、半導體器件電性能參數測試儀等達到國際先進水平，但掃描電鏡、透射電鏡、高端示波器等與國際先進水平仍有差距（見表 3）。

表3.主要基礎檢驗檢測儀器自主保障情況

基礎工業軟件是智能制造、工業互聯網以及眾多高科技產品設計制造的基本保障。在重點前沿新材料產業基礎工業軟件中，高通量計算軟件、工程設計中的計算機輔助工程（CAE）等多種軟件與國際先進水平有明顯差距（見表 4），是工業行業中的薄弱領域。

表4.基礎工業軟件自主保障情況

四、提升前沿新材料產業基礎能力的發展目標與重點舉措

（一）發展目標

面向2025年，前沿新材料產業將圍繞前沿新材料設計、前沿新材料制造裝置、基于前沿新材料的核心器件大面積制造及相關測試裝備等方面進行重點突破，實現前沿新材料的多功能化、輕量化、智能化；研發新型智能傳感 / 驅動一體化前沿新材料及其器件，攻克前沿新材料與信息技術交叉融合的關鍵科學問題和技術問題；技術和應用整體上與國際先進水平同步，部分達到國際領先水平。

面向2035年，前沿新材料產業將構建前沿共性關鍵技術創新體系，實現前沿新材料研發和產業發展由實驗“試錯法”向“數據驅動 +AI”科學“第四范式”的根本性轉變；從全球前沿新材料產業的第二梯隊提升至第一梯隊，在產業創新能力、技術裝備水平、產品市場占有率等方面達到國際領先水平。

（二）重點舉措

1. 提升前沿新材料產業科技創新基礎能力

開展計算材料學、材料信息學、智能制備加工等交叉學科研究，提升數據驅動材料發現、制備加工與產業推廣技術原始創新能力，發展智能制造、智能增材制造、前沿新材料自主高效智能化試驗等技術；組建跨學科研究團隊，協同培養復合型創新人才。

2. 提升前沿新材料產業支撐保障基礎能力

發展具有自主知識產權的基礎工業軟件以及高效計算、高效實驗、AI 技術，加快大型及精密基礎裝備的自主研制和應用；建立前沿新材料服役反饋與迭代系統，加強原輔材料供應鏈安全監管；鼓勵企業進行國際市場布局，降低資源風險性。

3. 提升前沿新材料產業競爭基礎能力

推動企業、高校、科研院所聯合建立前沿新材料高效計算、高效實驗、材料數據庫、材料智能制備加工等“產學研”融合創新平臺；加強高效低成本制造技術研發，發展柔性制造技術；打造知名材料品牌，培育隱形冠軍企業。

4. 提升前沿新材料產業可持續發展基礎能力

推動高效計算、高效實驗、數據驅動材料發現與制備加工等關鍵技術在前沿新材料全生命周期生態設計及多維評價中的應用，發展前沿新材料的清潔生產、綠色制造、循環利用與再制造等技術。

5. 加強前沿新材料產業基礎設施建設

建立材料前沿共性關鍵技術與產業推廣平臺、產品質量支撐與提高體系，加快未來網絡和數據中心建設；發展先進工業軟件和檢驗檢測設備，提升前沿新材料產業裝備基礎水平。

6. 改善前沿新材料產業生態環境

制定材料產業發展扶持政策，鼓勵培養復合型創新人才；完善前沿新材料科技創新、投融資等政策法規，鼓勵民間資本投資前沿新材料產業；建立前沿新材料及其共性關鍵技術的創新發展模式，形成平臺支撐、大規模、多層次協作共享的產業生態環境。

五、對策建議

（一）材料基因工程提升前沿新材料產業基礎能力

1. 構建前沿新材料創新技術體系

針對前沿新材料領域研發能力偏弱、關鍵材料基礎創新能力不足的問題，瞄準材料高效計算設計方法與軟件、高通量實驗與自主實驗技術、跨時空尺度材料行為表征、數據庫與大數據技術等戰略性和基礎性問題，強化基礎和應用研究，提升前沿新材料領域原始創新能力。

2. 發展前沿新材料智能設計技術

針對前沿新材料領域的材料創新設計短板，著力發展前沿新材料智能設計技術，結合計算機科學、互聯網與云計算等技術，形成材料高效計算、高通量實驗、材料數據融合的一體化材料智能設計技術，促進前沿新材料產業基礎能力的快速發展。

3. 建設材料基因工程產業發展促進中心

以材料基因工程關鍵軟件及關鍵裝備的商業化、規模化應用為目標，以材料設計及生產的高效計算模擬軟件、材料高通量制備與表征實驗裝置、材料數據與數據技術軟件為產業化對象，建設材料基因工程產業發展促進中心，推動相應關鍵技術在材料基因工程產業化發展、規模化應用方面的作用發揮。

4. 探索材料基因工程創新型人才培養新模式

針對前沿新材料領域人才匱乏、發展動力不足等問題，推動材料科學與工程教育體系的變革。形成以材料科學理論、計算材料學、材料信息學有機融合的材料學科教育新體系和人才培養新模式；造就一批具有材料基因工程新思想、新理念并掌握材料基因工程新方法、新技術的綜合型創新人才隊伍，為前沿新材料的產業基礎能力提升提供充足的智力支撐。

（二）雙循環新發展格局下前沿新材料產業布局

1. 以動態比較優勢推動前沿新材料產業跨越式發展

前沿新材料產業的部分關鍵領域，如半導體和高端芯片研發等是我國工業體系的短板，應充分利用動態比較優勢實現市場和技術的雙重追趕。通過增加人才培養投入、增強勞動力市場的競爭性和自由流動性等措施，推動前沿新材料產業的人力資源積累，改善人力資源結構，提高人力資源的生產效率。統籌各地區的前沿新材料產業規劃，立足區域發展稟賦進行定位優化和差異化布局，以頂層設計調控并遏制跟風式投入。

2. 培育前沿新材料產業創新共同體

增強企業作為前沿新材料創新主體的作用，激勵企業加大前沿新材料研發投入，逐步完成從習慣性跟蹤仿制到主動性原始創新的轉變。依托北京材料基因工程高精尖創新中心等重點科研機構，組建前沿新材料基礎研發中心、前沿新材料產業共性關鍵技術研發中心、前沿新材料服役評價測試中心，形成前沿新材料產業計量服務體系，搭建前沿新材料創新基礎和開發共享平臺，由此建立前沿新材料產業創新共同體，縮短前沿新材料的研發周期并降低研發成本。

3. 建設前沿新材料產業協同創新體系

前沿新材料產業的快速發展依賴于下游應用市場的有效需求，應充分依托區域市場體系，建立以市場應用為導向的前沿新材料產業發展機制，實行以快速市場響應為基礎的產品創新。合理部署短期及中長期經濟發展規劃，促進下游終端衍生出數量較為可觀的創新型需求，推動前沿新材料產業鏈的升級和完善。

4. 前沿新材料產業鏈與創新鏈融合發展

我國擁有強大的生產及配套能力，具有將前沿新材料產業做大做強的相對完善的生產配套體系。重視和鼓勵關聯度高的前沿新材料產業技術創新，構建產業融合的技術平臺，形成新的融合型前沿新材料產業體系發展模式；融合分立的前沿新材料產業價值鏈，激勵產業鏈上、下游協同攻關，提高前沿新材料產業的創新效能、生產效率和國際競爭力。

（三）碳達峰、碳中和戰略下前沿新材料產業布局

1. 加快發展高效能量轉換前沿新材料產業

我國在能量轉化前沿新材料各領域均有亮眼表現，如科技論文和專利申請量領先全球，相關企業規模實現快速增長。現階段我國在能量轉化前沿新材料的大部分領域都處于從“跟隨”到“引領”轉換的關鍵期，相關產業應著眼全球市場趨勢，把握碳達峰、碳中和戰略機遇，強調優先發展領域并鼓勵積極聯動，爭取穩步推進。

2. 加強前沿新材料的頂層設計

開展有組織科研，引導全流程關鍵領域按規劃循序漸進，加速前沿新材料成果產業化，建立貫穿 “產學研”的公共研發平臺和輔助驗證平臺，實現從科研成果、技術孵化到批量使用的高效轉化。加強前沿新材料的核心技術和知識產權布局，在提升研究機構和企業創新能力的同時，建立自主知識產權、規避潛在風險。

3. 建設開放共享的前沿新材料創新發展服務平臺

依托重點科研機構、實現各單位優勢互補，建立前沿新材料創新發展平臺；鼓勵科研機構之間分工合作，縮短前沿新材料研發周期；掌握國外前沿新材料研發和產業化發展動態，聚焦國內產業發展重點，加強前沿新材料產業發展戰略研究和對各地區前沿新材料產業發展的宏觀引導。制定能量轉化等前沿新材料產業發展指導目錄和投資指南，以大數據技術推動前沿新能源材料研發、推廣、應用等環節的降本增效。

（四）自主可控的前沿新材料測試表征能力發展

1. 研究前沿新材料測試評價能力共性關鍵技術

圍繞前沿新材料全生命周期的測試評價，重點突破前沿新材料測試評價關鍵共性技術，增建先進儀器設備，深入研究前沿新材料分析測試、應用評價、壽命預測、失效分析等方法并形成國家 / 行業標準。加強前沿新材料綜合性能測試研究，加大人才培養和引智力度，解決前沿新材料測試評價能力弱、水平低等問題。

2. 建設前沿新材料測試評價互聯網平臺

建立前沿新材料測試評價互聯網服務體系，借助互聯網手段收集并匯聚散落在全國各測試評價機構、企業、高校、科研院所的測試評價裝置設備及數據資源；建設測試評價設備庫和數據庫并推行共享利用，重點解決前沿新材料測試評價設備分散且利用率低、數據缺乏匯聚及共享等問題。

3. 提升前沿新材料測試評價公共服務能力

建設具有國際先進水平的測試評價平臺，整合形成前沿新材料測試評價服務體系，支撐前沿新材料產業可持續發展。依托現有的國家新材料測試評價平臺、中國新材料測試評價聯盟等重點機構，建立市場化機制和協同創新模式，利用相應的測試評價能力、互聯網服務平臺提供檢驗檢測、咨詢、培訓、認證評價等“一站式服務平臺”公共服務。積極開展品牌建設和國際合作，促進前沿新材料測試評價共性技術和產業發展水平提升。

注：本文內容呈現略有調整，若需可查看原文

作者介紹

謝建新

材料加工工程專家，中國工程院院士。

主要從事金屬凝固、加工和熱處理及其關鍵裝備的研究，在交通運輸與航天航空關鍵鋁材擠壓加工，高性能特鋼、銅合金和銅鋁復合材料短流程加工新工藝及其關鍵裝備的研究開發和工程應用等方面取得較多重要成果。

劉昌勝

生物材料學家，中國科學院院士。

長期從事生物材料的研究，發展了多種活性骨修復材料以及生長因子制備和材料活化新技術；研制出自固化磷酸鈣人工骨并獲此類產品注冊證，實現臨床廣泛應用。

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