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新材料产业发展趋势与创新政策转型

三思派

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(图片来源:摄图网)

作者|龙海波  来源|三思派(ID:Science-Pie)

新材料是许多相关领域技术变革的基础,也是增强产业链供应链自主可控能力的关键。近日,《人民日报》连续刊发了“中国制造,强链补链正攻坚”系列报道,对关键基础材料领域的进展和未来机遇也给予重点关注。只有做强材料“口粮”,才能端稳工业“饭碗”。新材料产业未来发展趋势如何?如何才能更好适应新形势下的技术突破?“十四五”时期创新政策将如何转型?这些对于更好理解新材料大变革、进一步激发行业发展潜力具有重要意义。

新材料也称为先进材料,是指新出现的具有高效、特殊性能的材料,或是传统材料改进后性能明显提高或具有新功能的材料。随着基础科学不断突破,新材料结构功能一体化、材料器件一体化、复合化等特点更为明显。许多发达国家将新材料作为未来研发的优先事项,在国民经济发展中的作用逐渐从基础性、支撑性向颠覆性、引领性转变。

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新形势下新材料产业发展的趋势特征

新材料产业是许多相关领域技术变革的基础,也是电子信息、新能源、航空航天和生物医药等高技术产业发展的先导,越来越呈现交叉融合、相互促进的趋势,对于传统产业技术提升和产品更新换代具有重要作用。主要体现在:

第一,新技术变革加速了新材料研发应用进程。随着大数据、数字仿真在新材料研发设计中的作用不断凸显,材料基因组计划、增材制造等新技术新模式蓬勃兴起,基于已有材料基础结构性能的突破,新材料研发过程发生显著变化,正以一种新的生产方式不断涌现。然而,前沿技术路线选择的风险,以及从技术实现到商业化的时间仍面临许多不确定性。《材料科学》杂志一项关于新材料商业化的研究表明,新材料技术实现商业化的时间平均在10年以上(见下表),与生物技术相近,但远高于软件技术。新材料技术实现商业化的R&D投入约为软件技术的数倍到数十倍。

软件、生物技术和新材料技术的商业化时间、成本和不确定性比较

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资料来源:NatureMaterials,2016,15(5):487-491

第二,新材料产业发展面临多种驱动因素。新材料种类众多,其内在潜力和市场规模需要从技术成熟度分类识别。一是标准引领实现高质量发展。石墨烯产业在经历爆发式扩张后遇到的问题对标准设定提出了更高要求。英国国家物理实验室领导制定了全球首个石墨烯国际标准,为石墨烯的测试验证提供依据和标准。二是集中攻关抢占市场先机。信息产业迅猛发展对半导体行业提出了更高要求,二维半导体、第三代半导体等技术仍不够成熟,各国都亟待在这一基础领域取得革命性突破,美、韩有望在2025年前实现半导体材料和器件更新换代。三是政策倒逼材料行业快速增长。比如,节能减排的政策驱动对车用新材料产生了重大影响,高强度钢、镁铝合金、碳复合材料、长纤维增强材料等车体轻量化材料自身性能持续提升。

第三,新材料产业国际市场垄断日益加剧。目前,发达国家在新材料产业中仍占据领先地位,美国全面领跑,日本在纳米材料、电子信息材料、先进复合材料等领域具有优势,欧洲在结构材料、光学与光电材料等方面有明显优势。这些国家的科技产业核心竞争力集中在上游“材料+装备”环节,对于保障国家科技安全具有重要意义。从长期发展看,新材料产业上下游联系越来越紧密,产业链日趋完善,初步形成了新的产业战略联盟,这有利于产品开发与应用拓展的融合,但由此也会形成寡头垄断。一些龙头材料企业通过并购、重组及产业生态圈构建,把控全球新材料产业的优势格局。

第四,新材料产业发展关键在于概念期和导入期。新材料产业发展容易受到下游应用场景制约,研发成果快速投入大规模应用的情况很少,总体上呈现前期投资大、中间环节多、转化周期长等特点。其中,处于概念期和导入期的新材料产业,由于研发成本高、销售集中于少数高端客户,往往投资周期长,投资高风险高收益并存。

目前,许多已经占据广大市场份额的龙头企业加大对概念期和导入期的产业投资力度,比如,燃料电池、记忆合金、石墨烯等,以期抢占高端基础材料制高点。可以预见,新材料领域将面临更高的技术壁垒,消化吸收再创新模式对于拓展下游市场具有重要作用,但向上游市场迈进的空间已逐步收窄。

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新材料产业发展的技术路径与政策重点

由于产业上下游环节多,技术复杂性高,具有很大的不确定性,对政策依赖性较强。因此,新材料产业发展必须依靠体制机制创新,进一步明确创新政策转型的重点。

(一)新材料产业发展的三种技术路径

供给引领下的前沿突破。技术组合是前沿材料技术的潜在来源,需要多学科、多技术领域深度融合,快速实现技术经验积累和重大理论突破。对于前沿突破形成的技术创新,主要基于新材料基本属性改变或衍生属性拓展,更多依靠产学研深度合作,促进新材料技术创新不同要素的整合。这种模式主要适用于代表材料科技发展方向、符合材料交叉颠覆性创新、具有广阔市场前景的新材料,具有“科技引领”特征,包括超导材料、智能仿生材料、石墨烯材料等。

供需驱动下的快速迭代。技术迭代是新材料更新升级的关键,通常以改善材料性能、缩短研发周期、加速工程化应用的方式实现。对于快速迭代形成的技术创新,仅针对新材料的研发验证和试验数据的预测模拟,并不影响材料自身属性,通过构建新材料模拟、研发、试验大数据平台,运用计算材料学和可共享材料数据库加速新材料工程化应用。这种模式主要适用于材料基因组技术,以及轻量、高温、高温超导、热电、磁性及热磁、相变记忆存储等高性能合金材料。

需求牵引下的融合创新。技术牵引主要来自军用和民用市场需求,以及长期以来的实践经验,更容易伴随在知识交换和市场应用中产生。对于需求牵引形成的技术创新,大部分是根据新材料性能需求进行反向设计,通过新材料研发先期导入,将上下游企业紧密联系在一起,以“军转民”“民参军”等方式,实现新材料研发设计与工程应用的有机统一、军事技术和民用技术的深度融合。这种模式具有“一需多材”特征,包括先进半导体材料、新型显示材料、新能源材料、高端装备特种合金,以及人工晶体、生物医用材料等。

(二)当前新材料产业发展的制约瓶颈

在前沿突破上,由于缺乏先导性技术支撑,我国新材料发展起步晚,多方力量分散投入、共性技术供给不足等问题十分突出。材料领域国家重点实验室之间以及与生命、能源、信息等领域实验室之间交叉不足,缺乏有效的竞争机制。

在技术迭代上,大多数行业没有专门的产业共性技术研发机构,新材料产品成套技术不完备。我国新材料还没有形成大批具有自主知识产权的材料牌号与体系,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。

在融合创新上,生产应用结合不紧密导致有效应用牵引不足。材料的研发生产与设计、下游应用相脱节,导致“有材不好用”。还有部分性能优异的材料,由于尚未经过长时间的应用验证和资质认证,导致“好材不敢用”。

(三)未来新材料产业创新政策的重点

从整体视角看,要处理好材料科技与其他科技领域的关系。相比其他科技领域,新材料始终强调应用导向,而这种应用是基于产业链带动形成工艺参数反馈,进而促进材料科技的新突破。因此,应从更广范围考虑科技协同创新体系构建,包括前沿技术追赶、科技投入产出、产学研分工合作等方面政策转型,促进“一代装备、一代材料”向“一代材料、一代装备”转变。

从关键机制看,要处理好研发投入与组织方式之间的关系。对于新材料技术而言,不同模式下的投入重点及组织方式也有所差异,无论哪种技术创新模式,目前大多数仍以部门条块资金投入为主,多头指挥的组织方式不利于新材料研发的持续投入和集中攻关,即使是需求牵引的技术创新,企业决策话语权也很有限,尽量避免多方力量分散减少投入的有效性。

从激励导向看,要处理好不同分工链条下人员激励的关系。正确引导各类研究人员开展科研生产活动,让不同分工链条上的研究人员实现知识分享,推动材料技术从实验室不断走向市场。只有结构设计、表征评价、服役测试等技术进步才能真正支撑新材料的研发生产,而其中研究人员的精力投入与绩效考核存在较大差异,并不是“一刀切”的注重论文发表、专利申请。

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加快推动新材料产业发展的政策建议

推动新材料产业高质量发展,必须结合不同材料的技术路线特点,着力打通从基础研究到应用研究的创新全链条,重点在科研投入机制、研究组织方式、成果应用导向、人才评价考核等方面完善创新体制机制,充分发挥政策的引领作用和协同效应。

第一,完善新材料投入参与机制,推进创新链各环节深度融合。一方面,充分发挥政府先导作用。对于关键战略材料和前沿新材料领域,应从国家层面加强统筹规划,整合分散在各部门的科技专项经费,重点支持新材料研发与先进制造紧密结合、前沿新材料的示范应用项目,集中力量突破先进核心工程化工艺技术制约,提升关键战略材料产业共性技术创新能力。结合“首台(套)”等政策,通过政府采购、军方采购等方式构建运行高效的产用结合机制。另一方面,更加注重市场引导作用。对于技术成熟度较高、应用牵引较强的基础材料和关键战略材料领域,应更多采取产学研合作型、企业联盟型模式,推动建立以应用企业投入为主的研发机制,实现先期介入、精准研发,精准对接应用。

第二,健全新材料产学研用组织机制,激发“研发—应用—反馈—再研发”内生动力。适时调整材料领域国家重点实验室布局,探索建立新材料国家重点实验室①协同创新联合体制度,特别是在材料与医学和生命科学、能源和信息科学、制造科学等交叉前沿领域加强共性技术攻关,推动联合体内重要科研成果共享、业绩考核互认,将之前的个体竞争性评估变革为对协同创新联合体贡献的评估。抓住“一需多材”和“一材多用”两头,更加注重科技成果后端转化,新材料产业组织体系应坚持需求导向原则,同时为再研发服务。比如,可以在重点新材料领域建立产业联盟,支持产业集聚显著、上下游产业链完善的地区建立新材料产业技术研究院。对于面向民用和军用两类需求的新材料技术,可以采用军民结合方式,推动先进军用材料民用化及民用材料高端化,加速新材料技术推广应用进程。

第三,夯实新材料设备数据共享平台,以此带动其他科技领域和相关产业链协同发展。优先在新能源材料、生物医用材料、先进复合材料等国家战略领域推动上下游产业协同创新。建设参数数据库平台、资源共享平台,推进企业、科研院所数据、人才、设备仪器的开放共享。推动形成以行业协会为主导的新材料标准体系,面向国际市场建立高性能的技术标准和行业规范。加强新材料专利申请的评估审核,提高高性能复合材料及前沿新材料等高附加值领域的专利申请数量,注重专利直接转让与专利资本化转化相结合。针对关键战略材料和前沿新材料,通过政策引导避免热门产业领域恶性竞争,着力扭转低端产品过度集中、高端产品依赖进口的结构性矛盾。依托中小企业精细化加工生产的特点,培育新材料细分领域“隐形冠军”,让中小企业在细分领域、小批量多品种领域发挥作用。

第四,建立人才竞争择优、有序流动机制,以创新质量、综合贡献度、绩效分类评价创新人才。要抢抓全球人才流动的有利机遇,以优化人才结构、提升人才质量为重点,强化学科需求和应用导向,进一步健全人才分类评价政策体系,培养造就一批“高精尖”人才队伍,重点关注以下几类创新人才:

一是注重对多学科融合科研人员的培养,强化数字技术对新材料研发的推动作用。

二是注重对产业共性技术研发团队的打造,鼓励各类研发人员深入交流与知识分享。

三是注重对科技成果转化人员的激励,突出材料技术的产业化应用。

四是注重对细分行业“隐形冠军”人才的挖掘,着力在关键工艺技术、特殊材料配套和零部件领域有所突破。

在此基础上,逐步规范符合各类人才特点的激励政策,赋予科研院所和科研团队更大的自主权,包括经费使用、人才选聘、技术路线等,切实营造有利于创新创业的人才发展环境。

①主要指的是依托中央高校和中科院建设的材料领域21个国家重点实验室。

参考文献

〔1〕宫学源,2020:“新材料风险投资困境浅析及加速新材料创新之思考”,《新材料产业》,第6期。

〔2〕康萌越、谢振忠、程楠,2019:“国外新材料产业技术创新的五大模式及启示”,《中国建材报》,9月11日。

〔3〕李丹、肖劲松,2019:“中美新材料产业政策体系之比较”,《新经济导刊》,第3期。

〔4〕沈应龙,2018:“新材料产业技术创新大趋势”,《科技中国》,第4期。

〔5〕屠海令、张世荣、李腾飞,2016:“我国新材料产业发展战略研究”,《中国工程科学》,第8期。

〔6〕王江平,2018:“新材料已经成为制约我国制造业转型升级的突出短板”,《世界金属导报》,9月18日。

编者按:本文转载自微信公众号:三思派(ID:Science-Pie),作者:龙海波(国务院发展研究中心研究员、中国国际发展知识中心研究组织处处长)


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