
新材料是人类赖以生存的物质基础ღ◈ღ,每种新材料的出现及应用都将伴随着现代科学技术的巨大飞跃ღ◈ღ。从现代科学技术史中不难看出ღ◈ღ,每一项重大科技的突破在很大程度上都依赖于相应的新材料的发展ღ◈ღ。因此ღ◈ღ,新材料是现代科技发展之本ღ◈ღ,美国将新材料称之为“科技发展的骨肉”ღ◈ღ。新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”
新材料产业的创新主体是美国ღ◈ღ、日本和欧洲等发达国家和地区ღ◈ღ,其拥有绝大部分大型跨国公司ღ◈ღ,在经济实力ღ◈ღ、核心技术妖刀记29ღ◈ღ、研发能力ღ◈ღ、市场占有率等多方面占据绝对优势ღ◈ღ。其中ღ◈ღ,美国属于全面领跑的国家尊凯科技有限公司ღ◈ღ,日本的优势在纳米材料ღ◈ღ、电子信息材料等领域ღ◈ღ,欧洲在结构材料ღ◈ღ、光学与光电材料等方面有明显优势ღ◈ღ。中国ღ◈ღ、韩国ღ◈ღ、俄罗斯紧随其后ღ◈ღ,目前属于全球第二梯队ღ◈ღ。
中国在半导体照明ღ◈ღ、稀土永磁材料ღ◈ღ、人工晶体材料ღ◈ღ,韩国在显示材料ღ◈ღ、存储材料ღ◈ღ,俄罗斯在航空航天材料等方面具有比较优势ღ◈ღ。从新材料市场来看ღ◈ღ,北美和欧洲拥有目前全球最大的新材料市场ღ◈ღ,且市场已经比较成熟ღ◈ღ,而在亚太地区ღ◈ღ,新材料市场正处在快速发展的阶段ღ◈ღ。从宏观层面看ღ◈ღ,全球新材料市场的重心正逐步向亚洲地区转移ღ◈ღ。
美国是全球新材料领域的重要领导者尊龙凯时ღ◈ღ,ღ◈ღ。北京大学数字中国研究院副院长曾经认为ღ◈ღ:美国在新能源ღ◈ღ、新材料和生命工程方面的技术水平远远领先于世界其他国家ღ◈ღ。
值得一提的是ღ◈ღ,美国曾经把新材料列为影响经济繁荣和国家安全的六大类关键技术之首ღ◈ღ。在确定的22项关键技术中妖刀记29ღ◈ღ,材料占了5项(即材料的合成和加工ღ◈ღ、电子和光电子材料ღ◈ღ、陶瓷ღ◈ღ、复合材料ღ◈ღ、高性能金属和合金)ღ◈ღ。美国的新材料发展特色是以国防部和航空航天局的大型研究与发展计划为龙头ღ◈ღ,主要以国防采购合同形式来推动和确保高校ღ◈ღ、科研机构和企业的新材料研究与发展工作ღ◈ღ。
早在2011年ღ◈ღ,美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“推进制造业伙伴关系”计划ღ◈ღ,通过政府ღ◈ღ、高校及企业的合作来强化美国制造业ღ◈ღ,投资逾1亿美元的“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative)是其组成部分之一ღ◈ღ。“材料基因组计划”拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作ღ◈ღ,加强“产学研用”妖刀记29ღ◈ღ,注重实验技术ღ◈ღ、计算技术和数据库之间的协作和共享ღ◈ღ,目标是把新材料研发周期减半ღ◈ღ,成本降低到现有的几分之一ღ◈ღ,以期加速美国在清洁能源ღ◈ღ、国家安全ღ◈ღ、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步ღ◈ღ,提高美国在新材料领域的国际竞争力ღ◈ღ。
美国重点把生物材料ღ◈ღ、信息材料ღ◈ღ、纳米材料ღ◈ღ、极端环境材料及材料计算科学列为主要前沿研究领域ღ◈ღ,支持生命科学ღ◈ღ、信息技术ღ◈ღ、环境科学和纳米技术等发展ღ◈ღ,尤其满足国防ღ◈ღ、能源ღ◈ღ、电子信息等重要部门和领域的需求ღ◈ღ。由此ღ◈ღ,美国制订了一系列与新材料相关的战略性计划ღ◈ღ,主要包括ღ◈ღ:“21世纪国家纳米纲要” “ 国家纳米技术计划(NNI)” “未来工业材料计划” “光电子计划” “ 光伏计划” “下一代照明光源计划”“先进汽车材料计划” 化石能源材料计划 “建筑材料计划” “NSF先进材料与工艺过程计划” “材料基因组计划”等ღ◈ღ。美国在新材料科技发展方面取得很大进展ღ◈ღ。比如在战略性新材料计划之下ღ◈ღ,早在2011年1月份ღ◈ღ,美国科学家开发出一种由超介质材料制造的声呐探测不到的“隐声衣”ღ◈ღ;3月份ღ◈ღ,高效存储氢的纳米复合材料问世ღ◈ღ;6月份ღ◈ღ,“诱导”聚合物拟肽链自我组装成纳米绳子ღ◈ღ,自组装纳米绳性能不逊于自然材料ღ◈ღ;9月份ღ◈ღ,以镱为基础材料研制出奇特的新型超导体ღ◈ღ,在自然状态就能达到“量子临界点” ღ◈ღ;11月份ღ◈ღ,研发的超黑材料能吸收几乎所有照射在其上的光ღ◈ღ,吸收率超过99%ღ◈ღ;同月ღ◈ღ,新研发的世界上最轻的材料ღ◈ღ,其能量吸收性能与人造橡胶相仿ღ◈ღ,却比聚苯乙烯泡沫塑料还要轻100倍ღ◈ღ。
美国还拥有世界顶尖的新材料高等学府ღ◈ღ:比如著名的西北大学ღ◈ღ、麻省理工大学(材料科学与工程学院的课程排名第一)尊凯科技有限公司ღ◈ღ、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(由最早成立于1867年的陶瓷ღ◈ღ、冶金ღ◈ღ、矿业等系合并而来ღ◈ღ;专业分为生物材料ღ◈ღ、电子材料等6个方向;全美材料专业排名常年前三ღ◈ღ。)ღ◈ღ、加利福尼亚大学伯克利分校(世界上最负盛名且是最顶尖的公立大)ღ◈ღ、斯坦福大学(世界上最杰出的大学之一)ღ◈ღ、加州大学圣塔芭芭拉分校(美国顶尖的以研究科学为主ღ◈ღ,且学术声望非常高的研究性公立大学)等ღ◈ღ。
美国拥有一大批全球顶尖的研究所及领先的实验室ღ◈ღ:比如橡树岭国家实验室ღ◈ღ、阿贡国家实验室ღ◈ღ、埃姆斯实验室等17个科研实力全球名列前茅的国家实验室ღ◈ღ;杜邦ღ◈ღ、波音ღ◈ღ、IBM等13个顶尖科技研发公司实验室ღ◈ღ;以及麻省理工大学ღ◈ღ、哈佛大学等180所高校ღ◈ღ。
日本是新材料生产技术最先进的国家ღ◈ღ,日本政府十分重视新材料技术的发展ღ◈ღ,把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标ღ◈ღ,因此ღ◈ღ,日本材料企业在全球新材料产业界形成“一枝独秀”领先局面ღ◈ღ。
日本机械制造工业长期保持全球先进水平与其发达的材料产业密不可分ღ◈ღ。比如日本的新材料产业凭借其超前的研发优势ღ◈ღ、先进的研发成果ღ◈ღ、实用化开发力度ღ◈ღ,在环境及新能源材料世界市场占据绝对的领先地位ღ◈ღ。
日本拥有世界领先的新材料巨头ღ◈ღ:比如享誉世界的京瓷株式会社ღ◈ღ;三井化学株式会社(Mitsui Chemicals)等ღ◈ღ。
日本同时还拥有享誉世界的顶尖大学ღ◈ღ:比如著名的东京大学ღ◈ღ。东京大学曾经培养了16名总理大臣ღ◈ღ、21名(日本)国会议长ღ◈ღ,13名富比世500大企业首席执行官ღ◈ღ。11名诺贝尔奖得主ღ◈ღ、6名沃尔夫奖得主ღ◈ღ、1名菲尔兹奖ღ◈ღ、3名罗伯·柯霍奖ღ◈ღ、4四名盖尔德纳国际奖及四名普立兹克建筑奖得主ღ◈ღ。还有日本名古屋大学 ღ◈ღ。它是日本顶尖ღ◈ღ、世界一流的著名研究型国立综合大学ღ◈ღ,是日本中部地区最高学府ღ◈ღ。名古屋大学曾经培养出6名诺贝尔奖得主ღ◈ღ、1名菲尔兹奖得主ღ◈ღ。
在新材料领域ღ◈ღ,日本远远领先于其他国家ღ◈ღ。如制造洲际弹道导弹喷管和壳体以及飞机骨架使用的高强度碳纤维材料ღ◈ღ,全球最高性能主动相控阵军用雷达使用的宽禁带半导体收发组件材料ღ◈ღ,制造新式涡轮发动机涡轮叶片使用的高性能单晶叶片ღ◈ღ,在这三种高精尖材料领域ღ◈ღ,日本遥遥领先ღ◈ღ,其他国家只能望其项背ღ◈ღ。
此外ღ◈ღ,日本的碳纤维材料也处于全球领先地位ღ◈ღ。在全球碳纤维生产制造厂家中ღ◈ღ,日本拥有东丽ღ◈ღ、东邦和三菱等三家顶尖公司ღ◈ღ,它们都代表了世界最顶级技术水平ღ◈ღ。据悉ღ◈ღ,在碳纤维有机复合材料领域ღ◈ღ,前苏联国家石墨结构材料研究所ღ◈ღ、前苏联聚合物纤维研究所ღ◈ღ,全俄航空材料研究院ღ◈ღ,能够生产出拉伸强度2500—3000MPaღ◈ღ、拉伸模量250GPa的高强度碳纤维ღ◈ღ,以及模量400—600GPa的高模量碳纤维ღ◈ღ。尤其是后期又研发出4000—5000MPa的中模量碳纤维ღ◈ღ。尽管如此ღ◈ღ,俄罗斯的碳纤维产品在性能及水平上依然没有超过日本的技术水平ღ◈ღ。
德国新材料产业受到全世界的公认好评ღ◈ღ。2012年6月ღ◈ღ,德国启动实施了《纳米材料安全性》长期研究项目ღ◈ღ,以了解各类纳米材料可能对周边环境产生的影响ღ◈ღ,通过定量化方法对纳米材料进行安全性风险评估ღ◈ღ。2012年11月ღ◈ღ,德国启动“原材料经济战略”科研项目尊凯科技有限公司ღ◈ღ,目的是开发能够高效利用并回收原材料的特殊工艺ღ◈ღ,加强稀土ღ◈ღ、铟ღ◈ღ、镓ღ◈ღ、铂族金属等的回收利用ღ◈ღ。
德国为鼓励各种社会力量参与新材料研发ღ◈ღ,先后颁布实行了“材料研究MatFo”(1984-1993年)ღ◈ღ、“材料技术MaTech”(截至2003年)和“为工业和社会而进行材料创新WING”(始于2004年)3个规划ღ◈ღ。“WING规划”强调ღ◈ღ,密切关注材料的可制造性ღ◈ღ,致力于协调各部门间的高水平材料研究ღ◈ღ。
值得一提的是ღ◈ღ,2013年4月ღ◈ღ,德国颁布了《关于实施工业4.0战略的建议》白皮书ღ◈ღ。之后德国将“工业4.0”项目纳入了《高技术战略2020》的10个未来项目中ღ◈ღ,以推动智能制造ღ◈ღ、互联网ღ◈ღ、新能源ღ◈ღ、新材料ღ◈ღ、现代生物为特征的新工业革命ღ◈ღ。德国企业界普遍认为ღ◈ღ,确保和扩大在材料研发方面的领先地位是其在国际竞争中取得成功的关键ღ◈ღ。2016年3月ღ◈ღ,德国发布的《数字战略2025》(Digital Strategy 2025)确定ღ◈ღ,实现数字化转型的步骤及具体实施措施ღ◈ღ,其中重点支柱项目包括工业3D打印等尊凯科技有限公司ღ◈ღ。
英国是全球传统的新材料强国之一ღ◈ღ。英国亨利·罗伊斯研究所(Henry Royce Institute)由九个先进材料研究机构组成妖刀记29ღ◈ღ,并与剑桥大学物理研究所和制造业研究所一起确定了五个绿色技术“路线图”ღ◈ღ,描述了关键材料领域如何减少温室气体排放ღ◈ღ。具体包括ღ◈ღ:
研究人员还提出了一系列建议妖刀记29ღ◈ღ,包括呼吁增加对材料研究和测试设施的投资ღ◈ღ,制定新法律以确保采用新的绿色技术ღ◈ღ,以及将可持续发展作为任何新的先进材料的核心尊凯科技有限公司ღ◈ღ。
中国是全球首屈一指的新材料产业大国ღ◈ღ,产业规模大约2万亿元ღ◈ღ。中国在金属材料ღ◈ღ、纺织材料ღ◈ღ、化工材料等传统领域基础较好尊凯科技有限公司ღ◈ღ,稀土功能材料ღ◈ღ、先进储能材料ღ◈ღ、光伏材料ღ◈ღ、有机硅ღ◈ღ、超硬材料ღ◈ღ、特种不锈钢ღ◈ღ、玻璃纤维及其复合材料等产能居世界前列ღ◈ღ。经过几十年奋斗ღ◈ღ,中国新材料产业从无到有ღ◈ღ,不断发展壮大ღ◈ღ,在体系建设ღ◈ღ、产业规模ღ◈ღ、技术进步等方面取得明显成就ღ◈ღ,为国民经济和国防建设做出了重大贡献ღ◈ღ,具备了良好发展基础ღ◈ღ,预计到2025年中国新材料产值有望突破10万亿元ღ◈ღ。
中国在部分先进基础材料ღ◈ღ、关键战略材料ღ◈ღ、前沿新材料等领域ღ◈ღ,已经实现了与国际先进水平“并跑”甚至“领跑”ღ◈ღ。比如在关键战略材料方面ღ◈ღ,中芯国际在前七大耗材中实现六类材料的国产采购ღ◈ღ;南山集团的铝合金厚板通过波音公司认证并签订供货合同ღ◈ღ;中船重工兆瓦级稀土永磁电机体积比传统电机减少50%ღ◈ღ、重量减轻40%ღ◈ღ;液态金属在3D打印ღ◈ღ、柔性智能机器ღ◈ღ、血管机器人等领域实现初步应用等ღ◈ღ。
中国的石墨烯技术处于世界领先水平ღ◈ღ。2017世界石墨烯创新大会在中国常州举行ღ◈ღ,这标志中国石墨烯技术已经开始走在世界前列ღ◈ღ。值得一提的是ღ◈ღ,石墨烯材料最早是由英国科学家发现ღ◈ღ,石墨烯是已知世界上最薄ღ◈ღ、最硬的材料ღ◈ღ,被誉为“黑金”“新材料之王”ღ◈ღ。据悉ღ◈ღ,石墨烯的厚度可达头发丝的20万分之一ღ◈ღ,强度是钢的200倍ღ◈ღ。科学家预言ღ◈ღ,石墨烯将会是21世纪最重要的新材料ღ◈ღ,市场应用前景不可估量ღ◈ღ。石墨烯技术已被世界许多国家列为优先发展的材料技术妖刀记29ღ◈ღ,虽然中国接触石墨烯技术只有短短几年时间ღ◈ღ,但发展势头很猛ღ◈ღ,且中国拥有巨大的潜在市场ღ◈ღ。
中国的人工晶体材料经过多年的发展ღ◈ღ,偏硼酸钡和三硼酸锂等紫外非线性光学晶体研究居国际领先水平并实现产业化ღ◈ღ;激光晶体ღ◈ღ、太阳能电池关键技术指标达到国际先进水平ღ◈ღ,光伏发电成本降到1元/kWh以下ღ◈ღ。
中国拥有全球最完备的液体金属全产业链ღ◈ღ,从原材料到制成ღ◈ღ,从专利到工艺ღ◈ღ,我国可大规模生产锆基非晶合金ღ◈ღ,尤其在块状成型工艺技术里ღ◈ღ,我国已掌握液态金属核心技术ღ◈ღ。值得一提的是ღ◈ღ,中国的材料配方ღ◈ღ、设备制造和成型工艺等三大核心技术ღ◈ღ,都拥有自主的知识产权ღ◈ღ,也是全球唯一一家能对外公布具备大形块状非晶金属成型能力的国家ღ◈ღ。
俄罗斯是传统的制造业强国尊凯科技有限公司ღ◈ღ,ღ◈ღ,尤其在新材料等新兴产业科技创新方面具有独特优势ღ◈ღ。值得一提的是ღ◈ღ,俄罗斯在航天航空ღ◈ღ、能源材料ღ◈ღ、化工新材料等领域处于全球领先地位ღ◈ღ。据了解ღ◈ღ,俄罗斯国家科学技术大学的材料科学家曾经研制出一种氰化铪陶瓷ღ◈ღ,理论上能承受4200摄氏度高温ღ◈ღ。在此之前ღ◈ღ,世界上公认的最耐高温ღ◈ღ、最难熔化的人造物质是钽铪碳化物ღ◈ღ。另外ღ◈ღ,俄罗斯采用SHS法(自蔓燃技术)合成的化合物已多达700种ღ◈ღ,位居世界领先地位ღ◈ღ。
俄罗斯研发新材料的战略目标是ღ◈ღ:一方面ღ◈ღ,力求继续保持某些材料领域在世界上的领先地位ღ◈ღ,如航空航天ღ◈ღ、能源工业ღ◈ღ、化工ღ◈ღ、金属材料ღ◈ღ、超导材料ღ◈ღ、聚合材料等ღ◈ღ;另一方面ღ◈ღ,大力发展对促进国民经济发展和提高国防实力有影响的领域ღ◈ღ,如电子信息工业ღ◈ღ、通讯设施ღ◈ღ、计算机产业等ღ◈ღ。
俄罗斯始终把新材料相关技术产业作为国家战略和国家经济的主导产业ღ◈ღ。比如ღ◈ღ,在2012年4月俄罗斯发布的《2030年前材料与技术发展战略》中将18个重点材料战略列为发展方向ღ◈ღ,其中包括智能材料ღ◈ღ、金属间化合物ღ◈ღ、纳米材料及涂层尊凯科技有限公司ღ◈ღ、单晶耐热超级合金ღ◈ღ、含铌复合材料等ღ◈ღ,同时俄罗斯还制定了新材料产业主要应用领域的发展战略ღ◈ღ。另外ღ◈ღ,俄罗斯科学院于2015年发布的《至2030年科技发展预测》中将7项技术列为科技优先发展方向ღ◈ღ,即信息通信技术ღ◈ღ、生物技术ღ◈ღ、医疗与保障ღ◈ღ、新材料与纳米技术ღ◈ღ、自然资源合理利用ღ◈ღ、交通运输与航天系统ღ◈ღ、能效与节能等ღ◈ღ。
韩国早在2001年就成为世界上第5个材料出口国ღ◈ღ,并且推出“Fast-Follower”战略ღ◈ღ,希望跻身四强ღ◈ღ。韩国企业在“Fast-Follower”战略推动下ღ◈ღ,逐渐赶超了原材料行业发达国家的企业ღ◈ღ。韩国在2001年成为世界上第5个材料出口国/地区ღ◈ღ,当年材料行业占韩国出口总额的45%以上ღ◈ღ,到了2015年达到68%ღ◈ღ。
韩国一直处于新材料研发的核心阵营ღ◈ღ。如在韩国ღ◈ღ,石墨烯广泛应用于太阳能电池ღ◈ღ、半导体ღ◈ღ、透明面板ღ◈ღ、发光材料等不同领域ღ◈ღ。尽管石墨烯是国外科学家首先发明的ღ◈ღ,但韩国在石墨烯产业研发创新上是“最早的行动者”之一ღ◈ღ。2016年ღ◈ღ,韩国已成为拥有石墨烯专利最多的国家ღ◈ღ:韩国三星拥有225项专利ღ◈ღ,LG拥有180项专利妖刀记29ღ◈ღ,成均馆大学拥有147项专利ღ◈ღ,韩国科学技术院(KAIST)拥有129项专利ღ◈ღ,首尔国立大学拥有78项专利ღ◈ღ。
值得一提的是ღ◈ღ,韩国政府在2013年发布的《第三次科学技术基本计划》中提出ღ◈ღ,将在5个领域推进120项国家战略技术的开发ღ◈ღ,其中30项为重点技术ღ◈ღ,包括先进技术材料ღ◈ღ、知识信息安全技术ღ◈ღ、大数据应用技术等内容ღ◈ღ。