关键词 |基础材料发展现状
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关键基础材料作为工业“四基”的重要组成部分，是我国制造业赖以发展的关键，对国民经济、国防军工建设起着重要的支撑和保障作用。本文概述国内外关键基础材料的发展现状，归纳存在的问题，提出其进一步发展的政策建议。
一、前言
关键基础材料是指先进工业制成品自身及其生产过程中所使用的支撑和关键材料，是先进制造业发展的基础，主要包括：先进制造业中应用量大面广，但仍存在问题的材料；影响经济安全和国防安全，必须自主研发的材料；引领先进制造业未来发展，需要提前布局的前沿新材料。本文中所述的关键基础材料涉及电子信息材料、新能源材料、关键化工新材料、建筑新材料、重大和高端装备用钢铁材料、高性能有色及稀有金属材料、无机非金属材料、特种纤维材料、生物医用和制药材料等。
总体上看，我国关键基础材料经过多年的发展取得了长足的进步，核心技术水平显著提高，产业规模日益扩大，为国民经济发展和国防工业建设提供了有力支撑。但作为工业发展的基础，关键基础材料的竞争力有待提高，产品质量和可靠性难以满足需求，部分关键材料依赖进口的局面仍然存在。为此，有必要加强关键基础材料发展的顶层设计，完善政策措施，这对落实《中国制造2025》战略、提升我国工业基础能力、增强国防军工实力和加快经济发展方式转变具有重要的战略意义。
二、我国关键基础材料的发展现状
1. 关键基础材料的宏观政策环境不断完善
近年来，国务院、国家发展与改革委员会、工业和信息化部、科学技术部等有关部委发布了《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《中国制造2025》《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》《工业强基工程实施指南（2016—2020年）》《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》《“十三五”国家科技创新规划》等宏观产业发展规划（见表 1），同时针对具体领域发布了相关的阶段发展规划，进一步明确了关键基础材料产业发展的目标和任务并细化到具体产品、技术和装备，落实到重大工程，为企业决策、政府配置公共资源以及战略性新兴产业的健康发展奠定了基础。
表1 我国关键基础材料产业发展规划
2. 关键基础材料的研究水平进一步提高
提高自主创新能力、加强核心技术突破是推进工业强基、提高竞争力的关键环节。经过近20年的发展，通过产学研用结合，我国关键基础材料的一批核心技术取得了突破，大量研发成果开展了推广应用，显著提高了相关领域的核心竞争力。
大直径硅材料在缺陷、几何参数、颗粒、杂质控制技术等方面不断完善，300mm硅材料可满足45nm技术节点的集成电路要求，此外还研制了无位错450mm硅单晶材料。 人工晶体材料经过多年的发展， 偏硼酸钡（BBO）和三硼酸锂（LBO）等紫外非线性光学晶体研究居国际领先水平并实现了商品化， 氟代硼铍酸钾（KBBF）是国际上唯一可实用的深紫外非线性光学晶体，并在我国首先成功装备先进的科学仪器， Nd：YAG、Nd：GGG 和 Nd： YVO4 等激光晶体主要技术指标达到国际先进水平，实现了千瓦级全固态激光输出。 锂离子电池正极材料、负极材料、电解液均能满足小型电池要求，隔膜、电解质锂盐等关键材料基本改变了依靠进口的局面。通过开展超高分子量聚乙烯纤维、卤化丁基橡胶以及高性能驱油聚合物等工业化技术开发，缩小了我国化工材料产业和国外发达国家的差距。海底管线钢X65、X70、X80及厚壁海洋油气焊管、化学品船用中厚板均已实现国产化，自主研制的2205型双相不锈钢，已用于化学品船。液化天然气（LNG）船用9%Ni钢和液化乙烯储罐用12Ni19钢已经批量生产。研制出的强度大于800 MPa的快速凝固喷射沉积铝合金和新一代 高强高韧高淬透性铝合金材料，综合性能达到国际先进水平。 铜带、铜管拉铸以及铜铝复合等铜材的高值化和节约化制备技术已经形成自主知识产权。亚微米级超细晶硬质合金整体刀具的性能达到世界先进水平。屈服强度355MPa以下平台用钢基本实现国产化，占平台用钢量的90%。大型钛合金铸锭和锻件研制生产取得明显进展，钛合金材料研制、大规格钛合金材料加工等领域技术水平显著提高。C194、KFC、C7025电子引线框架铜带突破了产业化关键技术，达到万吨级生产规模。T300级碳纤维实现了稳定生产，单线产能提高到1200t， T700级高性能碳纤维突破干喷湿法纺丝工艺，关键装备实现了自主设计和制造，大幅降低了生产成本。 玄武岩纤维、聚苯硫醚纤维等产品性能达到国际先进水平。我国发布了《电磁超材料术语》国家标准，开发了基于超材料与超射频技术的新型卫星通信产品，如图1所示。石墨烯等二维材料研究方兴未艾，低成本石墨烯相关材料实现了初步应用，如图2所示。
图1 超材料及其应用
图2 石墨烯材料及其应用
3. 关键基础材料的规模不断扩大
近年来，作为战略性新兴产业先导的新材料产业发展迅速，产业规模由2010年的6500亿元增长至2016年的25000亿元（见表2），年均增速约为25%。
- 在关键基础材料中，稀土功能材料产量居世界首位，2016年出口总量为47227t，同比增长35.6%。
- 2015年半导体硅材料产值达到53亿元，约占全球份额的5%，相比2010年增长60%。
- 膜材料研究及应用发展迅速，2015年仅膜法水处理产业的总产值就达849亿元，比2014年增长15.8%。
- 光伏发电产业持续增长，2016年新增装机容量为34.54GW，累计装机容量为77.42GW，新增和累计装机容量均为全球第一。
- 半导体照明产业初步形成了从上游外延材料生长与芯片制造、中游器件封装、下游集成应用的比较完整的研发与产业体系，2015年产值达到5216亿元，同比增长22.8%。
- 生物医用材料和制品规模持续增长，2015年我国生物医用材料市场销售额近1440亿元，年增长率超过17.2%。
- 作为国民经济建设中不可或缺的支柱材料，2016年钢材产量为1.138× 10 9 t，同比增长2.3%，继续稳居世界首位，其中特殊钢同比增长10.52%。2016年十种有色金属总产量达到 5.283× 10 7 t，同比增长2.46%；其中铜加工材产量达到2.095× 10 7 t，同比增长 12.53%；铝加工材产量达到5.796× 10 7 t，同比增长9.72%。
4. 关键基础材料对国家重要战略的支撑作用日益显现
随着环境保护和绿色低碳要求的进一步提高，我国实施节能减排战略，逐步改变高投入、高消耗、高污染、低效益的传统模式，在提高资源能源利用效率、降低制造过程环境污染方面进行了不懈努力。在产业转型升级的过程中，关键基础材料的产品结构也得到了调整，绿色环保材料的开发与应用力度不断加大。铝、钛、镁等轻质结构材料的使用和推广对能源、资源、环境的作用日益突出，自主研制的新型阴极结构高效节能铝电解槽，大幅降低了的能耗，为节约能源作出了突出贡献。攻克了特殊钢专业化生产线共性关键技术问题，突破了汽车用钢的短流程、深加工制备工艺，单位生产能耗大幅降低。实现了碳纤维复合材料在航空领域的应用，有效减轻了装备重量，降低油耗和排放，节约了运营成本。发展完善了废旧纺织品、塑料等回收与资源再利用体系，调整化纤再生与循环产业结构与原料构成，提高了优质产能与再生纺织品的比例，科学推进再生与循环技术创新，建立了高品质、多功能、低能耗为特征的新一代化纤循环产业体系。
关键基础材料对民生安居、新能源环保和新一代信息技术等重大工程的顺利实施作出了重大贡献。建材新材料产业已经形成自身发展与国家重大工程相结合的发展模式，为绿色建筑、建筑节能、旧城改造、安居工程、新农村建设、防灾减灾及灾后重建等重大工程提供了重要支撑。镍氢动力电池、锂离子动力电池和燃料电池等新能源材料的技术进步，促进了电动汽车的发展，产品在北京奥运会、上海世博会和“十城千辆”等电动汽车示范运行中得到应用，为发展新型能源、减少环境污染起到了良好的示范作用。微电子材料的技术进步有力支撑了“十二五”期间科技重大专项的顺利实施，对国内集成电路和信息产业的健康发展起到了推动作用。通过产学研用结合，攻克了若干技术难关，钢的强度不断提高、韧性和塑性有了显著改善，重大和高端装备用钢铁材料品种和质量控制有了长足进步，有力地支撑了国家 重大工程和高端装备制造的发展，如图3所示。
图3 关键钢铁材料的典型应用
虽然我国关键基础材料的研发与产业化取得了长足进步，但总体来看，与世界先进水平相比仍有较大差距，发展过程中还存在一些突出的矛盾和问题：
原始创新能力不足，基础支撑体系不健全。目前我国关键基础材料未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；缺乏符合行业标准的材料结构设计–制造–评价共享数据库。
共性技术研发能力不强，高端产品自给率不高。目前我国大多数行业的共性技术研发处于缺位状态，共性和前沿技术研发缺少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。产业共性关键技术研发缺失已成为制约我国产业结构调整和升级、提升国家产业竞争力的瓶颈。
顶层设计和统筹协调不够，存在低水平重复建设现象。虽然从国家层面到各地方政府均发布了材料产业规划，但一些地方没有立足于本地区自身条件和优势，没有科学合理定位和实现差异化分工，在某些产业领域存在严重的趋同现象，布局同质化，发展缺乏主线，形成产能之后即陷入低层次竞争。
资源配置分散，产业链不够完整。目前我国关键基础材料的企业数量多而分散，具有国际竞争力的骨干企业数量少，行业规模效益水平低，价格控制能力弱，国际市场话语权有待提高。部分关键基础材料产业链缺失，产业链条上各环节的协调及配套服务滞后，未形成集聚发展的良性态势。上游环节发展滞后，下游应用面临较大的升级压力，上下游产业之间的链接不顺，不利于产业的健康发展。
绿色低碳理念薄弱，节能环保有待加强。我国部分关键基础材料生产企业的绿色低碳理念薄弱，只顾“短、平、快”发展，低端产品急速增加，部分领域盲目发展，导致资源大量浪费，环境污染严重。
三、国外关键基础材料发展的特点
1. 对关键基础材料的宏观引导不断增强
新世纪以来，世界各国对于关键基础材料产业的关注与重视达到了一个新的高度，纷纷制定相应的规划，在研发、市场、产业环境等不同层面出台政策，全面加强扶持力度，推动关键基础材料产业的发展。迄今为止，已有20多个发达国家和新兴经济体制定了与材料相关的新兴产业发展战略，启动了100余项专门计划。
- 美国 于2009年、2011年和2015年三度发布《国家创新战略》，其核心理念是构筑“创新金字塔”，清洁能源、生物技术、纳米技术、空间技术、健康医疗、先进制造等国家优先发展领域都涉及关键基础材料。
- 欧盟 为实现经济复苏、消除发展痼疾、应对全球挑战，于2010年3月制定了《欧洲2020战略》，提出多个战略重点。
- 德国 于2010年发布《创意、创新、增长：德国2020高科技战略》。
- 英国 商业、创新与技能部于2011年发布了《促进增长的 创新与研究战略》报告。
日本于2015年在《经济再兴战略》的基础上发布了《新增长战略》。
- 韩国 于2009年发布了《绿色增长国家战略及五年行动计划》和《新增长动力规划及发展战略》。
各国还通过制定专项规划和行动计划，加大实施力度，支持材料重点领域优先发展。 美、日、欧等国家和地区还分别推出了《“智慧地球”计划》《大数据研究与开发计划》《欧盟物联网战略研究路线图》《数字英国》《数字日本创新计划》等专项实施计划。 巴西、印度、俄罗斯等新兴经济体则采取重点赶超战略，在新能源材料、节能环保材料、纳米材料、生物材料、医疗和健康材料、信息材料等领域制定专门规划，力图在未来的国际竞争中抢占一席之地。上述规划都将关键基础材料作为发展产业的重要环节列为重点发展方向和发展领域，并以此作为新一轮工业革命的重要支撑（见表2）。
表2 国际关键基础材料相关的发展战略与计划
图4 工业 4.0
2. 以关键基础材料技术的突破发展推动产业变革
高新技术产业的快速发展对关键基础材料提出新的挑战和需求，同时材料更新换代又促进了高技术成果向生产力的转化。例如，微电子芯片集成度及信息处理速度大幅提高，成本不断降低，硅材料发挥了重要作用。目前，300mm硅片可满足14nm技术节点的集成电路要求，450mm硅片已产出样片。硅材料需求预测如图5所示。低温共烧陶瓷技术（LTCC）的研发取得重要突破，大量无源电子元件整合于同一基板内已成为可能。目前LTCC技术主要作为MCM/C的互连封装手段，除此而外，还有许多非电路应用，如燃料电池、传感器和电子元件。伴随着先进材料研究技术的不断延展，也产生了诸多新兴产业，如氮化镓等化合物半导体材料的发展，催生了半导体照明技术。白光发光二极管（LED）的光效已远远超过白炽灯和荧光灯，给照明工业带来革命性的变化。太阳能电池转换效率不断提高，极大地推动了新能源产业的发展。镁合金与钛合金等高性能结构材料的加工技术取得突破，成本不断降低，研究与应用重点由航空、航天以及军工领域扩展到高附加值的民用领域。基于分子和基因等临床诊断材料和器械的发展，使肝癌等重大疾病得以早日发现和治疗；介入器械的研发催生了微创和介入治疗技术，使心血管系统疾病的死亡率大幅下降。
图5 硅材料需求预测（ 注：1 ft² ≈ 0.0929 m²）
3. 以绿色、低碳作为关键基础材料发展的重要衡量标准
太阳能、核能和生物能等新能源产业的崛起，引起电力、建筑、汽车、通信等多个产业发生重大变革，拉动风机制造、光伏组件、多晶硅等一系列制造业和资源加工业的发展，促进智能电网、电动汽车等输送与终端产品的开发和生产。欧美等发达国家已经通过立法，推动节能建筑和光伏发电建筑的发展，目前欧洲80%的中空玻璃使用Low-E玻璃，美国Low-E中空玻璃的普及率达82%，Low-E玻璃的节能原理如图6所示。通过提升新型结构材料强韧性、提高温度适应性、延长寿命以及材料的复合化设计可降低成本、提高质量，如T800碳纤维抗压缩强度（CAI）达到350MPa，使用温度达到400℃以上，并在大型飞机和导弹的主结构件中得到大量应用。功能材料向微型化、多功能化、模块集成化、智能化等方向发展以提升材料的性能。纳米技术与先进制造技术的融合将产生体积更小、集成度更高、智能化更强、功能更优异的产品。
图6 Low-E 玻璃的节能原理
4. 变革关键基础材料的研发模式成为共识
进入21世纪以来，发达国家逐渐意识到依 赖于试错的传统材料研究方法已跟不上工业快速发展的步伐，甚至可能成为制约技术进步的瓶颈。因此，亟需革新材料研发方法，加速材料从研发到应用的进程。例如，作为美国政府“先进制造伙伴计划”（AMP）的重要组成部分，2011年启动的“材料基因组计划”（MGI），其新材料从发现到应用的速度至少提高一倍，成本至少降低一半，旨在发展以先进材料为基础的高端制造业，并继续保持其在核心科技领域的优势。MGI的具体内容包括：
发展高通量计算工具和方法，减少耗时费力的实验，加快材料设计；
发展和推广高通量材料制备和检测工具，更快地进行候选材料的验证和筛选；
发展和完善材料数据库/信息学工具，有效管理材料从发现到应用的全过程数据链；
培育开放、协作的新型合作模式。MGI与人类基因组计划的类比，如图7所示。在这场变革材料研发模式过程中，欧盟、日本等也启动了类似的科学计划，例如欧盟以轻量、高温超导、磁性及热磁、热电和相变记忆存储等高性能材料需求为牵引，推出了“加速冶金学计划”（ACCMET）。
图7 MGI与人类基因组计划的类比
四、我国关键基础材料发展重点
根据我国经济建设和国防工业对关键基础材料的需求，结合国际最新发展趋势，有重点的遴选出关键基础材料，加速重大技术突破，营造适宜产业发展的环境，促进产业结构升级，形成良好产业生态，推动经济社会可持续发展。
1. 发展目标
2025年发展目标：关键基础材料产业整体水平达到国际先进水平，实现大规模绿色制造使役和循环利用，基本建成关键基础材料产业创新体系，实现绝大部分关键基础材料的自给，满足国民经济、国家安全、社会可持续发展的需求，实现我国由材料大国向材料强国的战略性转变。
2. 重点发展领域
关键基础材料的重点发展领域，如表3所示。
表3 关键基础材料的重点发展领域
五、中国成达工程有限公司（八院）
1. 加快研发体系建设
紧密围绕国家发展战略，加强顶层设计，合理布局关键基础材料的研发体系。重视当前处于研发阶段的前沿材料，适度超前安排，建立符合行业标准的关键基础材料设计–制造–评价共享数据库，建设与国际接轨并具有我国特色的材料标准体系，着力突破关键基础材料产业发展的工程化问题。
2. 完善产业发展环境
加快制定关键基础材料产业发展指导目录和投资导向意见，完善产业链、创新链、资金链。发挥市场的资源配置作用，科学引导，理性投资，协调国家对重点基础材料行业的聚焦支持，帮助关键基础材料中小企业群体健康成长，营造具有国际竞争力的产业生态环境。
3. 促进提质增效协同发展
提升关键基础材料的产品质量稳定性，降低生产成本，增强产业支撑能力。围绕国家重大工程建设需求，加强产学研用协同创新，提高关键基础材料的一致性和服役可靠性。推动优势关键基础材料企业与高端装备制造企业建立供应链协作关系，优 化品种结构，促进产品融入全球高端制造业供应链，提高我国关键基础材料的国际竞争力。
4. 加强配套政策支持
加大财政、金融、税收等政策对关键基础材料的扶持力度，建立和完善规范化的风险投资运行、避险和退出机制，形成鼓励使用国产关键基础材料的健康体系。完善支持创新的税收政策，创造良好的投资环境，防止一哄而上，出现“投资碎片化”， 落实研发费用加计扣除和高新技术企业所得税优惠等政策。
5. 推进人才队伍建设
实施创新人才发展战略，鼓励采取核心人才引进和团队引进等多种方式引进海内外人才，鼓励企业积极培养自主创新的人才队伍。同时充分发挥行业协会、科研单位和大学的作用，共同建立关键基础材料产业专家系统，加强材料研发、生产和应用的直接沟通和交流。关键基础材料产业专家系统可就关键基础材料发展现状、发展趋势和需要关注的重点问题提供咨询意见。
来源：前沿材料
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