中國工程院院士幹勇

2019年6月29-30日，第二十一屆中國科協年會在哈爾濱隆重舉行。在這一科技盛會前夕的6月28日，召開了“國際新材料科技發展論壇”（科協年會分會場）。論壇邀請了中國科協先進材料學會聯合體主席團主席幹勇院士為領銜科學家，近10位兩院院士及多名國內外知名材料專家、學者作了學術報告。

下面是幹勇院士以《製造業強國新材料發展戰略》為題的主旨報告中的精彩內容。信息量很大，建議收藏閱讀。

前言

材料技術發展趨勢

材料技術向高性能、納米化、複合化和集成化發展，製造技術向智能化、全球化、集聚化和極限化發展。

“製造強國戰略研究”是中國工程院會同工業和信息化部、國家質檢總局等多個部門，於2013年聯合組織開展的重大長期諮詢項目，目前正在開展第三期研究。

基於製造強國指數研究結果，提出了我國跨入製造強國行列的“三步走”戰略：

第一步：到2025年中國製造業進入世界第二方陣，邁入製造強國行列。

第二步：到2035年中國製造業進入第二方陣前列，我國製造業整體達到世界製造強國陣營中等水平。

第三步：2045年中國製造業進入第一方陣，我國製造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界製造強國前列。

製造強國發展指數-測評結果

規模發展指數：中國表現突出，位居各國首位。此外，得益於上游行業持續升溫，2017年中國此項指數漲幅（4.66）為2012年以來最高。

質量效益指數：美國絕對優勢依舊明顯，指數值遙遙領先，中國此項指數較低，與美國差距較大。高質量發展任重道遠。

2017年各國製造強國分享指數（結構優化指數 & 持續發展指數）

結構優化指數：美國、德國領先眾國，日本排名第三。中國在結構優化方面具有一定國際競爭力，但與美德日之間依然存在較大差距。

持續發展指數：美國和日本並駕齊驅，其次為德國、韓國。中國雖與英國、法國指數接近，但整體仍偏弱，與印度、巴西比優秀也不明顯。

我國十個重點領域可分為四個方面

二、十三五新材料規劃與形勢

基礎材料與形勢

時至今日，我國已有鋼鐵、有色金屬、稀土金屬、水泥、玻璃、化學纖維等百餘種材料產量達到世界第一位；材料產業成為我國國民經濟的重要性組成部分，佔我國GDP的22.8%左右，占城鎮就業人口15%左右。

問題與挑戰

我國新材料技術發展的使命依然艱鉅，科技支撐能力需進一步提升，領域發展依然面臨諸多挑戰：

·基礎原材料整體技術水平不高，物耗能耗排放高；

·核心技術、工藝及裝備依賴進口或者受制於國外；

·配套與工程化能力較弱，高端產品產業化程度低；

·新興產業市場巨大，需求明確，但國際競爭激烈；

·國家重大工程和國防建設對部分新材料需求強烈；

·產業競爭力不強，利潤率低，部分行業產能嚴重過剩。

高端新材料是重大工程成功的保障

材料是國民經濟建設、社會進步和國防安全的物質基礎，是實現產業結構優化升級和提升裝備製造業的保證，也是發展新興產業的先導。

l 基礎性、先導性、前瞻性強

新材料是許多相關領域技術變革的基礎和導引：

-微/光電子材料與器件→現代信息技術

-納米材料→生物技術與醫療技術

-超導材料與技術→能源技術

-碳纖維、高溫合金等→航空航天技術

l 顯示度差（一般不是最終產品）

l 結構材料和功能材料

需要高端新材料核心技術全面突破的時代已經到來。

十三五部分新材料發展目標、指標體系及重點任務

（一）重點基礎材料

重點任務

l 面向量大面廣的基礎材料產業，促結構調整與產業升級；

l 解決產品同質化、低值化；兼顧環境、能源、資源、效率；

l 攻克設計開發、製造流程、工藝優化等關鍵技術，提升國產化裝備製造水平；

l 實現重點基礎材料高性能和高附加值、綠色高效低碳生產。

• 鋼鐵材料（流程、高性能鋼材、特種鋼材等）
• 有色金屬材料（鋁合金、鎂合金、鈦合金、稀貴等）
• 紡織材料（化工柔性化高效製備技術、再生纖維等）
• 石化材料（化工過程強化、催化劑、潤滑油等）
• 輕工材料（聚烯烴壽效同步技術、表面活性劑等）
• 建築材料（水泥、混凝土、特種玻璃、陶瓷燈）

（二）戰略性先進電子材料

目標

瞄準全球技術和產業制高點，抓住我國“換道超車”的歷史性發展機遇，以第三代半導體材料與半導體照明、新型顯示為核心，以大功率激光材料與器件、高端光電子與微電子材料為重點，通過體制機制創新、跨界技術整合，構建基礎研究及前沿技術、重大共性關鍵技術、典型應用示範的全創新鏈，並進行一體化組織實施。

指標體系

到2020年，研發出四大類、百種以上新型電子材料與器件，在照明、顯示、移動通信、激光加工等領域實現規模應用，推動和支撐產業規模超過萬億，年節電3400億度，減少二氧化碳排放3億噸，形成專利1200項，制定標準和規範100項，培養領軍型創新創業人才500名。

重點任務

u 聚焦新一代信息技術、智能製造、節能環保等重大需求；

u 重點研發支撐戰略性新興產業發展，國民經濟可持續發展不可或缺的關鍵材料；

u 滿足“創新驅動發展”國家戰略需求，搶佔未來產業發展制高點。

l 第三代半導體與半導體照明技術（GaN、SiC、LED 等）

l 新型顯示技術（OLED、激光顯示、印刷顯示等）

l 功能晶體與激光技術（晶體、紫外、超短脈衝、大功率激光器等）

l 高端光電子與微電子材料（光電子、微電子、磁電子、SAW等）

（三）先進結構與複合材料

目標

重點研究高性能纖維及複合材料、高溫合金、高端裝備用特種合金、海洋工程用關鍵結構材料、輕質高強材料、高性能高分子結構材料、材料表面工程技術，以及3D打印材料與粉末冶金近終成形技術、金屬基複合材料與金屬層狀符合材料等關鍵材料和技術，實現我國高性能結構材料研究與應用的跨越發展。

指標體系

Ø 建立我國先進結構與複合材料完善的科學體系，建立相關的材料數據庫、設計數據庫、工藝數據庫和應用數據庫；

Ø 建立20個“產-學-研-用”聯盟，建成材料設計、開發和應用平臺；攻克20項具有重大戰略應用背景的產品、系統和成套技術；形成20項自主知識產權的原創技術與核心成果。

重點任務

u 保障國家經濟發展和國家安全；

u 支撐航空航天、高鐵、海洋工程、核電裝備等重大工程發展；

u 改變我國高端結構材料長期落後、受制於人的局面，大力突破瓶頸技術。

l 高性能纖維及其複合材料（碳纖維、有機纖維、SiC等）

l 高溫合金（“一材多用”，大型、薄壁成形技術等）

l 海洋工程材料（耐蝕鋼、混凝土、防汙塗層等）

l 高性能高分子結構材料（聚芳醚酮、聚苯硫醚等）

l 輕質高強材料與減量化技術

l 材料表面工程技術

l 3D打印材料及粉末冶金近終成形技術

l 金屬基複合材料與金屬層狀符合材料

（四）新型功能與智能材料

目標

Ø 圍繞航空航天、軌道交通、船舶車輛、海洋工程、清潔能源等高端裝備以及新一代信息技術、智能製造與機器人、精準醫療等戰略性新興產業對新型功能與智能材料的迫切需求，通過基礎前沿、重大共性關鍵技術到應用示範進行全鏈條設計和一體化組織實施；

Ø 突破新型稀土功能材料、智能/仿生與超材料、新一代生物醫用材料、先進能源材料、高性能分離膜材料、生態環境材料、重大裝備與工程用特種功能材料的基礎科學問題以及產業化、應用集成關鍵技術和高效成套裝備技術。

指標體系

Ø 形成一批具有國際影響力的功能與智能材料創新和應用示範基地，培育100家以上擁有核心發明專利和自主關鍵技術的高成長型科技企業，帶動萬億級產業群的形成。

重點任務

u 支撐信息、新能源、生物與健康、智能製造等戰略性新興產業發展；

u 提高稀土材料產品質量和檔次，解決高端不足的問題；

u 重點開發節能減排、惠及民生髮展的關鍵功能材料技術，帶動產業發展；

u 重點研發未來高端裝備、物聯網產業發展的智能材料核心技術。

l 稀土新材料與應用（磁性、發光、儲氫、催化材料等）

l 智能、仿生與超材料（仿生材料、超材料等）

l 先進能源材料（含儲能材料、超導材料等）

l 高性能膜材料（水處理膜、氣體分離膜、特種分離膜等）

l 新一代生物醫用材料（體內植入材料、載藥材料等）

l 生態環境材料

l 重大裝備與工程用特種功能材料

（五）納米材料與器件

重點任務

u 催生變革性產業，引領科技進步，推動我國實現跨越式發展；

u 提升核心競爭力，關鍵技術達到國際領先水平。

l 石墨烯和新型納米碳材料及器件工業技術

l 信息電子產業用的納米材料與旗艦技術

l 特色資源高效利用的納米材料技術

l 高效能源轉換與存儲的納米材料與器件

l 納米生物醫用材料與器件

l 3D打印製造用納米複合材料與製品

l 納米加工、製備及測試表徵技術與裝備

l 納米安全評價與標準技術

三、新材料產業發展戰略

1.重點新材料開發的戰略意義

新材料是製造業和武器裝備高質量發展的前提條件，是催生戰略性新興產業的物質先導，更是當前補齊我國科技短板的重要著力點。

Ø 我國用40多年的時間，追趕了西方國家200餘年的工業化進程，實現了經濟的快速增長；

Ø 當前我國已進入工業化中後期，面對高質量發展需求，材料基礎支撐作用不足的問題日益顯現。

以新一代信息技術、新能源、智能製造等為代表的新型產業快速發展，對材料提出了更高要求，新材料的研發難度前所未有。

超高純度 超高性能 超低缺陷 高速迭代 多功能 高耐用

低成本 易回收 設備精良

新材料已成為決定國家競爭力的關鍵領域和核心技術。

高端材料的技術壁壘日趨呈現

我國材料科技發展十分迅速

以國家973計劃、863計劃和科技支撐計劃為核心，突破了一批關鍵材料製備技術，取得了一批核心技術成果，我國新材料科技水平穩步提升，創新能力不斷增強。

國內發展現狀與趨勢

新材料快速發展不斷推動產業結構優化，區域佈局日趨合理。

超級鋼、電解鋁、低環境負荷型水泥、全氟離子膜、聚烯烴催化劑等產業化關鍵技術的突破，促進了鋼鐵、有色、建材、石化等傳統產業轉型升級。各地依據自身資源、人才、區位和產業基礎，發揮比較優勢，支持新材料產業特色發展，促進新材料產業空間佈局日趨合理，產業聚焦效應不斷增強。

Ø 先進半導體材料、新型電池材料、稀土功能材料等領域加速發展，產業規模不斷壯大；

Ø 稀土永磁材料在電子信息、風電、節能環保等領域的應用規模穩步擴大；

Ø 鋰離子電池材料在新能源、新能源汽車的應用快速增長；

Ø 新型牆體材料、保溫隔熱材料等新型建材成為建築工程的主流應用；

Ø 集成電路及半導體材料、光電子材料等在電子信息產業的應用水平逐步提高；

Ø 第三代鋁鋰合金成功實現在大飛機上應用，石墨烯在觸摸屏、功能塗料等領域初步實現產業化應用；

Ø 生物材料、納米材料應用已取得積極進展。

創新驅動發展需要強大的新材料技術支撐

我國正處戰略轉型期：開闢新的經濟增長點，提高環境承載能力，為我國新材料的大發展提供了難得的歷史機遇！

在轉型升級和新型工業化發展的交匯時期，對新材料的戰略需求特別突出，例如（至2030年）：

u 發展新一代信息技術產業：①大尺寸硅需求量達40億平方英寸/年、第三代半導體等先進半導體拋光片的需求量達7.5億片/年，其中照明和工業節能，年需第三代半導體材料外延芯片約6億平方英寸；②新型顯示材料的需求量約為3.5億平方米/年；

u 發展航空裝備業：大客機、軍用機數千架，航空發動機用量將達3萬臺，加大換修件，高溫合金用量7萬餘噸；

u 建設上千臺600℃、700℃超超臨界火電機組，需耐熱鋼和耐熱合金量數千萬噸；

u 發展高端裝備，基礎零部件用軸承鋼、齒輪鋼、模具鋼的年需求量分別為300萬噸、200萬噸和50萬噸；

u 建設海洋資源勘探、開採、儲運及基礎設施，鋼及耐蝕合金需求量60萬噸/年；

u 新增5條西氣東輸線，需X90/100管線鋼1600萬噸、石油管64萬噸；

u 水資源高效利用（2020年），海水淡化和廢水再用規模約分別達到300萬m³/d和300億噸/年，需高性能分離膜材料約1億m²。

u 與燃煤鍋爐相關的大氣汙染治理（脫硫、脫硝、PM2.5）（2017年），投資規模總約3000億，需高性能催化劑、耐磨耐蝕及除塵材料合計約400萬噸。

挑戰巨大：目前，上述需求中的高端及大規格新材料主要依賴進口，自主保障率不及15%！以上重大需求事關國家命脈，無法知網國外！

重點新材料研發任務

圍繞重大需求，依據國家專項“大、專”屬性要求，按材料基礎支撐和集成應用的特點，梳理出十三類重點新材料。

共性基礎類（一材多用——一種材料支撐多個重大需求，體現“大”）

先進鋼鐵材料 高品質高溫合金

先進有色金屬 高性能陶瓷與玻璃

新型高分子材料 高性能纖維與先進複合材料

稀土功能材料 先進微電子光電子材料

戰略前沿材料

集成應用類（一需多材——集成多種材料支撐一個重大需求，體現“專”）

（框起來）

新型顯示材料 綠色能源材料

新一代生物醫用材料 高性能分離膜材料

（一）高端裝備特種合金（先進鋼鐵）

1、700℃超超臨界電站汽輪機用耐熱合金

2、油氣資源開採及超大輸量油氣管線用鋼

3、高強度高塑性汽車鋼

4、高速重載鐵路輪軌用貝氏體鋼

5、海洋油氣開採和輸送用高品質海洋工程用鋼

6、高溼熱海洋環境下島礁基礎設施用鋼

7、先進裝備基礎零部件用軸承、齒輪和模具鋼鋼

8、高品質寬厚板和大型鑄鍛件

高端裝備用特種合金

（二）高溫合金——核心技術

國內一、二代單晶葉片和渦輪盤生產成品率、成材率和質量穩定性、一致性方面與國際先進水平尚存在明顯差距，高檔次材料仍主要跟蹤國外、局部有所創新。

u 低成本、質量一致性和穩定性好的“一材多用”技術；

u 提高高溫合金產品成分的一致性和組織的均勻性；

u 掌握複雜形體空心葉片單晶體生長控制技術；

u 粉末高溫合金變形化技術徹底解決夾雜困擾；

u 形成可靠、準確、快速的高溫合金測試技術。

粉末高溫合金的難點與突破

粉末高溫合金採用預合金化粉末，每個粉粒類同一個“微小鋼錠”，偏析只在細小範圍內發生，因而成分偏析小，初熔溫度高，有害相析出的傾向小，已成為三代以上航空發動機渦輪盤等核心部件的必選材料。但粉末盤夾雜物尺寸和數量的控制仍是其工程應用的核心技術問題。

現已抽拉出直徑50mm的高溫合金母合金棒材，其中夾雜物含量控制理想。

2025年高溫合金

任務目標

l 提高高溫合金產品成分的一致性和組織的均勻性

l 提高產品尺寸穩定性，保證發動機可靠性及效率

l 降低高溫合金成本，實現稀貴元素的再生與利用

l 高溫合金尖端品種和前沿技術展現技術推動效應

標誌性成果

l 二代高溫合金渦輪盤及單晶葉片性能穩定、四代機使用可靠

l 國產高溫合金盤鍛件和環形件加工/時效後端面跳動量達標

（三）高性能纖維與複合材料

1、交通運輸裝備輕量化用高性能纖維及複合材料

2、工程機械、電力裝備、海洋工程增強用高性能纖維及複合材料

3、先進核能用高性能纖維及複合材料

4、軍民兩用耐熱高性能碳纖維增強複合材料

5、高性能T300/T700/T800/MJ級碳纖維

6、高強型/高韌型/超高強高模型對位芳綸纖維

7、連續絲束SiC纖維

8、陶瓷先驅體

碳纖維及其複合材料市場需求

2030年需求量：

u 碳纖維需求量：15萬噸/年；

u 需求品種：高強、高強中模、高模、高強高模系列產品；

u 碳纖維及其複合材料產值：9000億元

世界碳纖維複合材料各領域用量預測（噸）

（四）稀土新材料

我國稀土四個第一：資源第一、產量第一、應用第一、出口第一

稀土新材料：新能源汽車、機器人、數控機床、清潔能源的材料基礎。稀土磁性材料是稀土第一大應用領域。

這些年稀土在工業上的應用技術創新

目前，稀土永磁材料已經發展成為最具中國特色的戰略產業之一，尤其是中國製造2025、一帶一路發展戰略的實施，都離不開稀土磁性功能材料，像國家的大數據工程、高速鐵路工程、彎道超車的電動汽車工程等，稀土永磁材料已成為稀土磁性功能材料在推動高新技術產業快速發展得典型代表，但是，長期以來稀土永磁材料性能沒有大的突破，嚴重製約了一些國家重大工程項目的技術指標的提高。此外，受生產水平以及國外專利的雙重限制，整體而言，我國的燒結釹鐵硼磁鐵多位中低檔產品，並且總體售價偏低，核心技術還沒有完全掌握在自己手裡。

從生產技術方面來說，在燒結釹鐵硼磁鐵生產領域，我國大部分企業已經掌握了先進的速凝薄帶和氫淬制粉等生產技術，具備了生產中高檔燒結釹鐵硼和釤鈷磁鐵產品的能力，並且高中檔產品的總體產量也在逐年提高。但是，與日本等發達國家相比，我國稀土永磁材料的產品質量與產品一致性都還存在較大差距，國際競爭力不強。

稀土磁性材料方面，國外的德國真空熔鍊熔絲、麥格昆（Magnequench）、日本住友（NEOMAX）、日本東京電氣（TDK）、芬蘭尼歐聯（Neorem）、大同電子、日本瑪特（MATE）、愛知制鋼、美國ETREMA等公司居於領先地位。

（五）先進微電子光電子材料

1、大直徑硅及硅基材料

2、第三代半導體材料

3、核心器件用高品質微電子材料

4、大功率激光器、紅外探測器、特種光纖用高品質光電子材料

第三代半導體材料

第三代半導體是固態光源和功率電子器件的“核芯”，即將迎來爆發性增長，國外政府加緊了在該領域的部署。2014年，奧巴馬高調宣佈成立美國下一代電力電子技術國家制造業創新中心，從國家層面加強對第三代半導體技術的研發和產業化，作為重振美國能源經濟的重要抓手。

u 在半導體照明市場，2014年我國產業規模為3507億元；到2020年將超過1.3萬億元；到2030年照明及超越照明總規模2.9萬億元。

u 在功率器件市場，我國電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域需求巨大。如：我國電網規模、電力總裝機容量均已超過美國，居世界首位，近年來花大力氣發展特高壓輸電技術，急需耐高壓、大電流、低損耗的第三代半導體功率器件及模塊。到2030年我國市場規模1780億元，帶動應用系統市場規模約為3.6萬億元。

u 在射頻器件市場，GaN微波器件工作帶寬比現在使用的Si橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應晶體管（LD-MOSFET）器件搞一個數量級以上，可滿足5G移動系統對帶寬的要求。到2030年GaN微波器件及封裝的市場規模約為120億元，帶動移動通信基站及終端設備市場規模2000億元。

（六）新型顯示及其關鍵材料

預計到2030年，我國新型顯示材料的需求量約為3.5億平方米/年，產量超過6000億元人民幣；帶動上下游行業產值規模超過2萬億人民幣。汲取“CRT向LCD轉變”的慘痛教訓，我國必須在新一代顯示技術領域展開佈局。

下一代新型顯示及其關鍵材料：

Ø LCD產業發展到G10產線，基板尺寸不斷擴大，對資源的佔用越來越大，越來越偏離綠色製造的理念。沿用半導體/真空工藝路線，繼續擴大基板尺寸，將難以為繼。

Ø OLED是下一代的顯示技術，其核心競爭力是低成本。（器件結構簡單）

Ø 但在大尺寸OLED領域，傳統的真空蒸鍍工藝，無法克服效率、良品率等一系列問題，難以低成本化，因此，新型顯示產業亟需一種適用於大尺寸OLED的嶄新工藝路線。

採用印刷或塗布方法，將可溶性顯示材料製作在基板上，形成器件的新型顯示技術，是一次產業技術的革命，具有輕薄、柔性、大面積、低成本、綠色製造等特點，將引領未來新型顯示產業的方向。

（七）超導材料

超導具有常規材料不具備的三個特徵：金屬汞的零電阻現象、完全抗磁性、量子遂穿效應。

超導技術一直是國際高技術的競爭前沿，是國際公認的具有巨大技術革命潛力的領域。

（八）綠色能源材料

1、高效率低成本晶體硅光伏電池材料

2、新型燃料敏化及有機太陽能電池材料

3、高比能電池材料

4、低成本室溫水性鈉離子電池材料

5、高功率高能量超級電容器材料

6、固體氧化物及質子交換膜燃料電池材料

新能源材料優先行動

（九）先進輕合金材料

針對我國輕合金產品結構低端、自主創新基礎薄弱、部分高端應用領域自主保障能力嚴重不足的現狀，聚焦先進民用飛機、海洋石油工程、乘用車等高端裝備的應用需求，攻克高性能輕合金材料設計、冶金質量及組織調控、殘餘應力表徵及控制以及產品一致性、穩定性和可靠性控制等關鍵技術，重點開展以下研究內容。

（框起來）

l 大型客機用先進輕合金材料及其低成本製造技術；

l 航空航天用高強高韌輕合金新品種和先進製備技術；

l 海洋工程用高強耐蝕鈦合金/鋁合金新品種及製造技術；

l 汽車輕量化用高性能鋁/鎂合金及其加工製造技術；

l 大規格輕合金材料的殘餘應力表徵及低殘餘應力製造技術。

2025年任務目標

l 實現海洋工程及船舶用鈦合金/鋁合金管材、中厚板系列品種產品的工業化批產能力。

l 新一代鋁合金車身板實現大規模工業化，整體技術達到國際先進水平；形成高導熱抗疲勞鎂合金生產技術及新能源汽車電池組托盤、輪轂等典型結構件製造技術，建立生產及應用示範線。

2025年標誌性成果

l 達到裝機狀態的國產鋁合金材料佔大型客機（C919）結構重量50%以上；國產鈦合金和第五代航空鋁材實現批量生產，全面支撐C929寬體客機、新一代軍用飛機設計選材；國內航空輕合金材料用量達10萬噸以上。

l 建立海洋石油鑽探及艦船用鈦合金/鋁合金產品示範生產線，實現典型示範應用。

l 新一代鋁合金車身板年用量約50萬噸，國內轎車輕量化製造用鋁材自給率達到80%；高導熱抗疲勞鎂合金裝車量達到新能源汽車產量的10%左右。

四、製造業技術創新體系建設

“中國製造2025”提出，建設製造強國要實施五大工程，其中重要工程之一是“建設完善的製造業技術創新體系”，包括促進企業成為技術創新主體、加強共性技術研發、加強人才培養等具體措施。