全球新材料未来发展重点分析

◎ 中国新材料产业技术创新战略联盟秘书处

全球新材料未来发展重点分析

◎ 中国新材料产业技术创新战略联盟秘书处

材料一直被视为科技的“成就者”。没有硅就没有所谓的信息时代，没有功能陶瓷就不可能有手机，没有高强铝合金何来商用航空，没有钢筋混泥土又何谈高楼大厦。

全球新材料发展趋势

在过去、现在及未来，材料在人类生活中举足轻重。美国兰德公司发表的题为《2020年的全球技术革命》研究报告中介绍了未来15年内（至2020年）新材料技术领域的发展趋势及重点，主要为智能材料、生物材料、纳米功能材料、纤维及复合材料及有机电子材料，其中智能材料主要包括压电材料、磁致伸缩材料和形状记忆材料，而生物材料则包括组织工程材料、骨骼生长与修复材料、替代血液的聚合物材料及超分子材料。

全球材料技术总体发展呈现出如下趋势：

1. 材料制备与应用向低维化、微纳化、人工结构发展，材料结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化加快了材料的应用速度、增加了可应用的材料品种。

2. 材料创新性集成计算方法与数据库，高通量设计及其制备，多场跨尺度材料微观结构与宏观性能预测技术大大推动了材料研发速度。

3. 学科交叉融合加剧，在材料创新中作用越来越重要。

4. 材料研发向更加惠及民生方向发展。如组织修复与替代材料、纳米生物探针和检测技术、药物控制释放和靶向治疗材料、组织工程支架材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官等都逐渐成为研究热点。为了应对全球气候变化和能源紧缺，纳米锂电池材料、有机无机杂化太阳能电池、量子点太阳能电池、新型储氢材料、燃料电池材料、相变储能材料和热电材料等新能源材料在实现能源转化、储存和利用以及发展新能源技术起到的关键作用。

世界各国新材料发展重点

世界各国也将新材料的发展作为重中之重，美国、日本、欧盟、德国、韩国、英国、俄罗斯等都相继出台相关政策及发展规划来支持新材料的发展。

（一）美国新材料发展重点

美国政府发布《科学与国家利益》《技术与国家利益》等系列报告，提出“面向21世纪的科技发展战略”，实施了国家纳米技术计划、光电子计划、NSF先进材料与工艺工程计划、2011关键材料战略、材料“基因组”计划等科技计划，重点支持纳米材料、信息材料、光电材料、极端环境材料、材料计算科学以及生物材料等。

其中材料“基因组”计划要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前的10～20年缩短为5～10年。它试图揭示物质构成、不同元素排列与材料功能之间关系，进而实现有目的设计新材料的科学工程，有着更强烈的实用和需求背景，也是美国为保持其在先进材料及高端制造业领域领先地位的一大举措。该计划的目标是面向国家安全、面向人类健康与福祉、面向清洁能源以及培养下一代劳动力（见表1），公布了9大材料类别（生物材料、催化剂、聚合物复合材料、关联材料、电子和光子材料、储能材料系统、轻质结构材料、有机电子材料、聚合物）研究领域下的63个重点方向，其中树脂基复合材料、关联材料、电子和光子材料、储能材料以及轻质结构材料这5类材料涉及到的37个重点方向对国家安全影响重大。在材料基因组计划出台两周年纪念日，基于计划的初期成果及对计划的认识，美国政府及一系列私营部门伙伴又宣布了新的举措：国家标准及技术研究院成立新的卓越中心以支持材料基因组计划、大学创立材料创新加速器网、建立公共-私营部门协作以推动材料快速实现产业化、数百万材料数据公开发布、实行聚焦于新材料创新及商业化的教育新举措。

2014年2月28日，美国政府公布了2014年国家纳米技术项目（NNI）战略计划，由国家科技委员会小组委员会就纳米科学、工程与技术的发展制定该计划。本计划更新和替换2011 年2月发布的NNI战略计划。NNI的目标是在未来有能力去理解和控制纳米尺度上的物质，为促进社会发展，带来一场技术和产业革命。NNI加快了纳米科学、工程和技术的发现、开发和部署，通过一个协同研究和发展的项目，协调与参与机构的任务，服务公共利益。为实现这一大目标，NNI列出了四个具体目标：1）推进一个世界级的纳米技术研究和发展项目；2）促进新技术向商业产品和公用产品的转移；3）发展和维持推动纳米技术发展的教育资源，熟练劳动力，动态基础设施和工具；4）支持纳米技术的可靠发展。

奥巴马政府在第一任期提出振兴美国制造业的目标，作为技术和产业发展支撑，在2012年进一步提出了建立“15个制造业创新中心”的计划。目前已成立四家中心，分别为3D增材制造中心、数字制造与设计创新中心、轻量级现代金属制造中心、基于宽禁带半导体技术的新一代电子电力制造中心，另有先进复合材料制造创新机构、集成光子器件制造创新机构、柔性混合电子器件创新机构、智能制造创新机构等4家创新机构展开竞标。从以上的创新中心及创新机构可见，材料创新被摆在了一个极为重要的地位，同时所关注的材料也相当务实，如轻质合金、复合材料及半导体材料已经在工业生产中有了较为成熟的应用，只是仍然存在着技术上的难题，阻碍了它们的更大范围的应用。在这些领域发力，比之在一些前沿新材料上，可能更有成效。而先进材料是先进制造的基础，发展轻型材料的低成本生产方法，如低成本的碳纤维复合材料，其应用将有效提高下一代汽车、飞机、船舶和列车的燃料使用效率、性能和耐腐蚀性；其他例子还包括大型太阳能发电或下一代集成电路所需新型材料的研发。

（二）日本新材料发展重点

日本提出了“科学技术基本计划”、“元素战略计划”、“纳米电子功能技术构建”和先进材料技术计划。重点支持纳米材料、能源材料、资源替代材料、电子信息材料等方向。而AIST在2014年推出的战略规划中新设了三个研究中心，其中一个为绿色磁性材料研究中心，着重于开发不使用重稀土元素的永久磁铁等，开发项目大致有以下三个：无重稀土类元素的体块永久磁石、使用磁冷冻材料的新冷冻系统、旨在解决资源问题及环境问题的新磁性材料。2014年2月，日本最大碳纤维供应商东丽公司宣布其制定中远期碳纤维“计划AP-G 2016”，作为正在进行的“AP-G 2013计划”的继续，旨在通过“创新和激进的管理”实现碳纤维的快速发展。

材料基因组计划研究目标

（三）欧盟新材料发展重点

欧盟材料发展战略目标是有尽可能多的新材料技术成为世界第一。出台欧盟框架计划、欧洲地平线2020规划、欧洲先进工程材料与技术平台计划等，重点支持光学材料与光电材料、纳米材料、超导材料、生物医学材料、复合材料、磁性材料以及催化材料等。2014年2月初，欧盟发布了石墨烯旗舰计划首份招标公告和科技路线图，介绍了拟资助的研究课题和支持课题，以及根据领域划分的工作任务，每项课题都涉及多项工作任务。根据路线图，石墨烯旗舰计划将分初始热身阶段和稳定阶段两部分进行。主要包括以下3个重点研究方向：新兴传感技术与生物学的融合、面向射频应用的无源组件、高频电子学。2014年9月，欧洲空间局联合一些知名研究机构和超过180家欧洲公司，于在伦敦科学博物馆正式启动名为“欧洲冶金”计划的研究，旨在发展21世纪新型金属及其制造技术，参与该计划的大型公司有：空客、罗罗、西门子、BAE系统公司等。“欧洲冶金”计划将围绕13个主题开展研究，包括用于空间和核系统的新型耐热合金、基于超导合金的高效电源线、可将废热转化为电的热电材料、生产塑料和药物的新型催化剂、用于医疗移植的生物相容性金属，以及高强度的磁系统等。

材料基因组计划研究目标

德国联邦教研部实行了MatFo、MatTech和WING三个材料规划。支持新材料开发与应用研究。制定了"纳米倡议-行动计划2010”与“纳米技术行动计划2015”，支持纳米材料与纳米技术领域的创新发展。2013年，德国在高技术战略“电动汽车领域关键技术”专项的统筹下，开发稀土材料循环利用关键技术。如报废电机内永磁体部件的拆解、修复及循环使用技术，永磁体内稀土元素的回收技术，适应循环使用电机的设计技术，生产过程的经济与环境影响控制等。为提高能源和资源的利用率，液态金属研究也在德国受到更多重视。2013年，由亥姆霍兹德累斯顿研究中心牵头的液态金属研究联盟在德国成立。液态金属可用于新型液态金属电池储能、零排放氢生产、或是制造太阳能电池，因而被纳入未来技术的行列。纳米研究方面：2013年，德国联邦环境部、德国联邦职业与健康安全研究所与巴斯夫研究所联合启动实施了《纳米材料安全性》长期研究项目。目标就是要了解各类重要纳米材料可能对周边环境产生的长期影响，特别是在低剂量情况下对工作场所和居住环境的长期影响

英国提出“先进材料战略” “英国复合材料战略”等，重点支持高性能结构材料、功能材料、复合材料和生物材料。

（四）俄罗斯新材料发展重点

俄罗斯制定了2030年材料发展战略，2014年1月开始，该战略的重点材料发展方向相继公布，主要有18个战略发展方向，包括智能材料、金属间材料、高温金属材料、聚合物材料、纳米结构复合材料和涂层等等，战略本身将附带10个主要计划。在18个战略发展方向中约80%的方向与发动机研制和现代化有关，主要有以下5个方面：单晶耐高温合金发动机叶片、自组织纳米复合材料涂层、高梯度定向结晶技术、真空熔炼技术、发动机材料与国际标准接轨。

（五）韩国新材料发展重点

韩国新材料发展战略是继美国、日本、德国之后，成为世界新材料产业的强国。其“科技发展长远规划-2025年构想”中把新材料作为确保2025年国家竞争力的6项核心技术之一，重点研究“下一代高密度存储材料、生态材料、生物材料、纳米材料技术、未来碳材料技术等”。