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新材料產業發展趨勢與創新政策轉型

首頁 2021-02-17 10:38:46

新材料是許多相關領域技術變革的基礎,也是增強產業鏈供應鏈自主可控能力的關鍵。近日,《人民日報》連續刊發了“中國制造,強鏈補鏈正攻堅”系列報道,對關鍵基礎材料領域的進展和未來機遇也給予重點關注。只有做強材料“口糧”,才能端穩工業“飯碗”。新材料產業未來發展趨勢如何?如何才能更好適應新形勢下的技術突破?“十四五”時期創新政策將如何轉型?這些對于更好理解新材料大變革、進一步激發行業發展潛力具有重要意義。


撰文 | 龍海波(國務院發展研究中心研究員、中國國際發展知識中心研究組織處處長)

新材料產業發展趨勢與創新政策轉型

新材料也稱為先進材料,是指新出現的具有高效、特殊性能的材料,或是傳統材料改進后性能明顯提高或具有新功能的材料。隨著基礎科學不斷突破,新材料結構功能一體化、材料器件一體化、復合化等特點更為明顯。許多發達國家將新材料作為未來研發的優先事項,在國民經濟發展中的作用逐漸從基礎性、支撐性向顛覆性、引領性轉變。


1新形勢下新材料產業發展的趨勢特征


新材料產業是許多相關領域技術變革的基礎,也是電子信息、新能源、航空航天和生物醫藥等高技術產業發展的先導,越來越呈現交叉融合、相互促進的趨勢,對于傳統產業技術提升和產品更新換代具有重要作用。主要體現在:


第一,新技術變革加速了新材料研發應用進程。隨著大數據、數字仿真在新材料研發設計中的作用不斷凸顯,材料基因組計劃、增材制造等新技術新模式蓬勃興起,基于已有材料基礎結構性能的突破,新材料研發過程發生顯著變化,正以一種新的生產方式不斷涌現。然而,前沿技術路線選擇的風險,以及從技術實現到商業化的時間仍面臨許多不確定性!恫牧峡茖W》雜志一項關于新材料商業化的研究表明,新材料技術實現商業化的時間平均在10年以上(見下表),與生物技術相近,但遠高于軟件技術。新材料技術實現商業化的R&D投入約為軟件技術的數倍到數十倍。


軟件、生物技術和新材料技術的商業化時間、成本和不確定性比較

新材料產業發展趨勢與創新政策轉型

資料來源:NatureMaterials,2016,15(5):487-491


第二,新材料產業發展面臨多種驅動因素。新材料種類眾多,其內在潛力和市場規模需要從技術成熟度分類識別。一是標準引領實現高質量發展。石墨烯產業在經歷爆發式擴張后遇到的問題對標準設定提出了更高要求。英國國家物理實驗室領導制定了全球首個石墨烯國際標準,為石墨烯的測試驗證提供依據和標準。二是集中攻關搶占市場先機。信息產業迅猛發展對半導體行業提出了更高要求,二維半導體、第三代半導體等技術仍不夠成熟,各國都亟待在這一基礎領域取得革命性突破,美、韓有望在2025年前實現半導體材料和器件更新換代。三是政策倒逼材料行業快速增長。比如,節能減排的政策驅動對車用新材料產生了重大影響,高強度鋼、鎂鋁合金、碳復合材料、長纖維增強材料等車體輕量化材料自身性能持續提升。


第三,新材料產業國際市場壟斷日益加劇。目前,發達國家在新材料產業中仍占據領先地位,美國全面領跑,日本在納米材料、電子信息材料、先進復合材料等領域具有優勢,歐洲在結構材料、光學與光電材料等方面有明顯優勢。這些國家的科技產業核心競爭力集中在上游“材料+裝備”環節,對于保障國家科技安全具有重要意義。從長期發展看,新材料產業上下游聯系越來越緊密,產業鏈日趨完善,初步形成了新的產業戰略聯盟,這有利于產品開發與應用拓展的融合,但由此也會形成寡頭壟斷。一些龍頭材料企業通過并購、重組及產業生態圈構建,把控全球新材料產業的優勢格局。


第四,新材料產業發展關鍵在于概念期和導入期。新材料產業發展容易受到下游應用場景制約,研發成果快速投入大規模應用的情況很少,總體上呈現前期投資大、中間環節多、轉化周期長等特點。其中,處于概念期和導入期的新材料產業,由于研發成本高、銷售集中于少數高端客戶,往往投資周期長,投資高風險高收益并存。


目前,許多已經占據廣大市場份額的龍頭企業加大對概念期和導入期的產業投資力度,比如,燃料電池、記憶合金、石墨烯等,以期搶占高端基礎材料制高點?梢灶A見,新材料領域將面臨更高的技術壁壘,消化吸收再創新模式對于拓展下游市場具有重要作用,但向上游市場邁進的空間已逐步收窄。


2新材料產業發展的技術路徑與政策重點


由于產業上下游環節多,技術復雜性高,具有很大的不確定性,對政策依賴性較強。因此,新材料產業發展必須依靠體制機制創新,進一步明確創新政策轉型的重點。


(一)新材料產業發展的三種技術路徑


供給引領下的前沿突破。技術組合是前沿材料技術的潛在來源,需要多學科、多技術領域深度融合,快速實現技術經驗積累和重大理論突破。對于前沿突破形成的技術創新,主要基于新材料基本屬性改變或衍生屬性拓展,更多依靠產學研深度合作,促進新材料技術創新不同要素的整合。這種模式主要適用于代表材料科技發展方向、符合材料交叉顛覆性創新、具有廣闊市場前景的新材料,具有“科技引領”特征,包括超導材料、智能仿生材料、石墨烯材料等。


供需驅動下的快速迭代。技術迭代是新材料更新升級的關鍵,通常以改善材料性能、縮短研發周期、加速工程化應用的方式實現。對于快速迭代形成的技術創新,僅針對新材料的研發驗證和試驗數據的預測模擬,并不影響材料自身屬性,通過構建新材料模擬、研發、試驗大數據平臺,運用計算材料學和可共享材料數據庫加速新材料工程化應用。這種模式主要適用于材料基因組技術,以及輕量、高溫、高溫超導、熱電、磁性及熱磁、相變記憶存儲等高性能合金材料。


需求牽引下的融合創新。技術牽引主要來自軍用和民用市場需求,以及長期以來的實踐經驗,更容易伴隨在知識交換和市場應用中產生。對于需求牽引形成的技術創新,大部分是根據新材料性能需求進行反向設計,通過新材料研發先期導入,將上下游企業緊密聯系在一起,以“軍轉民”“民參軍”等方式,實現新材料研發設計與工程應用的有機統一、軍事技術和民用技術的深度融合。這種模式具有“一需多材”特征,包括先進半導體材料、新型顯示材料、新能源材料、高端裝備特種合金,以及人工晶體、生物醫用材料等。


(二)當前新材料產業發展的制約瓶頸


在前沿突破上,由于缺乏先導性技術支撐,我國新材料發展起步晚,多方力量分散投入、共性技術供給不足等問題十分突出。材料領域國家重點實驗室之間以及與生命、能源、信息等領域實驗室之間交叉不足,缺乏有效的競爭機制。


在技術迭代上,大多數行業沒有專門的產業共性技術研發機構,新材料產品成套技術不完備。我國新材料還沒有形成大批具有自主知識產權的材料牌號與體系,缺乏符合行業標準的新材料結構設計/制造/評價共享數據庫。


在融合創新上,生產應用結合不緊密導致有效應用牽引不足。材料的研發生產與設計、下游應用相脫節,導致“有材不好用”。還有部分性能優異的材料,由于尚未經過長時間的應用驗證和資質認證,導致“好材不敢用”。


(三)未來新材料產業創新政策的重點


從整體視角看,要處理好材料科技與其他科技領域的關系。相比其他科技領域,新材料始終強調應用導向,而這種應用是基于產業鏈帶動形成工藝參數反饋,進而促進材料科技的新突破。因此,應從更廣范圍考慮科技協同創新體系構建,包括前沿技術追趕、科技投入產出、產學研分工合作等方面政策轉型,促進“一代裝備、一代材料”向“一代材料、一代裝備”轉變。


從關鍵機制看,要處理好研發投入與組織方式之間的關系。對于新材料技術而言,不同模式下的投入重點及組織方式也有所差異,無論哪種技術創新模式,目前大多數仍以部門條塊資金投入為主,多頭指揮的組織方式不利于新材料研發的持續投入和集中攻關,即使是需求牽引的技術創新,企業決策話語權也很有限,盡量避免多方力量分散減少投入的有效性。


從激勵導向看,要處理好不同分工鏈條下人員激勵的關系。正確引導各類研究人員開展科研生產活動,讓不同分工鏈條上的研究人員實現知識分享,推動材料技術從實驗室不斷走向市場。只有結構設計、表征評價、服役測試等技術進步才能真正支撐新材料的研發生產,而其中研究人員的精力投入與績效考核存在較大差異,并不是“一刀切”的注重論文發表、專利申請。

3加快推動新材料產業發展的政策建議

推動新材料產業高質量發展,必須結合不同材料的技術路線特點,著力打通從基礎研究到應用研究的創新全鏈條,重點在科研投入機制、研究組織方式、成果應用導向、人才評價考核等方面完善創新體制機制,充分發揮政策的引領作用和協同效應。


第一,完善新材料投入參與機制,推進創新鏈各環節深度融合。一方面,充分發揮政府先導作用。對于關鍵戰略材料和前沿新材料領域,應從國家層面加強統籌規劃,整合分散在各部門的科技專項經費,重點支持新材料研發與先進制造緊密結合、前沿新材料的示范應用項目,集中力量突破先進核心工程化工藝技術制約,提升關鍵戰略材料產業共性技術創新能力。結合“首臺(套)”等政策,通過政府采購、軍方采購等方式構建運行高效的產用結合機制。另一方面,更加注重市場引導作用。對于技術成熟度較高、應用牽引較強的基礎材料和關鍵戰略材料領域,應更多采取產學研合作型、企業聯盟型模式,推動建立以應用企業投入為主的研發機制,實現先期介入、精準研發,精準對接應用。


第二,健全新材料產學研用組織機制,激發“研發—應用—反饋—再研發”內生動力。適時調整材料領域國家重點實驗室布局,探索建立新材料國家重點實驗室①協同創新聯合體制度,特別是在材料與醫學和生命科學、能源和信息科學、制造科學等交叉前沿領域加強共性技術攻關,推動聯合體內重要科研成果共享、業績考核互認,將之前的個體競爭性評估變革為對協同創新聯合體貢獻的評估。抓住“一需多材”和“一材多用”兩頭,更加注重科技成果后端轉化,新材料產業組織體系應堅持需求導向原則,同時為再研發服務。比如,可以在重點新材料領域建立產業聯盟,支持產業集聚顯著、上下游產業鏈完善的地區建立新材料產業技術研究院。對于面向民用和軍用兩類需求的新材料技術,可以采用軍民結合方式,推動先進軍用材料民用化及民用材料高端化,加速新材料技術推廣應用進程。


第三,夯實新材料設備數據共享平臺,以此帶動其他科技領域和相關產業鏈協同發展。優先在新能源材料、生物醫用材料、先進復合材料等國家戰略領域推動上下游產業協同創新。建設參數數據庫平臺、資源共享平臺,推進企業、科研院所數據、人才、設備儀器的開放共享。推動形成以行業協會為主導的新材料標準體系,面向國際市場建立高性能的技術標準和行業規范。加強新材料專利申請的評估審核,提高高性能復合材料及前沿新材料等高附加值領域的專利申請數量,注重專利直接轉讓與專利資本化轉化相結合。針對關鍵戰略材料和前沿新材料,通過政策引導避免熱門產業領域惡性競爭,著力扭轉低端產品過度集中、高端產品依賴進口的結構性矛盾。依托中小企業精細化加工生產的特點,培育新材料細分領域“隱形冠軍”,讓中小企業在細分領域、小批量多品種領域發揮作用。


第四,建立人才競爭擇優、有序流動機制,以創新質量、綜合貢獻度、績效分類評價創新人才。要搶抓全球人才流動的有利機遇,以優化人才結構、提升人才質量為重點,強化學科需求和應用導向,進一步健全人才分類評價政策體系,培養造就一批“高精尖”人才隊伍,重點關注以下幾類創新人才:


一是注重對多學科融合科研人員的培養,強化數字技術對新材料研發的推動作用。


二是注重對產業共性技術研發團隊的打造,鼓勵各類研發人員深入交流與知識分享。


三是注重對科技成果轉化人員的激勵,突出材料技術的產業化應用。


四是注重對細分行業“隱形冠軍”人才的挖掘,著力在關鍵工藝技術、特殊材料配套和零部件領域有所突破。


在此基礎上,逐步規范符合各類人才特點的激勵政策,賦予科研院所和科研團隊更大的自主權,包括經費使用、人才選聘、技術路線等,切實營造有利于創新創業的人才發展環境。

①主要指的是依托中央高校和中科院建設的材料領域21個國家重點實驗室。


參考文獻

〔1〕宮學源,2020:“新材料風險投資困境淺析及加速新材料創新之思考”,《新材料產業》,第6期。


〔2〕康萌越、謝振忠、程楠,2019:“國外新材料產業技術創新的五大模式及啟示”,《中國建材報》,9月11日。


〔3〕李丹、肖勁松,2019:“中美新材料產業政策體系之比較”,《新經濟導刊》,第3期。


〔4〕沈應龍,2018:“新材料產業技術創新大趨勢”,《科技中國》,第4期。


〔5〕屠海令、張世榮、李騰飛,2016:“我國新材料產業發展戰略研究”,《中國工程科學》,第8期。


〔6〕王江平,2018:“新材料已經成為制約我國制造業轉型升級的突出短板”,《世界金屬導報》,9月18日。


 

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