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“十二五”期间新材料产业发展回顾

 

  材料产业是国民经济的基础产业,新材料是材料产业发展的先导,是重要的战略性新兴产业。根据《新材料产业“十二五”发展规划》的定义,新材料是指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料,或是传统材料改进后性能明显提高和产生新功能的材料。加快培育和发展新材料产业,对于引领材料工业升级换代,加快战略性新兴产业发展,保障国家重点工程建设,促进传统产业转型升级,提高国家的国际竞争力具有重要的战略意义。

  新材料领域为载人航天、探月飞行、深空探测、大型飞机、核电工程、奥运工程、高速轨道交通等国民经济和国防建设重大工程提供了关键材料、工艺、装备及集成化技术,新材料领域发展布局初步形成。在半导体照明、新型显示、高性能纤维及复合材料、多晶硅、超级钢(细晶钢)、电解铝、低环境负荷型水泥、全氟离子膜、聚烯烃催化剂、高功率低成本二次电池等工程化和产业化方面取得了一系列进展,为中国经济社会发展与国防安全提供强有力的材料支撑。对钢铁、有色、建材、石化等传统产业优化,提高国内自主创新能力,切实推进材料领域低碳化、高值化发展,提高产业的核心竞争力,做出了重要贡献。

  一、新材料产业规划陆续出台

  “十二五”以来,中国政府高度重视新材料产业的发展,随着《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》和《新材料产业“十二五”发展规划》等国家层面战略规划的出台,工信部、国家发改委等国家有关部委相继发布了新材料产业以及其支撑的其他战略性新兴产业的相关“十二五”发展规划,包括节能环保产业、国家环境保护、工业节能、环保装备、电子信息制造业、集成电路、软件和信息服务业、物联网、互联网行业、医药工业、高端装备制造业、可再生能源、风电发展、太阳能发电、生物质能发展等“十二五”规划,海洋工程装备制造业中长期发展规划、节能与新能源汽车产业发展规划。

  二、新材料产业规模不断扩大

  自2010年以来,中国新材料产业规模一直保持稳步增长,由2010年的6500亿元增长至2015年的20000亿元上下,年均增速保持在25%左右。在细分领域方面,特种金属功能材料占比约为32%,高端金属结构材料占比约为19%,先进高分子材料占比约为24%,新型无机非金属材料占比约为13%,高性能纤维及复合材料占比约为9%,前沿新材料占比约为3%。

  新材料产业的规模增长中,稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产业产能居世界前列。例如,稀土磁性材料、稀土发光材料、稀土储氢材料等稀土功能材料的产量约占世界总产量的80%,位居全球之首,基本形成了以稀土功能材料和应用为龙头的稀土产业格局;2011 年半导体硅材料达到46 亿元,约占全球份额的7%,相比2010 年增长21%;半导体照明产业初步形成了上游外延材料生长与芯片制造、中游器件封装及下游集成应用的比较完整的研发与产业体系,其中,封装技术取得显著进展,中国已成为全球重要的LED 器件封装基地,2013 年产值超过400 亿元。2010年到2015年,相比于传统材料产业,依托于高新技术的新材料产业生产规模逐年攀升。

  三、新材料领域研究水平达到国际领先

  “十二五”期间,新材料产业的发展离不开材料研究的支持,中国新材料领域无论是科技论文数还是发明专利申请数均处于世界前列,这得益于国家对新材料领域研究的大力支持。目前,材料领域拥有中科院院士和工程院院士210人,研发科技人员115万,每年材料类大学本科毕业生4万余人、硕士和博士毕业生1万余人;初步形成了比较完整的研发与产业化体系,拥有国家重点实验室、国家工程中心、产业化基地近400家。根据最新报道,2014年在各个国家和地区中,中国材料科学领域以902,122的论文总被引次数排名第2、以160,363篇的论文数排名第1、被引用次数排名第38。

  2005—2015年被SCI收录的材料科学论文情况显示,材料科学世界排名第二,数量非常可观。论文数量占全球27%,被引用次数占全球23%。

  以论文被引用次数世界均值为标准按统计年度画一条线,高于均线的论文为“表现不俗”的论文,即论文发表后的影响超过其所在学科的一般水平。材料科学表现不俗的文章共有8890篇,位列全国学科领域中第四。也就是说,中国发布的材料科学SCI论文中有一半是表现不俗的文章。

  以上数据表明,中国目前在新材料领域的研究水平已经处于世界前列,这为国内新材料产业的发展提供了很好的研究基础和技术支撑。

  四、新材料产业技术水平快速提高

  在国家大力支持以及材料科技工作者的不懈努力下,中国新材料产业技术水平不断提高,许多重要新材料的技术指标大幅提升。掌握了具有自主知识产权的300毫米硅抛光片和外延片的工程化技术,并成功拉制出直径450毫米的硅单晶。人工晶体材料经过多年发展,BBO和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业化,KBBF是国际上唯一可实用的深紫外非线性光学晶体,中国已首先成功制备先进的科学仪器,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,利用晶体实现了千瓦级全固态激光输出。在国际上首次设计和制备出采用外直径为100纳米环状磁性隧道结为存储单元,采用自旋极化电流直接驱动的新型4×4 bit nanoring MRAM原理型演示器件。太阳能电池关键技术指标达到了国际先进水平,光伏发电成本从4元/kW•h降低到1元/kW•h以下。T700级碳纤维关键技术得到突破,性能达到要求,具备批量供货的能力,已开始应用于航空航天装备。完成了GQ4522型高强碳纤维工程化技术攻关,研制出GZ5530型高强中模和QM4045型高强高模碳纤维。实现对位芳纶系列产品的工业化生产,打破了美国、日本等少数发达国家的技术封锁。研制出强度大于800MPa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;开发出具有自主知识产权的铜带、铜管拉铸技术以及铜铝复合技术。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%;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,已成功应用在化学品船上;液化天然气LNG船用9%Ni钢和液化乙烯储罐用12Ni19钢已经能够批量生产。

  2015年中国受理发明专利申请首次超过100万件,连续5年位居世界首位。中国发明专利申请受理量呈现加快增长态势,说明国内专利申请结构明显优化,知识产权大国地位持续巩固。2015年国家知识产权局共受理发明专利申请110.2万件,同比增长18.7%,连续5年位居世界首位;共授权发明专利35.9万件,其中国内发明专利授权26.3万件,比去年增长了10万件,同比增长61.9%;发明专利申请在全部专利申请中的比例达到39.4%。发明专利申请占比的不断提高,表明中国创新能力不断提升,专利创造重心继续向技术水平较高的发明专利倾斜,发明专利引领创新发展作用更加明显。

  五、新材料产业区域集聚态势明显

  “十二五”以来,各地依托优势特色资源,高起点规划、高水平建设、高定位发展,积极推动新材料产业基地建设,使新材料产业呈现出区域产业集聚的发展态势,初步形成了若干集群和产业集聚区,加速产业链向上下游逐步延伸,带动相关配套产业的发展。骨干企业和新材料产业基地主要分布在高端人才集中、科研基础雄厚、经济发达的东部地区,如北京、上海、天津、河北、山东、江苏等省市,以及资源优势明显的中西部地区,如内蒙古、四川、陕西、湖北等,且分布具有明显的地域特征,已初步形成“东部沿海集聚,中西部特色发展”的空间格局。环渤海、长三角和珠三角地区承担着新材料的研发、高端制造等功能,新材料种类多,成为全国三大综合性新材料产业聚集区;中部地区依托雄厚的原材料工业基础,新材料产业快速发展;西部地区依托丰富的资源基础,新材料产业呈特色化发展,形成多个特色新材料产业基地;东北地区作为老工业基地,具有较强的工业优势,新材料产业发展潜力日益凸显。

  环渤海地区拥有多家大型企业总部和重点科研院校,是国内科技创新资源最为集中的地区。在纳米材料、生物医用材料、新能源材料、电子信息材料等领域具有较强的竞争优势。

  长三角地区经济基础雄厚,产业配套齐全,交通物流便利,是中国最主要的新材料产业基地,在高性能金属材料和先进高分子材料等领域具有比较优势。

  珠三角地区产业集中度高,以外向出口型为主,下游产业拉动明显,已形成了较为完整的产业链,在电子信息材料、改性工程塑料、陶瓷材料等领域具有较强的优势。

  中部地区是中国重要的能源和原材料生产基地,依托其黑色金属冶炼及压延加工业、非金属矿物制造业和化学原料制造业等领域的强大优势推动了新材料高科技成果的产业化。

  西部地区依托丰富的矿产与能源,通过对“三线”建设企业的改造,以及军转民、技术创新等途径,在稀土功能材料、稀有金属材料等领域形成了一批特色鲜明的新型功能材料产业基地。但技术装备和生产水平相对落后,整体竞争力不强。

  东北地区钢铁、石化等基础工业优势突出,新材料产业发展潜力较大,在高端金属结构材料、先进高分子材料和高性能复合材料等领域初步形成了产业集群。

  此外,为加快培育和发展新材料产业,发改委、工信部和科技部已在新材料产业相关领域批准成立了7个高技术产业基地、32个新型工业化示范基地和90个高新技术产业化基地,广泛分布在全国30多个省、市、自治区。基地的发展特色鲜明:或以自然资源为依托,或以市场需求为导向,或以科研技术为支撑。具有代表性的有:内蒙古的稀土新材料、云南和贵州的稀贵金属新材料、广西的有色金属新材料、宁波的钕铁硼永磁材料、广州、天津、青岛等地的化工新材料产业基地,重庆、西安、甘肃金昌、湖南长株潭、陕西宝鸡、山东威海以及山西太原等地的航空航天材料、能源材料及重大装备材料的主要基地,江苏徐州、河南洛阳、江苏连云港、四川乐山等的硅材料产业等。

  六、新材料支撑重大应用示范工程的作用日益显现

  新材料产业的持续进步,为中国能源、资源环境、信息领域的经济社会发展提供了重要的技术支撑和物资保障。组织实施了节能产品惠民、十城万盏、十城千辆、金太阳、国家物联网等重大应用示范工程,推广节能空调3000多万台、节能汽车360多万辆、高效节能电机400多万kW、节能灯1.6亿只、LED灯160万盏以上,试点运行各类电动汽车1.4万辆,建设光伏发电项目343个。

  膜材料在中国海水淡化方面已经获得应用,初步具备了反渗透海水淡化的生产能力,使海水淡化成为全国沿海地区供水安全保障体系的重要组成部分。微电子材料的技术进步有力支撑了国内集成电路和信息产业的高速发展,对中国逐渐发展成为世界微电子产业中心起到了推动作用,目前中国集成电路市场占世界市场的份额呈现加速增长的趋势。激光晶体和非线性激光晶体等光电子材料的技术进步,推动了全国固态激光材料、器件和应用研究的发展,并在激光显示领域呈现发展潜力。以有色金属结构材料、难熔金属、高温合金和碳纤维及其复合材料为代表的高性能结构材料是国民经济发展的重要基石,也是当今高技术发展不可缺少的关键材料,在保障国家经济建设、国防安全及社会发展方面发挥着重要的支撑作用,尤其对高速铁路、大飞机、载人航天和探月工程等重点工程的顺利实施做出了贡献。

  七、新材料产业的环境友好及节能减排特性不断改善

  为积极应对资源枯竭和环境恶化带来的压力,新材料产业逐步改变高投入、高消耗、高污染、低效益的材料开发传统模式,提高新材料产业的资源能源利用效率、降低制造过程中的环境污染;大力开发节能环保新材料,调整传统产品结构,绿色生态材料的开发与应用力度不断加大。

  金属结构材料作为量大面广、关键支撑作用不可替代的新材料在节能减排方面发挥着积极作用。加强高强度、高韧性、长寿命的钢铁材料的研究与开发,使其进一步减轻汽车等交通工具的自身重量,降低能耗及有害气体排放。开发高性能不锈钢等绿色环保型材料,推动环保事业的发展。开发高品质电工钢,大幅度降低铁损及能耗,成为真正的节能减排、环境友好型的材料。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,大幅度降低了电解铝的能耗,为节约能源做出了突出贡献。研制具有自主知识产权的短流程、高效、清洁的金属材料先进制备、成型与加工技术,大大降低了过程能源消耗,提高了资源利用率。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,降低了油耗和排放,节约了运营成本。LED产品的节能效果显著,以100流明/瓦的光效(目前国内的产业化较好水平)计算,比白炽灯节电85%;以150流明/瓦的光效(2015年中国达到的工程化水平)计算,比白炽灯节电90%。掌握了离线镀膜技术制备节能玻璃的产业化生产技术,2012年总产量为1.4亿平方米,为中国2020年实现建筑节能65%的目标奠定了坚实的基础。形成了完整的太阳能电池产业链,应用规模不断扩大,小功率镍氢电池和锂离子电池已经实现了产业化,质子膜燃料电池已经实现了示范应用,金属氢化物和化学氢化物等储氢材料的研发取得了一系列突破,对中国优化能源结构和环境改善具有重大意义。

  八、人民生活与健康对新材料的需求逐步增强

  当前,中国人口已约达到世界总人口的18%,2012年60岁以上的老龄人口已达到2亿,且正以年增800万人的速度攀升,自然灾害、运动和交通事故等因素导致的中青年创伤的增加,以及重大疾病患者的激增;加之经济持续增长,人民保健意识增强,民生对生物医用材料的需求日益增强。

  十余年来,国内生物医用材料市场以高达30%左右的复合增长率持续增长,远高于国际市场的15%,2010年销售额约100亿美元,到2015年总销售额已接近200亿美元,占同期国际市场的7%左右,但高端产品的70%以上仍然依靠进口,预计未来几年复合增长率可保持在25%左右。全国生物医用材料生产企业有2000多家,主要集聚在长三角、珠三角、环渤海湾以及新形成的成渝地区,产品已覆盖国际市场的大部分品类,虽然生产企业中90%以上为中小企业,但大型龙头企业已开始萌生,行业的技术层次亦有大幅度提高,冠脉支架和骨创伤修复器械已基本实现国产化。生产及售后监管工作亦逐步完善,并与国际接轨。国家食品药品监督管理总局(China Food and Drug Administration,CFDA)已相继建立13个与生物材料(biomaterials)相关的技术标准化委员会,制定和修订了一批国家和行业标准。

  经过多年的努力,中国新材料产业发展取得了举世瞩目的成就,产业技术水平日益提高,产业规模不断扩大,具有自主创新能力的新材料产业体系正在形成,为中国以信息、生物、新能源、轨道交通、航空航天等为代表的高技术产业突破技术瓶颈、实现历史性的跨越发展提供了强有力的支撑。但总体上来看,中国还不是材料强国,新材料产业的核心竞争力仍需加强,以企业为主体的自主创新体系亟待完善,部分核心关键材料受制于人、高端材料对外依赖程度仍然较高等不利现状依然存在。因此,抓紧机遇,合理规划,实现全国新材料产业的变革和提升势在必行,这对加快中国经济发展方式转变、提升国防军工实力、实现节能环保目标具有重要的战略意义。

  中国材料研究学会

  翁端 曹译丹 刘爽