全球七大顶尖新材料强国!各国新材料发展战略、优势产业等全梳理!

时间2022-03-01


新材料是人类赖以生存的物质基础,每种新材料的出现及应用都将伴随着现代科学技术的巨大飞跃。从现代科学技术史中不难看出,每一项重大科技的突破在很大程度上都依赖于相应的新材料的发展。因此,新材料是现代科技发展之本,美国将新材料称之为“科技发展的骨肉”。新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”。

新材料产业的创新主体是美国、日本和欧洲等发达国家和地区,其拥有绝大部分大型跨国公司,在经济实力、核心技术、研发能力、市场占有率等多方面占据绝对优势。其中,美国属于全面领跑的国家,日本的优势在纳米材料、电子信息材料等领域,欧洲在结构材料、光学与光电材料等方面有明显优势。中国、韩国、俄罗斯紧随其后,目前属于全球第二梯队。中国在半导体照明、稀土永磁材料、人工晶体材料,韩国在显示材料、存储材料,俄罗斯在航空航天材料等方面具有比较优势。从新材料市场来看,北美和欧洲拥有目前全球最大的新材料市场,且市场已经比较成熟,而在亚太地区,新材料市场正处在快速发展的阶段。从宏观层面看,全球新材料市场的重心正逐步向亚洲地区转移。

以下为全球七大顶尖新材料强国的概况:

美 国

美国是全球新材料领域的重要领导者。北京大学数字中国研究院副院长曾经认为:美国在新能源、新材料和生命工程方面的技术水平远远领先于世界其他国家。
 
值得一提的是,美国曾经把新材料列为影响经济繁荣和国家安全的六大类关键技术之首。在确定的22项关键技术中,材料占了5项(即材料的合成和加工、电子和光电子材料、陶瓷、复合材料、高性能金属和合金)。美国的新材料发展特色是以国防部和航空航天局的大型研究与发展计划为龙头,主要以国防采购合同形式来推动和确保高校、科研机构和企业的新材料研究与发展工作。

早在2011年,美国总统奥巴马宣布了一项超过5亿美元的“推进制造业伙伴关系”计划,通过政府、高校及企业的合作来强化美国制造业,投资逾1亿美元的“材料基因组计划”(Materials Genome Initiative)是其组成部分之一。“材料基因组计划”拟通过新材料研制周期内各个阶段的团队相互协作,加强“产学研用”,注重实验技术、计算技术和数据库之间的协作和共享,目标是把新材料研发周期减半,成本降低到现有的几分之一,以期加速美国在清洁能源、国家安全、人类健康与福祉以及下一代劳动力培养等方面的进步,提高美国在新材料领域的国际竞争力。

美国重点把生物材料、信息材料、纳米材料、极端环境材料及材料计算科学列为主要前沿研究领域,支持生命科学、信息技术、环境科学和纳米技术等发展,尤其满足国防、能源、电子信息等重要部门和领域的需求。由此,美国制订了一系列与新材料相关的战略性计划,主要包括:“21世纪国家纳米纲要” “ 国家纳米技术计划(NNI)” “未来工业材料计划” “光电子计划” “ 光伏计划” “下一代照明光源计划”“先进汽车材料计划” "化石能源材料计划" “建筑材料计划” “NSF先进材料与工艺过程计划” “材料基因组计划”等。美国在新材料科技发展方面取得很大进展。比如在战略性新材料计划之下,早在2011年1月份,美国科学家开发出一种由超介质材料制造的声呐探测不到的“隐声衣”;3月份,高效存储氢的纳米复合材料问世;6月份,“诱导”聚合物拟肽链自我组装成纳米绳子,自组装纳米绳性能不逊于自然材料;9月份,以镱为基础材料研制出奇特的新型超导体,在自然状态就能达到“量子临界点” ;11月份,研发的超黑材料能吸收几乎所有照射在其上的光,吸收率超过99%;同月,新研发的世界上最轻的材料,其能量吸收性能与人造橡胶相仿,却比聚苯乙烯泡沫塑料还要轻100倍。

美国拥有全球众多顶尖的新材料巨头:比如埃克森美孚(ExxonMobil)、、陶氏化学(DowChemical)、杜邦公司(DuPont)、3M公司(3M)、美铝公司(Alcoa)、美国钢铁公司(UnitedStates Steel)、PPG 工业公司(PPG Industries)、空气化工产品公司(AirProducts & Chemicals)、伊士曼化学公司(Eastman Chemical)、康宁公司(Corning)等公司。

美国还拥有世界顶尖的新材料高等学府:比如著名的西北大学、麻省理工大学(材料科学与工程学院的课程排名第一)、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(由最早成立于1867年的陶瓷、冶金、矿业等系合并而来;专业分为生物材料、电子材料等6个方向;全美材料专业排名常年前三。)、加利福尼亚大学伯克利分校(世界上最负盛名且是最顶尖的公立大)、斯坦福大学(世界上最杰出的大学之一)、加州大学圣塔芭芭拉分校(美国顶尖的以研究科学为主,且学术声望非常高的研究性公立大学)等。

美国拥有一大批全球顶尖的研究所及领先的实验室:比如橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室、埃姆斯实验室等17个科研实力全球名列前茅的国家实验室;杜邦、波音、IBM等13个顶尖科技研发公司实验室;以及麻省理工大学、哈佛大学等180所高校。

日  本

日本是新材料生产技术最先进的国家,日本政府十分重视新材料技术的发展,把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标,因此,日本材料企业在全球新材料产业界形成“一枝独秀”领先局面。

日本机械制造工业长期保持全球先进水平与其发达的材料产业密不可分。比如日本的新材料产业凭借其超前的研发优势、先进的研发成果、实用化开发力度,在环境及新能源材料世界市场占据绝对的领先地位。

日本拥有世界领先的新材料巨头:比如享誉世界的京瓷株式会社;三井化学株式会社(Mitsui Chemicals)等。

日本同时还拥有享誉世界的顶尖大学:比如著名的东京大学。东京大学曾经培养了16名总理大臣、21名(日本)国会议长,13名富比世500大企业首席执行官。11名诺贝尔奖得主、6名沃尔夫奖得主、1名菲尔兹奖、3名罗伯·柯霍奖、4四名盖尔德纳国际奖及四名普立兹克建筑奖得主。还有日本名古屋大学 。它是日本顶尖、世界一流的著名研究型国立综合大学,是日本中部地区最高学府。名古屋大学曾经培养出6名诺贝尔奖得主、1名菲尔兹奖得主。

在新材料领域,日本远远领先于其他国家。如制造洲际弹道导弹喷管和壳体以及飞机骨架使用的高强度碳纤维材料,全球最高性能主动相控阵军用雷达使用的宽禁带半导体收发组件材料,制造新式涡轮发动机涡轮叶片使用的高性能单晶叶片,在这三种高精尖材料领域,日本遥遥领先,其他国家只能望其项背。

此外,日本的碳纤维材料也处于全球领先地位。在全球碳纤维生产制造厂家中,日本拥有东丽、东邦和三菱等三家顶尖公司,它们都代表了世界最顶级技术水平。据悉,在碳纤维有机复合材料领域,前苏联国家石墨结构材料研究所、前苏联聚合物纤维研究所,全俄航空材料研究院,能够生产出拉伸强度2500—3000MPa、拉伸模量250GPa的高强度碳纤维,以及模量400—600GPa的高模量碳纤维。尤其是后期又研发出4000—5000MPa的中模量碳纤维。尽管如此,俄罗斯的碳纤维产品在性能及水平上依然没有超过日本的技术水平。

德  国

德国新材料产业受到全世界的公认好评。2012年6月,德国启动实施了《纳米材料安全性》长期研究项目,以了解各类纳米材料可能对周边环境产生的影响,通过定量化方法对纳米材料进行安全性风险评估。2012年11月,德国启动“原材料经济战略”科研项目,目的是开发能够高效利用并回收原材料的特殊工艺,加强稀土、铟、镓、铂族金属等的回收利用。

德国为鼓励各种社会力量参与新材料研发,先后颁布实行了“材料研究MatFo”(1984-1993年)、“材料技术MaTech”(截至2003年)和“为工业和社会而进行材料创新WING”(始于2004年)3个规划。“WING规划”强调,密切关注材料的可制造性,致力于协调各部门间的高水平材料研究。

值得一提的是,2013年4月,德国颁布了《关于实施工业4.0战略的建议》白皮书。之后德国将“工业4.0”项目纳入了《高技术战略2020》的10个未来项目中,以推动智能制造、互联网、新能源、新材料、现代生物为特征的新工业革命。德国企业界普遍认为,确保和扩大在材料研发方面的领先地位是其在国际竞争中取得成功的关键。2016年3月,德国发布的《数字战略2025》(Digital Strategy 2025)确定,实现数字化转型的步骤及具体实施措施,其中重点支柱项目包括工业3D打印等。

英  国

英国是全球传统的新材料强国之一。英国亨利·罗伊斯研究所(Henry Royce Institute)由九个先进材料研究机构组成,并与剑桥大学物理研究所和制造业研究所一起确定了五个绿色技术“路线图”,描述了关键材料领域如何减少温室气体排放。具体包括:

光伏系统的材料,它将增加太阳能电池板产生的电量。

用于产生氢气和化学原料的低碳方法的材料。

热电能量转换材料,主要用于加热,制冷和空调系统。

热量转换材料,可消除在加热和制冷系统中碳的使用。

低损耗电子设备的材料,可使电子设备和计算更节能。
 
研究人员还提出了一系列建议,包括呼吁增加对材料研究和测试设施的投资,制定新法律以确保采用新的绿色技术,以及将可持续发展作为任何新的先进材料的核心。

中  国

中国是全球首屈一指的新材料产业大国,产业规模大约2万亿元。中国在金属材料、纺织材料、化工材料等传统领域基础较好,稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产能居世界前列。经过几十年奋斗,中国新材料产业从无到有,不断发展壮大,在体系建设、产业规模、技术进步等方面取得明显成就,为国民经济和国防建设做出了重大贡献,具备了良好发展基础,预计到2025年中国新材料产值有望突破10万亿元。

中国在部分先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料等领域,已经实现了与国际先进水平“并跑”甚至“领跑”。比如在关键战略材料方面,中芯国际在前七大耗材中实现六类材料的国产采购;南山集团的铝合金厚板通过波音公司认证并签订供货合同;中船重工兆瓦级稀土永磁电机体积比传统电机减少50%、重量减轻40%;液态金属在3D打印、柔性智能机器、血管机器人等领域实现初步应用等。

中国的石墨烯技术处于世界领先水平。2017世界石墨烯创新大会在中国常州举行,这标志中国石墨烯技术已经开始走在世界前列。值得一提的是,石墨烯材料最早是由英国科学家发现,石墨烯是已知世界上最薄、最硬的材料,被誉为“黑金”“新材料之王”。据悉,石墨烯的厚度可达头发丝的20万分之一,强度是钢的200倍。科学家预言,石墨烯将会是21世纪最重要的新材料,市场应用前景不可估量。石墨烯技术已被世界许多国家列为优先发展的材料技术,虽然中国接触石墨烯技术只有短短几年时间,但发展势头很猛,且中国拥有巨大的潜在市场。

中国的人工晶体材料经过多年的发展,偏硼酸钡和三硼酸锂等紫外非线性光学晶体研究居国际领先水平并实现产业化;激光晶体、太阳能电池关键技术指标达到国际先进水平,光伏发电成本降到1元/kWh以下。

中国拥有全球最完备的液体金属全产业链,从原材料到制成,从专利到工艺,我国可大规模生产锆基非晶合金,尤其在块状成型工艺技术里,我国已掌握液态金属核心技术。值得一提的是,中国的材料配方、设备制造和成型工艺等三大核心技术,都拥有自主的知识产权,也是全球唯一一家能对外公布具备大形块状非晶金属成型能力的国家。

俄罗斯

俄罗斯是传统的制造业强国,尤其在新材料等新兴产业科技创新方面具有独特优势。值得一提的是,俄罗斯在航天航空、能源材料、化工新材料等领域处于全球领先地位。据了解,俄罗斯国家科学技术大学的材料科学家曾经研制出一种氰化铪陶瓷,理论上能承受4200摄氏度高温。在此之前,世界上公认的最耐高温、最难熔化的人造物质是钽铪碳化物。另外,俄罗斯采用SHS法(自蔓燃技术)合成的化合物已多达700种,位居世界领先地位。

俄罗斯研发新材料的战略目标是:一方面,力求继续保持某些材料领域在世界上的领先地位,如航空航天、能源工业、化工、金属材料、超导材料、聚合材料等;另一方面,大力发展对促进国民经济发展和提高国防实力有影响的领域,如电子信息工业、通讯设施、计算机产业等。

俄罗斯始终把新材料相关技术产业作为国家战略和国家经济的主导产业。比如,在2012年4月俄罗斯发布的《2030年前材料与技术发展战略》中将18个重点材料战略列为发展方向,其中包括智能材料、金属间化合物、纳米材料及涂层、单晶耐热超级合金、含铌复合材料等,同时俄罗斯还制定了新材料产业主要应用领域的发展战略。另外,俄罗斯科学院于2015年发布的《至2030年科技发展预测》中将7项技术列为科技优先发展方向,即信息通信技术、生物技术、医疗与保障、新材料与纳米技术、自然资源合理利用、交通运输与航天系统、能效与节能等。

韩 国

韩国是新材料世界级强国之一。2020年10月,三星先进技术研究院Eunjoo Jang团队曾经报道了一种量产率为100%的无镉蓝光ZnTeSe / ZnSe / ZnS量子点的合成。所得的器件显示出高达20.2%的EQE,亮度为88900 cd m-2,在100 cd m-2时T50 = 15850 h,这是迄今为止全球蓝光QD-LED报道的最高值。

韩国早在2001年就成为世界上第5个材料出口国,并且推出“Fast-Follower”战略,希望跻身四强。韩国企业在“Fast-Follower”战略推动下,逐渐赶超了原材料行业发达国家的企业。韩国在2001年成为世界上第5个材料出口国/地区,当年材料行业占韩国出口总额的45%以上,到了2015年达到68%。

韩国一直处于新材料研发的核心阵营。如在韩国,石墨烯广泛应用于太阳能电池、半导体、透明面板、发光材料等不同领域。尽管石墨烯是国外科学家首先发明的,但韩国在石墨烯产业研发创新上是“最早的行动者”之一。2016年,韩国已成为拥有石墨烯专利最多的国家:韩国三星拥有225项专利,LG拥有180项专利,成均馆大学拥有147项专利,韩国科学技术院(KAIST)拥有129项专利,首尔国立大学拥有78项专利。

值得一提的是,韩国政府在2013年发布的《第三次科学技术基本计划》中提出,将在5个领域推进120项国家战略技术的开发,其中30项为重点技术,包括先进技术材料、知识信息安全技术、大数据应用技术等内容。