强劲分析全球新材料产业发展态势

全球新材料产业发展现状

1.产业规模不断扩大,地区差异日益明显。

2010年全球新材料市场规模超过4000亿美元,到2016年已经接近2.15万亿美元,平均每年以10%以上的速度增长。尽管2012年以来全球经济仍未摆脱低迷,但新材料产业发展并未受到明显影响,保持稳中有升的持续发展态势。随着全球高新技术产业的快速壮大和制造业的不断升级,以及可持续发展的持续推进,新材料的需求将更加旺盛,新材料的产品、技术、模式不断更新迭代,市场更加广阔,产业继续快速增长。

全球新材料产业发展的地区差距日益明显。长期以来,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,占据全球市场的垄断地位。其中,全面领跑的国家是美国,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。除巴西、印度等少数国家之外,大多数发展中国家的新材料产业相对比较落后。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,尤其是中国,新材料市场正处在一个快速发展的阶段。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。伴随新一轮科技革命和产业大变革的来临,全球技术要素和市场要素配置方式将发生深刻变化,地区差异将会进一步加剧。

近15年来,世界各国的新材料产业快速扩张、高速增长,并呈现出专业化、复合化、精细化、智能化、绿色化特征。受全球经济疲软影响,中国新材料产业增速有所放缓,但仍保持增长态势,2017年中国新材料产业总产值达3.1 万亿元人民币,产生了若干创新能力强、具有核心竞争力、新材料销售收入超过百亿元的综合性龙头企业,培育了一批新材料销售收入超过10亿元人民币的专业型骨干企业,建成了一批主业突出、产业配套齐全、年产值超过300亿元人民币的新材料产业集聚区和特色产业集群。

2.向集约化、集群化发展,高端材料垄断加剧。

随着全球经济一体化进程加快,集约化、集群化和高效化成为新材料产业发展的突出特点,中国新材料产业也正朝着这一趋势迈进。新材料产业呈现横向、纵向扩展,上下游产业联系也越来越紧密,产业链日趋完善,多学科、多部门联合进一步加强,形成了新的产业战略联盟,有利于产品开发与应用拓展的融合,但是也形成了寡头垄断。一些世界著名的材料企业纷纷结成战略伙伴开展全球化合作,通过并购、重组及产业生态圈构建,整体上把控着全球新材料产业的优势格局。比如,世界新材料主要生产商美国铝业、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化学、日本帝人、日本TORAY、韩国LG等大型跨国公司,加速对全球新材料产业的垄断,并在高技术含量、高附加值的新材料产品市场中保持主导地位。

3.交叉融合创新加速,研发模式加快转变。

基础学科突破、多学科交叉、多技术融合快速推进了新材料的创制、新功能的发现和传统材料性能的提升,新材料研发日益依赖多专业协同创新。值得注意的是,针对现有研发思路和方法的局限性(性能、周期、资源),以高通量计算、高通量制备、高通量表征、数据库与大数据等技术为支撑,立足把握材料成分-原子排列-显微组织-材料性能-环境参数-使用寿命之间关系的材料基因组工程快速发展,将推动新材料的研发、设计、制造和应用发生重大变革,使新材料研发周期和研发成本大幅度缩减,并将加快探索发现前沿材料、实现材料新功能,加速新材料的创新过程。

4.全生命周期绿色化,资源能源高效利用。

世界各国都积极将新材料的发展与绿色发展紧密结合,高度重视新材料与资源、环境和能源的协调发展,大力推进与绿色发展密切相关的新材料开发与应用。如:欧洲首倡材料全生命周期技术,对钢铁、有色、水泥等大宗基础材料的单产能耗、环境载荷要求降低20%以上;对新能源材料、环保节能材料等的研发生产,高度重视从生产到使用全生命周期的低消耗、低成本、少污染和综合利用等。


世界主要地区新材料产业相关政策

鉴于材料的战略性和基础性作用,新材料技术成为各国竞争的热点之一。为此,全球主要国家均制定了相应的新材料发展战略和研究计划。

1.美国—国家制造业创新网络战略规划、材料基因组计划等。

美国处于世界科技的领先地位得益于对新材料研究的长期重视和持续支持。长久以来,美国科研的主导方向是为国防领域服务,所以材料研究与开发主要集中在国防和核能领域,这使得美国航空航天、计算机及信息技术等行业的相关材料应用得到迅速发展。1991年,美国提出了通过改进材料制造方法、提高材料性能来达到提高国民生活质量、加强国家安全、提高工业生产率、促进经济增长的目的。自此美国科技政策向军民结合调整。在已发表的第一份美国国家关键技术报告中,美国就将新材料列为所提出的对国家经济繁荣和国家安全至关重要的6个领域之首。从克林顿、小布什到奥巴马政府,美国都将新材料发展置于国家战略高度。

美国能源部为了推动清洁能源的发展,于2010年12月发布了《关键材料战略》,以解决因产地、供应链脆弱以及缺乏合适的替代材料等原因导致的安全问题。2011年12月,又发布了该战略的修订升级版——《2011关键材料战略》,重点支持风轮机、电动汽车、太阳能电池、能效照明等清洁能源技术中用到的稀土及其他关键材料。

2011年6月,美国宣布了一项超过5亿美元的“制造业伙伴关系”计划,其中就包含了材料基因组计划,目标是使美国企业发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍。

2012年2月,美国发布了“先进制造业国家战略计划”,创建包括先进材料在内的4个领域的联邦政府投资组合,以促进先进材料的发展。同时,还发布了“国家纳米计划”,确定了纳米材料、纳米制造等8个主要支持领域。

2014年,美国发布材料基因组计划战略规划,主要包括生物材料、催化剂、光电材料、储能系统、轻质结构材料、有机电子材料等9个领域63个方向。

2016年,美国发布了《国家制造业创新网络战略规划》,组建了轻质现代金属制造创新研究所、复合材料制造创新研究所等,重点发展先进合金、新兴半导体、碳纤维复合材料等重点材料领域。

2.欧盟—地平线2020计划、欧洲冶金计划等。

为抢占未来的新兴市场,欧盟委员会于2009年9月公布了《为我们的未来做准备:发展欧洲关键使能技术总策略》的文件,将纳米科技、微(纳)米电子与半导体、光电、生物科技及先进材料等5项科技认定为关键使能技术(KETs)。欧盟委员会指出,KETs的技术外溢效应及其所产生的加成效果,可以同时提升通信技术、钢铁、医疗器材、汽车及航天等领域的发展,因此对欧盟地区未来的经济持续发展有着重大影响。

欧盟委员会于2011年11月公布了为期7年、耗资800亿欧元的“地平线2020”(Horizon2020)规划提案,提出专项支持信息通信技术、纳米技术、微电子技术、光电子技术、先进材料、先进制造工艺、生物技术、空间技术以及这些技术的交叉研究。

2011年,欧盟以高性能合金材料需求为牵引,启动了欧盟第七框架计划下的“加速冶金学(ACCMET)”项目。

2012年,欧洲科学基金会又推出总投资超过20亿欧元的“2012-2022年欧洲冶金复兴计划”,对数以万计的合金成分进行自动化筛选、优化和数据积累,以加速发现与应用高性能合金及新一代先进材料。

2013年开始,欧盟在“地平线2020计划”中推进了“新材料发现(NoMaD)”项目,现已建成NoMaD数据库,以托管、组织和共享材料数据。

2014年,欧盟提出石墨烯旗舰计划,投资10亿欧元支持石墨烯制备、应用等13个方向,推出“纳米科学、纳米技术/材料与新制造技术”(NMP)项目以及“研究网络计划”,加速高性能合金及新一代材料的研发。

3.德国—工业4.0

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,目的在于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。

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,推动以智能制造、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,德国发布了《数字战略2025》(Digital Strategy2025),确定了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。

4.日本—第五期科学技术基本计划。

日本1994年将其一贯奉行的“科技立国”调整为“科技创新立国”,1996年起实施首个“科学技术基本计划”,在第四期“科学技术基本计划”(2011-2015年)中,特别强调材料等高新技术在国家发展战略中的重要地位,确定了新材料产业的重要发展方向。

日本先后推出了“材料整合(Materials Integration)”项目、“信息统合型物质材料开发”项目(MI2I:“Materials Research by Inion Integration”Initiative)以及“超高端材料/超高速开发基础技术项目”。

日本先后启动了“元素战略研究(2007年)”、“元素战略研究基地(2012年)”、“创新实验室构筑支援事业之信息统合型物质材料开发(2015年)”等计划,融合了物质材料科学和数据科学的新型材料开发方法,进行庞大的数据库积累和大数据解析,相关数据库主要包括日本无机材料数据库、日本物质材料研究机构(NIMS)的物质材料数据库、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的材料数据库等。

日本经济产业省在2015年公布了《2015年版制造白皮书》,其中3D打印是其大力发展的项目。

5.韩国—未来增长动力计划。

2012年6月,韩国知识经济部和教育科学技术部表示,到2020年将投入5130亿韩元(约合人民币28.2亿元)推动“纳米融合2020项目”。

2013年7月,韩国政府发布《第三次科学技术基本计划》,提出将在5个领域推进120项国家战略技术(含30项重点技术)的开发,其中30项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。韩国的未来增长动力计划,集中支持新一代半导体、纳米弹性元件、生态材料、生物材料、高性能结构材料等。

韩国政府在2014年制定了3D打印技术产业发展的总体规划,并加强了技术开发、基础设施建设、人才培养、法律制度完善等基本产业环境的建设。2016年,在原有政策与推进工作基础上,为提高韩国产业竞争力,韩国制定了《韩国3D打印产业振兴计划(2017-2019年)》,其目标是在2019年使韩国成为3D打印技术的全球领先国家。

6.俄罗斯—2030年前材料与技术发展战略。

俄罗斯也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。2012年4月发布的《2030年前材料与技术发展战略》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,同时还制定了新材料产业主要应用领域的发展战略。

俄罗斯科学院于2015年发布《至2030年科技发展预测》,内容主要包括7个科技优先发展方向,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。


可以看到,世界主要国家和地区新材料产业相关政策,在突出各自特色、优势发展领域的同时,均强调了三方面的共性重点。

一是高度重视技术研发。美国“先进制造业国家战略计划”将加大研发投资力度作为重要目标,通过加强并永久化研究以及试验税收减免来激励研发;德国“工业4.0”战略尤其重视制造业的智能化转型,研究智能化生产过程、整合物流资源、借助网络提升资源供应方的效率,以实现企业间价值链的横向集成、网络化制造体系的纵向集成。

二是高度重视人才培养。日本政府推出的“重振制造业”措施中提到,要大量培养制造业人才,政府出资将具有特殊技术的人才作为专家,培训一线技术人员和制造工人,实现对生产诀窍和传统制造技艺的传承;欧盟“地平线2020计划”也强调了对创新培训领域的发展计划;美国“先进制造业国家战略计划”的重要目标之一就是提高劳动力的技能,并由此提出及时更新制造业劳动力、强化先进制造业工人培训、为未来工人提供职业教育、支持新型制造业学徒计划等具体措施。

三是高度重视合作融合。日本政府成立“不同行业交流合作会议”,推动不同制造业行业的相互渗透融合,进而创造新的市场和领域;美国“先进制造业国家战略计划”提出建立健全伙伴关系,鼓励中小企业参与,通过支持跨部门伙伴关系增强“产业公地”,并通过创建区域集群来协调战略规划和集群内的风险分担。


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