強勁分析全球新材料產業發展態勢

全球新材料產業發展現狀

1.產業規模不斷擴大,地區差異日益明顯。

2010年全球新材料市場規模超過4000億美元,到2016年已經接近2.15萬億美元,平均每年以10%以上的速度增長。盡管2012年以來全球經濟仍未擺脫低迷,但新材料產業發展并未受到明顯影響,保持穩中有升的持續發展態勢。隨著全球高新技術產業的快速壯大和制造業的不斷升級,以及可持續發展的持續推進,新材料的需求將更加旺盛,新材料的產品、技術、模式不斷更新迭代,市場更加廣闊,產業繼續快速增長。

全球新材料產業發展的地區差距日益明顯。長期以來,新材料產業的創新主體是美國、日本和歐洲等發達國家和地區,其擁有絕大部分大型跨國公司,在經濟實力、核心技術、研發能力、市場占有率等多方面占據絕對優勢,占據全球市場的壟斷地位。其中,全面領跑的國家是美國,日本的優勢在納米材料、電子信息材料等領域,歐洲在結構材料、光學與光電材料等方面有明顯優勢。中國、韓國、俄羅斯緊隨其后,目前屬于全球第二梯隊。中國在半導體照明、稀土永磁材料、人工晶體材料,韓國在顯示材料、存儲材料,俄羅斯在航空航天材料等方面具有比較優勢。除巴西、印度等少數國家之外,大多數發展中國家的新材料產業相對比較落后。從新材料市場來看,北美和歐洲擁有目前全球最大的新材料市場,且市場已經比較成熟,而在亞太地區,尤其是中國,新材料市場正處在一個快速發展的階段。從宏觀層面看,全球新材料市場的重心正逐步向亞洲地區轉移。伴隨新一輪科技革命和產業大變革的來臨,全球技術要素和市場要素配置方式將發生深刻變化,地區差異將會進一步加劇。

近15年來,世界各國的新材料產業快速擴張、高速增長,并呈現出專業化、復合化、精細化、智能化、綠色化特征。受全球經濟疲軟影響,中國新材料產業增速有所放緩,但仍保持增長態勢,2017年中國新材料產業總產值達3.1 萬億元人民幣,產生了若干創新能力強、具有核心競爭力、新材料銷售收入超過百億元的綜合性龍頭企業,培育了一批新材料銷售收入超過10億元人民幣的專業型骨干企業,建成了一批主業突出、產業配套齊全、年產值超過300億元人民幣的新材料產業集聚區和特色產業集群。

2.向集約化、集群化發展,高端材料壟斷加劇。

隨著全球經濟一體化進程加快,集約化、集群化和高效化成為新材料產業發展的突出特點,中國新材料產業也正朝著這一趨勢邁進。新材料產業呈現橫向、縱向擴展,上下游產業聯系也越來越緊密,產業鏈日趨完善,多學科、多部門聯合進一步加強,形成了新的產業戰略聯盟,有利于產品開發與應用拓展的融合,但是也形成了寡頭壟斷。一些世界著名的材料企業紛紛結成戰略伙伴開展全球化合作,通過并購、重組及產業生態圈構建,整體上把控著全球新材料產業的優勢格局。比如,世界新材料主要生產商美國鋁業、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化學、日本帝人、日本TORAY、韓國LG等大型跨國公司,加速對全球新材料產業的壟斷,并在高技術含量、高附加值的新材料產品市場中保持主導地位。

3.交叉融合創新加速,研發模式加快轉變。

基礎學科突破、多學科交叉、多技術融合快速推進了新材料的創制、新功能的發現和傳統材料性能的提升,新材料研發日益依賴多專業協同創新。值得注意的是,針對現有研發思路和方法的局限性(性能、周期、資源),以高通量計算、高通量制備、高通量表征、數據庫與大數據等技術為支撐,立足把握材料成分-原子排列-顯微組織-材料性能-環境參數-使用壽命之間關系的材料基因組工程快速發展,將推動新材料的研發、設計、制造和應用發生重大變革,使新材料研發周期和研發成本大幅度縮減,并將加快探索發現前沿材料、實現材料新功能,加速新材料的創新過程。

4.全生命周期綠色化,資源能源高效利用。

世界各國都積極將新材料的發展與綠色發展緊密結合,高度重視新材料與資源、環境和能源的協調發展,大力推進與綠色發展密切相關的新材料開發與應用。如:歐洲首倡材料全生命周期技術,對鋼鐵、有色、水泥等大宗基礎材料的單產能耗、環境載荷要求降低20%以上;對新能源材料、環保節能材料等的研發生產,高度重視從生產到使用全生命周期的低消耗、低成本、少污染和綜合利用等。


世界主要地區新材料產業相關政策

鑒于材料的戰略性和基礎性作用,新材料技術成為各國競爭的熱點之一。為此,全球主要國家均制定了相應的新材料發展戰略和研究計劃。

1.美國—國家制造業創新網絡戰略規劃、材料基因組計劃等。

美國處于世界科技的領先地位得益于對新材料研究的長期重視和持續支持。長久以來,美國科研的主導方向是為國防領域服務,所以材料研究與開發主要集中在國防和核能領域,這使得美國航空航天、計算機及信息技術等行業的相關材料應用得到迅速發展。1991年,美國提出了通過改進材料制造方法、提高材料性能來達到提高國民生活質量、加強國家安全、提高工業生產率、促進經濟增長的目的。自此美國科技政策向軍民結合調整。在已發表的第一份美國國家關鍵技術報告中,美國就將新材料列為所提出的對國家經濟繁榮和國家安全至關重要的6個領域之首。從克林頓、小布什到奧巴馬政府,美國都將新材料發展置于國家戰略高度。

美國能源部為了推動清潔能源的發展,于2010年12月發布了《關鍵材料戰略》,以解決因產地、供應鏈脆弱以及缺乏合適的替代材料等原因導致的安全問題。2011年12月,又發布了該戰略的修訂升級版——《2011關鍵材料戰略》,重點支持風輪機、電動汽車、太陽能電池、能效照明等清潔能源技術中用到的稀土及其他關鍵材料。

2011年6月,美國宣布了一項超過5億美元的“制造業伙伴關系”計劃,其中就包含了材料基因組計劃,目標是使美國企業發現、開發、生產和應用先進材料的速度提高到目前的兩倍。

2012年2月,美國發布了“先進制造業國家戰略計劃”,創建包括先進材料在內的4個領域的聯邦政府投資組合,以促進先進材料的發展。同時,還發布了“國家納米計劃”,確定了納米材料、納米制造等8個主要支持領域。

2014年,美國發布材料基因組計劃戰略規劃,主要包括生物材料、催化劑、光電材料、儲能系統、輕質結構材料、有機電子材料等9個領域63個方向。

2016年,美國發布了《國家制造業創新網絡戰略規劃》,組建了輕質現代金屬制造創新研究所、復合材料制造創新研究所等,重點發展先進合金、新興半導體、碳纖維復合材料等重點材料領域。

2.歐盟—地平線2020計劃、歐洲冶金計劃等。

為搶占未來的新興市場,歐盟委員會于2009年9月公布了《為我們的未來做準備:發展歐洲關鍵使能技術總策略》的文件,將納米科技、微(納)米電子與半導體、光電、生物科技及先進材料等5項科技認定為關鍵使能技術(KETs)。歐盟委員會指出,KETs的技術外溢效應及其所產生的加成效果,可以同時提升通信技術、鋼鐵、醫療器材、汽車及航天等領域的發展,因此對歐盟地區未來的經濟持續發展有著重大影響。

歐盟委員會于2011年11月公布了為期7年、耗資800億歐元的“地平線2020”(Horizon2020)規劃提案,提出專項支持信息通信技術、納米技術、微電子技術、光電子技術、先進材料、先進制造工藝、生物技術、空間技術以及這些技術的交叉研究。

2011年,歐盟以高性能合金材料需求為牽引,啟動了歐盟第七框架計劃下的“加速冶金學(ACCMET)”項目。

2012年,歐洲科學基金會又推出總投資超過20億歐元的“2012-2022年歐洲冶金復興計劃”,對數以萬計的合金成分進行自動化篩選、優化和數據積累,以加速發現與應用高性能合金及新一代先進材料。

2013年開始,歐盟在“地平線2020計劃”中推進了“新材料發現(NoMaD)”項目,現已建成NoMaD數據庫,以托管、組織和共享材料數據。

2014年,歐盟提出石墨烯旗艦計劃,投資10億歐元支持石墨烯制備、應用等13個方向,推出“納米科學、納米技術/材料與新制造技術”(NMP)項目以及“研究網絡計劃”,加速高性能合金及新一代材料的研發。

3.德國—工業4.0

2012年6月,德國啟動實施了《納米材料安全性》長期研究項目,以了解各類納米材料可能對周邊環境產生的影響,通過定量化方法對納米材料進行安全性風險評估。

2012年11月,德國啟動“原材料經濟戰略”科研項目,目的在于開發能夠高效利用并回收原材料的特殊工藝,加強稀土、銦、鎵、鉑族金屬等的回收利用。

德國為鼓勵各種社會力量參與新材料研發,先后頒布實行了“材料研究MatFo”(1984-1993年)、“材料技術MaTech” (截至2003年)和“為工業和社會而進行材料創新WING” (始于2004年)3個規劃。WING規劃強調密切關注材料的可制造性,致力于協調各部門間的高水平材料研究。

2013年4月,德國頒布了《關于實施工業4.0戰略的建議》白皮書。之后德國將工業4.0項目納入了《高技術戰略2020》的10個未來項目中,推動以智能制造、互聯網、新能源、新材料、現代生物為特征的新工業革命。德國企業界普遍認為,確保和擴大在材料研發方面的領先地位是其在國際競爭中取得成功的關鍵。

2016年3月,德國發布了《數字戰略2025》(Digital Strategy2025),確定了實現數字化轉型的步驟及具體實施措施,其中重點支柱項目包括工業3D打印等。

4.日本—第五期科學技術基本計劃。

日本1994年將其一貫奉行的“科技立國”調整為“科技創新立國”,1996年起實施首個“科學技術基本計劃”,在第四期“科學技術基本計劃”(2011-2015年)中,特別強調材料等高新技術在國家發展戰略中的重要地位,確定了新材料產業的重要發展方向。

日本先后推出了“材料整合(Materials Integration)”項目、“信息統合型物質材料開發”項目(MI2I:“Materials Research by Information Integration”Initiative)以及“超高端材料/超高速開發基礎技術項目”。

日本先后啟動了“元素戰略研究(2007年)”、“元素戰略研究基地(2012年)”、“創新實驗室構筑支援事業之信息統合型物質材料開發(2015年)”等計劃,融合了物質材料科學和數據科學的新型材料開發方法,進行龐大的數據庫積累和大數據解析,相關數據庫主要包括日本無機材料數據庫、日本物質材料研究機構(NIMS)的物質材料數據庫、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的材料數據庫等。

日本經濟產業省在2015年公布了《2015年版制造白皮書》,其中3D打印是其大力發展的項目。

5.韓國—未來增長動力計劃。

2012年6月,韓國知識經濟部和教育科學技術部表示,到2020年將投入5130億韓元(約合人民幣28.2億元)推動“納米融合2020項目”。

2013年7月,韓國政府發布《第三次科學技術基本計劃》,提出將在5個領域推進120項國家戰略技術(含30項重點技術)的開發,其中30項重點技術包括先進技術材料、知識信息安全技術、大數據應用技術等。韓國的未來增長動力計劃,集中支持新一代半導體、納米彈性元件、生態材料、生物材料、高性能結構材料等。

韓國政府在2014年制定了3D打印技術產業發展的總體規劃,并加強了技術開發、基礎設施建設、人才培養、法律制度完善等基本產業環境的建設。2016年,在原有政策與推進工作基礎上,為提高韓國產業競爭力,韓國制定了《韓國3D打印產業振興計劃(2017-2019年)》,其目標是在2019年使韓國成為3D打印技術的全球領先國家。

6.俄羅斯—2030年前材料與技術發展戰略。

俄羅斯也始終把新材料相關技術產業作為國家戰略和國家經濟的主導產業。2012年4月發布的《2030年前材料與技術發展戰略》將18個重點材料戰略列為發展方向,其中包括智能材料、金屬間化合物、納米材料及涂層、單晶耐熱超級合金、含鈮復合材料等,同時還制定了新材料產業主要應用領域的發展戰略。

俄羅斯科學院于2015年發布《至2030年科技發展預測》,內容主要包括7個科技優先發展方向,即信息通信技術、生物技術、醫療與保障、新材料與納米技術、自然資源合理利用、交通運輸與航天系統、能效與節能等。


可以看到,世界主要國家和地區新材料產業相關政策,在突出各自特色、優勢發展領域的同時,均強調了三方面的共性重點。

一是高度重視技術研發。美國“先進制造業國家戰略計劃”將加大研發投資力度作為重要目標,通過加強并永久化研究以及試驗稅收減免來激勵研發;德國“工業4.0”戰略尤其重視制造業的智能化轉型,研究智能化生產過程、整合物流資源、借助網絡提升資源供應方的效率,以實現企業間價值鏈的橫向集成、網絡化制造體系的縱向集成。

二是高度重視人才培養。日本政府推出的“重振制造業”措施中提到,要大量培養制造業人才,政府出資將具有特殊技術的人才作為專家,培訓一線技術人員和制造工人,實現對生產訣竅和傳統制造技藝的傳承;歐盟“地平線2020計劃”也強調了對創新培訓領域的發展計劃;美國“先進制造業國家戰略計劃”的重要目標之一就是提高勞動力的技能,并由此提出及時更新制造業勞動力、強化先進制造業工人培訓、為未來工人提供職業教育、支持新型制造業學徒計劃等具體措施。

三是高度重視合作融合。日本政府成立“不同行業交流合作會議”,推動不同制造業行業的相互滲透融合,進而創造新的市場和領域;美國“先進制造業國家戰略計劃”提出建立健全伙伴關系,鼓勵中小企業參與,通過支持跨部門伙伴關系增強“產業公地”,并通過創建區域集群來協調戰略規劃和集群內的風險分擔。


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