新材料是人類賴以生存的物質基礎，每種新材料的出現(xiàn)及應用都將伴隨著現(xiàn)代科學技術的巨大飛躍。從現(xiàn)代科學技術史中不難看出，每一項重大科技的突破在很大程度上都依賴于相應的新材料的發(fā)展。因此，新材料是現(xiàn)代科技發(fā)展之本，美國將新材料稱之為“科技發(fā)展的骨肉”。新材料技術被稱為“發(fā)明之母”和“產業(yè)糧食”

 

新材料產業(yè)的創(chuàng)新主體是美國、日本和歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)，其擁有絕大部分大型跨國公司，在經濟實力、核心技術、研發(fā)能力、市場占有率等多方面占據(jù)絕對優(yōu)勢。其中，美國屬于全面領跑的國家，日本的優(yōu)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(yōu)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(yōu)勢。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(qū)，新材料市場正處在快速發(fā)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(qū)轉移。

 

 

以下為全球七大頂尖新材料強國的概況：

 

 

美國是全球新材料領域的重要領導者。北京大學數(shù)字中國研究院副院長曾經認為：美國在新能源、新材料和生命工程方面的技術水平遠遠領先于世界其他國家。

 

值得一提的是，美國曾經把新材料列為影響經濟繁榮和國家安全的六大類關鍵技術之首。在確定的22項關鍵技術中，材料占了5項（即材料的合成和加工、電子和光電子材料、陶瓷、復合材料、高性能金屬和合金）。美國的新材料發(fā)展特色是以國防部和航空航天局的大型研究與發(fā)展計劃為龍頭，主要以國防采購合同形式來推動和確保高校、科研機構和企業(yè)的新材料研究與發(fā)展工作。

 

早在2011年，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布了一項超過5億美元的“推進制造業(yè)伙伴關系”計劃，通過政府、高校及企業(yè)的合作來強化美國制造業(yè)，投資逾1億美元的“材料基因組計劃”（Materials Genome Initiative）是其組成部分之一。“材料基因組計劃”擬通過新材料研制周期內各個階段的團隊相互協(xié)作，加強“產學研用”，注重實驗技術、計算技術和數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)作和共享，目標是把新材料研發(fā)周期減半，成本降低到現(xiàn)有的幾分之一，以期加速美國在清潔能源、國家安全、人類健康與福祉以及下一代勞動力培養(yǎng)等方面的進步，提高美國在新材料領域的國際競爭力。

 

美國重點把生物材料、信息材料、納米材料、極端環(huán)境材料及材料計算科學列為主要前沿研究領域，支持生命科學、信息技術、環(huán)境科學和納米技術等發(fā)展，尤其滿足國防、能源、電子信息等重要部門和領域的需求。由此，美國制訂了一系列與新材料相關的戰(zhàn)略性計劃，主要包括：“21世紀國家納米綱要” “ 國家納米技術計劃（NNI）” “未來工業(yè)材料計劃” “光電子計劃” “ 光伏計劃” “下一代照明光源計劃”“先進汽車材料計劃” "化石能源材料計劃" “建筑材料計劃” “NSF先進材料與工藝過程計劃” “材料基因組計劃”等。美國在新材料科技發(fā)展方面取得很大進展。比如在戰(zhàn)略性新材料計劃之下，早在2011年1月份，美國科學家開發(fā)出一種由超介質材料制造的聲吶探測不到的“隱聲衣”；3月份，高效存儲氫的納米復合材料問世；6月份，“誘導”聚合物擬肽鏈自我組裝成納米繩子，自組裝納米繩性能不遜于自然材料；9月份，以鐿為基礎材料研制出奇特的新型超導體，在自然狀態(tài)就能達到“量子臨界點” ；11月份，研發(fā)的超黑材料能吸收幾乎所有照射在其上的光，吸收率超過99%；同月，新研發(fā)的世界上最輕的材料，其能量吸收性能與人造橡膠相仿，卻比聚苯乙烯泡沫塑料還要輕100倍。

 

●美國擁有全球眾多頂尖的新材料巨頭：比如�？松�美孚(ExxonMobil)、、陶氏化學(DowChemical)、杜邦公司(DuPont)、3M公司(3M)、美鋁公司(Alcoa)、美國鋼鐵公司(UnitedStates Steel)、PPG 工業(yè)公司(PPG Industries)、空氣化工產品公司(AirProducts & Chemicals)、伊士曼化學公司(Eastman Chemical)、康寧公司(Corning)等公司。

 

●美國還擁有世界頂尖的新材料高等學府：比如著名的西北大學、麻省理工大學（材料科學與工程學院的課程排名第一）、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（由最早成立于1867年的陶瓷、冶金、礦業(yè)等系合并而來；專業(yè)分為生物材料、電子材料等6個方向;全美材料專業(yè)排名常年前三。）、加利福尼亞大學伯克利分校（世界上最負盛名且是最頂尖的公立大）、斯坦福大學（世界上最杰出的大學之一）、加州大學圣塔芭芭拉分校（美國頂尖的以研究科學為主，且學術聲望非常高的研究性公立大學）等。

 

●美國擁有一大批全球頂尖的研究所及領先的實驗室：比如橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室、埃姆斯實驗室等17個科研實力全球名列前茅的國家實驗室；杜邦、波音、IBM等13個頂尖科技研發(fā)公司實驗室；以及麻省理工大學、哈佛大學等180所高校。

 

 

日本是新材料生產技術最先進的國家，日本政府十分重視新材料技術的發(fā)展，把開發(fā)新材料列為國家高新技術的第二大目標，因此，日本材料企業(yè)在全球新材料產業(yè)界形成“一枝獨秀”領先局面。

 

日本機械制造工業(yè)長期保持全球先進水平與其發(fā)達的材料產業(yè)密不可分。比如日本的新材料產業(yè)憑借其超前的研發(fā)優(yōu)勢、先進的研發(fā)成果、實用化開發(fā)力度，在環(huán)境及新能源材料世界市場占據(jù)絕對的領先地位。

 

●日本擁有世界領先的新材料巨頭：比如享譽世界的京瓷株式會社；三井化學株式會社(Mitsui Chemicals)等。

 

●日本同時還擁有享譽世界的頂尖大學：比如著名的東京大學。東京大學曾經培養(yǎng)了16名總理大臣、21名(日本)國會議長，13名富比世500大企業(yè)首席執(zhí)行官。11名諾貝爾獎得主、6名沃爾夫獎得主、1名菲爾茲獎、3名羅伯·柯霍獎、4四名蓋爾德納國際獎及四名普立茲克建筑獎得主。還有日本名古屋大學 。它是日本頂尖、世界一流的著名研究型國立綜合大學，是日本中部地區(qū)最高學府。名古屋大學曾經培養(yǎng)出6名諾貝爾獎得主、1名菲爾茲獎得主。

 

在新材料領域，日本遠遠領先于其他國家。如制造洲際彈道導彈噴管和殼體以及飛機骨架使用的高強度碳纖維材料，全球最高性能主動相控陣軍用雷達使用的寬禁帶半導體收發(fā)組件材料，制造新式渦輪發(fā)動機渦輪葉片使用的高性能單晶葉片，在這三種高精尖材料領域，日本遙遙領先，其他國家只能望其項背。

 

此外，日本的碳纖維材料也處于全球領先地位。在全球碳纖維生產制造廠家中，日本擁有東麗、東邦和三菱等三家頂尖公司，它們都代表了世界最頂級技術水平。據(jù)悉，在碳纖維有機復合材料領域，前蘇聯(lián)國家石墨結構材料研究所、前蘇聯(lián)聚合物纖維研究所，全俄航空材料研究院，能夠生產出拉伸強度2500—3000MPa、拉伸模量250GPa的高強度碳纖維，以及模量400—600GPa的高模量碳纖維。尤其是后期又研發(fā)出4000—5000MPa的中模量碳纖維。盡管如此，俄羅斯的碳纖維產品在性能及水平上依然沒有超過日本的技術水平。

 

 

德國新材料產業(yè)受到全世界的公認好評。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(huán)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(zhàn)略”科研項目，目的是開發(fā)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(fā)，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(yè)和社會而進行材料創(chuàng)新WING”(始于2004年)3個規(guī)劃。“WING規(guī)劃”強調，密切關注材料的可制造性，致力于協(xié)調各部門間的高水平材料研究。

 

值得一提的是，2013年4月，德國頒布了《關于實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議》白皮書。之后德國將“工業(yè)4.0”項目納入了《高技術戰(zhàn)略2020》的10個未來項目中，以推動智能制造、互聯(lián)網(wǎng)、新能源、新材料、現(xiàn)代生物為特征的新工業(yè)革命。德國企業(yè)界普遍認為，確保和擴大在材料研發(fā)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(fā)布的《數(shù)字戰(zhàn)略2025》(Digital Strategy 2025)確定，實現(xiàn)數(shù)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(yè)3D打印等。

 

 

英國是全球傳統(tǒng)的新材料強國之一。英國亨利·羅伊斯研究所(Henry Royce Institute)由九個先進材料研究機構組成，并與劍橋大學物理研究所和制造業(yè)研究所一起確定了五個綠色技術“路線圖”，描述了關鍵材料領域如何減少溫室氣體排放。具體包括：

 

●光伏系統(tǒng)的材料，它將增加太陽能電池板產生的電量。

 

●用于產生氫氣和化學原料的低碳方法的材料。

 

●熱電能量轉換材料，主要用于加熱，制冷和空調系統(tǒng)。

 

●熱量轉換材料，可消除在加熱和制冷系統(tǒng)中碳的使用。

 

●低損耗電子設備的材料，可使電子設備和計算更節(jié)能。

 

研究人員還提出了一系列建議，包括呼吁增加對材料研究和測試設施的投資，制定新法律以確保采用新的綠色技術，以及將可持續(xù)發(fā)展作為任何新的先進材料的核心。

 

 

中國是全球首屈一指的新材料產業(yè)大國，產業(yè)規(guī)模大約2萬億元。中國在金屬材料、紡織材料、化工材料等傳統(tǒng)領域基礎較好，稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、有機硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等產能居世界前列。經過幾十年奮斗，中國新材料產業(yè)從無到有，不斷發(fā)展壯大，在體系建設、產業(yè)規(guī)模、技術進步等方面取得明顯成就，為國民經濟和國防建設做出了重大貢獻，具備了良好發(fā)展基礎，預計到2025年中國新材料產值有望突破10萬億元。

 

中國在部分先進基礎材料、關鍵戰(zhàn)略材料、前沿新材料等領域，已經實現(xiàn)了與國際先進水平“并跑”甚至“領跑”。比如在關鍵戰(zhàn)略材料方面，中芯國際在前七大耗材中實現(xiàn)六類材料的國產采購；南山集團的鋁合金厚板通過波音公司認證并簽訂供貨合同；中船重工兆瓦級稀土永磁電機體積比傳統(tǒng)電機減少50%、重量減輕40%；液態(tài)金屬在3D打印、柔性智能機器、血管機器人等領域實現(xiàn)初步應用等。

 

中國的石墨烯技術處于世界領先水平。2017世界石墨烯創(chuàng)新大會在中國常州舉行，這標志中國石墨烯技術已經開始走在世界前列。值得一提的是，石墨烯材料最早是由英國科學家發(fā)現(xiàn)，石墨烯是已知世界上最薄、最硬的材料，被譽為“黑金”“新材料之王”。據(jù)悉，石墨烯的厚度可達頭發(fā)絲的20萬分之一，強度是鋼的200倍�？茖W家預言，石墨烯將會是21世紀最重要的新材料，市場應用前景不可估量。石墨烯技術已被世界許多國家列為優(yōu)先發(fā)展的材料技術，雖然中國接觸石墨烯技術只有短短幾年時間，但發(fā)展勢頭很猛，且中國擁有巨大的潛在市場。

 

中國的人工晶體材料經過多年的發(fā)展，偏硼酸鋇和三硼酸鋰等紫外非線性光學晶體研究居國際領先水平并實現(xiàn)產業(yè)化；激光晶體、太陽能電池關鍵技術指標達到國際先進水平，光伏發(fā)電成本降到1元/kWh以下。

 

中國擁有全球最完備的液體金屬全產業(yè)鏈，從原材料到制成，從專利到工藝，我國可大規(guī)模生產鋯基非晶合金，尤其在塊狀成型工藝技術里，我國已掌握液態(tài)金屬核心技術。值得一提的是，中國的材料配方、設備制造和成型工藝等三大核心技術，都擁有自主的知識產權，也是全球唯一一家能對外公布具備大形塊狀非晶金屬成型能力的國家。

 

 

俄羅斯是傳統(tǒng)的制造業(yè)強國，尤其在新材料等新興產業(yè)科技創(chuàng)新方面具有獨特優(yōu)勢。值得一提的是，俄羅斯在航天航空、能源材料、化工新材料等領域處于全球領先地位。據(jù)了解，俄羅斯國家科學技術大學的材料科學家曾經研制出一種氰化鉿陶瓷，理論上能承受4200攝氏度高溫。在此之前，世界上公認的最耐高溫、最難熔化的人造物質是鉭鉿碳化物。另外，俄羅斯采用SHS法（自蔓燃技術）合成的化合物已多達700種，位居世界領先地位。

 

俄羅斯研發(fā)新材料的戰(zhàn)略目標是：一方面，力求繼續(xù)保持某些材料領域在世界上的領先地位，如航空航天、能源工業(yè)、化工、金屬材料、超導材料、聚合材料等；另一方面，大力發(fā)展對促進國民經濟發(fā)展和提高國防實力有影響的領域，如電子信息工業(yè)、通訊設施、計算機產業(yè)等。

 

俄羅斯始終把新材料相關技術產業(yè)作為國家戰(zhàn)略和國家經濟的主導產業(yè)。比如，在2012年4月俄羅斯發(fā)布的《2030年前材料與技術發(fā)展戰(zhàn)略》中將18個重點材料戰(zhàn)略列為發(fā)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，同時俄羅斯還制定了新材料產業(yè)主要應用領域的發(fā)展戰(zhàn)略。另外，俄羅斯科學院于2015年發(fā)布的《至2030年科技發(fā)展預測》中將7項技術列為科技優(yōu)先發(fā)展方向，即信息通信技術、生物技術、醫(yī)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(tǒng)、能效與節(jié)能等。

 

 

韓國是新材料世界級強國之一。2020年10月，三星先進技術研究院Eunjoo Jang團隊曾經報道了一種量產率為100%的無鎘藍光ZnTeSe / ZnSe / ZnS量子點的合成。所得的器件顯示出高達20.2％的EQE，亮度為88900 cd m-2，在100 cd m-2時T50 = 15850 h，這是迄今為止全球藍光QD-LED報道的最高值。

 

韓國早在2001年就成為世界上第5個材料出口國，并且推出“Fast-Follower”戰(zhàn)略，希望躋身四強。韓國企業(yè)在“Fast-Follower”戰(zhàn)略推動下，逐漸趕超了原材料行業(yè)發(fā)達國家的企業(yè)。韓國在2001年成為世界上第5個材料出口國/地區(qū)，當年材料行業(yè)占韓國出口總額的45%以上，到了2015年達到68%。

 

韓國一直處于新材料研發(fā)的核心陣營。如在韓國，石墨烯廣泛應用于太陽能電池、半導體、透明面板、發(fā)光材料等不同領域。盡管石墨烯是國外科學家首先發(fā)明的，但韓國在石墨烯產業(yè)研發(fā)創(chuàng)新上是“最早的行動者”之一。2016年，韓國已成為擁有石墨烯專利最多的國家：韓國三星擁有225項專利，LG擁有180項專利，成均館大學擁有147項專利，韓國科學技術院(KAIST)擁有129項專利，首爾國立大學擁有78項專利。

 

值得一提的是，韓國政府在2013年發(fā)布的《第三次科學技術基本計劃》中提出，將在5個領域推進120項國家戰(zhàn)略技術的開發(fā)，其中30項為重點技術，包括先進技術材料、知識信息安全技術、大數(shù)據(jù)應用技術等內容。