第一章
新材料产业发展现状概述
一、 国外新材料产业发展现状
进入 21 世纪以来，国际金融危机影响深远，气候变化更加突出，世界范围内以知识技术密集、绿色低碳增长为主要特征的新兴产业逐渐崛起，新材料作为引导性新兴产业正成为未来经济社会发展的重要力量。
世界各国对新材料产业的关注与重视达到了一个新的高度，纷纷对新材料领域制定了相应的规划，在研发、市场、产业环境等不同层面出台政策，全面加强政策扶持力度，推动新材料产业发展。迄今为止，20 多个发达国家和新兴国家已制定了与新材料相关的新兴产业发展战略，启动了100 余项专门计划。
美国于2009 年和2011 年两度发布《国家创新战略》，其创新战略的核心理念是构筑“创新金字塔”，其中，清洁能源、生物技术、纳米技术、空间技术、健康医疗等国家优先发展领域都涉及了新材料技术。欧盟为实现经济复苏、消除发展痼疾、应对全球挑战，于2010 年3 月制定了《欧洲2020 战略》，提出三大战略重点。2010 年，德国政府发布《创意、繁荣：德国高技术2020 战略》。 2011年12 月，英国商业、创新与技能部发布了《促进增长的创新与研究战略》。日本于2010 年6 月发布了《新增长战略》。巴西、印度、俄罗斯等新兴经济体采取重点赶超战略。韩国于2009 年公布了《绿色增长国家战略及五年行动计划》，于2011 年公布了《新增长动力规划及发展战略》[2]。上述规划都将新材料列为重点发展方向和发展领域，并以此作为新一轮工业革命的重要支撑（表1-1）。
在社会和经济飞速发展、全球化趋势日益加快的背景下，新材料产业的发展呈现出以下主要特点和趋势。
（一）新材料前沿技术不断突破，产业规模迅速扩大
新材料技术发展日新月异，前沿技术的突破加快了技术与生产力的转化速度。例如，微电子材料的快速突破使芯片集成度及信息处理速度得到大幅提高，芯片特征线宽不断减小，大直径硅材料在缺陷、几何参数、颗粒、杂质等控制技术方面不断完善，12 英寸（1 英寸≈ 0.025 4 米）硅材料可满足22 纳米技术节点的集成电路（integrated circuit，IC）要求，18 英寸硅片已产出样片。A2B7 型稀土储氢合金已经实现工程化，并将AA 电池的容量提高到2 700 毫安时[3]。低温共烧陶瓷技术（low temperature co-fired ceramic，LTCC）的研究开发取得重要突破，将大量无源电子元件整合于同一基板内的梦想已成为可能。发现超导转变温度高达30 开尔文的新铁基层状化合物K0.8Fe1.7Se2[4]。
临界电流近200 安/ 平方厘米，长度达到千米级的钇钡铜氧（yttrium barium copper oxide，YBCO）超导带材已经成功制备。
技术的进步推动了全球新材料产业的快速发展，2010 年已接近10 000 亿美元[5]。与新材料产业相关的纳米、航天、物联网等行业增长迅速，据美国国家科学技术理事会纳米分会预测，未来10 ～ 15 年全球纳米相关产品市场将超过1.3 万亿美元；美国航天基金会的报告表明，2011 年全球航天经济总产值为2 897.1 亿美元，年度增长率高达12.2%[6] ；据中国物联网研究发展中心表示，2012 年全球物联网市场规模已达到3 500 亿美元，未来5 年全球物联网产业市场规模年均增长率将达25%。十余年来，全球生物医用材料（biomedicalmaterials）以高达约15%的复合增长率（compound annual growth rate，CAGR）持续增长，2012 年市场已达1 850 多亿美元，预计2015 年和2020 年将分别达到2 460 多亿美元和3 970 多亿美元[7] ；在发光二极管（light emitting diode，LED）封装产业方面，2013 年全球产值超过125 亿美元，预计2015 年将达到200 亿美元，包括应用市场在内的产业链规模将达到2 000 亿美元。
（二）新材料对新兴产业发展的影响日益增强
伴随着新材料研究技术的不断延展，产生了诸多新兴产业。例如，氮化镓（GaN）等化合物半导体材料的发展，催生了半导体照明技术；白光LED 的光效已达276 流明/ 瓦，远远超过白炽灯（15 流明/ 瓦）和荧光灯（80 流明/ 瓦），正在给照明工业带来革命性的变化。太阳能电池最高转换效率不断提高，其中晶体硅电池达到23%、薄膜电池（α-Si、CdTe、CIGS1 ①） 接近20%、有机和染料敏化电池约11%，极大地推动了新能源产业的发展[8]； 质子膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）已用于交通示范运行，从性能上看可以满足车辆的需求，为新能源汽车产业的发展奠定了基础。镁合金与钛合金等高性能结构材料的加工技术取得突破，成本不断降低，研究与应用重点由航空、航天及军工扩展到高附加值民用领域，给汽车及电子产品等行业的发展带来了变革。生物医用材料的发展为世界范围内的患者带来福音，心血管系统修复材料和器械的使用及医疗技术的进步，使心脏病死亡率下降近60% ；基于分子和基因等临床诊断材料和器械的发展，使肝癌等重大疾病得以早日发现和治疗；血管支架等介入器械的研发催生了微创和介入治疗技术。生物活性物质（如药物、蛋白、基因等）的靶向/ 智能型控释系统及其载体材料的发展，不仅导致传统给药方式发生革命性变革，而且为先天性基因缺陷、老年病、肿瘤等难治愈疾病的治疗开辟了新的途径。
（三）跨国集团在新材料产业中仍占据主导地位
目前，世界著名企业集团凭借其技术研发、资金和人才等优势不断向新材料领域拓展，已在高附加值产品中占据主导地位。信越、瓦克、住友（Sumitomo）、MEMC 公司和三菱材料公司5 家企业就占据国际半导体硅材料市场销售额的80% 以上。半绝缘砷化镓市场90% 以上被日本的日立电工、住友电工、三菱化学和德国FCM 所占有。Dow Corning 公司、GE 公司、Wacker公司和Rhone-Poulenc 公司及日本一些公司基本控制了全球有机硅材料市场。有机氟材料则是Du Pont、Daikin、DN-Hoechst、3M、Ausimont、ATo 和ICI7 家公司占据全球90％的生产能力，在全球居于垄断地位。日本日亚公司在高端蓝、绿光LED 市场具有较大优势，美国科锐（Cree）公司使用碳化硅（SiC）衬底制备GaN 基LED 芯片的技术具有很强的市场竞争力，飞利浦（Philips）控股的美国Lumileds 公司的功率型白光LED 国际领先，德国欧司朗（Osram）公司在车用、照明用领域领先，美国、日本、德国等国企业掌握了70% 的LED 外延生长和芯片制备核心专利技术。小丝束碳纤维的制造基本被日本的东丽纤维公司、东邦(Toho) 公司、三菱材料公司和美国的Hexel 公司所垄断，而大丝束碳纤维则几乎由美国的Fortafil 公司、卓尔泰克（Zoltek）公司、Aldila 公司和德国的SGL 公司4 家所垄断。核用锆合金市场则由九大公司所垄断，其中，法国法马通占23%，美国西屋公司占17%，美国通用电气占11%，德国西门子占10%。美铝、德铝、法铝等世界先进企业在高强高韧铝合金材料的研制生产领域占据世界主导地位，是全球航空航天、交通运输等领域轻质高强材料的供应主体。美国的Timet、RMI 和Allegen Teledyne 三大钛生产企业的总产量占美国钛加工总量的90%，它们也是世界航空级钛材的主要供应商。
近年来，新兴经济体的崛起带来了全球创新要素的转移，为发展中国家的发展创造了非常有利的条件。据2010 年联合国教育、科学及文化组织发布的报告，“金砖四国”（即中国、俄罗斯、巴西和印度）的研发投入占全球的比例从2002 年的10% 增长到2007 年的15% ，发展中国家的研发人员占全球总数的比例从2002 年的30% 增长到2007 年的38%[9 ～ 11]。在某些新材料领域，新兴经济体已成为重要的市场和产业驱动力量。截至2011 年，中国风电的新增装机容量为18 491 兆瓦，占世界新增装机容量的43% ；总装机容量达到63 225 兆瓦，占世界的26%，均居世界第一位。根据世界风能协会发布的《全球风能2011 年年度报告》，印度的风电装机量也跻身世界前五名。
（四）新材料的高性能、低成本及绿色化发展趋势明显
新材料技术的突破促使新材料产品向高性能化、多功能化、智能化发展，从而降低生产成本，延长使用寿命，提高新材料产品的附加值和市场竞争力。
新型结构材料主要通过提高强韧性、提高温度适应性、延长寿命以及材料的复合化设计等来降低成本、提高质量，如T800 碳纤维抗压缩强度达到350 兆帕，使用温度达到400℃以上并在大型飞机和导弹的主结构件中得到大量应用，减重效率达到25% 以上；功能材料向微型化、多功能化、模块集成化、智能化等方向发展以提升材料的性能，如纳米技术与先进制造技术的融合和发展将产生体积更小、集成度更高、更加智能化、功能更优异、环境更友好的器件和系统。面对资源、环境和人口的巨大压力，世界各国都在调整新材料技术和产业的发展战略， 材料的绿色化趋势日益显著， 欧美等发达国家已经通过立法要求必须或鼓励使用LOW-E（lowemissivity）等节能玻璃，目前欧洲80% 的中空玻璃使用LOW-E 玻璃，美国LOW-E 中空玻璃普及率达82%。短流程、少污染、低能耗、绿色化生产制造，节约资源以及材料回收循环再利用，是新材料产业满足经济社会可持续发展的必然选择[12]。
（五）新科技革命给新材料产业带来机遇和挑战
2011 年美国发布了“材料基因组计划”（ Materials Genome Initiative，MGI），并将该计划作为国家性“运动”积极地展开，借以保持和提升美国新材料的技术优势，促进其制造业的复兴[13]。“材料基因组计划”是美国“先进制造业伙伴关系”（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）的重要组成部分，其目标是集成各个尺度的计算模拟工具、高效实验手段和数据库，把材料研发从传统经验式的“炒菜”法提升到高效率的“设计—验证”法，从而大大加快材料的研发速度、降低材料的研发成本、提高材料设计的成功率，帮助美国企业把发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高到目前的两倍以上。美国政府在当前财政窘迫的背景下推出这项计划是由于现代材料领域的发展正面临严峻挑战，新型材料可以帮助解决新能源等很多紧迫的问题，而新型材料从发现到进入市场耗时太长。当前材料领域的发展模式是直线型的，这样的时间跨度平均是18 ～ 20 年。而“材料基因组计划”旨在通过利用计算机技术的进步，直接面向最终的应用需求，根据量子力学基本原理，从原子尺度出发，进行新型材料的设计，配合快速的实验合成和检测手段， 优化新材料性能，大大加速新材料从发现到走向市场的步伐，从而从根本上改变材料领域的发展模式。美国“材料基因组计划”一经提出，立刻在世界上引起巨大关注，各国纷纷出台与之相应的计划。例如，印度在2011 年7 月5 日选择新型电池材料推出了印度版本的“材料基因组计划”。
二、 中国新材料产业发展现状
经过多年的努力，我国新材料产业从无到有，得到了国家的高度重视，出台了一系列政策（表1-2），实现了快速发展，已经具备了相当的实力和优势，为促进我国材料产业升级换代、加快经济发展方式转变、提升国防军工实力及实现节能环保目标等做出了重大贡献。
（ 一）新材料产业规模不断扩大
2010 年我国新材料产业规模超过6 500 亿元[14]，2011 年超过8 000 亿元，2012 年据初步估算已超过10 000 亿元。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
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