技经观察 | 中国新材料产业突破正当其时！从战略层面浅析未来新材料产业发展之路（上）
新材料是电子信息、新能源、航空航天和生物医药等高新技术发展的基石和先导，是各个产业链中处在最上游、技术壁垒最高的部分，其对一个国家经济发展、国防安全等的重要性不言而喻。新材料将为新一轮科技革命和产业革命提供坚实的物质基础，谁掌握了最先进的材料，谁就能在未来高新技术发展上掌握主动权。
当前，中国新材料产业大而不强，与美日德等发达国家相比差距明显，尤其是以半导体材料、碳纤维材料、航空航天材料等为代表的战略性材料严重依赖国外，给我国家科技安全带来巨大挑战。一旦这些新材料遭遇“卡脖子”问题，先进电子信息、新能源汽车、商业航空等诸多产业，将会在短时间内丧失竞争力、受人制约，乃至会丧失掉前沿颠覆性技术的发展先机，后果难以设想。值得庆幸的是，中国新材料产业已迎来科研范式重大转变、下游需求迅猛增长等历史机遇，并已积累起科研、人才、政策和资本等方面的巨大势能，未来发展可期！本文将从战略层面浅析新材料产业的重要性，中国新材料产业面临的历史机遇、严峻挑战，以及未来发展之路。
一、为什么要高度重视新材料产业？
新材料（New Materials）究竟意味着什么？为何新材料能够与信息、能源一起被称作21世纪的三大支柱产业，每逢谈到前沿科技时必会被人们提及？让我们一起探个究竟，了解一下新材料缘何重要。
（一）新材料是科学规律与物质世界的桥梁
在维基百科中，材料（Material）的释义为：构成客体的物质或混合物，且可以根据物理或化学等特性进行分类。在百度百科中，材料的释义为：人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。简而言之，材料是人类创造生产生活工具的物质来源，是人类改造大自然的物质基础。而新材料（New Materials），是人类从微观层面深入理解物质的物理和化学规律后，研发出的具有更高强度、更优性能、更广用途的新型材料。从更高维度看，新材料是物理化学（科学）规律与物质世界之间的桥梁，形象一点就是人类利用科学规律进行生产生活的“武器”。
新材料是科学规律与物质世界间的桥梁
被誉为人类最高学术荣誉的诺贝尔奖（本文主要指物理学奖、化学奖），历年诸多奖项都与新材料存在紧密的联系。2019年，诺贝尔化学奖颁给约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆、吉野彰三人，就是表彰他们对锂电池材料方面的研究贡献。往回追溯，2017年诺贝尔化学奖颁给“冷冻电子显微镜”发明人；2016年物理学奖颁给“拓扑相变”理论发现者，化学奖颁给“分子机器设计与合成”领域的科学家；2014年物理学奖颁给“高亮度蓝色发光二极管”发明人，化学奖颁给“超分辨率荧光显微技术”领域的科学家；2010年物理学奖颁给“石墨烯”领域的科学家，等等。上述物理和化学领域的重大发现，都直接或间接地推动着新材料技术的发展。反过来看，曾彻底改变人类生活的半导体材料、新能源材料等，背后都凝结着许多诺贝尔奖级的科学突破。
诺贝尔奖与新材料科学（部分年份）
由此可见，一个国家新材料产业的发展水平，本质上取决于该国在物理、化学等基础科研上的积累。德国、美国和日本这些公认的新材料强国，历史上均曾获得过大量诺贝尔物理学奖和化学奖。新材料领域的原创性突破多数都来自美国、日本和西欧，最高奖章诺贝尔奖不仅是这些国家科技实力的象征，更是这些国家科技安全的根本保障。此外，新材料产业的发展需要日积月累，科学突破转化为实际的工程成果，更需要旷日弥久的尝试（试错）。因此，发达国家在上游“材料+装备”环节积累起的技术优势或技术壁垒，成为了他们掌握产业发展规律、站在产业价值链顶端的法宝。
（二）新材料是国家经济发展、科技安全的重要保障
在之前“新材料如何支撑国家崛起”一文中，笔者详细梳理了新材料技术在国家经济发展、产业革命中的作用。一言以蔽之，英国、德国、美国和日本在历次工业革命中能够异军突起，离不开钢铁冶炼、化工、微纳技术和硅基材料等技术的突破。新材料在工业革命中的先导地位和经济发展中的支撑地位十分显著，上述国家在产业升级、经济腾飞和国家崛起的过程中，都曾建立起强大的新材料工业。
实际上，西欧、美国和日本等主要发达经济体，其科技产业核心竞争力往往就在上游部分，尤其是“材料+装备”环节。2019年7月，日本经济产业省宣布对韩国实施出口贸易管制，首当其冲的就是聚酰亚胺、光刻胶和氟化氢3种涉及半导体器件和显示面板生产的材料，给韩国三星、LG、SK海力士带来极大冲击。半导体产业强大之如韩国，都难以避免在原材料上被日本“卡脖子”，面对出口管制显得非常脆弱。更可怕的是，日本还占据沉积、刻蚀、显影和涂布等关键设备的全球大多数份额，真正实施科技遏制的话韩国绝对难以招架。日韩半导体贸易摩擦事件的出现，更加证明了上游“材料+装备”在保障国家科技安全方面的重要性。
半导体产业链示意图，蓝色部分为日本占据50%份额的环节（资料来源：新时代证券）
目前，中国和东南亚地区在中低端制造或者下游集成制造方面具备了较强实力，但产业链中最“难啃的骨头”、技术壁垒最高的上游“材料+装备”环节却仍离发达国家有较大差距。这些差距，才是中国与发达国家科技实力上的真正差距，也是产业链转型升级、经济高质量发展需要真正克服的，但也是难度最高、需要大量投入积累、非一朝一夕能实现的。从长远看，中国这一人口超过美欧日人口总和的国家想要实现真正的富裕，所需要的经济增长总量将会远超人类历史。这意味着，无论是在化工、机械等传统产业领域（存量市场），还是微电、光电和新能源等新兴产业领域（增量市场），中国都要成为全球最具实力的选手。而“材料+装备”作为大部分产业的基础和竞争力所在，无疑将成为中国未来最需要经营和突破的关键产业之一。
（三）他山之石——短谈日本新材料发展历程
在日韩半导体贸易摩擦中，日本新材料产业的实力一览无余。但回顾历史，日本并非一直都是新材料强国。作为一个后发国家，日本前期以借鉴引进欧美技术为主，后期通过加强自主研发逐渐取得产业优势，最终才奠定今天的新材料产业霸主地位。以半导体产业为例，现代半导体工业起源于美国硅谷，1950s年代成立的肖克利实验室和仙童半导体（Fairchild）奠定了半导体产业的基础。1963年，日本电气公司（NEC）获得仙童半导体平面技术的授权，随后日本政府要求日本电气将技术分享给其他企业，由此日本电气、三菱、夏普和京都电气正式进入半导体产业。
1960s年代，美国半导体产业开始向日本大规模转移。当时由于美苏争霸，美国集成电路产品主要面向军事领域，日本民用集成电路产品得以大规模进入美国市场，随后日立、NEC、富士通和东芝等一批日本电子企业迅速崛起。1970s年代，日本政府为提升本国集成电路产业竞争力，制定了一系列发展政策和措施，如1971年制定《特定电子工业及特定机械工业振兴临时措施法》，1978年制定的《特定机械情报产业振兴临时措施法》，1976-1980年领导“官产学”一体化研发、组织大型企业合作实施超大规模集成电路（VLSI）计划。1980s年代，日本半导体产业发展迅猛，一度超过美国成为半导体产业第一大国。
在产业升级和经济腾飞的过程中，日本半导体企业积累了空前的财富。但这些企业并不仅仅满足于引进、消化美国技术，以信越化学为代表的日本新材料公司，致力于推动半导体材料和装备的国产化。在半导体产业发展的过程中，日本政府和企业有意识地布局上游“材料+装备”环节，经过数十年的精耕细作与突破，终于成就了半导体材料强国地位。众所周知，2000年以后日本诺贝尔奖大爆发，几乎每年都有一枚奖章入手。殊不知，正是1980s年代日本政府尤其是企业对基础研究的大量投入，才使得科学之花长成了硕硕果实。总结日本新材料科技发展历史，其成功一是离不开日本政府对产业链上游的高度重视和持续资助，二是离不开日本企业对掌握核心技术、实现国产化的决心，三是离不开日本“官产学研”一体化的实施。
二、中国新材料产业迎来重大历史机遇
相信大家都有体会，中国新材料产业发展水平与日本、美国和德国等国相比存在很大差距，且这一差距并未因经济快速增长得到显著消弭。2018年，工信部对全国30多家大型企业130多种关键基础材料调研结果显示，32%的关键材料在中国仍为空白，52%依赖进口，形势不容乐观。但笔者认为，中国新材料产业已经积累起足够的势能，未来十年二十年必然会取得巨大的成就。
（一）新材料科研范式正在发生重大转变，人工智能助力中国新材料产业发展
首先，新材料科学研究的范式正在被人工智能、大数据、材料基因工程等技术所改变，新材料正在以想象不到的速度和范围被开发出来。中国在人工智能、大数据等信息技术上积累的优势，将为中国新材料产业崛起提供坚实基础。
《科学研究范式的演化——大数据时代的科学研究第四范式》. 邓仲华, 李志芳.
回顾历史，许许多多学科的诞生，都是不经意间发生的“美丽邂逅”。例如，1820年丹麦物理学家奥斯特在讲座时发现电磁感应效应；1895年德国物理学家伦琴在从事阴极射线研究时发现X射线；1928年，英国细菌学家弗莱明在研究葡萄球菌时发现青霉素。这些科学研究多是“试错型”的经验科学，带有一定的盲目性和随机性。2009年，微软在《The Fourth Paradigm: Data-IntensiveScientific Discovery》一文中总结了科研的四种范式：第一范式即上述“试错型”的经验科学，在研究方法上以归纳为主，带有较多盲目性的观测和实验；第二范式即理论科学，偏重理论总结和理性概括，在研究方法上以演绎法为主；第三范式即计算科学，主要用数值模拟和计算优化的方法进行研究；第四范式即当前流行的数据驱动型科学，它以大量数据为前提，运用人工智能、数据挖掘等技术，可从大量已知数据中得到未知理论。
近年来，人工智能技术发展十分迅猛，已渗透到社会生产生活的各个角落。在新材料科研领域，人工智能技术也得到了广泛的渗透与应用。在笔者日常跟踪的两大科技网站Phys.org和EurekAlert!中，有关人工智能应用于新材料研发的新闻比比皆是。实际上，新材料的研发过程也是大数据的处理过程。新材料研发中的设计、实验、测试、证明环节，都离不开数据的搜集、选择、分析等。人工智能特别擅长在大数据中寻找“隐藏”的因果关系，因此其在新材料研发上能够体现出巨大优势。当前，人工智能、大数据和基因工程等技术的广泛应用，正使得新材料科研范式产生重大转变，研发效率提升百倍、千倍！
人工智能变革新材料的研发模式
（二）中国经济发展、产业升级需求迫切，发展上游“材料+装备”产业势在必行
其次，中国经济正处在从高速发展向高质量发展转变的历史阶段，新材料产业将为中国跨越中等收入陷阱奠定坚实的物质基础。根据任泽平等人研究，全球主要发达经济体均经历过“增速换挡”，即从高速增长收敛到高质量增长的历史阶段。从发展曲线上看，人均GDP达到约10000美元时会出现拐点，这就是产业转型升级所产生的“阵痛期”。历史上，德国、日本和韩国等国都通过大力发展科技产业、推动产业转型升级，成功摆脱“阵痛期”成为发达经济体。相反，巴西、阿根廷和墨西哥等经济体在产业转型、技术升级上相对失败，长期陷入到所谓“中等收入陷阱”中。当前中国正处在历史拐点，如何摆脱“阵痛”走出“陷阱”将是未来中国面临的最大挑战之一。
世界主要国家人均GDP与增速间的关系
在经济高质量发展、产业转型升级的过程中，上游“材料+装备”环节的发展至关重要。举个例子，一台笔记本或手机的生产过程中，芯片主要来自美国，元器件主要来自日本，显示器主要来自韩国，生产这些器件的材料主要来自美国、日本，装备主要来自美国、西欧和日本，产品利润的大头都被这些国家收入囊中，而主要负责组装制造的中国实际所得寥寥无几。新材料产业的强大，不仅意味着能够“卡别人脖子”、掌握主动权，更意味着在全球产业分工中能够获取高技术溢价、成为高端玩家。时至今日，美国、德国和日本等主要发达经济体，无一例外都是新材料强国。“新材料强大”与“经济发达”之间，存在着明显的正相关关系。
未来中国新材料产业发展的原动力，正来源于中国对经济高质量发展、产业转型升级的巨大需求。“新材料强大”和“中国崛起”之间，必然也是相辅相成、互为因果的正相关关系。尽管当前国际形势云谲波诡、暗流涌动，尤其是中美贸易战给中国经济产业发展蒙上了层层阴影，但这一形势恰恰也点燃新材料产业发展的原动力，中美贸易战帮助我们了解到自身产业链是不安全的，认清了上游“材料+装备”产业环节的重要性，给中国新材料产业注入了新的活力。从战略层面上看，中国新材料产业发展迎来了绝佳的历史机遇。
（三）大飞机、集成电路等下游需求旺盛，将全面带动中国新材料产业发展
再次，中国高端制造业正在崛起过程中，未来将可全面带动新材料产业蓬勃发展。尤其是大飞机、集成电路等“体量庞大”的下游高科技产业，一旦打开局面站稳市场，将能够有效反哺、带动上游“材料+装备”环节的突破。
纵览全球经济史，后发国家经济的成功崛起，往往都是从承接发达国家的纺织、钢铁和家电等中低端产业开始的。例如，20世纪60年代以后，韩国通过对国际产业转移的成功承接，推动了国内产业结构的升级，促进了经济社会的快速发展。第一阶段（20世纪60年代），韩国承接产业以劳动密集型轻纺产业为主；第二阶段（20世纪70年代），韩国承接产业以资本密集型重化工业为主，包括钢铁、造船、石化等重化工业；第三阶段（20世纪80年代），韩国承接产业以兼具资本和技术密集型的产业为主，包括电子、化工、运输机械等产业。经20世纪60到80年代的发展，韩国完成了英、美、日等发达国家需要半个世纪到一个世纪才能实现的工业化进程，从一个资源短缺的农业国转型为先进工业国，这一过程也被誉为“江汉奇迹”。
在经济腾飞过程中，韩国有意识地进军高端制造业和现代服务业，成功发展起了汽车、半导体、消费电子等高附加值产业。这些高附加值产业所获的高额利润，又成功反哺了韩国上游“材料+设备”产业环节，使得韩国科技竞争力不断提升。目前，韩国新材料企业在全球市场已经颇具竞争力，以三星SDI、LG化学、SK化学、韩国工程塑料和韩国浦项钢铁为代表的新材料企业，为韩国电子电气、半导体、汽车、船舶和新能源等产业发展提供了强大支撑。由此可见，高端需求能够催生先进技术，下游高端集成制造产品才是上游新材料产业发展的环境和条件。
宏观经济增速换挡与追赶进程
当前，中国正在有意识、有计划地进军高端制造业和现代服务业，在《中国制造2025》战略布局下，中国正在大力发展大飞机、半导体、新能源汽车等高端产业。尽管这些产业未来数年难以盈利，但其战略价值无疑是巨大的，其对上游“材料+装备”环节的推动作用将会是显著的。以国产大飞机产业为例，C919型号飞机的设计、研发和制造成本巨大，整个开发周期就需要大约十年，收回成本的时间也难以估量，但随着时间的积累，它将带动中国一整条产业链的兴起，包括上游“材料+装备”、中游设计制造和下游科技服务业，其对产业升级和经济增长的贡献或更难以估量。尽管C919为保证质量当前基本采用的都是国外部件，甚至被人诟病为“空壳子”，但这种先做好总体集成的路线无疑是正确的。先利用全球最好的技术生产出高质量产品，再努力实现关键零部件的国产化，这才是更有效率、更经济的做法。日本和韩国的半导体产业发展，基本也是遵循这一路径的。从长期看，随着国产大飞机的崛起，中国碳纤维、铝合金、高温合金等新材料产业将会诞生一批全球领先的技术性企业。
中国商飞C919供应链简图（FT中文网）
（四）中国积累起科研、人才、政策和资本基础
最后，中国在过去30余年的经济高速增长过程中，已经积累起科研、人才、政策和资本基础。这主要源于政府层面对新材料科学研究、产业发展和人才培养的高度重视，使得中国已拥有全球最完备的新材料产业体系，开始具备与美日欧展开竞争的实力。
从科研实力上看，尤其是科技论文总量和专利申请总量等指标上看，中国已经超过美国、日本和欧洲等国家和地区，成为名副其实的新材料科研第一大国。中国新材料产业发展起步较晚，但经过“十五”、“十一五”期间的持续科技攻关，中国在新材料的某些领域也逐渐达到与国际同步的水平。如下图所示，在中国政府大力推进新材料的背景下，中国自 2007 年起专利申请呈现出爆发式的增长，并迅速成为该领域申请量最多的国家，尤其是2009年以后超过了日本成为年专利申请量最大的国家。当然，从原创国家/地区分布情况，以及专利价值情况上看，中国与日本和美国相比仍存在不小差距。此外，据科技部统计，2016-2017年，中国材料领域基础研究论文数量（67276篇）/增长率（24.71%）、高被引论文增长率（11.08%）等指标均处于世界第一。
1995-2015新材料产业主要原创国家/地区全球专利申请份额趋势（国家知识产权局）
从人才培养上看，中国材料学科建设整体水平大幅提升，材料人才储备量逐年增大。截至2018年，中国高校已有208个材料科学与工程学位授予点，92个博士点，116个硕士点；30所高校材料学科入选国家一流学科建设，属各学科之最；116个单位的材料学科进入世界ESI排名前1%，21所高校进入ESI学科排名前1‰。目前，中国现有材料类研发科技人才115万人，每年材料类本科毕业生4万余人，每年材料类硕博毕业生1万余人。
从政策支持上看，中国近年来将发展新材料产业列为国家战略的重要组成部分，积极采取重点赶超战略，《新材料产业“十三五”发展规划》、《新材料产业发展指南》等政策文件相继出台，已经建立起日臻完善的新材料科技政策。从政府资金投入上看，中国自2008年金融危机以来显著提高了对新材料研发的资助，《Nature》期刊统计了近年来国家自然科学基金的所有经费，材料科学与工程领域的经费排名第二，仅排在医药领域后面。
2001年以来国家自然科学基金委资助材料科学与工程的情况
作者丨宫学源，博士，国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室副主任
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。
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