國際新材料政策與計劃研究

朱宏康，谷　賓,劉書惠

(1. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2. 北京航空航天大學，北京 100191)

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國際新材料政策與計劃研究

朱宏康1，谷賓2,劉書惠1

(1. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2. 北京航空航天大學，北京 100191)

摘要：材料是社會進步的物質基礎，新材料是現代高新技術發展的先導和基石，材料技術的創新和新材料的發展對國家材料工業升級換代、創建國際競爭新優勢、促進國家經濟繁榮具有重要意義。世界各國歷來重視材料，特別是新材料的發展。本文概括性介紹了近年來國際上與新材料研發相關的政策與計劃，如歐洲的使能技術、美國的材料基因組計劃、先進制造計劃、德國的工業4.0 計劃、以及中國的新材料政策與計劃，包括“中國材料基因組計劃”和“中國制造2025”計劃。通過研究國際新材料政策與計劃，分析國際新材料未來發展趨勢，以期對我國政府、科研院所及高校布局未來新材料研發方向、構建學科建設和培養人才起到一定的指導作用，推動我國新材料科學及產業的自主創新和技術進步。

關鍵詞：新材料; 政策與計劃；材料基因組計劃；先進制造計劃；工業4.0

1前言

世界各國歷來重視材料，特別是新材料的發展。美國、歐洲、日本等發達國家和地區將新材料的發展作為國家科技發展戰略的重要組成部分。我國也正在培育和發展新材料產業，這對于傳統產業轉型升級，實現材料大國向材料強國轉變具有重要意義。

美國處于世界科技的領先地位得益于對新材料研究的重視。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。從克林頓時期、小布什時期到現在的奧巴馬政府，美國都將新材料發展置于國家戰略高度，比如克林頓時期制定的未來工業材料計劃(IMF)、小布什時期制定的氫燃料電池研究計劃(HFI)，以及奧巴馬時期提出的材料基因組計劃(MGI)等等。

日本在國際競爭中能夠長期處于領先地位，也得益于其強大的材料科技，特別是在半導體材料、電子材料、碳纖維復合材料及特種鋼等領域取得的成就。日本在其第二個科學技術基本計劃(2001年～2005年)中就曾提到要優先發展生命科學、信息通信、環境科學以及納米技術與材料等領域。第三個科學技術基本規劃(2006年～2010年)中仍然將納米技術與材料確定為國家級優先發展的領域之一。日本政府發布的《日本產業結構展望2010》將包括高溫超導、納米技術、功能化學、碳纖維、IT 等在內的10 大尖端新材料技術及產業作為新材料產業未來發展的主要領域。2014年2月，日本最大的碳纖維供應商——東麗公司制定了中遠期碳纖維計劃“AP-G 2016”，東麗公司將在“項目AP-G 2013”的基礎上擴大逐漸增長的支柱業務領域和地區，利用其綜合優勢，徹底實現綠色創新的業務擴展(GR)計劃、亞洲和新興國家的業務擴展(AE)計劃和總成本降低(TC-II)計劃，以增強其競爭力。

俄羅斯也始終把發展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?！?030年前材料與技術發展戰略》發布的18個重點材料戰略發展方向，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、含鈮復合材料等等，同時還制定了新材料產業主要應用企業的發展戰略。

2國際新材料政策與計劃

2.1歐盟的關鍵使能技術(KETs)

“Enabling Technology”一詞在國內通常翻譯為“使能技術”。目前業界沒有嚴格的“使能技術”相關定義。一般而言，“使能技術”是指一項或一系列的應用面廣、具有多學科特性的關鍵技術。這些關鍵技術能夠被廣泛地應用在各個產業中，并能協助現有科技作出重大進步，在政治和經濟上產生深遠影響?！笆鼓芗夹g”具有差異性，主要表現為3個方面：①地域差異。各國根據自身經濟、科技、產業基礎，結合各自國家發展目標，認定本國所需重點發展的“使能技術”。因此各國的關鍵“使能技術”是不同的。②層次差異。有多項“使能技術”支撐信息技術，而在宏觀角度，信息技術本身就是“使能技術”。③領域差異。此外，“使能技術”之間具有關聯性，會交織或部分重疊。越是宏觀層面，這一特點越是明顯。2009年9月歐盟委員會公布的一份名為《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大科技認定為關鍵使能技術(KETs)。歐盟委員會指出，KETs的技術外溢效益和其所產生的加成效果，可以同時提升其它領域的發展，如通信技術、鋼鐵、醫療器材、汽車及航天等領域，因此對歐盟地區未來的經濟持續發展有著重大的影響，也有助于面對社會與環境的重大挑戰，提高歐盟在未來10年的國際競爭力。

2.2德國工業4.0

為了確保德國制造業的未來，德國近年提出了具備實施戰略主動權的第4代工業模式(Recommendations for Implementing the Strategic Initiative Industries 4.0)。

前三次工業革命是由機械化、電力和IT帶來的成果?，F在，將物聯網和互聯網服務引入生產環節，正迎來第四次工業革命。未來，企業將建立涵蓋自身業務的機械、倉儲系統及生產設施在內的全球信息物理系統(Cyber-Physical Systems，CPS)。這些信息物理系統包括智能機械設備、倉儲系統和生產線，它能夠獨立自動地交換信息、彼此獨立地控制生產設施。這有利于參與制造、加工、材料使用以及供應鏈和生命周期管理的工業流程。

圖1　智能工廠作為物聯網和互聯網的一部分Fig.1　Smart factories as part of the Internet of Things and Services

第4代工業模式擁有巨大的潛力。已建成的智能化工廠開始采用一種全新的方式進行生產。所生產的智能產品是指那些可識別的、可定位的新型商品。這些商品在任何時間，都可以追溯到它的制造歷史、現狀和替代路線，并可以實現它們的目標狀態。智能工廠還可以滿足客戶的個性化要求，也就是說，即使僅僅生產一件產品，也都可以實現。并且在第4代工業模式下，即使在最后一分鐘改變動態業務和作業流程都可以實現生產，能靈活應對供應商的不同需求和特殊要求。這種在制造過程中從終端到終端的透明度，有利于決策的優化。工業4.0模式還是創造產業及新業務模式的新途徑。特別是為初創企業和小企業的發展提供更多的機會，推進向下游服務。

此外，第4代工業模式將能夠處理和解決一些當今世界面臨的諸如資源和能源利用效率、城市生產和人口結構變化帶來的挑戰等諸多問題，在整個價值網絡內持續提高資源生產力及效率。它允許組織運作時，將人口變化和社會因素考慮進去。智能輔助系統將人工從執行例行任務中解放出來，使他們能夠專注于從事創新、創造價值等活動。

2.3美國先進制造伙伴關系計劃

制造工程領域的全球競爭越來越激烈，德國并不是惟一認識到在制造行業部署物聯網和互聯網服務發展趨勢的國家，美國早些年即通過了“先進制造”計劃(Advanced Manufacturing Partnership)來促進工業智能化。

美國2011年6月發布的《先進制造伙伴關系計劃》旨在加強政府、高校及企業的合作，并強化美國制造業。其4個子計劃包括：①提高美國國家安全相關行業的制造業水平；②縮短先進材料的開發和應用周期；③投資下一代機器人技術及開發創新；④能源高效利用的制造工藝。

2012年7月，美國《先進制造伙伴計劃的升級版》旨在確保美國在新興技術方面的領先地位、創造高質量的工作機會并加強美國的全球競爭力。計劃建議促進創新、鞏固人才培養、改善經營環境、增加尖端技術研發資金。其中尖端技術研發領域包括：傳感、測量和過程控制，先進材料設計、合成和加工，可視化、信息和數字化制造技術，可持續制造，納米制造，柔性電子產品制造，生物制造和生物信息學，增材制造，先進的生產和檢測設備，工業機器人以及先進的成型和焊接技術。

事實上，美國實驗室的許多研究成果還沒有被迅速轉化為產品。許多新技術不能快速商業化，是因為私營企業，尤其是中小企業，往往沒有足夠的技術力量和資金進行早期投資。研究和制造之間的階段是一個企業發展中最困難的時期，通常被稱為“死亡之谷”?；A研究和最新發現往往是好奇心的驅使，其目標往往是驗證一個想法。相反，制造業活動卻是競爭、集中和系統的，需要規模化的高產量、高質量、低成本的產品和工藝。

為了使美國成功地將創新成果轉變為產品制造及應用，《先進制造伙伴計劃2.0》規劃建設制造業創新國家網絡(MIIS)，在大學和國家實驗室基礎研究和生產企業，特別是中小企業之間建立橋梁。這些創新成果研究所將提供技術開發、教育和人員培訓。制造業創新國家網絡的45個制造所已經建成有：增材制造創新所(Ohio，2012年)、下一代電力電子制造創新研究所(北卡羅來納州立大學、能源部——寬帶隙半導體材料技術部)、美國輕質材料制造創新研究所(密歇根大學、俄亥俄州立大學和國防部——向陸?？战煌ú块T提供規?；虡I化的高強鋼、鈦、鋁、鎂合金)、數字制造與設計創新所(Chicago，2014年)和先進復合材料制造創新所。

圖2　制造創新：投資間隙Fig.2　Manufacturing innovation: investment gap

2.4美國材料基因組計劃

美國提出的再工業化或復興制造業，不是簡單地重回傳統的制造業，他們所謂的制造業多半是基于高新技術支撐的先進制造業。先進制造離不開先進材料的支持，而材料基因組計劃(Materials Genome Initiative for Global Competitiveness，MGI)的實施無疑會對此起到重要作用。

MGI通過眾多利益相關者的共同努力建立一個基礎設施，來加快先進材料在美國的發現和應用。新材料快速應用的障礙是材料目前的創新研究流程，包括從新材料概念提出到市場應用的一系列過程。這些過程主要包括7個獨立的階段，每個階段由不同院所的不同團隊完成。盡管都是經驗豐富的團隊，但不同階段之間，各團隊相互反饋交流的機會很少，因而影響了全流程的加速。MGI將開發一個全新的研究范式所必需的工具，利用該工具強大的計算分析將減少對物理實驗的依賴。改進的數據共享系統和整合的工程團隊會讓設計、系統工程和制造業活動相互交迭、互動。這種新的整合設計結合了更大量的計算和信息技術，利用數學模型和計算模擬取代昂貴費時的經驗研究，將顯著加快材料應用的時間和數量。

圖3　傳統材料研發流程Fig.3　Materials development continuum

MGI的內容主要包括開發材料的創新基礎設施(計算工具、實驗工具和數字數據庫 )、實現先進材料的國家目標(為了國家安全的材料、為了人類健康和福利的材料、清潔能源系統材料)以及裝備下一代材料的力量。

圖4　材料基因組計劃所包含內容Fig.4　Initiative overview

在美國啟動MGI的同時，歐盟以輕量、高溫合金、高溫超導、熱電、磁性及熱磁和相變記憶存儲等6類高性能合金材料需求為牽引，推出了“加速冶金學”(Accelerated Metallurgy，ACCMET)計劃項目。項目組織了包括材料應用企業、儀器設備商、政府機構、大學、科學裝置(如歐洲同步輻射光源ESRF)等幾十家單位參與，共同

開發以激光沉積技術為基礎的適用于塊體合金材料研發的高通量組合材料制備與表征方法，對數以萬計的合金成份進行自動化篩選、優化，旨在將合金配方研發周期由傳統冶金學方法所需的5～6 a縮短至1 a以內。

圖5　MGI加速材料研發流程Fig.5　Initiative acceleration of the materials continuum

日本也建立了玻璃、陶瓷、合金鋼等領域材料數據庫和知識庫，還嘗試通過專家系統的建立促進其協同創新能力。俄羅斯最先進的聯邦納米技術研發中心——Ulnanotech，通過引進美國Intermolecular公司完整的高通量研發技術平臺，較快地完成了其高通量材料研發能力的建設。

3中國的新材料政策與計劃

中國也提出了中國版的材料基因組計劃，宗旨是“一個整體、多個層次、協同創新”。一個整體即組建全國性的包括材料計算、材料學實驗和數據庫三位一體的“材料基因組研究中心”，打造全國性的“材料創新基礎設施”；多個層次即發揮中央和地方政府多方面的積極性，既有政府的引導作用，也有企業的主導作用；協同創新即計算、實驗、數據庫三要素協同;材料“發現-研發-生產-應用”各個環節的協同；“官、產、學、研、用” 的協同。

同時，針對美國先進制造和德國工業4.0計劃，中國也提出了“中國制造2025”規劃。中國將順應國際“互聯網+”的發展趨勢，以體現信息技術與制造技術深度融合的數字化、網絡化、智能化制造為主線，重點發展新一代信息技術、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械、農業機械裝備等10大領域，實現由要素驅動向創新驅動轉變，由低成本競爭優勢向質量效益競爭優勢轉變，由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉變，由生產型制造向服務型制造轉變。實行8大戰略對策：①推行數字化網絡化智能化制造，②提升產品設計能力，③完善制造業技術創新體系，④強化制造基礎，⑤提升產品質量，⑥推行綠色制造，⑦培養具有全球競爭力的企業群體和優勢產業，⑧發展現代制造服務業。圍繞創新驅動、智能轉型、強化基礎、綠色發展、人才為本等關鍵環節，力爭到2025年從制造大國邁入制造強國行列。

新材料作為“中國制造2025”規劃鎖定的10大領域之一，將迎來更強勁的發展機遇。

中國即將出臺的新材料“十三五”規劃重在對相關產業的配套支持，助力早日實現“一代材料、一代器件、一代系統”的設計理念。比如，基于石墨烯的“特斯拉”效應，產業漸行漸近，已被列入“十三五新材料規劃“。

4結語

中國科技發展確定的總體目標是自主創新能力顯著增強、前沿技術研究綜合能力顯著增強、在世界上取得具有重大影響的科學技術成果、中國在此期間進入創新型國家行列。這無疑需要政策的扶持和政府的大力引導。我們只有跟上國內外行業發展趨勢，重視新材料和新技術方向和新工藝方法，才能實現跨越式發展，從材料大國向材料強國邁進。(DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.04.09)

參考文獻References

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[4]John P Holdren.MaterialsGenomeInitiativeforGlobalCompetitiveness[R].USA：National Science and Technology Council, 2011.

(編輯王方)

International Policies & Programs onR&D of Advanced Materials

ZHU Hongkang1，GU Bin2，LIU Shuhui1

(1. Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016，China)

(2. Beihang University, Beijing 100191，China)

Abstract：Materials are the basis of social progress, while advanced materials work as the forerunner and foundation for development of modern high technologies. As a result, the world has always attached great importance to materials, especially the development of advanced materials. This article researches on the policies and programs related to advanced materials in recent years in the world, including the Enabling Technologies in Europe, Materials Genome Initiative and Advanced Manufacturing Partnership in USA, Industry 4.0 in Germany as well as China Intelligent Manufacturing 2025. By tracking these programs, the article captures the latest progress and highlights of advanced materials R&D in the world, expecting to provide guidance for policies-making in the governments, layout of future materials R&D direction in research institutions as well as curriculum design and talents cultivation in universities, and promote innovation and technological progress in advanced materials science and industry.

Key words：advanced materials; policy & program; Materials Genome Initiative；Advanced Manufacturing Partnership；Industry 4.0