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(xué)，北京 100191)

?

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(xué)，北京 100191)

摘要：材料是社會進步的物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料是現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和基石，材料技術(shù)的創(chuàng)新和新材料的發(fā)展對國家材料工業(yè)升級換代、創(chuàng)建國際競爭新優(yōu)勢、促進國家經(jīng)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(fā)展。本文概括性介紹了近年來國際上與新材料研發(fā)相關(guān)的政策與計劃，如歐洲的使能技術(shù)、美國的材料基因組計劃、先進制造計劃、德國的工業(yè)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(fā)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(fā)方向、構(gòu)建學(xué)科建設(shè)和培養(yǎng)人才起到一定的指導(dǎo)作用，推動我國新材料科學(xué)及產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新和技術(shù)進步。

關(guān)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(yè)4.0

1前言

世界各國歷來重視材料，特別是新材料的發(fā)展。美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)將新材料的發(fā)展作為國家科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。我國也正在培育和發(fā)展新材料產(chǎn)業(yè)，這對于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)材料大國向材料強國轉(zhuǎn)變具有重要意義。

美國處于世界科技的領(lǐng)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(dǎo)方向是為國防領(lǐng)域服務(wù)，所以材料研究與開發(fā)主要集中在國防和核能領(lǐng)域，這使得美國航空航天、計算機及信息技術(shù)等行業(yè)的相關(guān)材料應(yīng)用得到迅速發(fā)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(zhì)量、加強國家安全、提高工業(yè)生產(chǎn)率、促進經(jīng)濟增長的目的。自此美國科技政策向軍民結(jié)合調(diào)整。在已發(fā)表的第一份國家關(guān)鍵技術(shù)報告中，美國就將新材料列為所提出的對國家經(jīng)濟繁榮和國家安全至關(guān)重要的6個領(lǐng)域之首。從克林頓時期、小布什時期到現(xiàn)在的奧巴馬政府，美國都將新材料發(fā)展置于國家戰(zhàn)略高度，比如克林頓時期制定的未來工業(yè)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(lǐng)先地位，也得益于其強大的材料科技，特別是在半導(dǎo)體材料、電子材料、碳纖維復(fù)合材料及特種鋼等領(lǐng)域取得的成就。日本在其第二個科學(xué)技術(shù)基本計劃(2001年～2005年)中就曾提到要優(yōu)先發(fā)展生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境科學(xué)以及納米技術(shù)與材料等領(lǐng)域。第三個科學(xué)技術(shù)基本規(guī)劃(2006年～2010年)中仍然將納米技術(shù)與材料確定為國家級優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域之一。日本政府發(fā)布的《日本產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)展望2010》將包括高溫超導(dǎo)、納米技術(shù)、功能化學(xué)、碳纖維、IT 等在內(nèi)的10 大尖端新材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)作為新材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的主要領(lǐng)域。2014年2月，日本最大的碳纖維供應(yīng)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(chǔ)上擴大逐漸增長的支柱業(yè)務(wù)領(lǐng)域和地區(qū)，利用其綜合優(yōu)勢，徹底實現(xiàn)綠色創(chuàng)新的業(yè)務(wù)擴展(GR)計劃、亞洲和新興國家的業(yè)務(wù)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(fā)展新材料相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略和國家經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。《2030年前材料與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略》發(fā)布的18個重點材料戰(zhàn)略發(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(fù)合材料等等，同時還制定了新材料產(chǎn)業(yè)主要應(yīng)用企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略。

2國際新材料政策與計劃

2.1歐盟的關(guān)鍵使能技術(shù)(KETs)

“Enabling Technology”一詞在國內(nèi)通常翻譯為“使能技術(shù)”。目前業(yè)界沒有嚴格的“使能技術(shù)”相關(guān)定義。一般而言，“使能技術(shù)”是指一項或一系列的應(yīng)用面廣、具有多學(xué)科特性的關(guān)鍵技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)能夠被廣泛地應(yīng)用在各個產(chǎn)業(yè)中，并能協(xié)助現(xiàn)有科技作出重大進步，在政治和經(jīng)濟上產(chǎn)生深遠影響。“使能技術(shù)”具有差異性，主要表現(xiàn)為3個方面：①地域差異。各國根據(jù)自身經(jīng)濟、科技、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，結(jié)合各自國家發(fā)展目標，認定本國所需重點發(fā)展的“使能技術(shù)”。因此各國的關(guān)鍵“使能技術(shù)”是不同的。②層次差異。有多項“使能技術(shù)”支撐信息技術(shù)，而在宏觀角度，信息技術(shù)本身就是“使能技術(shù)”。③領(lǐng)域差異。此外，“使能技術(shù)”之間具有關(guān)聯(lián)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(fā)展歐洲關(guān)鍵使能技術(shù)總策略》的文件，將納米科技 、微(納)米電子與半導(dǎo)體、光電、生物科技及先進材料等5大科技認定為關(guān)鍵使能技術(shù)(KETs)。歐盟委員會指出，KETs的技術(shù)外溢效益和其所產(chǎn)生的加成效果，可以同時提升其它領(lǐng)域的發(fā)展，如通信技術(shù)、鋼鐵、醫(yī)療器材、汽車及航天等領(lǐng)域，因此對歐盟地區(qū)未來的經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展有著重大的影響，也有助于面對社會與環(huán)境的重大挑戰(zhàn)，提高歐盟在未來10年的國際競爭力。

2.2德國工業(yè)4.0

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

前三次工業(yè)革命是由機械化、電力和IT帶來的成果?，F(xiàn)在，將物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)引入生產(chǎn)環(huán)節(jié)，正迎來第四次工業(yè)革命。未來，企業(yè)將建立涵蓋自身業(yè)務(wù)的機械、倉儲系統(tǒng)及生產(chǎn)設(shè)施在內(nèi)的全球信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)。這些信息物理系統(tǒng)包括智能機械設(shè)備、倉儲系統(tǒng)和生產(chǎn)線，它能夠獨立自動地交換信息、彼此獨立地控制生產(chǎn)設(shè)施。這有利于參與制造、加工、材料使用以及供應(yīng)鏈和生命周期管理的工業(yè)流程。

圖1　智能工廠作為物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的一部分Fig.1　Smart factories as part of the Internet of Things and Services

第4代工業(yè)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(chǎn)。所生產(chǎn)的智能產(chǎn)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(xiàn)狀和替代路線，并可以實現(xiàn)它們的目標狀態(tài)。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(chǎn)一件產(chǎn)品，也都可以實現(xiàn)。并且在第4代工業(yè)模式下，即使在最后一分鐘改變動態(tài)業(yè)務(wù)和作業(yè)流程都可以實現(xiàn)生產(chǎn)，能靈活應(yīng)對供應(yīng)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(yōu)化。工業(yè)4.0模式還是創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)及新業(yè)務(wù)模式的新途徑。特別是為初創(chuàng)企業(yè)和小企業(yè)的發(fā)展提供更多的機會，推進向下游服務(wù)。

此外，第4代工業(yè)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(chǎn)和人口結(jié)構(gòu)變化帶來的挑戰(zhàn)等諸多問題，在整個價值網(wǎng)絡(luò)內(nèi)持續(xù)提高資源生產(chǎn)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(tǒng)將人工從執(zhí)行例行任務(wù)中解放出來，使他們能夠?qū)Ｗ⒂趶氖聞?chuàng)新、創(chuàng)造價值等活動。

2.3美國先進制造伙伴關(guān)系計劃

制造工程領(lǐng)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(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)發(fā)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(yè)智能化。

美國2011年6月發(fā)布的《先進制造伙伴關(guān)系計劃》旨在加強政府、高校及企業(yè)的合作，并強化美國制造業(yè)。其4個子計劃包括：①提高美國國家安全相關(guān)行業(yè)的制造業(yè)水平；②縮短先進材料的開發(fā)和應(yīng)用周期；③投資下一代機器人技術(shù)及開發(fā)創(chuàng)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(shù)方面的領(lǐng)先地位、創(chuàng)造高質(zhì)量的工作機會并加強美國的全球競爭力。計劃建議促進創(chuàng)新、鞏固人才培養(yǎng)、改善經(jīng)營環(huán)境、增加尖端技術(shù)研發(fā)資金。其中尖端技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域包括：傳感、測量和過程控制，先進材料設(shè)計、合成和加工，可視化、信息和數(shù)字化制造技術(shù)，可持續(xù)制造，納米制造，柔性電子產(chǎn)品制造，生物制造和生物信息學(xué)，增材制造，先進的生產(chǎn)和檢測設(shè)備，工業(yè)機器人以及先進的成型和焊接技術(shù)。

事實上，美國實驗室的許多研究成果還沒有被迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。許多新技術(shù)不能快速商業(yè)化，是因為私營企業(yè)，尤其是中小企業(yè)，往往沒有足夠的技術(shù)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(yè)發(fā)展中最困難的時期，通常被稱為“死亡之谷”?；A(chǔ)研究和最新發(fā)現(xiàn)往往是好奇心的驅(qū)使，其目標往往是驗證一個想法。相反，制造業(yè)活動卻是競爭、集中和系統(tǒng)的，需要規(guī)模化的高產(chǎn)量、高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品和工藝。

為了使美國成功地將創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品制造及應(yīng)用，《先進制造伙伴計劃2.0》規(guī)劃建設(shè)制造業(yè)創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)(MIIS)，在大學(xué)和國家實驗室基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)企業(yè)，特別是中小企業(yè)之間建立橋梁。這些創(chuàng)新成果研究所將提供技術(shù)開發(fā)、教育和人員培訓(xùn)。制造業(yè)創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)的45個制造所已經(jīng)建成有：增材制造創(chuàng)新所(Ohio，2012年)、下一代電力電子制造創(chuàng)新研究所(北卡羅來納州立大學(xué)、能源部——寬帶隙半導(dǎo)體材料技術(shù)部)、美國輕質(zhì)材料制造創(chuàng)新研究所(密歇根大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)和國防部——向陸?？战煌ú块T提供規(guī)?；虡I(yè)化的高強鋼、鈦、鋁、鎂合金)、數(shù)字制造與設(shè)計創(chuàng)新所(Chicago，2014年)和先進復(fù)合材料制造創(chuàng)新所。

圖2　制造創(chuàng)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(yè)化或復(fù)興制造業(yè)，不是簡單地重回傳統(tǒng)的制造業(yè)，他們所謂的制造業(yè)多半是基于高新技術(shù)支撐的先進制造業(yè)。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(guān)者的共同努力建立一個基礎(chǔ)設(shè)施，來加快先進材料在美國的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。新材料快速應(yīng)用的障礙是材料目前的創(chuàng)新研究流程，包括從新材料概念提出到市場應(yīng)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(jīng)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(fā)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(shù)據(jù)共享系統(tǒng)和整合的工程團隊會讓設(shè)計、系統(tǒng)工程和制造業(yè)活動相互交迭、互動。這種新的整合設(shè)計結(jié)合了更大量的計算和信息技術(shù)，利用數(shù)學(xué)模型和計算模擬取代昂貴費時的經(jīng)驗研究，將顯著加快材料應(yīng)用的時間和數(shù)量。

圖3　傳統(tǒng)材料研發(fā)流程Fig.3　Materials development continuum

MGI的內(nèi)容主要包括開發(fā)材料的創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施(計算工具、實驗工具和數(shù)字數(shù)據(jù)庫 )、實現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)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(dǎo)、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(xué)”(Accelerated Metallurgy，ACCMET)計劃項目。項目組織了包括材料應(yīng)用企業(yè)、儀器設(shè)備商、政府機構(gòu)、大學(xué)、科學(xué)裝置(如歐洲同步輻射光源ESRF)等幾十家單位參與，共同

開發(fā)以激光沉積技術(shù)為基礎(chǔ)的適用于塊體合金材料研發(fā)的高通量組合材料制備與表征方法，對數(shù)以萬計的合金成份進行自動化篩選、優(yōu)化，旨在將合金配方研發(fā)周期由傳統(tǒng)冶金學(xué)方法所需的5～6 a縮短至1 a以內(nèi)。

圖5　MGI加速材料研發(fā)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(lǐng)域材料數(shù)據(jù)庫和知識庫，還嘗試通過專家系統(tǒng)的建立促進其協(xié)同創(chuàng)新能力。俄羅斯最先進的聯(lián)邦納米技術(shù)研發(fā)中心——Ulnanotech，通過引進美國Intermolecular公司完整的高通量研發(fā)技術(shù)平臺，較快地完成了其高通量材料研發(fā)能力的建設(shè)。

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(xié)同創(chuàng)新”。一個整體即組建全國性的包括材料計算、材料學(xué)實驗和數(shù)據(jù)庫三位一體的“材料基因組研究中心”，打造全國性的“材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施”；多個層次即發(fā)揮中央和地方政府多方面的積極性，既有政府的引導(dǎo)作用，也有企業(yè)的主導(dǎo)作用；協(xié)同創(chuàng)新即計算、實驗、數(shù)據(jù)庫三要素協(xié)同;材料“發(fā)現(xiàn)-研發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用”各個環(huán)節(jié)的協(xié)同；“官、產(chǎn)、學(xué)、研、用” 的協(xié)同。

同時，針對美國先進制造和德國工業(yè)4.0計劃，中國也提出了“中國制造2025”規(guī)劃。中國將順應(yīng)國際“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展趨勢，以體現(xiàn)信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造為主線，重點發(fā)展新一代信息技術(shù)、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械、農(nóng)業(yè)機械裝備等10大領(lǐng)域，實現(xiàn)由要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變，由低成本競爭優(yōu)勢向質(zhì)量效益競爭優(yōu)勢轉(zhuǎn)變，由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向綠色制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變。實行8大戰(zhàn)略對策：①推行數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造，②提升產(chǎn)品設(shè)計能力，③完善制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系，④強化制造基礎(chǔ)，⑤提升產(chǎn)品質(zhì)量，⑥推行綠色制造，⑦培養(yǎng)具有全球競爭力的企業(yè)群體和優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，⑧發(fā)展現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)。圍繞創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型、強化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展、人才為本等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(guī)劃鎖定的10大領(lǐng)域之一，將迎來更強勁的發(fā)展機遇。

中國即將出臺的新材料“十三五”規(guī)劃重在對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的配套支持，助力早日實現(xiàn)“一代材料、一代器件、一代系統(tǒng)”的設(shè)計理念。比如，基于石墨烯的“特斯拉”效應(yīng)，產(chǎn)業(yè)漸行漸近，已被列入“十三五新材料規(guī)劃“。

4結(jié)語

中國科技發(fā)展確定的總體目標是自主創(chuàng)新能力顯著增強、前沿技術(shù)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(xué)技術(shù)成果、中國在此期間進入創(chuàng)新型國家行列。這無疑需要政策的扶持和政府的大力引導(dǎo)。我們只有跟上國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展趨勢，重視新材料和新技術(shù)方向和新工藝方法，才能實現(xiàn)跨越式發(fā)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

[1] Communication Promoters Group of the Industry-Science Research Alliance.FinalReportoftheIndustrie4.0WorkingGroup——RecommendationsforImplementingtheStrategicInitiativeINDUSTRIE4.0[R].Germany：National Academy of Science and Engineering, 2013.

[2]John P Holdren.ReporttoThePresidentonEnsuringAmericanLeadershipinAdvancedManufacturing[R].USA：President’s Council of Advisors on Science and Technology, 2011.

[3]John P Holdren.ReporttothePresidentonCapturingCompetitiveAdvantageinAdvancedManufacturing[R].USA：President’s Council of Advisors on Science and Technology, 2012.

[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