新材料是電子信息、新能源、航空航天和生物醫藥等高新技術發展的基石和先導，是各個產業鏈中處在最上游、技術壁壘最高的部分，其對一個國家經濟發展、國防安全等的重要性不言而喻。
新材料將為新一輪科技革命和產業革命提供堅實的物質基礎，誰掌握了最先進的材料，誰就能在未來高新技術發展上掌握主動權。
當前，中國新材料產業大而不強，與美日德等發達國家相比差距明顯，尤其是以半導體材料、碳纖維材料、航空航天材料等為代表的戰略性材料嚴重依賴國外，給我國家科技安全帶來巨大挑戰。一旦這些新材料遭遇“卡脖子”問題，先進電子信息、新能源汽車、商業航空等諸多產業，將會在短時間內喪失競爭力、受人制約，乃至會喪失掉前沿顛覆性技術的發展先機，後果難以設想。值得慶幸的是，中國新材料產業已迎來科研範式重大轉變、下游需求迅猛增長等歷史機遇，並已積累起科研、人才、政策和資本等方面的巨大勢能，未來發展可期！本文將從戰略層面淺析新材料產業的重要性，中國新材料產業面臨的歷史機遇、嚴峻挑戰，以及未來發展之路。
一、為什麼要高度重視新材料產業？
新材料（New Materials）究竟意味著什麼？為何新材料能夠與信息、能源一起被稱作21世紀的三大支柱產業，每逢談到前沿科技時必會被人們提及？讓我們一起探個究竟，瞭解一下新材料緣何重要。
（一）新材料是科學規律與物質世界的橋樑
在維基百科中，材料（Material）的釋義為：構成客體的物質或混合物，且可以根據物理或化學等特性進行分類。在百度百科中，材料的釋義為：人類用於製造物品、器件、構件、機器或其他產品的物質。簡而言之，
材料是人類創造生產生活工具的物質來源，是人類改造大自然的物質基礎。而新材料（New Materials），是人類從微觀層面深入理解物質的物理和化學規律後，研發出的具有更高強度、更優性能、更廣用途的新型材料。從更高維度看，新材料是物理化學（科學）規律與物質世界之間的橋樑，形象一點就是人類利用科學規律進行生產生活的“武器”。
新材料是科學規律與物質世界間的橋樑
被譽為人類最高學術榮譽的
諾貝爾獎（本文主要指物理學獎、化學獎），歷年諸多獎項都與新材料存在緊密的聯繫。2019年，諾貝爾化學獎頒給約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆、吉野彰三人，就是表彰他們對鋰電池材料方面的研究貢獻。往回追溯，2017年諾貝爾化學獎頒給“冷凍電子顯微鏡”發明人；2016年物理學獎頒給“拓撲相變”理論發現者，化學獎頒給“分子機器設計與合成”領域的科學家；2014年物理學獎頒給“高亮度藍色發光二極管”發明人，化學獎頒給“超分辨率熒光顯微技術”領域的科學家；2010年物理學獎頒給“石墨烯”領域的科學家，等等。上述物理和化學領域的重大發現，都直接或間接地推動著新材料技術的發展。反過來看，曾徹底改變人類生活的半導體材料、新能源材料等，背後都凝結著許多諾貝爾獎級的科學突破。
諾貝爾獎與新材料科學（部分年份）
由此可見，一個國家新材料產業的發展水平，本質上取決於該國在物理、化學等基礎科研上的積累。德國、美國和日本這些公認的新材料強國，歷史上均曾獲得過大量諾貝爾物理學獎和化學獎。新材料領域的原創性突破多數都來自美國、日本和西歐，最高獎章諾貝爾獎不僅是這些國家科技實力的象徵，更是這些國家科技安全的根本保障。此外，新材料產業的發展需要日積月累，科學突破轉化為實際的工程成果，更需要曠日彌久的嘗試（試錯）。因此，發達國家在上游“材料+裝備”環節積累起的技術優勢或技術壁壘，成為了他們掌握產業發展規律、站在產業價值鏈頂端的法寶。
（二）新材料是國家經濟發展、科技安全的重要保障
在之前“新材料如何支撐國家崛起”一文中，筆者詳細梳理了新材料技術在國家經濟發展、產業革命中的作用。一言以蔽之，英國、德國、美國和日本在歷次工業革命中能夠異軍突起，離不開鋼鐵冶煉、化工、微納技術和硅基材料等技術的突破。
新材料在工業革命中的先導地位和經濟發展中的支撐地位十分顯著，上述國家在產業升級、經濟騰飛和國家崛起的過程中，都曾建立起強大的新材料工業。實際上，西歐、美國和日本等主要發達經濟體，其科技產業核心競爭力往往就在上游部分，尤其是“材料+裝備”環節。2019年7月，日本經濟產業省宣佈對韓國實施出口貿易管制，首當其衝的就是聚酰亞胺、光刻膠和氟化氫3種涉及半導體器件和顯示面板生產的材料，給韓國三星、LG、SK海力士帶來極大衝擊。半導體產業強大之如韓國，都難以避免在原材料上被日本“卡脖子”，面對出口管制顯得非常脆弱。更可怕的是，日本還佔據沉積、刻蝕、顯影和塗布等關鍵設備的全球大多數份額，真正實施科技遏制的話韓國絕對難以招架。日韓半導體貿易摩擦事件的出現，更加證明了上游“材料+裝備”在保障國家科技安全方面的重要性。
半導體產業鏈示意圖，藍色部分為日本佔據50%份額的環節（資料來源：新時代證券）
目前，中國和東南亞地區在中低端製造或者下游集成製造方面具備了較強實力，但產業鏈中最“難啃的骨頭”、技術壁壘最高的上游“材料+裝備”環節卻仍離發達國家有較大差距。這些差距，才是中國與發達國家科技實力上的真正差距，也是產業鏈轉型升級、經濟高質量發展需要真正克服的，但也是難度最高、需要大量投入積累、非一朝一夕能實現的。從長遠看，中國這一人口超過美歐日人口總和的國家想要實現真正的富裕，所需要的經濟增長總量將會遠超人類歷史。這意味著，無論是在化工、機械等傳統產業領域（存量市場），還是微電、光電和新能源等新興產業領域（增量市場），中國都要成為全球最具實力的選手。而“材料+裝備”作為大部分產業的基礎和競爭力所在，無疑將成為中國未來最需要經營和突破的關鍵產業之一。
（三）他山之石——短談日本新材料發展歷程
在日韓半導體貿易摩擦中，日本新材料產業的實力一覽無餘。但回顧歷史，日本並非一直都是新材料強國。作為一個後發國家，日本前期以借鑑引進歐美技術為主，後期通過加強自主研發逐漸取得產業優勢，最終才奠定今天的新材料產業霸主地位。以半導體產業為例，現代半導體工業起源於美國硅谷，1950s年代成立的肖克利實驗室和仙童半導體（Fairchild）奠定了半導體產業的基礎。1963年，日本電氣公司（NEC）獲得仙童半導體平面技術的授權，隨後日本
政府要求日本電氣將技術分享給其他企業，由此日本電氣、三菱、夏普和京都電氣正式進入半導體產業。
1960s年代，美國半導體產業開始向日本大規模轉移。當時由於美蘇爭霸，美國集成電路產品主要面向軍事領域，日本民用集成電路產品得以大規模進入美國市場，隨後日立、NEC、富士通和東芝等一批日本電子企業迅速崛起。1970s年代，日本政府為提升本國集成電路產業競爭力，制定了一系列發展政策和措施 ，如1971年制定《特定電子工業及特定機械工業振興臨時措施法》，1978年制定的《特定機械情報產業振興臨時措施法》，1976-1980年領導“官產學”一體化研發、組織大型企業合作實施超大規模集成電路（VLSI）計劃。1980s年代，日本半導體產業發展迅猛，一度超過美國成為半導體產業第一大國。
在產業升級和經濟騰飛的過程中，日本半導體企業積累了空前的財富。但這些企業並不僅僅滿足於引進、消化美國技術，以信越化學為代表的日本新材料公司，致力於推動半導體材料和裝備的國產化。在半導體產業發展的過程中，日本政府和企業有意識地佈局上游“材料+裝備”環節，經過數十年的精耕細作與突破，終於成就了半導體材料強國地位。眾所周知，2000年以後日本諾貝爾獎大爆發，幾乎每年都有一枚獎章入手。殊不知，正是1980s年代日本政府尤其是企業對基礎研究的大量投入，才使得科學之花長成了碩碩果實。總結日本新材料科技發展歷史，其成功一是離不開日本
政府對產業鏈上游的高度重視和持續資助，二是離不開日本企業對掌握核心技術、實現國產化的決心，三是離不開日本“官產學研”一體化的實施。二、中國新材料產業迎來重大歷史機遇
相信大家都有體會，中國新材料產業發展水平與日本、美國和德國等國相比存在很大差距，且這一差距並未因經濟快速增長得到顯著消弭。2018年，工信部對全國30多家大型企業130多種關鍵基礎材料調研結果顯示，32%的關鍵材料在中國仍為空白，52%依賴進口，形勢不容樂觀。但筆者認為，中國新材料產業已經積累起足夠的勢能，未來十年二十年必然會取得巨大的成就。
（一）新材料科研範式正在發生重大轉變，人工智能助力中國新材料產業發展
首先，新材料科學研究的範式正在被人工智能、大數據、材料基因工程等技術所改變，新材料正在以想象不到的速度和範圍被開發出來。
中國在人工智能、大數據等信息技術上積累的優勢，將為中國新材料產業崛起提供堅實基礎。
《科學研究範式的演化——大數據時代的科學研究第四範式》. 鄧仲華, 李志芳.
回顧歷史，許許多多學科的誕生，都是不經意間發生的“美麗邂逅”。例如，1820年丹麥物理學家奧斯特在講座時發現電磁感應效應；
1895年德國物理學家倫琴在從事陰極射線研究時發現X射線；1928年，英國細菌學家弗萊明在研究葡萄球菌時發現青黴素。這些科學研究多是“試錯型”的經驗科學，帶有一定的盲目性和隨機性。2009年，微軟在《The Fourth Paradigm: Data-IntensiveScientific Discovery》一文中總結了科研的四種範式：第一範式即上述“試錯型”的經驗科學，在研究方法上以歸納為主，帶有較多盲目性的觀測和實驗；第二範式即理論科學，偏重理論總結和理性概括，在研究方法上以演繹法為主；第三範式即計算科學，主要用數值模擬和計算優化的方法進行研究；第四範式即當前流行的數據驅動型科學，它以大量數據為前提，運用人工智能、數據挖掘等技術，可從大量已知數據中得到未知理論。近年來，人工智能技術發展十分迅猛，已滲透到社會生產生活的各個角落。在新材料科研領域，人工智能技術也得到了廣泛的滲透與應用。在筆者日常跟蹤的兩大科技網站Phys.org和EurekAlert!中，有關人工智能應用於新材料研發的新聞比比皆是。實際上，新材料的研發過程也是大數據的處理過程。新材料研發中的設計、實驗、測試、證明環節，都離不開數據的蒐集、選擇、分析等。人工智能特別擅長在大數據中尋找“隱藏”的因果關係，因此其在新材料研發上能夠體現出巨大優勢。當
前，人工智能、大數據和基因工程等技術的廣泛應用，正使得新材料科研範式產生重大轉變，研發效率提升百倍、千倍！
人工智能變革新材料的研發模式
（二）中國經濟發展、產業升級需求迫切，發展上游“材料+裝備”產業勢在必行
其次，中國經濟正處在從高速發展向高質量發展轉變的歷史階段，新材料產業將為中國跨越中等收入陷阱奠定堅實的物質基礎。 根據任澤平等人研究，全球主要發達經濟體均經歷過“增速換擋”，即從高速增長收斂到高質量增長的歷史階段。從發展曲線上看，人均GDP達到約10000美元時會出現拐點，這就是產業轉型升級所產生的“陣痛期”。歷史上，德國、日本和韓國等國都通過大力發展科技產業、推動產業轉型升級，成功擺脫“陣痛期”成為發達經濟體。相反，巴西、阿根廷和墨西哥等經濟體在產業轉型、技術升級上相對失敗，長期陷入到所謂“中等收入陷阱”中。當前中國正處在歷史拐點，如何擺脫“陣痛”走出“陷阱”將是未來中國面臨的最大挑戰之一。
世界主要國家人均GDP與增速間的關係
在經濟高質量發展、產業轉型升級的過程中，上游“材料+裝備”環節的發展至關重要。舉個例子，一臺筆記本或手機的生產過程中，芯片主要來自美國，元器件主要來自日本，顯示器主要來自韓國，生產這些器件的材料主要來自美國、日本，裝備主要來自美國、西歐和日本，產品利潤的大頭都被這些國家收入囊中，而主要負責組裝製造的中國實際所得寥寥無幾。新材料產業的強大，不僅意味著能夠“卡別人脖子”、掌握主動權，更意味著在全球產業分工中能夠獲取高技術溢價、成為高端玩家。時至今日，美國、德國和日本等主要發達經濟體，無一例外都是新材料強國。“新材料強大”與“經濟發達”之間，存在著明顯的正相關關係。
未來中國新材料產業發展的原動力，正來源於中國對經濟高質量發展、產業轉型升級的巨大需求。“新材料強大”和“中國崛起”之間，必然也是相輔相成、互為因果的正相關關係。儘管當前國際形勢雲譎波詭、暗流湧動，尤其是中美貿易戰 給中國經濟產業發展蒙上了層層陰影，但這一形勢恰恰也點燃新材料產業發展的原動力，中美貿易戰幫助我們瞭解到自身產業鏈是不安全的，認清了上游“材料+裝備”產業環節的重要性，給中國新材料產業注入了新的活力。從戰略層面上看，中國新材料產業發展迎來了絕佳的歷史機遇。
（三）大飛機、集成電路等下游需求旺盛，將全面帶動中國新材料產業發展
再次，中國高端製造業正在崛起過程中，未來將可全面帶動新材料產業蓬勃發展。尤其是大飛機、集成電路等“體量龐大”的下游高科技產業，一旦打開局面站穩市場，將能夠有效反哺、帶動上游“材料+裝備”環節的突破。
縱覽全球經濟史，後發國家經濟的成功崛起，往往都是從承接發達國家的紡織、鋼鐵和家電等中低端產業開始的。例如，20世紀60年代以後，韓國通過對國際產業轉移的成功承接，推動了國內產業結構的升級，促進了經濟社會的快速發展。第一階段（20世紀60年代），韓國承接產業以勞動密集型輕紡產業為主；第二階段（20世紀70年代），韓國承接產業以資本密集型重化工業為主，包括鋼鐵、造船、石化等重化工業；第三階段（20世紀80年代），韓國承接產業以兼具資本和技術密集型的產業為主，包括電子、化工、運輸機械等產業。經20世紀60到80年代的發展，韓國完成了英、美、日等發達國家需要半個世紀到一個世紀才能實現的工業化進程，從一個資源短缺的農業國轉型為先進工業國，這一過程也被譽為“江漢奇蹟”。
在經濟騰飛過程中，韓國有意識地進軍高端製造業和現代服務業，成功發展起了汽車、半導體、消費電子等高附加值產業。這些高附加值產業所獲的高額利潤，又成功反哺了韓國上游“材料+設備”產業環節，使得韓國科技競爭力不斷提升。目前，韓國新材料企業在全球市場已經頗具競爭力，以三星SDI、LG化學、SK化學、韓國工程塑料和韓國浦項鋼鐵為代表的新材料企業，為韓國電子電氣、半導體、汽車、船舶和新能源等產業發展提供了強大支撐。由此可見，高端需求能夠催生先進技術，下游高端集成製造產品才是上游新材料產業發展的環境和條件。
宏觀經濟增速換擋與追趕進程
當前，中國正在有意識、有計劃地進軍高端製造業和現代服務業，在《中國製造2025》戰略佈局下，中國正在大力發展大飛機、半導體、新能源汽車等高端產業。儘管這些產業未來數年難以盈利，但其戰略價值無疑是巨大的，其對上游“材料+裝備”環節的推動作用將會是顯著的。以國產大飛機產業為例，C919型號飛機的設計、研發和製造成本巨大，整個開發週期就需要大約十年，收回成本的時間也難以估量，但隨著時間的積累，它將帶動中國一整條產業鏈的興起，包括上游“材料+裝備”、中游設計製造和下游科技服務業，其對產業升級和經濟增長的貢獻或更難以估量。儘管C919為保證質量當前基本採用的都是國外部件，甚至被人詬病為“空殼子”，但這種先做好總體集成的路線無疑是正確的。先利用全球最好的技術生產出高質量產品，再努力實現關鍵零部件的國產化，這才是更有效率、更經濟的做法。日本和韓國的半導體產業發展，基本也是遵循這一路徑的。從長期看，隨著國產大飛機的崛起，中國碳纖維、鋁合金、高溫合金等新材料產業將會誕生一批全球領先的技術性企業。
中國商飛C919供應鏈簡圖（FT中文網）
（四）中國積累起科研、人才、政策和資本基礎
最後，中國在過去30餘年的經濟高速增長過程中，已經積累起科研、人才、政策和資本基礎。這主要源於政府層面對新材料科學研究、產業發展和人才培養的高度重視，使得中國已擁有全球最完備的新材料產業體系，開始具備與美日歐展開競爭的實力。
從科研實力上看，尤其是科技論文總量和專利申請總量等指標上看，中國已經超過美國、日本和歐洲等國家和地區，成為名副其實的新材料科研第一大國。中國新材料產業發展起步較晚，但經過“十五”、“十一五”期間的持續科技攻關，中國在新材料的某些領域也逐漸達到與國際同步的水平。如下圖所示，在中國政府大力推進新材料的背景下，中國自 2007 年起專利申請呈現出爆發式的增長，並迅速成為該領域申請量最多的國家，尤其是2009年以後超過了日本成為年專利申請量最大的國家。當然，從原創國家/地區分佈情況，以及專利價值情況上看，中國與日本和美國相比仍存在不小差距。此外，據科技部統計，2016-2017年，中國材料領域基礎研究論文數量（67276篇）/增長率（24.71%）、高被引論文增長率（11.08%）等指標均處於世界第一。
1995-2015新材料產業主要原創國家/地區全球專利申請份額趨勢（國家知識產權局）
從人才培養上看，中國材料學科建設整體水平大幅提升，材料人才儲備量逐年增大。截至2018年，中國高校已有208個材料科學與工程學位授予點，92個博士點，116個碩士點；30所高校材料學科入選國家一流學科建設，屬各學科之最；116個單位的材料學科進入世界ESI排名前1%，21所高校進入ESI學科排名前1‰。目前，中國現有材料類研發科技人才115萬人，每年材料類本科畢業生4萬餘人，每年材料類碩博畢業生1萬餘人。
從政策支持上看，中國近年來將發展新材料產業列為國家戰略的重要組成部分，積極採取重點趕超戰略，《新材料產業“十三五”發展規劃》、《新材料產業發展指南》等政策文件相繼出臺，已經建立起日臻完善的新材料科技政策。從政府資金投入上看，中國自2008年金融危機以來顯著提高了對新材料研發的資助，《Nature》期刊統計了近年來國家自然科學基金的所有經費，材料科學與工程領域的經費排名第二，僅排在醫藥領域後面。
2001年以來國家自然科學基金委資助材料科學與工程的情況
作者丨宮學源，博士，國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究一室副主任
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。“全球技術地圖”為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。
地址：北京市海淀區小南莊20號樓A座
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