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新材料產業發展研究報告(簡約版)一【原創】

日期:2020-02-17 標簽:管理員 來源:搏實資本


      一、新材料的構成和特征


      1、新材料的構成


      材料,我們每個人都不陌生,比如毛衣的構成材料是毛線、瓷碗的制作材料是無機非金屬材料等等,我們生活中的方方面面都有材料的存在,那么什么是材料呢,材料是由什么構成的呢。以下,enjoy:


      正常來說,材料是指具有一定的化學成分與分子結構,以及能提供一定的物理和化學性能使其可用來制造各種產品和工具的物質。這個定義是非常廣泛的,它幾乎涉及人類生活和工作的方方面面,以及所有現代高新技術領域和所有現代化產業體系。所以說材料是人類物質文明的基礎,也是現代高新技術的基礎和先導。


      那什么是新材料呢?新材料是指新出現的具有優異性能和特殊功能的材料以及傳統材料成分、工藝改進后性能明顯提高或具有新功能的材料。具體的分類如下圖所示:


圖一 新材料的分類


      2、新材料的產業特征


      (1)新材料:自主研發創新的重要性凸顯

      在全世界的范圍內,新材料的創新研發都得到高度重視,紛紛制定新材料發展規劃,在全面開發研究的基礎上,在市場和產業環境等不同層面出臺相應的政策,全力提升新材料的研發及產業水平。


圖二 世界部分國家的新材料領域戰略規劃



      (2)新材料:高新技術產業的快速發展促使新材料加快更新換代

      材料工業是國民經濟的基礎產業,新材料是材料工業發展的先導,是重要的戰略性新興產業之一。生產力是社會發展的根本動力,高新技術的突破加快了技術向生產力的轉化,同時對關鍵的基礎材料提出了新的挑戰和需求,例如:氮化鎵(GaN)等化合物半導體材料的發展,催生了半導體照明技術;太陽能電池轉換效率的提高,極大地推進了新能源產業的發展。


      (3)跨國集團占據主導地位、國企奮發追趕

      新材料產業作為我國的戰略性新興產業和“中國制造2025”重點發展的十大領域之一,是我國實現產業結構優化升級和提升裝備制造業的基礎。為使我國早日成為世界制造強國,我國加大對新材料產業的政策扶持力度、引進外資、招納賢才等,從而擴大我國新材料市場。一些著名的跨國公司通過對華新產業投資規模的增加、投資形式和內容的多元化等方式,不斷提升在華新材料產業的投資布局,從而帶動我國新材料產業的發展。同時,為解決跨國公司信息技術的壟斷,我國有關方面也正在努力提高攻克“關鍵核心技術”的創新能力。


      目前,世界著名企業集團憑借其技術研發、資金和人才等優勢不斷向新材料領域拓展,在高附加值新材料產品中占據主導地位。比如:半導體硅材料市場份額的70%以上由日本信越、日本勝高和德國世創所占據;飛利浦控股的美國流明的功率型白光LED國際領先,美國日本德國等國家的企業擁有70%LED外延生長和芯片制備核心專利。


      (4)新材料綠色產業成為發展的重要趨勢

       綠色經濟是以市場為導向、以傳統產業經濟為基礎、以經濟與環境的和諧為目的而發展起來的一種新的經濟形式,是產業經濟為適應人類環保與健康需要而產生并表現出來的一種發展狀態。如今,資源的日益枯竭、不斷惡化的生態環境和大幅提升的人均需求等發展困境,綠色發展和可持續發展理念已經成為人類共識,如何發展綠色經濟,成為最關鍵的問題。


      以新材料產業為導向,壯大“綠色經濟+新材料產業”的發展,是各國目前奮斗的目標。中國工程院院士屠海令院士曾說,綠色新材料產業的崛起,引起電力、建筑、汽車、通信等多個產業發生重大變革,綠色低碳的新材料技術及產業化將成為今后發展的主要方向,未來在追求經濟目的的同時更加注重資源節約、環境保護、公共健康等社會目標。


      (5)新材料研發模式的變革、創新

      過去,材料的研發模式主要依賴科學直覺與試錯的材料傳統研究方法,但這種模式效率低下、成本過高,弊端明顯,已不能適應工業快速發展的需求,反而成為制約技術發展和工業進步的瓶頸。近年來,隨著大數據、人工智能等技術的發展,利用新技術進行材料設計的成果大量涌現,其中最受到好評的是材料基因大數據驅動的新材料研發模式。


       隨著大數據時代的到來,海量數據處理技術的積累和人工智能算法的逐步成熟,以數據驅動的創新研究手段,已成為繼實驗、理論和模擬之后的第四種研究范式,這也正在成為新材料研發的必然選擇。


      二、全球新材料產業發展的格局變化及未來發展趨勢


      1、新材料的發展歷程


      新材料的發展歷程可以說和人類文明的發展息息相關,從石器文明、青銅器文明、鐵器文明,都見證著人類發現、掌握、使用材料的漫漫歷程。自18世紀60年代的第一次工業革命拉開帷幕,人類文明相繼走過爭氣時代、電氣時代,一直到今天的信息時代。三次工業革命表面上看似與新材料沒有直接的關系。但試想,若沒有第一次工業革命中鋼鐵工藝、第二次工業革命蒸汽機、第三次工業革命石化工業的興起,怎會有信息化和通信產業的變革,怎會有飛機、汽車、郵輪的馳騁,更別談互聯互通的虛擬世界,別談大數據、人工智能產業為今天的成果加持。人類技術的更新迭代同樣伴隨著人們的衣食住行而發生。


      第一個工業革命是發生于18世紀60年代的英國,英國主導的第一次工業革命中,鋼鐵工業無疑是生產力飛躍的物質基礎。隨著坩堝煉鋼法和瓦特蒸汽機等革命性技術的廣泛應用,英國鋼鐵產量不斷上升、鋼鐵價格不斷下降,鐵已經豐富和便宜到可以用于一般的建設。


      第二次工業革命始于19世紀60年代末期,以電能的突破、應用以及內燃機的出現為標志,德國是這一場工業革命的引領者,美國則是集大成者。德國化學工業與化工材料在第二次工業革命中異軍突起,更成為了德國經濟彎道超車、軍事迅猛崛起的基礎。在過去100多年中,德國幾經興衰,卻都能完成復興,這離不開德國在第二次工業革命中完成的技術積累與沉淀。


      第三次工業革命起始于20世紀50年,以計算機的發明、信息化和通信產業的變革為標志,美國是這一次革命的發起者與當之無愧的領軍者。美國在核技術、生物技術、噴氣航空技術、載人航天技術、微電子技術和信息技術等領域幾乎全面領先于世界。與上述領域相關的核工程材料、生物高分子材料、高溫合金、航空航天材料、半導體材料與信息材料等技術,更成為了美國獲得全球霸權的物質基礎。


      隨著互聯網、移動互聯網、物聯網的迅猛發展,信息技術對經濟活動和人類生活方式產生了較為深刻的影響。半導體工業已經成為藍色星球上最為精密、產值最高、全球化程度最深的產業,半導體材料則成為了承載信息社會的重要物質基礎。隨著半導體超晶體格概念的提出,以及分子束外延、化學束外延等先進外延生長技術的進步,半導體物理從過去的“雜質工程”發展到“能帶工程”,為基于量子效應的新一代器件應用奠定了基礎。截至目前,半導體材料已經發展到第三代。


      2、新材料產業發展格局變化


      近些年,新一輪的科技革命和產業變革蓄勢待發,全球新材料產業的競爭格局也正在發生重大調整。無疑這是我國材料產業結構調整的機遇與挑戰。


      材料技術領域研發面臨新的突破,新材料和新物質結構不斷涌現,全球新材料技術與產業發展迅猛,新材料技術成為各國競爭的熱點之一,2016年新材料產業市場規模超過2萬億美元,到2018年已經達到2.5萬億美元,平均每年以10%以上的速度增長,如下圖所示:



      3、國際新材料行業發展趨勢


      第一,新材料+綠色經濟。全球新材料行業趨于綠色低碳化,與環境的兼容性也日趨增強,以期形成綠色可持續發展之態勢。材料的生態環境化是材料及其產業在資源和環境問題制約下,滿足經濟可承受性,實現可持續發展的必然選擇。生態環境材料的性能具備優異并節省資源、減少污染和再生利用,實現資源、材料的有機統一和優化配置,達到資源的高度綜合利用,以獲得最大的資源效益和環境效益。


      第二,新材料全產業鏈布局的區域集聚態勢明顯。新材料產業正向著多樣化、功能集成、結構微型、模塊集成、數字智能等方向并行發展,為提高新材料的綜合研發能力,全球多個國家已經通過法律法規來促進新材料的發展。


      而我國的新材料產業區域特色逐步顯現,區域集聚態勢明顯,初步形成“東部沿海集聚,中西部特色發展”的空間格局。長三角已形成包括航空航天、新能源、電子信息、新型化工等領域的新材料產業集群。珠三角新材料產業集中度高,已形成較為完整產業鏈,在膜材料、硅材料、高技術陶瓷等新材料領域取得顯著成效。


      第三,經濟全球化也對各國的軍事經濟產生直接影響。21世紀以來,新材料支撐重大應用示范工程的作用日益顯現,為我國能源、資源環境、信息領域的發展提供了重要的技術支撐,是建設重大工程、鞏固國防軍工的重要保障。


      4、引發產業變革顛覆性技術


      顛覆性技術最早是由美國哈佛商學院的克萊頓克里斯滕森教授提出的,指的是對某個領域或行業產生顛覆性效果的技術,往往具有強大的變革性,會重構應用領域的體系和秩序。比如


三、我國新材料產業市場現狀及存在問題


      1、關注“十二五”以來我國新材料產業發展經驗


      (1)核心技術的自主創新

      我國高新技術的發展促使了技術向生產力轉化的速度,同時對關鍵的基礎材料提出了新的挑戰和需求,使得新材料的創新能力不斷增強,核心技術不斷取得突破。比如原為進口產品壟斷市場的中高端生物醫用材料產品,近年來都逐步實現了國產替代,如心血管支架國產化率已達80%以上,骨創傷生物醫用材料及器械70%以上實現了國產化。


      為推動我國材料領域科技創新和產業化發展,國家制定《國家創新驅動發展戰略綱要》《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》《“十三五”國家科技創新規劃》和《中國制造2025》等政策發展性文件來為新材料產業“保駕護航”。


      (2)圍繞國家重大工程需求發展

      材料產業是國民經濟的基礎,具有舉足輕重的地位。其發展為我國能源、資源環境、信息領域的經濟社會發展提供了重要的技術支撐和物資保障。如東海防空識別區的設立,南海石油的開采,以及國防安全、海洋開發、航空航天、先進軌道交通、核電和平利用等大型工程的建設都需要高溫合金、高性能碳纖維等核心關鍵材料。


      (3)適應經濟社會發展,壯大產業規模優勢

      隨著國家經濟社會由高速轉向高質量發展,戰略性新興產業迅速崛起,重大和高端裝備用鋼鐵材料、新一代的信息技術、生物醫藥、新能源等重點產業及其新業態加速成長壯大,部分領域產業規模都位居世界前列。


      (4)依據地區優勢形成區域發展特色

      近些年,國家相關部門為提高材料產業的發展水平,在原有地域空間上進行資源整合,積極推動產業基地建設,材料產業的區域特色逐步顯現,形成了長三角、珠三角、環渤海地區三大石油化工基地和上海、南京、寧波、惠州、天津等具有國際水平的工業化園區,鋼鐵材料方面形成了東北、華北、華東、華中、西南等區域發展的格局。另外環渤海、長三角、珠三角地區依托自身的產業優勢、人才優勢、技術優勢形成了較為完整的新材料產業體系。


      2、我國新材料產業發展存在的問題


      改革開放以來,我國新材料產業取得了長足的進步,產業規模持續擴大,產業技術水平不斷提升,在個別領域已經處于國際領先水平,產業集聚區加快布局,宏觀發展環境積極改善,為下一步加快發展奠定了堅實基礎。新材料已成為我國“工業強基”的四大支柱之一,同時,“中國制造2025”也亟需大量新材料。 


      總體來說,我國新材料產業與世界先進水平相比仍有較大差距,為“超歐趕美”,需解決我們自身發展過程中還存在的突出矛盾和問題,解決制約新材料產業快速發展的瓶頸?,F如今,我國新材料產業主要體現在以下四個方面。


      (1)頂層設計和統籌協調不夠,存在低水平重復建設現象

      從目前國內各地區發布的新材料產業規劃來看,新材料布局頂層設計不足,沒有立足于自身條件和優勢進行合理定位和差異化分工,存在著嚴重的趨同現象。一些產業已出現了產業鏈上游的產品無法在下游使用,致使上游產能過剩、下游市場有效供給不足的現象。此外,盲目跟風式投入依然沒有得到有效遏制,其結果不僅會造成重復建設和產能過剩,還會影響到產業發展的可持續性。


      (2)原始創新能力不足,高端產品自給率不高

       我國新材料原始創新能力不足,缺乏不同學科之間的深層次交流和原創性的理論研究。企業作為創新主體,參與創新研發少、生產跟蹤仿制多,普遍存在關鍵技術自給率低、發明專利少、關鍵元器件和核心部件受制于人。產業共性關鍵技術是提高自主創新能力的基礎。目前我國大多數行業沒有專門的產業共性技術研發機構,共性技術研發處于缺位狀態;由于缺乏良好的資源配置機制和持續有效的投入,因而無法在技術源頭上支撐自主創新。此外,我國新材料沒有形成大批具有自主知識產權的材料牌號與體系;通用基礎原材料的國家及行業標準、統一的設計規范和材料工藝質量控制規范尚不完善;缺少符合行業標準的新材料結構設計—制造—評價共享數據庫,基礎支撐體系缺位。多數企業仍在“引進—加工生產—再引進—再加工生產”的怪圈里掙扎,使得“中國制造”產品中缺乏“中國創造”元素,只能依靠廉價銷售與低層次競爭尋找出路,這在很大程度上制約了新材料產業的跨越式發展。


      (3)共性技術研發與支撐能力不強,基礎支撐體系不健全

      產業共性關鍵技術是提高自主創新能力的基礎。第一,目前我國大多數行業沒有專門的產業共性技術研發機構,共性和前沿技術研發缺乏良好的資源配置機制與持續有效的投入,因而無法在技術源頭上支撐自主創新;第二,目前我國新材料沒有形成大批具有自主知識產權的材料牌號和體系,缺乏符合行業標準的新材料結構設計/制造/評價共享數據庫。


      (4)新材料投資比較分散,產業鏈不夠完整

      目前,我國部分新材料領域的產業結構不夠合理,新材料產業投資支持的是一些“點”,尚未形成以點帶線、以線帶面的聯動效應。國家更愿意把扶持資金投入到國有企業和科研院所,對民營企業雖然從政策上鼓勵參與競爭,但從操作層面上看,民營企業進入國家大型項目壁壘重重。此外,作為發展主體的新材料企業普遍規模較小,產業發展缺乏統籌規劃,投資分散,成果轉化率低,產業鏈不夠完整。有些行業的新材料企業大多集中在中下游環節,產業配套能力不強。


      (5)政策及保障機制難以適應新材料產業發展的需求

      新材料產業的關鍵環節和重點領域存在著“老辦法管新事物”的現象,創新產品進入市場困難。行政審批周期長(如醫療產品)阻礙了企業創新的積極性。對于開發風險較大的項目,缺少資金保障機制的支持。市場的準入機制也存在一定的缺陷。此外,新材料產業服務平臺尚未建立,風險投資、中介服務不能滿足企業創新創業的需求。新材料成果轉化和工程化過程需要大量投入,但面向工程化服務的多元化投融資體系和中介服務體系尚不完善,制約了新材料創新和產業的發展。

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