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  • 世界七大頂尖的新材料強國

    解夢360 111 0

      新材料是人類賴以生存的物質基礎,每種新材料的出現及應用都將伴隨現代科學技術的巨大飛躍。從現代科學技術史中不難看出,每一項重大科技的突破在很大程度上都依賴于相應的新材料的發展。所以新材料是現代科技發展之本,美國將新材料稱之為“科技發展的骨肉”。新材料技術被稱為“發明之母”和“產業糧食”。

      新材料產業的創新主體是美國、日本和歐洲等發達國家和地區,其擁有絕大部分大型跨國公司,在經濟實力、核心技術、研發能力、市場占有率等多方面占據絕對優勢,占據全球市場的壟斷地位。其中,全面領跑的國家是美國,日本的優勢在納米材料、電子信息材料等領域,歐洲在結構材料、光學與光電材料等方面有明顯優勢。中國、韓國、俄羅斯緊隨其后,目前屬于全球第二梯隊。中國在半導體照明、稀土永磁材料、人工晶體材料,韓國在顯示材料、存儲材料,俄羅斯在航空航天材料等方面具有比較優勢。除巴西、印度等少數國家之外,大多數發展中國家的新材料產業相對比較落后。從新材料市場來看,北美和歐洲擁有目前全球最大的新材料市場,且市場已經比較成熟,而在亞太地區,尤其是中國,新材料市場正處在一個快速發展的階段。從宏觀層面看,全球新材料市場的重心正逐步向亞洲地區轉移。

      世界新材料主要生產商美國鋁業、杜邦、拜耳、GE塑料、陶氏化學、日本帝人、日本TORAY、韓國LG等大型跨國公司,加速對全球新材料產業的壟斷,并在高技術含量、高附加值的新材料產品市場中保持主導地位。

      值得一提的是,發達國家仍在國際新材料產業中占據領先地位,世界上新材料龍頭企業主要集中在美國、歐洲和日本,其中,日、美、德6家企業占全球碳纖維產能70%以上,日、美5家企業占全球12寸晶圓產量的90%以上,日本3家企業占全球液晶背光源發光材料產量的90%以上。

      值得一提的是,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,尤其在高附加值新材料產品中占據主導地位。比如著名的尤尼明幾乎壟斷著國際市場上4N8及以上高端石英砂產品;比如全球新材料巨頭信越、SUMCO、Siltronic、SunEdison等企業占據國際半導體硅材料市場份額的80%以上。而半絕緣砷化鎵市場90%以上被日本日立電工、住友電工、三菱化學和德國FCM所占有。

      再比如DuPont、Daikin、Hoechst、3M、Ausimont、ATO和ICI等7家公司擁有全球90%的有機氟材料生產能力。美國科銳(Cree)公司的碳化硅襯底制備技術具有非常強的全球市場競爭力,飛利浦(Philips)控股的美國Lumileds公司的功率型白光LED國際領先,美、日、德等國企業擁有70%LED外延生長和芯片制備核心專利。

      在小絲束碳纖維的制造領域,基本被日本的東麗纖維公司、東邦公司、三菱公司和美國的Hexel公司所壟斷,而大絲束碳纖維市場則幾乎由美國的Fortafil公司、Zoltek公司、Aldila公司和德國的SGL公司4家所占據。美鋁、德鋁、法鋁等世界先進企業在高強高韌鋁合金材料的研制生產領域居世界主導地位。美國的Timet、RMI和Allegen Teledyne等三大鈦生產企業的總產量占美國鈦加工總量的90%,并且是世界航空級鈦材的主要供應商。下面分別介紹世界六大主要的新材料大國及強國的具體情況如下:

      一、中國

      

    世界七大頂尖的新材料強國-第1張圖片-周公解夢大全


      中國是全球新材料產業首屈一指的產業規模大國。眾所周知,新材料產業被認為是21世紀最具發展潛力并對未來發展有著巨大影響的高技術產業,且新材料是國際競爭的重點領域之一,也是決定一國高端制造及國防安全的關鍵因素,全球范圍內都在積極發展新材料,尤其是發達國家。值得一提的是,新材料產業是我國七大戰略新興產業之一,是整個制造業轉型升級的產業基礎。我國新材料產業規模大約2萬億元。

      中國新材料產業尤其在金屬材料、紡織材料、化工材料等傳統領域基礎較好,稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、有機硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等產能居世界前列。經過幾十年奮斗,中國新材料產業從無到有,不斷發展壯大,在體系建設、產業規模、技術進步等方面取得明顯成就,為國民經濟和國防建設做出了重大貢獻,具備了良好發展基礎。中國新材料需求將呈現持續增長的趨勢發展,到2025年其產值將突破10萬億元,發展前景十分廣闊!值得一提的是,早在2011年我國新材料產業總產值僅僅為0.8萬億元,到 2019年我國新材料產業總產值已增長至4.5萬億元,同比增長15.4%,預計到2021年有望突破7萬億元。

      中國在部分先進基礎材料、關鍵戰略材料、前沿新材料等領域,已經實現了與國際先進水平“并跑”甚至“領跑”。比如在關鍵戰略材料方面,中芯國際前七大耗材中六類材料實現國產采購;南山集團鋁合金厚板通過波音公司認證并簽訂供貨合同;比如中船重工兆瓦級稀土永磁電機體積比傳統電機減少50%、重量減輕40%;再比如世界首座具有第四代核電特征的高溫氣冷堆核電站關鍵裝備材料國產化率超過85%;液態金屬在3D打印、柔性智能機器、血管機器人等領域實現初步應用等。

      中國的石墨烯技術世界領先水平。石墨烯技術是當今世界各國爭相開發前沿技術領域,皆因它具有無與倫比的特性,對將來新材料的發展具有至關重要的作用。而2017世界石墨烯創新大會是在中國常州開幕的,意味著中國石墨烯技術已經開始走在世界前列。值得一提的是,石墨烯材料最早是有英國科學家發現的,石墨烯是已知世界上最薄、最硬的材料,被譽為“黑金”、“新材料之王”。根據悉,石墨烯的厚度可達頭發絲的20萬分之一,強度是鋼的200倍??茖W家預言,石墨烯將會是21世紀最重要的新材料,市場應用前景不可估量。石墨烯技術已被世界許多國家列為優先發展的材料技術,雖然中國接觸石墨烯技術只有短短幾年時間但發展勢頭很猛,且中國擁有巨大的潛在市場。

      中國的人工晶體材料經過多年的發展,偏硼酸鋇和三硼酸鋰等紫外非線性光學晶體研究居國際領先水平并實現了商品化;激光晶體、太陽能電池關鍵技術指標達到國際先進水平,光伏發電成本降到1元/kWh)以下。

      中國的鋰離子電池正負極材料、電解液均滿足小型電池要求,隔膜、電解質鋰鹽等關鍵材料替代進口;超高分子量聚乙烯纖維大幅縮小與發達國家差距。T300級碳纖維實現了穩定生產,單線產能提高到1200t;T700和T800級碳纖維實現了批量供貨能力已開始應用于航空航天裝備;中國開發出具有自主知識產權的銅帶、銅管拉鑄技術以及銅鋁復合技術;中國的海底管線鋼X65、X70、X80及厚壁海洋油氣焊管、化學品船用中厚板均已實現國產化,尤其是低成本石墨烯已開始生產,并應用于觸摸屏、導熱膜等信息通訊器件。中國在關鍵技術領域不斷突破及新材料品種的不斷增加,使我國高端金屬結構材料、新型無機非金屬材料、高性能復合材料保障能力明顯增強,先進高分子材料和特種金屬功能材料自給水平逐步提高。

      中國擁有全球最完備的液體金屬全產業鏈,由原材料到制成,由專利到工藝,已可大規模生產鋯基非晶合金,尤其在塊狀成型工藝技術里,已掌握液態金屬核心技術。值得一提的是,中國在材料配方、設備制造和成型工藝的三大核心技術,都擁有自主的知識產權,也是全球唯一的一家能對外公布具備大形塊狀非晶金屬成型能力的國家。因此,中國的塊體非晶產業發展技術已走在世界前列。

      再比如中國科學院金屬研究所等合作開發的可降解純鎂骨釘獲得國家藥品監督管理局的臨床批件,成為我國第一個獲得臨床批件的可降解鎂基金屬醫療器械產品,也是全球第一例純鎂III類植入物。

      二、日本

      

    世界七大頂尖的新材料強國-第2張圖片-周公解夢大全


      日本全球公認的新材料生產技術最先進的國家。新材料產業被國際上認為是21世紀最具發展潛力并對未來發展有著巨大影響的產業。日本作為新材料生產技術最先進的國家,日本政府十分重視新材料技術的發展,尤其重點把開發新材料列為國家高新技術的第二大目標,因此,日本材料企業在全球新材料產業界形成一枝獨秀領先局面。

      日本內閣會議早于2016年就通過了《第五期科學技術基本計劃(2016-2020)》,日本政府未來計劃5年將確保研發投資規模占GDP比例的4%以上。

      值得一提的是,日本機械制造工業長期保持全球先進水平與其發達的材料產業密不可分。比如日本在新材料全球占有率方面, 日本的新材料產業憑借其超前的研發優勢、先進的研發成果、實用化開發力度,在環境及新能源材料世界市場占據絕對的領先地位。

      日本擁有世界領先的新材料巨頭:比如享譽世界的京瓷株式會社;三井化學株式會社(Mitsui Chemicals)等;日本同時還擁有了享譽世界的頂尖大學:比如著名的東京大學。東京大學曾經培養了十六名總理大臣、二十一名(日本)國會議長,十三名富比世500大企業首席執行官。十一名諾貝爾獎得主、六名沃爾夫獎得主、一名菲爾茲獎、三名羅伯·柯霍獎、四名蓋爾德納國際獎及四名普立茲克建筑獎得主。比如名古屋大學 。它是日本頂尖、世界一流的著名研究型國立綜合大學,是日本中部地區最高學府。名古屋大學曾經培養出6名諾貝爾獎得主、1名菲爾茲獎得主。

      日本的材料學已成為國際上最頂尖技術。特別是材料學的水平及實力極大程度上決定了一個國家的最高科技水平。比如世界上最先進的裝甲車必需優質材料;最先進的導彈之外殼必須采用極優質材料。尤其是飛機發動機葉片更需要出色而優質的高科技新材料。再比如世界上高精尖的軍用雷達半導體元器件也需要優中選優的新材料。

      日本在新材料領域,甚至已遠遠領先最發達國家美國很大的身位,即使包括俄羅斯及歐洲發達國家和日本也不在一個檔次上。比如在高精尖的三種材料技術領域:首先是制造洲際彈道導彈噴管和殼體以及飛機骨架——高強度碳纖維材料;其次是全球最高性能主動相控陣軍用雷達的——寬禁帶半導體收發組件材料;再次是制造新式渦輪發動機渦輪葉片的——高性能單晶葉片??梢哉f,日本在這三種頂級科技領域遙遙領先,全球其他國家只能望其項背。

      眾所周知,最先進的渦輪發動機葉片的五代單晶材料,由于渦輪葉片工作環境十分惡劣,需極度高溫高壓之下依然能夠保持數萬轉的極高轉速,對于高溫高壓下的抗蠕變性能的條件及要求是相當苛刻的。值得一提的是,世界上單晶材料共有五代。越到最后一代,就越看不到老牌發達國家的影子,尤其是軍事超級大國俄羅斯更不在話下。而第五代單晶技術水平是日本的天下。全球最頂級的單晶材料就是日本研發的第五代單晶TMS-162/192, 日本已成為全球唯一一個能制造第五代單晶材料的國家,在全球市場上具有絕對的話語權。

      再比如全球傳統材料學和發動機技術的歐洲最頂尖水平公司——英國著名的發動機公司羅爾斯·羅伊斯(RR),也是歐洲最大的航空發動機企業,旗下產品包括航空發動機、船舶發動機以及核動力潛艇的核動力裝置,其中航空發動機是世界久負盛名的拳頭產品。如此這樣一家全球技術最頂尖公司,在日本的新材料面前也只能膜拜及俯首稱臣。比如英國RR甚至于大批進口日本的單晶材料用于制造自己的世界先進的Trent渦輪風扇發動機。因此,日本的新材料技術,讓全球很多國家離不開它,離開了寸步難行。一個重要原因,日本的新材料不但質量極佳,而且擁有十分“恐怖”的使用壽命。

      日本領先世界的還有大名鼎鼎的碳纖維材料。碳纖維由于質量輕,強度高而被軍工產業視為制造導彈、尤其是最頂尖洲際彈道導彈的最理想材料。比如美國的“侏儒”導彈是美國的小型固體洲際戰略導彈,該導彈也是目前世界上最早采用全程制導的洲際戰略導彈,其中就用到了日本的新材料及技術。

      比如美國的“三叉戟II”D-5型潛射導彈,曾經是世界上最先進的潛射彈道導彈。曾經被譽為美海軍戰略核力量的“驕子”。此導彈采用了日本的新復合材料。再比如法國M51的新式洲際彈道導彈,M51潛射彈道導彈曾經是法國原子能軍需事務局和法國原子能總署研制的新一代戰略核導彈。至少到2030年,以M51導彈為主體的?;肆α繉⒊蔀榉▏肆α康闹黧w,可鞏固法國在歐洲防務獨立中的領導地位。法國的導彈依然采用了日本的復合新材料。

      無疑全球先進的戰略導彈無一例外都采用碳-碳和碳-樹脂復合材料用于制造洲際導彈的殼體和噴管。而在這項技術上日本依然是全球領先水平。比如日本東麗公司的T1000強度高達7060mpa,其拉伸模量在高強度碳纖維中也非常高(甚至達到了284Gpa),這些技術指標都遠遠超過了美國IM9的最高水平。

      在碳纖維有機復合材料領域,前蘇聯國家石墨結構材料研究所、前蘇聯聚合物纖維研究所,全俄航空材料研究院,能夠生產出拉伸強度2500~3000MPa、拉伸模量250GPa的高強度碳纖維,以及模量400~600GPa的高模量碳纖維。尤其是后期又研發出4000~5000MPa的中模量碳纖維。盡管如此,俄羅斯的碳纖維產品在性能及水平上依然沒有超過日本的技術水平。

      在全球碳纖維生產制造廠家中,日本擁有著名的東麗、東邦和三菱三家頂尖公司,都代表了世界最頂級技術水平。

      三、美國

      

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      美國是全球新材料領域的重要領導者。北京大學數字中國研究院副院長曾經認為:美國在新能源、新材料和生命工程方面的技術水平遠遠領先于世界其他國家。

      值得一提的是,美國曾經把新材料列為影響經濟繁榮和國家安全的六大類關鍵技術之首。在確定的22項關鍵技術中材料占了5項(材料的合成和加工、電子和光電子材料、陶瓷、復合材料、高性能金屬和合金)。美國的新材料發展特色是以國防部和航空航天局的大型研究與發展計劃為龍頭,主要以國防采購合同形式來推動和確保大學、科研機構和企業的新材料研究與發展工作。

      早在2011年,美國總統奧巴馬宣布了一項超過5億美元的“推進制造業伙伴關系”計劃,通過政府、高校及企業的合作來強化美國制造業,投資逾1億美元的“材料基因組計劃”(Materials Genome Initiative)是其組成部分之一?!恫牧匣蚪M計劃》擬通過新材料研制周期內各個階段的團隊相互協作,加強“官產學研用”相結合,注重實驗技術、計算技術和數據庫之間的協作和共享,目標是把新材料研發周期減半,成本降低到現有的幾分之一,以以期加速美國在清潔能源、國家安全、人類健康與福祉以及下一代勞動力培養等方面的進步,大幅加強美國在新材料領域的國際競爭力。

      美國重點把生物材料、信息材料、納米材料、極端環境材料及材料計算科學列為主要前沿研究領域,支持生命科學、信息技術、環境科學和納米技術等發展,尤其滿足國防、能源、電子信息等重要部門和領域的需求。由此,美國制訂了一系列與新材料相關的戰略性計劃,主要包括:“21世紀國家納米綱要” 、“ 國家納米技術計劃(NNI)” 、“未來工業材料計劃” 、“光電子計劃” 、“ 光伏計劃” 、“下一代照明光源計劃”、“先進汽車材料計劃” 、“化石能材料計劃” 、“建筑材料計劃” 、“NSF先進材料與工藝過程計劃” 、“材料基因組計劃”等。美國在新材料科技發展方面取得很大進展。比如在戰略性新材料計劃之下,早在2011年1月份,美國科學家開發出一種由超介質材料制造的聲吶探測不到的“隱聲衣”;3月份,高效存儲氫的納米復合材料問世;6月份,“誘導”聚合物擬肽鏈自我組裝成納米繩子,自組裝納米繩性能不遜于自然材料;9月份,以鐿為基礎材料研制出奇特的新型超導體,在自然狀態就能達到“量子臨界點” ;11月份,研發的超黑材料能吸收幾乎所有照射在其上的光,吸收率超過99%;同月,新研發的世界上最輕的材料,其能量吸收性能與人造橡膠相仿,卻比聚苯乙烯泡沫塑料還要輕100倍。

      美國擁有全球眾多頂尖的新材料巨頭:比如??松梨?ExxonMobil)、、陶氏化學(DowChemical)、杜邦公司(DuPont)、3M公司(3M)、、美鋁公司(Alcoa)、美國鋼鐵公司(UnitedStates Steel)、7、PPG 工業公司(PPG Industries)、空氣化工產品公司(AirProducts & Chemicals)、伊士曼化學公司(Eastman Chemical)、康寧公司(Corning)‘

      美國擁有世界頂尖的新材料高等學府:比如著名的西北大學、麻省理工大學(材料科學與工程學院的課程排名第一)、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(由最早成立于1867年的陶瓷、冶金、礦業等系合并而來;專業分為生物材料、電子材料等6個方向;全美材料專業排名常年前三。)、4加利福尼亞大學伯克利分校(世界上最負盛名且是最頂尖的公立大)、斯坦福大學(世界上最杰出的大學之一)、加州大學圣塔芭芭拉分校(美國頂尖的以研究科學為主,且學術聲望非常高的研究性公立大學。)

      康奈爾大學(辦學規模為當時全美高校之最)、賓夕法尼亞州立大學帕克分校(全美最大的十所公立大學之一)、佐治亞理工學院分校治亞理工學院分校(美國頂尖的理工學院。重點在研究開發下一代工程應用的材料)、美國密歇根大學(與加州大學伯克利分校以及威斯康星大學麥迪遜分校素有“公立大學典范”之稱。材料專業排名非常高)

      美國擁有一大批全球頂尖的研究所及領先的實驗室:比如在新材料研究領域科研機構一共有210所科研機構,比如橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室、埃姆斯實驗室等17個科研實力全球名列前茅的國家實驗室,以及杜邦、波音、IBM等13個頂尖科技研發公司實驗室,而涉足新材料研究的主力—高校實驗室如麻省理工大學、哈佛大學等則高達180所。

      1、橡樹嶺國家實驗室:主要材料研究內容:磁性材料、超導、激光脈沖燒蝕、薄膜、鋰電池材料、熱電材料、表面、高分子、結構陶瓷和合金基礎研究。

      2、布魯克海文國家實驗室:主要材料研究內容:高溫超導性、磁性、固態結構與相轉變、高分子導體

      3、艾米斯實驗室:主要材料研究內容:新機械、磁性和超導方面稀土元素的實驗和理論研究。

      4、阿貢國家實驗室:主要材料研究內容:高溫超導性、高分子超導體、薄膜磁性、表面科學。

      5、勞倫斯伯克利國家實驗室:主要材料研究內容:激光光譜、超導、薄膜、飛秒加工、生物高分子、高分子與復合物、表面科學以及理論研究。

      6、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室:主要材料研究內容:金屬與合金、陶瓷、激光材料、合金超塑性。

      7、西北太平洋國家實驗室:主要材料研究內容:金屬和合金應力腐蝕裂紋、陶瓷材料高溫腐蝕疲勞、陶瓷材料輻射效應。

      8、洛斯拉莫斯國家實驗室:主要材料研究內容:電子材料、微結構發展理論、使表面硬度、抗腐蝕性和耐磨性提高的等離子體浸沒離子注入技術。

      9、桑迪亞國家實驗室:主要材料研究內容:陶瓷涂料溶膠-凝膠化學、納米晶材料發展以及金屬、玻璃和陶瓷材料表面的膠粘合潤濕。

      10、美國標準與技術研究院(NIST):主要材料研究內容:屬于美國商務部的非監管機構。NIST共有6個實驗室,分別為工程實驗室、信息科技實驗室、材料測量實驗室、物理測量實驗室、納米科技中心、NIST中子研究中心。

      11、美國航空航天局(NASA):主要材料研究內容:主要涉足新型金屬材料以及高性能復合材料。

      12、美國加州納米研究中心:主要材料研究內容:納米科學和納米技術發現的迅速商業化研究。 CNSI開展的工作代表了納米系統相關的研究四個目標領域包括能源,環境,健康,醫學,信息技術。

      13、美國國家增材制造創新研究所:主要材料研究內容:新型金屬材料,增材/3D打印材料、開發梯度及可定制材料。

      14、哈佛大學研究中心:主要材料研究內容:哈佛大學擁有多個材料研究中心,其中包括量子科學及工程學會、納米系統中心、側重不同層次生物學功能的認識、解決醫療問題的儀器和設備的生物材料研究室等。在哈佛的工程與應用科學學院,研究材料科學的教授是最多的。

      15、省理工大學研究中心:主要材料研究內容:麻省理工學院則擁有科技與聚合物物理研究小組、44個生物工程方面的研究所及研究室、納米技術實驗室、先進材料實驗室、專門進行金屬材料等快速成型技術研究的快速成型實驗室、高級材料和結構技術實驗室以及正在研究4D打印的自組裝實驗室等材料研究部門。其中生物學與生物工程系里面的Whitehead研究所代表了全美國生物學研究的最高水平,其下設15個研究室,在生物材料研究方面主攻人類遺傳學下設15個研究室,在生物材料研究方面主攻人類遺傳學、基因、免疫系統、RNA等領域。

      16、普林斯頓大學的化學工程部:主要材料研究內容:高分子材料研究和生物材料研究的主要據點,其材料科學與技術研究所下面有專門的復合材料研究組;

      17、康涅狄格大學材料科學研究所:主要材料研究內容:該研究所材料科學方面的研究橫跨金屬聚合物、金屬納米材料、生物醫學金屬材料等領域。

      18、賓夕法尼亞大學:主要材料研究內容:新型高強度、高韌性合金材料,致力于金屬間化 物的基礎系統研究,比如鈦鋁合金和銀鉬合金等。

      19、斯坦福大學工程學院:主要材料研究內容:主要為交通運輸工具設計更輕質、性能更 良好、結構更新穎的材料。

      20、加州大學圣芭芭拉分校:主要材料研究內容:該學校除了擁有數個全球頂尖的納米材料實驗室,還擁有眾多其它與材料研究相關的實驗室,包括材料研究實驗室、多功能材料和結構中心、節能材料中心、復合材料研究所、先進材料中心、國際材料研究中心等。

      綜上所述,之所以美國的高科技及新材料在全球如此之強,在很大程度上得益于美國對于新材料的高度重視,特別是美國新材料“產學研政”各界的有效結合。原因是新材料是科技發展的基礎,只有新材料強大了,一個國家的科技才能做到真正領先。

      四、德國

      

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      德國新材料產業受到全世界的公認好評。2012年6月,德國啟動實施了《納米材料安全性》長期研究項目,以了解各類納米材料可能對周邊環境產生的影響,通過定量化方法對納米材料進行安全性風險評估。2012年11月,德國啟動“原材料經濟戰略”科研項目,目的在于開發能夠高效利用并回收原材料的特殊工藝,加強稀土、銦、鎵、鉑族金屬等的回收利用。

      德國為鼓勵各種社會力量參與新材料研發,先后頒布實行了“材料研究MatFo”(1984-1993年)、“材料技術MaTech”(截至2003年)和“為工業和社會而進行材料創新WING”(始于2004年)3個規劃。WING規劃強調密切關注材料的可制造性,致力于協調各部門間的高水平材料研究。

      值得一提的是,2013年4月,德國頒布了《關于實施工業4.0戰略的建議》白皮書。之后德國將工業4.0項目納入了《高技術戰略2020》的10個未來項目中,推動以智能制造、互聯網、新能源、新材料、現代生物為特征的新工業革命。德國企業界普遍認為,確保和擴大在材料研發方面的領先地位是其在國際競爭中取得成功的關鍵。2016年3月,德國發布了《數字戰略2025》(Digital Strategy2025),確定了實現數字化轉型的步驟及具體實施措施,其中重點支柱項目包括工業3D打印等。

      工業4.0是由德國政府《德國2020高技術戰略》中所提出的十大未來項目之一。

      德國新材料產業重要基礎來自四大領域:

      化工制藥業:德國是世界最大的化工產品出口國,是歐洲首選的化工投資地區,擁有完善的基礎設施、研究機構和高素質勞動力。據德國化學工業協會數據,著名的德國化工制藥企業有:巴斯夫、拜耳、朗盛、漢高、贏創、默克、勃林格殷格翰等。

      機械設備制造:機械設備制造業是德國就業人數最多的行業。德國著名的機械設備制造巨頭有:蒂森克虜伯、西馬克、海德堡印刷、海瑞克、福伊特、普茨邁斯特、通快等。

      汽車和汽車配件工業:德國是聞名遐邇的全球汽車制造強國,德國高檔汽車全球市場占有率曾超過70%。著名的德國主要汽車制造商有:大眾汽車、戴姆勒、寶馬、奧迪、保時捷、歐寶曼(商用車)等整車企業和博世、大陸、采埃孚(ZF)、蒂森·克虜伯、西門子VDO等汽配企業。

      電子電氣工業:德國擁有世界技術領先的電子電氣工業。德國電子元件業的發展在很大程度上依賴于德國汽車業的發展。汽車電子行業是德國電子元件的最大消費者,通信領域、電子數據處理和工業電子也是其主要用戶,分別占20%左右的銷售份額。著名的世界級企業:德國電子電氣行業龍頭企業有西門子、英飛凌、博世、捷德(Giesecke & Devrient)、庫卡(KUKA)等。

      德國擁有享譽世界的的新材料企業

      1、巴斯夫:巴斯夫股份公司(BASF SE)成立于1865年,它是世界上工廠面積最大的化學產品基地。巴斯夫集團在歐洲、亞洲、南北美洲的41個國家擁有超過160家全資子公司或者合資公司。

      2、贏創:贏創工業集團(AG)是一家全球領先的特種化工企業。贏創80%的銷售額都來源于占據市場領先地位的業務。

      3、朗盛:朗盛集團是一家全球領先的德國特殊化學品集團,總部及主要業務運營位于科隆。2004年,拜耳集團進行戰略重整分拆,將其化學品業務和部分聚合物業務進行了剝離,朗盛隨之誕生。

      4、漢高:德國漢高公司1876年9月26日創建于亞琛,漢高公司的業務重點在于應用化學。經140多年發展,漢高從80個工人企業擴展成為世界性的集團公司。

      5、西格里:西格里集團是全球領先的碳素石墨材料以及相關產品的制造商之一,擁有從碳石墨產品到碳纖維及復合材料在內的完整業務鏈。

      6、EOS 3D打印公司:成立于1989年,是世界著名的快速成型設備制造商和e-制造方案提供商。

      五、俄羅斯

      

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      俄羅斯是傳統的制造業強國,尤其在新材料等新興產業的科技創新方面具有獨特優勢。值得一提的是,俄羅斯在航天航空、能源材料、化工新材料等領域處于全球領先地位,同時,俄羅斯發展戰略目標為力求特續保持這些材料領城在全球的領先地位,同時大力發展對促進國民經濟發展和提離國防實力有重要影響力的新材料。

      比如俄羅斯國家科學技術大學的材料科學家曾經研制出一種氰化鉿陶瓷,理論上能承受4200攝氏度高溫。在此之前,世界上公認的最耐高溫、最難熔化的人造物質是鉭鉿碳化物。另外俄羅斯采用SHS法(自蔓燃技術)合成的化合物已多達700種,已居世界領先地位。

      俄羅斯研發新材料的戰略目標是:一方面力求繼續保持某些材料領域在世界上的領先地位,如航空航天、能源工業、化工、金屬材料、超導材料、聚合材料等;另一方面,則大力發展對促進國民經濟發展和提高國防實力有影響的領域,如電子信息工業、通訊設施、計算機產業等。目前的狀況是由于信息、通訊、計算機產業的相對滯后,給本來具有優勢的領域的發展帶來負面影響。因此也成為俄政府和科技界注意的焦點。

      俄羅斯也始終把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。比如早在2012年4月發布的《2030年前材料與技術發展戰略》將18個重點材料戰略列為發展方向,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,同時還制定了新材料產業主要應用領域的發展戰略。

      再比如俄羅斯科學院于2015年發布《至2030年科技發展預測》,內容主要包括7個科技優先發展方向,即信息通信技術、生物技術、醫療與保障、新材料與納米技術、自然資源合理利用、交通運輸與航天系統、能效與節能等。

      俄羅斯的礦產資源十分豐富,煤、石油、天然氣、泥炭、鐵、錳、銅、鉛、鋅、鎳、鈷、釩、鈦、鉻的儲量均居世界前列,在發展新材料產業方面,俄羅斯當前把發展新材料等相關技術產業作為國家戰略和國家經濟的主導產業進行大力扶持、推動和實施。

      俄羅斯擁有極為明確的研究方向,擁有眾多的機構:

      俄羅斯的研發方向:俄羅斯新材料的主要研發方向是結構材料和功能材料,具體為金屬材料、陶瓷材料、復合材料、高分子材料、高純度材料以及生物、超導和納米材料等。

      俄羅斯把以下9項新材料和化學品列為科技規劃之一:

      ·

      陶瓷及玻璃材料

      特種性能金屬和合金

      膜技術

      重要戰略原料的評估

      綜合開采和深加工技術

      聚合材料和復合材料

      超硬合成材料

      超導技術

      微型冶金生產技術模型

      俄羅斯具有世界水平的新材料研究所:

      從事金屬材料研究的機構有:俄科院金屬研究所、俄科院西伯利亞分院強度物理和材料學研究所、稀有金屬工業研究所、航空材料研究所、結構材料研究所、重工業研究所、有色冶金研究所、國家航空技術研究所、全俄輕質合金研究所以及若干研究協會和企業。

      從事陶瓷材料研究的機構有:俄科院西伯利亞分院強度物理和材料學研究所、固體化學和礦物原料加工研究所、硅酸鹽化學研究所、航空材料研究所、結構材料研究所、全俄高分子纖維研究所、國家航空技術研究所、全俄輕質合金研究所以及若干科研生產聯合體和企業。

      從事復合材料研究的機構有:俄科院合成聚合材料研究所、強度物理和材料學研究所、硅酸鹽化學研究所、航空材料研究所、石墨基結構材料研究所、中央特種機械制造研究所、全俄輕質合金研究所以及若干科研生產聯合體和企業。

      從事高分子材料研究的機構有:俄科院合成高分子材料研究所、航空材料研究所、國立高分子化學和技術研究所、全俄高分子纖維研究所、國家航空技術研究所以及若干科研生產聯合體和企業。

      從事高純度材料研究的機構:金屬研究所、高純度物質化學研究所、稀有金屬工業研究所、特純材料研究所等研究機構及科研生產聯合體和企業。

      六、英國

      

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      英國是全球傳統的新材料強國之一。比如世界上第一座大型塑料橋1992年10月是在英國出現的。世界上第一座用復合材料,主要是玻璃纖維增強塑料建造的大型橋梁在蘇格蘭的阿伯費迪竣工。這座橋是由蒙賽爾公司和鄧迪大學的工程技術人員共同設計的,橋梁為懸索式結構,是用來聯結一條河流的兩側的高爾夫球場的。橋長62米、寬2米,但重量僅為15噸。

      英國政府于2019年5月宣布承諾到2050年實現凈零排放。而英國的亨利·羅伊斯研究所(Henry Royce Institute)由參與先進材料研究的九個領先機構(包括利茲)組成,并與劍橋大學物理研究所和制造業研究所一起確定了學術方法。行業研究人員可以幫助提供負擔得起且可靠的綠色技術。合作的結果是五個技術“路線圖”,它們描述了許多關鍵研究領域的發展如何在減少溫室氣體排放中發揮重要作用。這些路線圖涵蓋:

      用于光伏系統的材料,它將增加太陽能電池板產生的電量。

      用于產生氫氣和化學原料的低碳方法的材料。

      熱電能量轉換材料,存在于加熱,制冷和空調系統中。

      熱量轉換材料,可消除在加熱和制冷系統中使用碳。

      用于低損耗電子設備的材料,這將導致更節能的電子設備和計算。

      研究人員還提出了一系列建議,包括呼吁增加對材料研究和測試設施的投資,制定新法律以確保采用新的綠色技術以及將可持續性作為任何新的先進材料的核心。

      物理與天文學學院的Linfield教授和Katharina Zeissler博士以及Oscar Cespedes博士協調了低損耗電子學的技術路線圖。該計劃得到了代表半導體行業的研究和技術組織CSconnected的支持。

      值得一提的是,英國劍橋科技園是歐洲最成功的的科學園區,也是歐洲最著名的科學園區之一。劍橋科技園以劍橋大學為主導的產學研合作,致力于發展生命科學、生物醫藥、人工智能、物聯網、新材料、國防等高新技術產業,擁有超過120家企業,其中61%的企業起源于劍橋大學,50%的企業成立了十年以上,30%的企業是外資企業。

      英國的新材料研究機構:

      卡文迪許實驗室:卡文迪許實驗室作為劍橋大學物理科學院的一個系,從1904年至1989年的85年間一共產生了29位諾貝爾獎得主,占劍橋大學諾獎總數的三分之一。若將其視為一所大學,則其獲獎人數可列全球第20位,與斯坦福大學并列。其科研效率之驚人,成果之豐碩,舉世無雙。在鼎盛時期甚至獲譽“全世界二分之一的物理學發現都來自卡文迪許實驗室。

      英國ARM公司:英國ARM公司是全球領先的半導體知識產權(IP)提供商。全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構。ARM設計了大量高性價比、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件。早在2014年基于ARM技術的全年全球出貨量是120億顆,從誕生到現在為止基于ARM技術的芯片有600億顆。技術具有性能高、成本低和能耗省的特點。在智能機、平板電腦、嵌入控制、多媒體數字等處理器領域擁有主導地位。

      英國太赫茲公司Teraview:英國創業公司TeraView成立于2001年,是世界上第一家致力于太赫茲光成像和光譜學應用的公司。公司的太赫茲技術主要面向研究型實驗室和全球性的生產設施部門,可應用于制藥、汽車、半導體封裝等領域,可大幅縮短檢測時間。據稱,在IC封裝方面,使用傳統的區域檢測方法需要7-10天,而使用該公司的太赫茲技術1天以內即可完成,同時能大幅降低因檢測對IC封裝造成的破壞。公司的太赫茲技術還可用于武器及爆炸物的檢測、藥品質量的監測、汽車及相關領域中涂層表面的檢測以及癌癥檢測的醫學成像等。

      超穎材料企業Metaboards:Metaboards成立于2016年,由牛津大學的教授和研究人員創立,他們正在嘗試用一種“超穎材料”來提出更好的無線充電解決方案。新方案可以解決目前無線充電的短板,比如需要設備和充電器對接,新科技還能用一個充電點給多個設備充電。

      七、韓國

      

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      韓國是新材料世界級強國之一。比如2020年10月,三星先進技術研究院Eunjoo Jang團隊曾經報道了一種量子產率為100%的無鎘藍光ZnTeSe / ZnSe / ZnS量子點的合成。所得的器件顯示出高達20.2%的EQE,亮度為88,900 cd m-2,在100 cd m-2時T50 = 15,850 h,這是迄今為止全球藍光QD-LED報道的最高值!

      韓國早在2001年就成為世界上第5個材料出口國,并且推出了著名的“Fast-Follower”戰略,希望躋身四強。韓國企業在“Fast-Follower”戰略推動下,逐漸趕超了原材料行業發達國家的企業。韓國并且在2001年成為世界上第5個材料出口國/地區。當年材料行業占韓國出口總額的45%以上,到了2015年達到68%。

      韓國希望在未來十年成為在“核心材料”領域實現世界第四大出口國的愿望。比如在韓國的大學和研究機構中,許多研發工作正在信息技術、生物技術和環境技術等多個領域取得進展,一些高頻熱詞包括:功能性有機/無機納米雜化、納米結構的光電材料、超分子材料、太陽能電池和熱能轉換的有機材料、自組裝納米顆粒的藥物傳遞、能量生成和儲存的復合材料、氣凝膠、高性能超級電容器、二次鋰電池等。

      韓國的材料學家和工程師想要成為新材料技術的“First Movers”,而不是其他發達國家先進技術的“Fast Followers”,特別是在工業4.0時代。韓國一直處于新材料研發的核心陣營,比如“石墨烯”是典型例子。石墨烯可以廣泛應用在許多不同的領域包括太陽能電池、半導體、透明面板、發光材料等。盡管石墨烯是國外科學家首先發明的,但韓國在石墨烯產業研發創新上是一個“最早的行動者”。2016年,韓國是擁有國內和國際石墨烯專利最多的國家:比如來自韓國三星225項專利,LG 180項,成均館大學147項,韓國科學技術高等研究院(KAIST)129項,以及首爾國立大學78項。

      韓國知識經濟部和教育科學技術部之前表示,到2020年將投入5130億韓元(約合人民幣28.2億元)推動“納米融合2020項目”。

      值得一提的是,韓國政府在2013發布《第三次科學技術基本計劃》,提出將在5個領域推進120項國家戰略技術(含30項重點技術)的開發,其中30項重點技術包括先進技術材料、知識信息安全技術、大數據應用技術等。韓國的未來增長動力計劃,集中支持新一代半導體、納米彈性元件、生態材料、生物材料、高性能結構材料等。

      韓國政府在2014年制定了3D打印技術產業發展的總體規劃,并加強了技術開發、基礎設施建設、人才培養、法律制度完善等基本產業環境的建設。2016年,在原有政策與推進工作基礎上,為提高韓國產業競爭力,韓國制定了《韓國3D打印產業振興計劃(2017-2019年)》,其目標是在2019年使韓國成為3D打印技術的全球領先國家。

    標簽: 新材料

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