实施材料强基战略，上海打造未来材料创新策源地

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原创：芮晔平文章来源：上海中创产业创新研究院

材料技术进步是人类文明进步的重要标志，新材料是新工业革命的物质基础和关键性因素。从材料技术的演进趋势看，未来材料呈现高分子、复合性、智能化特征，半导体领域的碳基材料对硅基材料的替代也是重要趋势，高性能膜材料、高性能复合材料、非硅基芯材料等细分领域，是世界主要大国争相布局的重点领域，我国总体上与国际先进水平还存在差距，未来上海要加强相关领域的基础研究能力，掌握关键核心技术，破解一批先进材料的“卡脖子”问题。

1、材料是人类文明的标识，新材料是现代工业的基石

在人类社会发展进程中，材料技术是划分重大历史阶段的重要标准，如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代。始于十八世纪的工业革命，是以钢铁作为重要的材料基础，到十九世纪中叶，随着现代平炉和转炉炼钢技术的发展，人类真正进入了钢铁时代。进入二十世纪后，随着现代物理与化学的发展以及各种检测技术的出现，人类社会进入以合成金属、先进陶瓷、高分子材料以及高性能复合材料等为代表的新材料发展阶段。

合成金属材料。上世纪四十年代至八十年代，随着金属物理的发展以及其它新技术的移植应用，金属热处理工艺得到更大发展，以铝合金、铜合金、钛合金、锆合金、镍合金等为代表的一批高密度、高强度、耐高温的合成金属材料应运而生，极大解决了航空航天、电子电器、汽车工业等领域对新材料的需求。此后金属材料技术基本趋于稳定，新世纪以来金属领域基本没有出现颠覆性和革命性的新材料技术。

陶瓷及无机材料。陶瓷兼有金属材料和高分子材料的共同优点，是无机非金属材料中最重要的材料之一。随着合成化工原料和特殊制备工艺的发展，陶瓷材料也由传统陶瓷向先进陶瓷转变，先进陶瓷材料在硬度、强度、稳定性、耐高温、耐腐蚀以及光电声磁等性能方面优于金属材料和高分子材料，满足电力、电子技术和航天技术等发展需要。近年来，随着石墨烯等无机材料技术不断成熟，相关产业将迎来巨大发展空间。

高分子材料。高分子材料分为通用高分子材料（即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂）和功能高分子材料（即具有光电磁声热等性能的高分子材料），时代杂志认为塑料是二十世纪人类最重要的发明。现代科技产业中被广泛使用的各种膜材料、电子元件、催化剂、吸附剂等，都是功能高分子材料的重要领域，特别是新能源汽车和储能电池发展，对膜材料和催化剂等材料技术提出新的要求。近年来，仿生材料、纳米工程材料等先进高分子材料技术也取得重大发展。

复合材料。复合材料是两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，具有重量轻、强度高、弹性好、耐腐蚀、加工成型方便等特点，广泛应用于航空航天、电子电器、生物医药、汽车工业、轨道交通等领域，以纤维增强材料应用最广、用量最大，近年来随着金属基、陶瓷基等复合材料技术不断突破，高性能复合材料以及第三代半导体等功能性复合材料也迎来重大发展机遇。

根据新材料技术的发展趋势，结合上海在新材料产业领域的基础优势以及应用场景和市场需求，未来可以在高性能膜材料、高性能复合材料、非硅基芯材料等领域加强技术突破与产业布局。

2、高性能膜材料：全面提升膜材料研发与制备水平，打破国际垄断、加快实现国产替代

高性能膜材料是新型高效分离技术的核心材料，具有分离性能高、稳定性高、成本低和寿命长等特征。根据膜材料应用对象的不同，主要可分为水处理膜、特种分离膜、气体分离膜、生物医用膜、电池用膜等。高性能膜材料的产业链包括制膜原材料、膜元件、膜组件、膜分离装置及工业化应用系统等，属于材料、化工、能源、生物、环境等交叉领域。

从全球发展现状来看，以美日为代表的国外企业在高性能膜材料领域优势较为明显，尤其是在反渗透膜领域，形成了寡头垄断的格局，且在正渗透膜、气体分离膜等热点研究领域优势明显。其中：

美国拥有众多在高性能膜材料研究方面处于全球领先地位的研究机构，如美国能源部、麻省理工、康奈尔大学、鲁汶大学等，在高性能分离膜领域的代表性企业有杜邦、陶氏化学、科氏滤膜系统有限公司等，还有专注于气体分离膜的空气化工产品有限公司、迈特尔膜技术有限公司等。

欧洲方面，英国剑桥大学、德国哥廷根大学、法国国家科学研究院等也是全球领先的膜材料研究机构，在高性能分离膜领域领先的企业有法国苏伊士环境集团、德国迈纳德、德国奥斯蒙特等，意大利已开发出陶瓷膜结晶及膜蒸馏工艺。

日本的东京大学、筑波大学等也是高性能膜材料的世界顶尖研究机构，高性能分离膜领域有日东电工株式会社、东丽株式会社，还有偏向气体分离的宇部兴产株式会社、专注于超滤微滤的旭化成株式会社等。

我国在高性能膜材料领域的起步较晚，目前以中低端产品居多，在高性能反渗透膜、正渗透膜领域仍与国外企业有着较大差距。近年来，在国家政策的大力支持下，我国高性能分离膜研发进展迅速，在微滤、超滤膜等部分领域已达到国际先进水平。

高性能膜材料产业是上海市重点发展的特色先进材料，全市有近300家与膜材料有关的原材料、制造、装备、检测企业及大学和科研院所，华东理工、中科院上海硅酸盐所等都是国内领先的高性能膜材料研究机构。2022年初，上海成立了膜材料产业发展联盟，加强上下游产业链协同、关键领域联合创新、合作开发、成果应用等深度合作。未来上海要依托华东理工、中科院上海硅酸盐所等研究型大学和科研机构，加强高性能膜材料前沿基础研究，着力提升膜材料基础结构设计和原料自主化能力，重点突破高端分离膜技术，围绕燃料电池、生物医药、集成电路等重点领域需求，研发攻克质子交换膜、中空纤维膜、石墨烯薄膜等原材料及成膜技术。

3、高性能复合材料：加强重点领域材料技术攻关，支持面向未来的智能材料研究

复合材料是指用经过选择、含有一定数量比的两种或两种以上的组分（或组元），通过人工复合，组成多相、三维结合且各相之间有明显界面、具有特殊性能的材料，基体材料分为金属和非金属两大类。高性能复合材料是性能较高的复合材料，高性能纤维是目前全球市场最重要也是使用最广泛的高性能复合材料，其中碳纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维是三大高性能纤维，而碳纤维尤其值得关注。

从全球发展现状来看，高性能复合材料领域已经形成了相对成熟的产业并持续稳定发展。碳纤维作为先进复合材料最重要的增强体，已进入快速扩张期，日、美、德等国技术垄断集中度较高，原丝、炭化等关键环节由日、美等国控制，其中，小丝束碳纤维生产基本上被东丽、东邦和三菱等日本企业所控制，三者市场占有率达到70%左右，大丝束主要由美国卓尔泰克、德国西格里和日本东邦控制，市场占有率为80%左右。其中：

美国在高性能复合材料前沿技术研究方面处于领导地位，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究人员采用3D打印技术制造出航空航天级碳纤维复合材料构件，成为全球首个开展此项研究的实验室；Alpine先进材料公司报告称，已完成了对轻量化军用航空级热塑性纳米复合材料HX5的电磁干扰（EMI）测试。

日本在高性能复合材料技术和产业领域均处于全球领先地位，日本产业技术综合研究所开发出多模态人工智能技术，能够快速且高精度预测复合材料体系的不同性能；名古屋大学开发出高强度陶瓷复合材料，并从电子和原子尺度阐明了增强机理；Each DreaM株式会社开发出全球首款不燃型纤维增强复合材料。

我国高性能复合材料产业已初具规模，初步建立高性能碳纤维技术与产品体系。但与国外先进水平相比，我国高性能纤维增强体、树脂基体以及复合材料制备的产业化进程相对缓慢，对位芳纶产业化水平与国外先进水平的差距较大，复合材料用高性能环氧树脂与酚醛树脂等关键核心技术尚不掌握，国产替代还有很长的路要走。

上海在高性能复合材料技术研究和产业创新方面处于国内领先地位，拥有东华大学、上海交大、同济大学、上海大学、华东理工、中科院上海硅酸盐所、上海化工院、上海石化、我国商飞等一批高水平的科研机构和龙头企业，拥有纤维材料改性国家重点实验室、高性能纤维复合材料省部共建协同创新中心等重点科研平台。未来上海要加强高性能纤维和复合材料基础研发，攻关核心催化材料，提升制备技术和工艺水平，面向航空航天、生物医药、能源等领域需求，重点发展航空发动机用高温合金、高端医用可降解合金以及能源转化与存储纤维等复合材料，积极布局变色纤维、形状记忆纤维、人工智能纤维等先进材料技术。

4、非硅基芯材料：发力第三代半导体和碳基芯片材料，助力实现芯片技术的换道超车

非硅基芯材料，是相对于硅基芯材料而言。根据SEMI数据，2020年全球晶圆制造材料中，硅片占比达到35%，为各类材料最高。第一代半导体以硅为代表，第二代半导体以砷化镓为代表，第三代半导体以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表，再加石墨烯和碳纳米管，构成了未来非硅基芯材料的主要领域。与硅基芯片相比，碳基芯片具有更强大的稳定性以及散热能力，在耐高压、耐高温、高频性能、高热导性等指标方面也具备优势。

从全球范围看，石墨烯、碳纳米管等碳基芯材料技术和制备工艺尚不成熟，SiC、GaN等第三代半导体材料也还处于起步阶段，我国和欧美日基本处于同一起跑线。2020年全球SiC功率器件市场规模为6.29亿美元，GaN-on-SiC射频器件市场规模为8.86亿美元，未来几年将有较大市场成长空间。其中：

美国暂时处于全球领先地位，美国芯片制造商Wolfspeed是SiC芯片领域的全球领先供应商，从材料、制造到器件全面领先，SiC衬底占全球市场比重超过一半，其在纽约州建成了全球首家、也是目前唯一的8英寸SiC晶圆厂。美国有很多大学、研究机构和公司都开展了氮化镓体单晶制备技术的研究，TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生产出氮化镓单晶衬底，Kyma已研制出4英寸氮化镓单晶衬底。

欧洲的英飞凌、意法半导体等龙头企业也在抓紧布局第三代半导体，根据欧盟委员会通过的《芯片法案》，未来欧盟成员国将投入430亿欧元发展芯片产业，其中第三代半导体将成为政府支持的重点领域。德国的SiCrystal、芬兰的Okmetic等企业已经实现碳化硅单晶抛光片商品化，法国的Lumilog、波兰的Top-GaN等企业则在氮化镓体单晶的研究方面领先。

日本在碳化硅单晶抛光片领域有Nippon、Sixon等企业，在氮化镓衬底方面研究水平也很高，住友电工和日立电线已经开始批量生产氮化镓衬底。

我国将碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展写进十四五规划，在第三代半导体领域处于国际并跑地位，华为旗下的哈勃投资第三代半导体材料领域投资了山东天岳、北京天科合达、瀚天天成、东莞天域半导体和特思迪等5家企业，均是国内第三代半导体材料的龙头企业。比亚迪“汉”系列碳化硅功率器件已实现百分百自给自足。

中科院上海硅酸盐所是国内最早开展第三代半导体材料研究的科研机构之一，也是国内第三代半导体研发主力之一。目前上海已有瞻芯电子、镓特半导体、芯元基半导体、中晟光电、忱芯科技、蓝光科技等多家企业，围绕第三代半导体产业链相关环节进行布局，瞻芯电子是国内首家自主开发并掌握6英寸SiC MOSFET产品以及工艺平台的企业，镓特半导体已经具备了量产4英寸自支撑GaN衬底的能力。上海石墨烯产业技术平台与中科院上海微系统所等联合研发的8英寸石墨烯晶圆已进入中试制备技术开发阶段，4英寸和6英寸晶圆产品已与下游企业签订销售订单。未来上海要持续提升SiC、GaN等第三代半导体化合物晶体制备技术能级和量产规模，大力发展相关半导体设计能力和晶圆制造工艺技术，积极推动石墨烯、碳纳米管等碳基芯片材料研制和规模化量产。

5、筑牢基础：以前沿基础研究为引领、产学研协同发展为抓手，打造未来材料创新策源地

上海发展未来材料产业，除了加强细分领域和赛道的发展布局外，还要结合材料技术发展的基本规律，重点夯实未来材料发展的基础，同时也要保持政策上的理性。

夯实前沿基础研究。近现代材料技术发展与物理、化学以及生物学等基础科学发展有着密切关系，这也注定了材料技术发展没有捷径可走，必须建立在系统性、高水平的科研体系基础上。上海在材料技术研究领域已经形成了比较好的基础，拥有一批较高水平的大学、科研机构、国家重点实验室等平台，要支持这些机构和平台加强基础理论研究和前沿技术创新，对上海乃至国家未来材料发展起到关键引领作用。

加强产学研协同发展。材料技术创新，最终是要服务于科技产业的发展。材料技术发展的一般逻辑是，科技和产业发展碰到材料方面的问题，对材料技术提出新要求，倒逼材料应用科技发展，再溯源到基础理论的研究创新。因此，在未来材料发展过程中，产学研协同发展非常重要，上海要建立企业、科研院所、大学之间的高效联动机制，可以通过共建产业创新学院、产业技术研究中心等方式，将企业需求快速反馈到科研院所和大学，同时加速大学的理论研究成果应用与技术研发乃至产业化。

把握好技术方向与路径。材料技术纷繁复杂，技术方向和路径也是多元化的。大学的基础理论研究应是开放包容的，科研院所的技术研发可以有所收敛，与产业发展重点领域相结合，但也不宜过于聚焦，可以超出现有的产业阶段。在以政府力量引导和推动的未来材料产业化发展过程中，则要把握好技术方向与路径，对明显存在技术路径重大争议和分歧的未来材料领域，在政策引导方面要慎之又慎。