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| 制造业振兴中的新材料发展研究 |
| 日期：2016-05-27， 查看：5217 |
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制造业在各国的国民经济中都占有重要地位，不仅在发展中国家的重要性与日俱增，且对于发达国家而言也至关重要。国家制造业的兴衰已经成为大国兴衰的标志。美国作为世界头号大国正以技术创新和产业升级为引领，开始新的制造业振兴计划，而制造业也成为了美国是通过国家科技发展战略计划来推动发展的下一个目标；德国“工业4.0”是对制造业历史传统的总结升华及创新，该计划将当今世界视为由第三次工业革命向第四次工业革命的过渡时期，应将传统的制造业与数字信息技术相结合发展。
新材料产品具有资本密集、技术密集、附加值高等特性，在国家产业升级、技术进步中起着关键性的作用，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济、社会发展，科技进步和国防实力的重要标志，也是各国抢占全球技术领先地位的核心竞争力之一。
历届美国总统亲自主持的国家科技发展战略计划都是领导世界技术发展，保持美国霸主地位的重要举措。从20世纪40年代的“曼哈顿计划”、80年代的“星球大战计划”到90年代初的“信息高速公路”计划以及“911”事件后提出的“导弹防御计划”，美国这一系列战略计划的目标非常明确，即由政府构筑国家科技力量的宏观蓝图，凭借日新月异的高新科学技术，实现其军事、科技、经济、社会的全面发展，这些计划的实施都为美国发展高新技术，占据全球政治经济领先地位奠定了基础。
当前，制造业也成为美国政府重点关注的产业之一。2010年8月，美国政府提出了《制造业促进法案》，以期推动美国制造业重返鼎盛时期的状态，繁荣就业市场，增强国家制造业整体实力。2011年6月，美国总统奥巴马宣布启动《先进制造伙伴计划（AMP）》，聚合政府、高校及企业为美国制造业中新兴技术的发展营造有利的外部环境，该计划主要由国家安全、先进材料、工业机器人、制造工艺4个方面的子计划构成，旨在提升美国全球竞争力 [[i]]；2012年7月发布的《总统美国制造业复兴计划》则构建出制造业振兴的系统政策框架；2014年6月，美国白宫国家经济委员会发布了题为《美国制造：美国制造业创业与创新》的报告，报告就一些对整个制造业产生重要影响的新技术如何降低生产成本、提高生产效率，并使企业家和制造商更为便捷地将新思想融入美国制造的产品中进行了阐述。这些新技术已经具有了一定的影响，其促使制造业创业增长速度达到了20 年来的最高值[[ii]]。2014年9 月15 日，由美国众议院修改通过了《振兴美国制造业和创新法案2014》，对《国家标准与技术研究院（NIST）法案》进行修改，授权商务部部长在NIST 框架下实施制造业创新网络计划，在全国范围内建立制造业创新中心（Centers for Manufacturing Innovation，CMIs）。该法案强调了制造业创新中心重点关注纳米技术、先进陶瓷、光子及光学器件、复合材料、生物基和先进材料、混动技术、微电子器件工具开发等领域；并将现有的制造业扩展伙伴关系（MEP）计划纳入到制造业创新网络计划中，确保中小企业参与其中；同时修改《美国2010 年竞争力再授权法案》，要求国家科学与技术委员会下的技术委员会（Committee on Technology）与国家经济委员会合作制定和修订制造业战略计划，提升政府协同能力，对联邦计划提供远期指南，以提升美国制造竞争力。
“工业4.0”的核心是通过信息物理系统（CPS）网络平台，将制造智能化，未来的智能工厂将自动生产智能产品。凭借CPS平台的人机交互接口，计算、通信、控制技术三者有机融合，并能协同工作，从而通过“人工智能”完成原来由人类控制的生产活动。同时可以随时定位这些智能产品，以及获知这些产品的历史信息，并发送指令给产品来完成下一步工作。
“工业4.0”计划站在技术创新的角度，指出德国制造商要不断集成新兴技术，提供世界领先的技术解决方案给相应的制造企业，并能成功占据“工业4.0”产品的开发商、生厂商和市场先导的优势地位。要实现这一目标，必须加大研发力度，使得德国在CPS领域的应用研究一直处于技术领先地位；必须构建一套适用于“工业4.0”时代的商业模式，形成完整的创新价值链网；还必须协同各方力量，共同致力于实现研发、应用、培训集成的社会系统。另一方面，该计划最与众不同之处，就是体现在它通过CPS系统的动态控制、远程协作等功能，实现了“人-人”、“人-机”、“机-机”以及“服务-服务”之间的交互连接，集成了CPS智能网络中的横向、纵向价值链网 。
而该集成价值链也正基于当前的互联网环境不断完善，“工业4.0”目前所面临的问题则是信息传送的规模更大、信息流通的安全性以及生产柔性等。
“工业4.0”计划构想了制造业的未来前景，即基于物联网、服务网、互联网的集成网络，实现工厂的智能化，并能制造出相应的智能产品来满足顾客的个性化需求。虽然有人认为“工业4.0”计划实际上为第4次工业革命，但其自身定位却是传统制造系统与先进技术的有机融合，其更加强调要将先进技术逐步融入当前制造业中并非一蹴而就。可以说，“工业4.0”的实现方式具有先见性和可控性的特点。根据这2个特点，各国可以在复杂的政治经济环境中按照自身国情掌握合适的变革力度与速度，来发展实现“工业4.0”，这也是“工业4.0”受到世界广泛关注的关键原因之一。
无论是美国制造业的振兴计划，还是德国的“工业4.0”计划，Web 2.0时代下的互联网思维都对这些计划产生了深刻的影响。这些渗透了互联网思维的计划，旨在从战略、业务、组织3个角度来评估现有产业价值链的完善程度，并分析解读“供、研、产、销”各个子链条的对接融合，以期能打破原有的价值链壁垒，形成互联网时代下产业“价值环”。
该“价值环”强调：①智能化是未来制造业发展的核心。互联网环境下，人与人之间、人与机器之间甚至机器与机器之间的互联互通，智能化控制都是当前用户的潜在需求，以用户需求为主导，实现制造业智能化是必要的。②重视技术发展，但更应重视系统配套。互联网环境中的各个主体都是相互连接、相互影响，在传统制造业中融入尖端技术势必会深刻影响到制造业的各个环节，因而在发展高新技术的同时，整个产业系统的发展也应该全面跟进。③关注人的发展，强调在新的“人-技术”和“人-环境”体系中，提高人的能力。互联网时代下机器扮演着十分重要的角色，但这并不意味着人力资源力量的削弱；相反，互联网思维强调要充分发挥人的主观能动性，凭借人类智慧不断推动技术发展。
在互联网思维下新材料产业也需要置身于当前的时代环境中不断调整自己所在的位置，从而融入到以互联网为核心的制造业大发展中。作为制造业发展的基础，没有新材料问题的解决，先进制造业也难以从工业3.0时代进入工业4.0时代，成为振兴国家发展的基础。
无论是美国的制造业振兴计划还是德国的“工业4.0”，都是围绕对人类认知技术和信息技术的提升发展而设计的，而信息技术也成为了这样一个新型的基于互联网思维制造业发展的重要基石。
《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中指出：新一代信息技术产业着力加快建设宽带、泛在、融合、安全的信息网络基础设施，推动新一代移动通信、下一代互联网核心设备和智能终端的研发及产业化，加快推进3网融合，促进物联网、云计算的研发和示范应用；并着力发展集成电路、新型显示、高端软件、高端服务器等核心基础产业[[i]]。综上可知，发展新一代信息技术产业要不断完善产业链，注重整个产业系统的优化升级，重点则放在发展下一代互联网、物联网、新型平板显示、高性能集成电路、云计算等产业领域，而其中核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品等领域在新一代信息产业发展中占有重要地位，一些新材料也将会从上述领域中产生或被应用于上述领域（表１）。
根据表1中新一代信息技术产业链及其相关材料的总结归纳，不难发现芯片材料、光电材料是当前信息技术产业内的主要关键材料。而芯片材料又可细分为单晶材料、石墨烯材料、高k金属栅极材料、感光树脂材料、金属氧化物薄膜材料、应变硅材料等等；光电材料可细分为低维半导体材料、稀磁半导体材料、激光材料等等。上述新材料不仅是实行相关高新技术的奠基石，也是支撑信息技术产业各领域发展的基础。
根据《国际半导体技术发展路线图2010修订版》可知，国际上已开始对互补金属氧化物半导体（CMOS）按比例缩小的理论极限问题开展研究。诸如高k金属栅极材料的使用与抑制由于带隙变窄引起的隧穿电流的问题；合成/过渡金属氧化物阻性单元；III-V族沟道材料与硅（Si）之间的工艺整合等问题亟待解决，具体瓶颈问题如表2所示。
2.高端装备制造业中的材料领域研究成为新材料领域发展的重点
装备制造业是为国民经济进行简单再生产和扩大再生产提供生产技术装备的工业的总称，即“生产机器的机器制造业”，该行业为国家各行各业的发展奠定了坚实的基础。高端装备制造业，顾名思义，即为装备制造业价值链中的高端环节，具有技术密集、附加值高、成长空间大、带动作用强等突出特点，是装备制造业核心竞争力所在。
高端装备制造产业的发展重点主要集中于航空装备、卫星产业、轨道交通、海洋工程装备、智能制造装备这5个方面[[i]]。高端装备制造业中也相应涉及到了该5大领域内的大量的新材料及新技术（表3），这些关键新材料以及新技术是不断推进高端装备制造业发展的力量之源。
美、日、德等发达国家作为全球新材料研发生产的中坚力量，除了不断加强对传统材料的改造，也纷纷依据自身国情制定了相应的新材料发展计划。我国也紧跟世界的步伐，大力发展新材料产业。预计到今年，我国的新材料产业规模将达到2万亿元，年均增长率超25%，政府将大力度培育出一批骨干企业、扶持出一批产业基地，关键新材料领域的占比将达到50%以上[[i]]。由于新材料产业的技术导向性特点，该产业的发展与产业内的技术水平和规模大小息息相关，因而政府与高新技术企业协同对新材料产业发展给予支持很有必要。
2015年，我国政府提出了“中国制造2025”行动计划纲领，必须加大结构性改革力度，加快实施创新驱动发展战略，改造传统引擎，打造新引擎，才能推动传统制造业转型升级，实现创新驱动。而在改良传统制造业向创新型产业发展的道路中，新材料产业的发展尤为关键，我国必须把握新材料产业发展的大趋势，才能真正为制造业振兴打好基石，即鼓励多学科交叉性及部门参与发展新材料；进一步融合、完善新材料产业链；由军事需求向经济需求转变来推动新材料发展；推动新材料产业向多功能、智能化方向发展；努力促进资源环境与新材料产业发展相协调。
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