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國際高端新材料格局下，我國國產(chǎn)替代步伐緩慢，智能制造能否 “彎道超車”？原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/d

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-11-04 15:31:12

在當今全球化的時代背景下，高端新材料領域的發(fā)展對于一個國家的科技實力、經(jīng)濟競爭力以及諸多戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的支撐作用愈發(fā)凸顯。我國作為制造業(yè)大國，在高端新材料的研發(fā)、生產(chǎn)及應用方面正經(jīng)歷著深刻的變革，一方面積極推進高端新材料的國產(chǎn)替代進程，努力突破國外技術壟斷，提升自給自足能力；另一方面，緊跟智能制造的時代潮流，探尋高端新材料智能制造的發(fā)展機遇與方向，以其在全球高端新材料領域占據(jù)更為重要的地位。

一、我國高端新材料的國產(chǎn)替代進程

碳纖維領域：

碳纖維作為比強度和比剛度最高的高性能纖維，用途廣泛，但其核心生產(chǎn)技術集中在日本、美國等國家。我國碳纖維產(chǎn)業(yè)雖起步較晚，但近年來發(fā)展迅速。

從產(chǎn)能來看，2021年我國碳纖維運行產(chǎn)能達6.35萬噸，同比增長75.41%，占全球碳纖維運行產(chǎn)能的30.5%，產(chǎn)能規(guī)模全球第一。然而，過去曾存在“有產(chǎn)能無產(chǎn)量”的現(xiàn)象，產(chǎn)能利用率遠低于國際平均水平，不過近年來隨著國內(nèi)企業(yè)不斷實現(xiàn)技術突破，產(chǎn)能利用率從2016年的14.94%增長至2020年的51.1%，仍有提升空間。

在市場需求方面，2021年我國碳纖維市場需求量達6.24萬噸，同比增長27.7%，國產(chǎn)化率從2016年的18.4%提升至2021年的46.9%，國產(chǎn)替代趨勢明顯。這主要歸因于疫情影響下碳纖維進口難度增加、國外限制對華出口導致國內(nèi)需求缺口增大以及國內(nèi)新產(chǎn)能投放使產(chǎn)量增加等因素。

我國碳纖維產(chǎn)品需求結構也在不斷優(yōu)化，雖目前以風電葉片和體育休閑應用為主，高附加值的航空航天應用占比不到5%，但龍頭企業(yè)如吉林化纖、中復神鷹等正逐步打破國外技術壟斷，產(chǎn)能規(guī)模不斷擴張，部分企業(yè)產(chǎn)品性能已與國際龍頭比肩。

鋁合金汽車車身板領域：

鋁合金是理想的輕量化材料，在汽車制造等領域應用廣泛。全球汽車鋁板有效產(chǎn)能主要分布在歐美地區(qū)，美國企業(yè)占據(jù)絕對領先地位，我國產(chǎn)能占全球比重約26.2%，且多為淘汰產(chǎn)能和落后產(chǎn)能，產(chǎn)能利用率嚴重偏低。

我國車用鋁板需求量大幅上升，2020年按照相關測算，汽車鋁板需求在38萬噸左右，而當年國內(nèi)車用鋁板生產(chǎn)廠家總產(chǎn)量約18.6萬噸，車用鋁板自給率達到48.95%。隨著新能源車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需求還會進一步提升。我國單車用鋁量相較歐美仍有較大提升潛力，國內(nèi)汽車用鋁產(chǎn)業(yè)增長空間大。

在國產(chǎn)替代方面，南山鋁業(yè)是國內(nèi)唯一可以批量供應全系列、全型號覆蓋的內(nèi)資企業(yè)，但整體上我國汽車鋁板研究滯后，高性能產(chǎn)能尚待提升，國內(nèi)企業(yè)大多存在技術難度高、資金投入大、產(chǎn)品認證緩慢等問題，不過也在不斷努力追趕。

聚酰亞胺領域：

聚酰亞胺是綜合性能突出的有機高分子材料，應用廣泛，但在高端聚酰亞胺材料制造方面，我國明顯落后于發(fā)達國家。

在PI泡沫領域，我國處于起步階段，與發(fā)達國家存在明顯差距，國內(nèi)產(chǎn)品開發(fā)多集中于技術專利階段，尚未形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用，不過已有部分機構如中科院長春應用化學研究所等取得了一定進展。

在PI纖維領域，我國布局早且已實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品綜合性能達到國際先進水平，如中科院長春應化所等相關單位合作推動了PI纖維的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，部分企業(yè)還在關鍵性能指標上有了進一步提高。

在PI薄膜領域，我國已實現(xiàn)電工級PI薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)，但電子級PI薄膜仍對國外有較大依賴，進口依存度達到80%，盡管在制造工藝相對簡單的電工級PI薄膜領域產(chǎn)品質(zhì)量處于全球領先位置，但高端PI膜制造水平仍需提升。

碳化硅纖維領域:

碳化硅纖維具有優(yōu)異性能，在軍工等領域價值高，但我國第三代SiC纖維產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段，進口依賴度在70%以上。

西方發(fā)達國家對其技術實施嚴格封鎖，我國只能依靠自主研發(fā)實現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)研制單位如國防科技大學、廈門大學等與相關企業(yè)合作進行成果轉化，目前針對第二代SiC纖維部分企業(yè)已建成一定規(guī)模產(chǎn)線，針對第三代SiC纖維僅火炬電子具備量產(chǎn)能力，國產(chǎn)替代空間廣闊。

半導體材料領域:

硅片方面：硅片是半導體產(chǎn)業(yè)鏈的基石，全球半導體硅片行業(yè)被巨頭壟斷，集中度高。2021年我國大陸本土廠商滬硅產(chǎn)業(yè)市占率約3%，體量較小，且產(chǎn)能主要集中于6英寸硅片上，12英寸硅片主要依賴進口，國產(chǎn)化率僅13%，8英寸硅片也只有少數(shù)廠商可以供應。不過，國內(nèi)廠商正在加速追趕，滬硅產(chǎn)業(yè)在12寸硅片領域表現(xiàn)突出，其他企業(yè)也已進入大硅片領域，隨著中國芯片產(chǎn)能擴張，市場規(guī)模有望加速增長。

碳化硅（SiC）方面：我國是碳化硅最大的應用市場，但目前產(chǎn)品仍有80%左右依賴進口。國內(nèi)企業(yè)如天科合達和天岳先進等發(fā)展速度較快，部分產(chǎn)品在核心參數(shù)上已達國際先進水平，但整體在高端市場仍有待挖掘，不過國家對該產(chǎn)業(yè)發(fā)展重視，通過相關計劃促進其發(fā)展。

導體用濺射靶材方面：日美廠家占據(jù)壟斷地位，我國高端靶材主要從美日韓進口，半導體靶材國產(chǎn)化率僅20%。國內(nèi)企業(yè)有研新材和江豐半導體用濺射靶材生產(chǎn)體量較大，其中江豐電子產(chǎn)品在技術上已大幅接近國際先進水平，有研新材也在部分產(chǎn)品上形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，但整體與國際知名企業(yè)仍有差距。

電子陶瓷領域:

電子陶瓷在電子設備中不可或缺，全球市場主要分布在美國、日本、歐洲，日本占據(jù)主導地位。我國電子陶瓷企業(yè)在國內(nèi)市場份額僅23%，其余被外資企業(yè)占據(jù)，中低端產(chǎn)品仍占主流，高端市場有待發(fā)掘。

不過，國內(nèi)一些企業(yè)如三環(huán)集團、中瓷電子、燦勤科技等在電子陶瓷領域?qū)崿F(xiàn)了技術較大突破，產(chǎn)品在各自領域有一定優(yōu)勢，但要實現(xiàn)高端市場的全面突破，仍需持續(xù)努力。

二、高端新材料智能制造的發(fā)展機遇與方向

（一）高端新材料制造的特征

材料的高性能制造：航空、航天等國家重大工程對材料性能要求極高，材料的高性能制造需以使役性能為首要要求，在綜合調(diào)控材料成分、組織、工藝與性能的基礎上，實現(xiàn)關鍵構件的幾何結構、材料和性能一體化的高性能精密制造。例如航空發(fā)動機核心零部件復雜空心高溫葉片，通過定向凝固、單晶生長等技術提升合金性能，再結合冷卻通道設計、熱障涂層制備等手段，可大幅提高葉片工作效率和服役壽命。

復雜構件的整體化、大型化與輕量化制造：輕量化在諸多領域是重要發(fā)展方向，如戰(zhàn)斗機減重可帶來諸多性能提升，新能源汽車也將輕量化視為續(xù)航的關鍵因素。高性能大型精密鑄件在航空、航天領域廣泛應用，隨著壓鑄裝備等技術突破，鋁合金車身結構件一體化成型技術取得進展，推動了相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但也對大型復雜薄壁構件及其成形提出了新挑戰(zhàn)。

材料、結構與工藝的一體化制造：增材制造技術為高端裝備大型關鍵金屬構件加工制造提供了新途徑，其獨特的冶金條件可克服傳統(tǒng)鑄錠冶金缺陷，實現(xiàn)對合金成分、組織及性能的在線精確控制，在復雜構件設計與制造等方面具有顛覆性優(yōu)勢。

高端構件的低成本綠色制造：高端構件除追求高質(zhì)量、高性能外，低成本及低消耗制造也是核心競爭力之一。隨著能源和環(huán)境問題凸顯，高端新材料及其構件的低消耗與綠色制造成為必然選擇，以滿足經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展和“雙碳”目標實現(xiàn)的需求。

（二）傳統(tǒng)高端新材料研發(fā)模式遇到的問題與挑戰(zhàn)

基礎理論與機理模型不健全：材料加工技術發(fā)展呈現(xiàn)多學科綜合等特點，傳統(tǒng)機理模型在解決材料加工過程中復雜的非線性關系、多場耦合作用等科學問題方面進展緩慢，相關基礎理論研究難以滿足生產(chǎn)實踐需求，制約了高端新材料制造。

“形”“性”一體化控制存在瓶頸：高端新材料制造需實現(xiàn)內(nèi)在組織 - 缺陷 - 性能與外在形狀 - 尺寸 - 表面的一體化控制，我國制造業(yè)在這方面存在不足，如航空用高性能大型整體金屬鍛件，因制造過程中對成形制造重視而對控性基礎工藝輕視，導致諸多質(zhì)量問題，鍛造成品率低等。

材料制造過程全流程精確調(diào)控難：材料制備加工成形過程具有多物理場強耦合、時變擾動等特點，組織結構演化貫穿全過程，難以實現(xiàn)全過程建模、綜合優(yōu)化和智能調(diào)控，且內(nèi)部組織轉變和缺陷演化難以實時測量與感知，使材料控性成為制造過程的“黑箱”，難以把控。

（三）高端新材料智能制造研發(fā)模式帶來的變革與機遇

早期智能化技術研究：20世紀80年代中期以來，材料智能化成形加工技術興起，早期主要采用基于物理建模和專家系統(tǒng)的技術路線，目標是取代傳統(tǒng)“試錯法”，實現(xiàn)材料組織性能精確設計與制備加工過程精確控制。

材料基因工程推動的變革：近10年來，材料基因工程關鍵技術發(fā)展，將傳統(tǒng)“試錯法”研發(fā)模式變革成新模式，加速了材料研發(fā)全過程。其中數(shù)據(jù)驅(qū)動模式作為材料研發(fā)第四范式，借助材料信息學方法建立模型，利用人工智能解析多參數(shù)間復雜關聯(lián)關系，可大幅提升研發(fā)效率和工程化應用水平，推動新材料快速發(fā)展。

為制造過程優(yōu)化提供機遇：數(shù)據(jù)驅(qū)動模式為材料制造加工全過程綜合優(yōu)化、智能調(diào)控提供了機遇。隨著相關技術發(fā)展，通過數(shù)據(jù)融合和挖掘，有望基于數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)全過程數(shù)字化建模和實時仿真，結合智能控制可解決材料制造過程中的諸多難題，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前世界主要先進工業(yè)國家正開展相關研究，我國應抓住機遇，發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料制造新原理和新方法，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

（四）高端新材料智能制造共性關鍵技術的發(fā)展方向

面向工程應用的材料基礎數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫技術：歐美等國家和地區(qū)早在上世紀90年代就發(fā)展了材料性能數(shù)據(jù)庫，我國雖近年來也有相關在線數(shù)據(jù)庫服務平臺，但在數(shù)據(jù)庫數(shù)量、數(shù)據(jù)量等方面落后于世界先進水平。我國面向材料成形加工的工藝數(shù)據(jù)庫和質(zhì)量數(shù)據(jù)庫稀缺，今后應整合資源，開展大數(shù)據(jù)技術研發(fā)，形成材料數(shù)據(jù)應用產(chǎn)品鏈，構建面向工程應用的材料數(shù)據(jù)賦能生態(tài)。

高端新材料成形智能設計技術:

實驗數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料成形智能設計：借助機器學習建立材料性能與特征工藝參量之間的映射關系，預測未知材料性能并指導成形工藝設計，還可通過迭代反饋優(yōu)化模型。未來需發(fā)展可解釋性的機器學習方法，突破復雜材料多性能需求等難題。

集成計算驅(qū)動的成形智能設計：集成計算通過跨尺度、多層次結合計算模擬、理論模型和實驗工具，將傳統(tǒng)實驗試錯法的合金開發(fā)模式轉換成事前預測模式，具有物理可解釋性，但面臨計算量和資源需求大等挑戰(zhàn)，未來需加強相關研發(fā)。

工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的成形智能設計：工業(yè)大數(shù)據(jù)是重要戰(zhàn)略資源，傳統(tǒng)材料加工過程積累的數(shù)據(jù)可輔助成形設計，高通量計算和實驗可輔助建設數(shù)據(jù)庫，但目前存在數(shù)據(jù)采集困難等問題，未來需發(fā)展多源異構數(shù)據(jù)協(xié)同挖掘等技術。

高端新材料成形過程在線檢測與智能感知技術：高端新材料成形過程的在線檢測系統(tǒng)由多部分組成，常見傳感器及測量技術涵蓋多種參數(shù)測量。智能感知技術包括數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)分析與挖掘以及感知技術三個方面。我國在這方面與國外先進國家相比存在差距，未來需圍繞關鍵問題開展技術突破。

高端新材料成形過程預測與控制技術：主要從工業(yè)信息物理系統(tǒng)、數(shù)字孿生系統(tǒng)以及工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能三個方面入手，建立智能成形技術。工業(yè)信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)物理空間與虛擬空間的交互協(xié)同；數(shù)字孿生系統(tǒng)雖應用前景廣闊但建模等關鍵技術有待完善；工業(yè)大數(shù)據(jù)與人工智能為其提供支撐，未來需充分利用相關技術，提供更實時、高效、智能的服務。

高端新材料智能成形系統(tǒng)：國際上已有多種典型的材料智能成形系統(tǒng)，我國構建該系統(tǒng)的技術難點在于集成策略開發(fā)和實時信息傳遞與反饋機制建設，攻克這些難題將是未來發(fā)展的重要方向。

（五）發(fā)展高端新材料智能制造的對策建議

加強對材料智能制造軟/硬件、關鍵技術與數(shù)據(jù)標準研究：建議在國家科技計劃中設置專項，推動基礎理論、工業(yè)軟/硬件、關鍵技術與數(shù)據(jù)標準等研究，形成大數(shù)據(jù)軟/硬件平臺，打造成功應用案例，產(chǎn)生示范引領效應。

加強高端新材料智能成形創(chuàng)新體系與創(chuàng)新平臺建設：整合產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新資源，構建覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)的創(chuàng)新聯(lián)盟，打造協(xié)同創(chuàng)新體系與平臺，提高轉化能力，在基礎研究和工程應用方面分別發(fā)揮高校、企業(yè)等的優(yōu)勢，建設數(shù)字云平臺提供支撐。

創(chuàng)新人才培養(yǎng)與評價體系，培養(yǎng)學科交叉工程人才：材料智能成形系統(tǒng)構建需多學科交叉合作，目前復合型人才稀缺，建議增設“材料智能制造”專業(yè)，創(chuàng)新人才培養(yǎng)與評價體系，培養(yǎng)卓越工程人才。

加快成果轉化，引領行業(yè)轉型升級：人工智能賦能工業(yè)是新爆發(fā)點，高端新材料制造產(chǎn)業(yè)是理想應用場景，建議引導社會資本進入，鼓勵“產(chǎn)學研”深度結合，破除成果轉化壁壘，推動行業(yè)轉型升級。

綜上所述，我國高端新材料在國產(chǎn)替代進程中雖取得了一定成績，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)，與國外先進水平存在差距。而高端新材料智能制造為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了新的機遇與方向，通過把握這些機遇，攻克相關難題，加強各方面建設，有望推動我國高端新材料產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)升級換代和跨越式發(fā)展，滿足國家重大戰(zhàn)略需求，提升我國在全球高端新材料領域的競爭力。

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