前瞻科技
| 综述与述评 2025, 4(1): 6-15
面向2035的新材料技术创新思考与展望
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作者信息
- 1.中国工程院，北京 100088
- 2.工业和信息化部，北京 100036
- 3.钢铁研究总院有限公司，北京 100081
干勇，教授，中国工程院院士。国家新材料产业发展专家咨询委员会主任。中国冶金行业技术带头人，重点新材料研发及应用重大专项技术总师。长期从事工程科技战略研究工作，在战略性矿产资源安全、新型能源体系建设、新材料科技与产业发展、重大工程用关键材料国产替代、前沿材料科技创新等战略研究方面作出重要贡献。电子信箱：liuyu@nercast.com。
Thoughts and Prospects on New Material Technology Innovation towards 2035
Affiliations
- 1. Chinese Academy of Engineering, Beijing 100088, China
- 2. Ministry of Industry and Information Technology, Beijing 100036, China
- 3. Central Iron and Steel Research Institute Co., Ltd., Beijing 100081, China
出版时间: 2025-03-20
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.001
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摘要
收起
在分析新材料技术发展趋势和国外新材料科技政策重点支持方向基础上，提出建设中国特色的“人工智能+材料”创新体系，系统梳理面向2035的新材料研发与应用重点任务，并提出相关建议，以期为新材料科技创新发展提供参考。
新材料
/
技术创新
/
“人工智能+材料”
/
创新体系
/
重点任务
After analyzing the development trends of new material technology and the key priorities in foreign science and technology policies supporting new materials, this study proposed the establishment of an “Artificial Intelligence (AI) + material” innovation system with Chinese characteristics. It systematically outlined key R&D and application priorities for new materials towards 2035, along with relevant advice, aiming to provide references for advancing scientific and technological innovation in the new material field.
new material
/
technological innovation
/
“AI + material”
/
innovation system
/
key priority
干勇, 任家荣, 谢曼.
面向2035的新材料技术创新思考与展望.
前瞻科技,
2025
, 4
(1)
: 6
-15
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.001
Yong GAN, Jiarong REN, Man XIE.
Thoughts and Prospects on New Material Technology Innovation towards 2035[J].
Science and Technology Foresight,
2025
, 4
(1)
: 6
-15
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.001
正文
收起
新材料是中国建设制造强国、实现高质量发展的物质基础，新材料技术是支撑现代科技和产业的“基盘技术”，也是大国博弈战略必争的源头技术。中国新材料发展已取得巨大进步。总体来看，新材料产业已从“以解决有无问题为主”的规模扩张阶段，跨越到以满足国家重大战略需求、提升国际竞争力为主的高质量发展阶段[1]；材料科技创新模式已从“以跟踪仿制为主”转变为“跟踪仿制与自主创新并举”。
当前人工智能飞速发展，持续为材料技术创新赋能并不断催生新模式、新业态和新赛道，世界各国都高度重视新材料发展并加速争夺未来材料发展制高点。中国应集聚资源，加快建立具有中国特色的“人工智能（Artifical Intelligence, AI）+材料”创新体系，围绕新一代信息技术、新能源、高端装备制造、生命健康等重点领域对新材料的重大需求，持续攻关、精准发力，确保在未来国际竞争中形成引领发展能力。
1 新材料技术发展趋势
收起
随着新一轮科技和产业革命不断深入，颠覆性技术不断涌现，学科交叉融合加快，新材料技术发展呈现出以下新趋势。
1.1 AI赋能将指数级提升新材料研发速度
以材料高效计算设计、自主实验、大数据、智能制造等为代表的材料智能技术将显著提升材料设计制造的效率和水平，材料科学研究进入“密集数据+人工智能”的第四范式[1]。2023年11月底，Google旗下的DeepMind在Nature发表论文，宣布应用大规模计算数据集训练了图形网络机器学习模型GNoME，寻找到了38万余个热力学稳定的晶体材料[2]，相当于“为人类增加了800年的智力积累”。美国劳伦斯国家实验室在GNoME预测晶体结构基础上，搭建了自主实验室A-Lab，平均每天产出2个以上新的化合物，至今仍在持续迭代优化。中国已有科研团队通过机器学习算法，完成了搭建几何模型、准确预测物理性能、逆向设计材料等多个环节，突破多孔材料强度-密度关系经验上限，获得了密度1.68 g/cm3、极限抗压强度598 MPa的超强钛合金多孔材料。
1.2 在微观尺度上以及跨尺度耦合机制上发展现代材料制造合成技术
材料研究和制造向极微观（纳米及原子量级）发展。以原子、分子、电子为起始物质进行材料制备合成，在微观尺度上控制其成分和结构，成为材料制造技术的重要发展方向。观测精度的不断提升和视场的不断扩大使得跨尺度耦合成为可能[3]。纳米材料与器件构筑技术、纳米尺度共格界面强化技术等已被公认为是提高材料综合性能的重要途径。芯片将由纳米级制程进入原子级制程，即由“纳米时代”进入“原子时代”，具有单原子厚度的二维材料将为未来芯片“原子时代”的发展提供重要支撑。
1.3 极端服役环境牵引新材料向性能极限化发展
探月及深空探测、深海及两极开发、核反应堆等极端环境应用领域，要求材料由单一功能向多功能拓展，不但具有超常规性能还必须在服役过程中保持稳定性能。例如，在探月及深空探测领域，超声速飞行器等空天装备要求材料满足更轻质、高强韧化、抗辐照、耐高/低温、可重复使用等性能要求。在深海探测领域，应用于万米水下的工程装备材料必须满足高抗压、耐腐蚀、高密封性等多种性能要求。在空间核反应堆系统中，要求相关材料服役温度高于2 000 ℃、耐碱金属和熔盐腐蚀并可承载复杂载荷。
1.4 新材料生产和应用绿色化水平不断提升
随着“碳达峰与碳中和”（简称“双碳”）目标的推进，资源、能源、环境对材料生产、应用、失效的承载能力，战略性元素的绿色化高效获取、利用、回收再利用及替代等受到高度重视[4]。材料高能效绿色制造、材料防护与延寿、材料替代、材料循环再利用及全生命周期评价等技术成为发展热点。据统计，“十四五”期间二次资源循环利用对中国碳减排的综合贡献率已达到30%，预计到2030年将达到35%。
1.5 前沿新材料技术路线呈现多元化特征
随着人工智能、机器学习、脑科学、材料基因组及凝聚态物理等领域的不断进步，前沿新材料技术不断涌现，但在实现关键突破之前，很难判断哪一种技术路线最优。例如，量子计算呈现出超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多条技术路线并行发展态势。目前仍无任何一种路线能够完全满足实用化条件要求。量子芯片材料较为丰富，可能是超导体、半导体、绝缘体或者金属等材料。在新型存储器领域，铁电介质、氧化物半导体等新型存储材料都有可能实现存储容量、存储可靠性大幅提升，都有潜力实现三维内存。前沿材料技术路线的多元化提供了未来发展的无限潜力。
2 国外新材料科技政策重点支持方向
收起
世界各国高度重视新材料科技发展，制定了各种战略规划、科技计划等政策予以支持。通过梳理发现，典型的国家重点支持的技术方向主要集中于两条主线：一是建立大数据、人工智能驱动的材料创新体系[5]，使之成为未来材料技术可持续竞争力的基础源泉；二是发展支撑信息、制造、能源、健康医疗等战略必争领域的先进材料研发与应用技术，通过材料创新推动经济社会发展。
2.1 美国
美国持续更新主要发展战略，目标是保持其在先进材料领域的全球领先地位，并支撑信息技术、生命科学、环境科学和纳米技术等的发展，满足其他行业领域对各类先进材料的需求[6]。
2021年，美国更新发布《材料基因组计划战略规划》，提出整合材料创新基础设施、充分利用材料数据的力量、教育培训和有效组织材料研发人才队伍等3个主要目标，并公布了九大关键材料研究领域的63个重点方向。
《国家纳米技术计划战略规划》是为数不多的历经5届美国政府持续资助的国家级研发计划。截至2023年，美国政府对该计划累计投入已突破400亿美元。该计划促进了大量纳米技术研发，实现了在原子尺度上对物质进行调控，推动了纳米科学从新兴研究领域转变为推动现实应用的技术，催生了6项诺贝尔奖，推动了美国生物医药、量子信息、先进芯片等多个新兴产业快速发展。
2022年，美国发布《国家先进制造业战略》[7]。该文件继续重点关注先进材料与加工技术以及智能制造未来趋势，电子制造更加聚焦了半导体领域，并着重强调清洁能源与制造工艺脱碳技术，以及生物制造与生物质加工，将可持续材料管理原则和增材制造纳入产品设计与开发。
美国国家科学基金会（National Science Foundation, NSF）每年发布材料学科年度计划。2024年度对材料领域的支持主要集中在以下3个方面：一是新型半导体材料，主要包括砷化硼、铟基溶胶-凝胶前驱体、二维铁电材料、先进光刻胶材料、铁电氧化物、超快节能反铁磁隧道结等；二是量子材料，主要包括二维材料、异质结构和超表面、从单分子到二维材料的量子器件集成、量子材料拓扑声子动力学与控制等；三是清洁、低碳材料，加速材料开发、制造和使用向循环经济转型。
近两年，美国谷歌公司、微软公司等科技巨头企业纷纷加大投资开发材料科学领域的大模型。2024年10月，美国商务部宣布开展一项公开竞赛，拟出资1亿美元资助人工智能驱动的可持续半导体材料自主实验项目，加速新材料与新工艺的发现、设计、合成和部署，以及培养满足行业技术、经济和可持续发展目标所需的研究人员，确保美国国内半导体制造业的长久繁荣。
2.2 日本
日本高度重视材料科技创新，特别在高端材料和前沿材料方面进行了系统规划。日本在材料研发上注重实用性，并强调材料与环境、资源与能源等的协调发展，所选取的重点是市场潜力巨大和附加值高的细分材料方向，并希望尽快实现专业化、产业化[8]。
2021年日本发布《材料创新力强化战略》，提出建立以数据为基础的材料创新体系，推动数据驱动型材料研究，以强化日本材料创新能力。该战略围绕材料开发与应用、数据驱动研发、国际竞争力3个维度提出了行动计划方案，其中“数据驱动研发”是主要举措，拟整合以数据为基础的材料研发平台，构建数据驱动型创新体系[8]。
2023年6月，日本发布了《半导体和数字产业战略》，提出通过加强国内产业基础、推动国际合作、促进技术创新等手段，到2030年将国内半导体相关产业销售额提高到15×104亿日元，实现半导体产业的全面复兴。日本在半导体材料领域的科研项目覆盖了从基础研究到应用开发的多个层面。例如，针对下一代半导体材料（如二维材料、碳基材料等）的研究，以及针对现有材料的性能提升和成本降低的研究。为支持半导体材料科技创新，日本政府和企业均投入了大量资金。据报道，日本经济产业省在2024年预算中特别划拨了超过1 230亿日元用于芯片相关计划，其中大部分资金将用于加强供应链和促进半导体行业发展。近年来，日本在半导体材料领域取得了多项技术突破，特别是在极紫外光刻胶等关键材料上，日本企业占据了全球市场的半壁江山。这种技术优势不仅为日本半导体产业的发展提供了有力支撑，也使其在全球科技竞争中占据了重要位置。
日本在碳纤维、电子材料、特种钢、陶瓷材料等领域处于国际领先地位[8]，重点开发用于信息通信、新能源、生物技术及医疗领域的新材料。东丽株式会社从改进专有的纳米级结构控制技术入手，开发出T1200碳纤维新产品，成为当前强度最高的碳纤维。2024年，日本国立材料科学研究所宣布启动一项人工智能项目，旨在通过材料的电子显微镜图像预测材料特性和寿命。该项目将利用半个多世纪以来积累的材料可靠性评估数据提升材料、设备和基础设施的可靠性评估水平。
2.3 欧盟
欧盟将先进材料列为关键使能技术之一，提出要在材料科学和工程的多个研究领域成为国际领导者，并在尽可能多的先进材料技术中争当世界第一。
欧盟高度重视清洁技术。欧盟委员会于2019年启动《欧洲绿色协议》，碳边界调整机制（Carbon Border Adjustment Mechanism, CBAM）是其重要组成部分。2023年欧盟发布《关键原材料法案》，该法案旨在加强欧洲关键原材料价值链的所有阶段，包括提高循环性和回收利用率。欧盟设定的目标是每年关键原材料消费中至少有25%来自本土回收利用。2024年欧盟理事会通过《净零工业法案》，规定第三国产品在欧盟市场份额超过65%将受到限制，提出到2030年欧盟至少40%的“战略净零技术”为本土制造[9]。
欧盟也高度关注高性能材料、智能材料、生物基及可回收材料、纳米技术等前沿领域。2022年12月，欧洲材料联盟组织发布《材料2030路线图》[7]，围绕九大类材料创新市场，详细阐述了5个共同优先发展领域（材料数字化、新材料加工和大规模生产、材料创新市场、政策、治理等），以及7个优先发展方向（生物基、生物可降解、可循环使用的材料，嵌入式电子器件和后硅时代电子器件，先进涂层和表面纹理材料，用于增材制造的先进材料，传感器和多功能材料，用于循环目的的材料和材料再使用，纤维基材料等）。
2024年2月，欧盟委员会发布《先进材料产业领导力通报》，提出大力支持能源、交通、建筑业和电子产业四大战略领域的先进材料研究与创新；构建专门用于先进材料研究和创新的数字基础设施，借助人工智能等工具在受控环境中加速新型先进材料的设计、开发和测试。
2024年3月，欧盟委员会通过“地平线欧洲”2025—2027年战略计划，涉及新材料的内容主要有探索支持将引领下一波创新的未来技术，如生物材料、二维材料等；加速新型创新材料和复合材料的设计、开发、生产和回收；开发可再生能源技术，如太阳能、风能等储能技术。
2.4 英国
作为材料领域老牌优势国家，英国重点关注利用世界先进材料技术助推可持续发展。英国在材料的发现和早期研究方面具有世界领先的学术水平，其高校在材料科学、新材料发明与发现，以及与工业界合作等方面有着长久优势[7]，率先提出建设新材料关键技术集群战略。
2021年7月英国发布《英国创新战略：创新引领未来》，将“先进材料与制造”确定为未来助推英国经济的7项关键技术集群之一，实现先进材料的批量化制造，并将安全性评估与可持续发展融入材料的设计与创新[7]。
2024年4月，英国国家级材料科学研究创新机构——亨利·罗伊斯研究所发布《国家材料战略进展报告》，能源材料、软质材料、生物相容材料、结构材料、表面增强与防护材料、电子/电信/传感和计算技术材料等是重点关注方向。同时，材料可持续与循环利用、利用数字与人工智能和大数据加速材料发现、关键矿物原材料等作为跨领域主题，也受到普遍关注。
2025年1月，英国正式启动《国家材料创新战略》，标志着英国开启“材料4.0”时代，旨在进一步巩固其全球领导地位，通过材料创新推动经济增长，解决社会面临的诸多重大挑战。该战略确定了19个具体的材料创新机会和40多个优先事项，提出未来10年英国将建立一体化的材料创新生态系统，推动材料科学从基础研究到产业化的全面转型。该战略聚焦的六大重点机遇领域包括：能源解决方案，未来医疗，结构创新，高级先进表面技术，新一代电子、通信与传感器，消费品、包装与特种聚合物等。“材料4.0”聚焦利用人工智能、大数据、机器学习、数字孪生等前沿技术，加速材料的研发、测试和制造进程。
3 建设中国特色的“AI+材料”创新体系
收起
当前全球新材料研发已进入“数据驱动+AI赋能”新阶段，AI成为材料创新的核心驱动力。中国建设“AI+材料”创新体系具有较好的基础。早在2016年，科技部启动“材料基因工程”重点专项，旨在通过融合材料科学、信息技术和人工智能等，变革材料研发模式，加速新材料发现和应用，提升中国材料产业竞争力。2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，将人工智能发展上升为国家战略。《新一代人工智能发展规划》与“材料基因工程”专项形成合力，为“AI+材料”奠定了良好的基础。当前正在实施的新材料重大专项中，“材料基因工程”也是重点方向之一。此外，全国已建立十几个国家超算中心，智能算力规模位居全球第二，具有良好的算力设施保障。
2024年，中国新材料产业产值超过8万亿元，为AI应用提供了丰富场景。中国工业互联网平台已汇聚海量材料性能数据，科研机构已建成特种合金、高分子材料等20余个专业数据库，高通量实验设备年产生实验数据量达EB级，部分企业已将AI用于材料研发与生产并取得成功案例。例如，宁德时代新能源科技股份有限公司利用AI将固态电解质研发周期缩短60%；中国航天科工集团有限公司通过机器学习优化高温合金成分设计；华为技术有限公司开发材料知识图谱辅助半导体材料筛选等。更为重要的是，中国拥有全球最大、最丰富的应用场景，为材料服役数据的积累和材料智能化研发迭代创造了良好的条件。
建立中国特色的以场景驱动材料智能研发与升级迭代的“AI+材料”创新体系，是中国新材料未来能否在国际竞争中获胜的关键。当前中国“AI+材料”体系建设还存在一些亟待解决的问题。首先，数据治理体系待完善，多数企业和机构数据存在格式不统一、元数据缺失问题，数据标准化程度低，而且共享机制不健全，科研机构数据开放率不足30%，存在“数据孤岛”现象。其次，技术转化链条存在断点，多数材料AI模型停留在学术研究阶段，算法研发与材料需求错配，而且实验验证环节薄弱，自动化实验设备国产化率不足40%。此外，中国既懂AI又懂材料的复合型人才严重短缺，学科交叉融合水平有待进一步提升。
“十五五”期间，中国应在以下方面持续发力。一是构建和完善“数据-算法-实验”三位一体的“AI+材料”基础设施。强化数据中枢建设，加快建立国家材料大数据中心，制定材料数据ISO标准；强化算力网络建设，建立材料专用AI超算平台，开发材料通用智能大模型；建设材料智能化实验验证平台，搭建自主实验室，推广“计算-实验”闭环研发模式，推动学术界与产业界的合作，加速材料领域AI技术的验证与落地。二是发展“AI+材料”生态环境，成立材料AI开源社区，共享预训练模型与算法工具包，建立材料AI技术成熟度评价体系，培育AI驱动的材料知识产权交易市场。三是加快“AI+材料”人才培养，如在大学设立材料智能技术交叉学科，开发材料AI训练数据集与虚拟仿真教学平台，实施“卓越材料AI工程师”培养计划等。通过以上布局，力争在2030年形成若干国际领先的材料智能研发平台，在2035年基本建成自主可控的“AI+材料”创新体系。
4 面向2035的新材料研发与应用重点任务
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新一代信息技术、新能源、重大工程与高端装备、生命健康等是中国实现科技强国、制造强国的战略必争领域，也是对新材料有重大需求的重点领域。支撑和满足以上重点领域应用需求，也是未来10年中国新材料发展的重点任务。
1）人工智能发展和数字中国建设对高性能计算与存储、高速及大容量网络通信和智能化人机交互系统提出更高要求，亟待发展一批新型信息材料
（1）先进计算与存储关键材料。随着人工智能、超算、云等计算场景的快速发展，未来将会出现百万级的数据中心。传统硅基材料及与其相配合的周边材料性能，无论在AI计算方面还是电能功率方面都接近极限。异质异构集成将不同材料体系、器件结构进行优势性互补性结合，制造出全新的具有多项优异性能的材料器件，克服单一材料或器件结构不能满足全性能要求的局限，成为未来解决能源与信息需求基础高性能部件的有效途径。随着集成电路工艺技术向2 nm以下制程节点演进，计算所依赖的半导体技术逐步接近物理极限，石墨烯、金属型碳纳米管和金属相过渡金属二硫族化合物等二维半导体材料结合工艺变革有望摆脱硅基半导体的限制[1]，成为后摩尔时代新一代芯片用关键材料。量子计算是计算领域的颠覆性技术，量子计算材料体系包括超导材料、相关电子材料、拓扑量子材料、先进材料中的量子现象等。当前，硅自旋量子比特、“魔角”石墨烯、砷化铟（InAs）量子点的研究都取得了新突破，量子计算材料呈现多路线并行格局，超导与硅基路线产业化进程较快，而拓扑材料仍需基础研究支持。
在存储方面，受限于电容的微缩难题，传统依赖于半导体工艺实现密度提升的内存路线演进速度远远落后于摩尔定律，存储器功耗已成为主要技术瓶颈，亟需发展新型存储技术与存储介质。内存晶粒即将转向薄膜和刻蚀工艺，以及基于氧化物半导体、纤锌矿铁电等前沿新材料的三维内存工艺探索。以新材料、新工艺研发支撑三维内存性价比和容量提升，有望摆脱对于极光紫外光刻工艺的依赖，形成国内优势产业，并驱动半导体薄膜沉积、刻蚀、键合等装备与工艺达到世界一流水平。
（2）通信及网络关键材料。未来10年通信网络将持续探索新的场景和技术[10]，除了业界已有共识的无线通信、光通信、互联网等技术持续演进之外，各种新型的网络场景也将不断涌现，如下一代人机交互网络、住行合一网络、空天地全域立体网、先进算力网络、自智网络等。亟需发展面向未来网络系统所需的新器件及新材料，包括氮化镓等宽禁带半导体材料、金刚石等超宽禁带半导体材料、高极化的纤锌矿铁电材料、高集成度的隔离器材料、超低损耗的天线材料、新型可调谐材料、高灵敏度压电材料和探测器材料、前沿功能陶瓷材料和磁材料等。
高性能激光器与高性能电光调制器、高性能光放大器等是F6G光通信的核心器件。当前，中国F5G激光器、5G调制器用大多数材料已基本实现自主可控，但硅光用SOI衬底（绝缘衬底上的硅）、铌酸锂薄膜用高纯铌酸锂晶棒仍依赖进口。面向AI数据中心建设，芯片出光及全光互连技术是系统性提升算力和能效的关键路径。在芯片出光方面，PZT压电陶瓷（锆钛酸铅压电陶瓷）、BTO（钛酸钡）、Polymer（聚合物复合材料）等新一代高电光系数的材料可使调制器实现微米级大小、200 G以上的信号带宽、低插损，是应用于数据中心的关键光电芯片材料。在光交换方面，铁电向列相液晶材料的电光响应速度比现有用于MEMS（微机电系统）或LCOS（硅基液晶显示）的液晶材料高1 000倍，是未来更大规模的集群网络发展所需要的关键微秒级电光响应速度关键材料。
（3）新型显示技术及关键材料。在已产业化的蒸镀法OLED显示技术方面，由于国外厂商研发起步早，已形成较强的专利布局和产业链分工，基础专利和核心技术基本由欧洲、美国、日本、韩国垄断。未来，随着5G、大数据、人工智能、可穿戴设备等新一代信息技术的极速进步，显示应用场景将更加丰富，显示应用形态将由平板显示向卷对卷工艺的柔性显示、泛在显示，再到多维显示、立体显示发展。亟需布局中国自主可控的溶液法OLED/QLED显示、超大容量微纳显示、超高清激光显示材料体系等下一代显示新材料，建立新的自主IP体系。
2）为实现“双碳”目标和可持续发展，亟需开发新型能源材料，建设灵活智能可控的“半导体电网”，提高能源清洁利用效率
（1）光电转化材料。光伏产业是中国具有全球竞争力的产业。以异质结（HJT）、隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）和交叉指式背接触（IBC）为代表的N型单晶硅电池技术逐步取代钝化发射极背场点接触（PERC）电池技术成为市场主流。中国N型单晶硅电池产能持续扩张，但需要在组件和生产工艺上进一步优化和提升。薄膜太阳能电池和新型叠层太阳电池在效率、经济性、可靠性等方面均展现出较大优势。进一步提高晶硅电池转化效率，推动薄膜太阳能电池材料和新型叠层太阳电池材料快速产业化，是中国光伏产业持续领先全球的关键路径。
（2）动力电池与储能电池材料。交通电动化与能源清洁化要求动力电池与储能电池具有高安全性、高能量密度和更高寿命。中国在液态电解质锂离子电池、混合固液电解质锂离子电池、钠离子电池、液流电池、锂电容等领域处于世界领先地位。在硫化物全固态、聚合物氧化物复合全固态电池、金属锂电池、锂硫电池、高温钠硫电池等前瞻技术研发方面处于跟跑或并跑阶段。钠离子电池相比锂离子电池具有非常大的资源优势，在低温和倍率性能方面有突出的优点，适合应用于寒区的低速电动车、启停电源、重卡电池和规模储能等领域。未来，需要在提升能量密度、循环性和安全性等性能方面加快突破。目前，中国在纳米硅碳负极材料、高电压三元、钴酸锂和富锂锰基正极材料、氧化物固态电解质、原位固态化电解质等新型电池材料方面取得了重大突破，已处于世界领先。在氢燃料电池方面，发达国家对中国固体氧化物燃料电池（SOFC）及电解技术（SOEC）进行封锁。中国在电池、电堆性能及衰减率等核心技术指标与国外有一定差距，亟需加快相关核心技术攻关。
（3）可控核聚变用关键材料。正在法国建设的国际热核聚变实验反应堆（ITER）预期在2034年点燃等离子体，并于2039年后开始氘氚聚变放电。发达国家在参与ITER建设的同时，纷纷加快部署下一代聚变堆的设计和研发。对于2035年后聚变示范堆的基础结构材料、面向等离子体材料、功能材料等，欧洲、美国、日本等长期坚持研发，初步达到了建堆条件。由于起步相对较晚，中国聚变堆材料总体上与欧洲、美国、日本等国家和地区还有一定的差距。例如，材料杂质含量控制能力不足，易活化元素的含量较高；批量生产能力不足，工艺不稳定；材料核数据积累不足，特别是中子辐照下宏观性能测试等方面缺乏实验数据，亟需尽快取得突破。
（4）风电机组用关键材料。中国风力发电新增装机容量位居世界首位。高耐海洋气候和海水腐蚀的永磁直驱电机用稀土永磁材料、高性能风电用钢、碳纤维风电叶片、第三代半导体等关键材料可满足大功率风电的应用需求。国产碳纤维已经在120 m级海上风电装置上实现应用，目前正在研发140 m级超大型风电装置用碳纤维及复合材料。
（5）能源清洁高效利用与智能电网用关键材料。超超临界发电技术是化石能源清洁高效利用的主流技术方向，在700 ℃超超临界电站方面，目前中国与国际处于同步竞相研发阶段，亟需通过材料和部件产业化能力提升抢占技术制高点。重型燃气轮机在能源结构调整、节能减排方面具有明显的优势，亟待突破关键耐热合金材料研发及其热端部件制备技术。中国的智能电网建设工程对交直流输电装置的功率密度、可靠性和可控性提出了更高的要求。功率半导体器件（亦称为电力电子器件）作为电能（功率）变换和处理的“CPU”，是实施电能传输、处理、存储和控制的关键所在[11]。以碳化硅为代表的第三代半导体器件将成为下一代功率变换技术的核心，但仍面临着低成本高质量低阻大尺寸衬底材料、低缺陷密度超厚外延及掺杂浓度精确可控百微米外延材料、超高压器件长期可靠性、超高压高速碳化硅器件测试技术等方面的挑战。
3）高端装备是中国迈向制造强国的主要攻坚方向和实施重大工程的保障，需要一大批特种结构材料与特种功能材料提供基础支撑
（1）人形机器人关键材料。人形机器人与工业机器人相比技术难度更复杂，在智能感知、自主认知、人机交互、自适应柔顺控制、轻量化和长续航等方面对材料的种类、性能等方面提出更高要求。一方面，中国应加快研发性能更高的轴承材料、减速器材料、电机材料等关键材料；另一方面，以应用拖动支撑AI算法的环境感知材料、皮肤接触材料、手指控制材料、图像识别玻璃等关键材料研发及应用改进升级，支撑中国在人形机器人赛道抢占制高点。
（2）航空航天装备关键材料。重型运载火箭、新一代长寿命卫星和空间站、大型民用客机及其发动机等支撑航空航天强国建设的重大工程，对高端结构材料提出更高要求。提升重型载人火箭运载系数、降低卫星结构重量比、实现国产大型客机结构减重和节油减排、提高航空发动机推重比等，亟需大幅度提升重型火箭箭体-低温气瓶-燃料贮箱、卫星承载结构件、大型客机机身-机翼-起落系统承力结构件、航空发动机叶片和涡轮盘的综合性能。高性能碳纤维、高强韧铝合金/铝锂合金、超高强度钢、高温合金、精密工模具钢等关键材料综合性能尚需进一步提升，一系列新型制备工艺和应用技术有待突破。
（3）高技术船舶与海工装备用关键材料。深远海、极地用高性能海工装备、高技术船舶及长寿命岛礁平台等，建设海洋强国、维护国家领海安全的重点工程对特种合金材料性能提出更高要求，亟需突破高性能海工平台用免预热/大线能量焊接高强韧厚钢板、特种用途船防撞耐疲劳结构钢与低温钢、深潜器用全海深主结构钛合金和超高强度钢关键技术，高湿热、高盐、强辐射等极端海洋腐蚀环境用长寿命耐蚀钢、耐磨蚀合金等仍属国际空白。未来，支撑中国海底矿产开发的海底勘察装备、水面支持装备、海底采矿装备、水下输送装备等，以及深海基地建设所需装备，将对新型海洋结构材料和功能材料产生重大需求，亟需系统化布局研发。
（4）先进轨道交通装备关键材料。正在研发的400~500 km/h的高速列车对轴承、齿轮、轮对、转向架构架、受电弓网、轻量化车身、大功率永磁牵引电机、牵引和辅助变流系统等关键部件提出了更为苛刻的要求。国内外尚无成熟的结构材料和电子材料技术供给。中国的600 km/h超导磁浮材料与技术尚处于原理样机研制和试验验证阶段，与日本即将实现商用的超导电动磁浮技术存在较大差距，亟需研制高性能超导材料和强磁场磁体。
（5）武器装备用关键材料。满足极端服役环境要求的轻量化材料将在空天武器装备的发展中发挥越来越大作用。例如，国外已经将连续纤维增强陶瓷基复合材料（CMC）应用于高推重比航空发动机热端部件。碳化硅、氮化镓、氧化镓等宽禁带及超宽禁带半导体可以满足功率电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的要求，在航母、潜艇、飞行器等军工装备上拥有广泛的应用前景。美国商务部将金刚石、氧化镓列入出口管制清单。中国超宽禁带半导体研发起步较晚，亟需加快布局。新型稀土功能材料是制造精确制导武器及武器平台的动力、制导、控制和探测等核心部件的关键材料。采用稀土晶体制备的中红外波段激光器在星载、机载的红外预警卫星、大气监测等方面有着广泛的应用，中国尚需攻克大口径、高质量中红外激光晶体的制备与加工技术。
4）面向人民生命健康和可持续发展目标，亟需大力发展新型生物医用材料和生物制造材料
（1）可再生人体组织器官生物材料。传统的植入材料已不能满足临床需求[1]，组织诱导性生物材料可实现生物材料诱导骨、软骨、神经、肌腱、心血管组织等的再生或形成。例如，“三维多孔Ca-P类骨磷灰石”表面可诱导骨再生或形成；I型胶原基水凝胶可诱导干细胞向成软骨系细胞分化并诱导软骨再生，形成软骨诱导性支架及组织工程化关节软骨修复植入体；促进中枢神经再生的脊髓、脑神经修复的中枢神经修复材料也是未来发展的重点。
（2）微创介入器械修复材料。微创介入修复材料及器械创伤小、恢复快，是高端医疗器械发展的重要方向。中国应加快研发具有心脏组织再生修复功能的微创介入封堵器、脑血管支架等材料及器械，用于心力衰竭治疗的微创介入水凝胶材料及器械，抗钙化、抗凝血、防周漏微创介入心脏瓣膜材料和器械，基于血管重建疗法的可吸收生物材料等。
（3）生物制造材料。2023年3月美国发布生物制造发展目标，提出到2040年生物基塑料占塑料比重超过90%，通过生物制造生产30%的化学品。全球每年塑料产量接近3亿t，中国塑料产量约占全球的1/3，经济合作与发展组织预测到2030年，25%的石化塑料将被以淀粉等天然物质为原料生产的生物基塑料代替[1]。中国目前替代率不足5%。大力发展生物基塑料、生物基尼龙、生物基橡胶的绿色制造与应用关键技术，是降低对石化资源的过度依赖，实现国家“双碳”目标的重要途径，亟需进行研发和产业化布局。
5 发展建议
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1）培育良性发展的科技创新生态
应鼓励产业价值导向的基础研究。领军企业处于美西方打压的前线，熟悉产业的需求、痛点以及如何系统性地缓解工艺受限问题，应更多参与“出题”（提出需求与方向建议）、“共答”（过程跟踪与管理）、“阅卷”（项目成果评估）。应突出原创，营造百花齐放的科研文化。针对前沿材料的研究，鼓励对未形成共识且技术路径前景并不明朗的新异理念开展早期自由探索。建议有关部门设立探索式项目，鼓励科学家特别是青年工作者大胆进行前沿探索。建立风险投资机制和回报机制，鼓励民间资本投入原创性科研活动、共享科技成果。
2）建立全球科研成果快速捕获机制
美国等西方国家高度重视重要科研成果的捕获。美国国防高级研究计划局等组织在判断具有产业价值的情况下，会大胆提前投入基础研究，率先在美国培养发展生态，主动把科研力量带进新的研究领域，确保美国不会错失未来领先的机会。中国目前尚缺乏科研成果快速捕获机制，对国外的动态反应较为迟缓，在新研究遭到现有研究抵触的情况下，反复论证难以抉择，立项缓慢、支持力度小，仅能达到小幅跟随，不足以实现全面领先。建议有关部门重视科技情报工作，建立全球重要研究成果，快速捕获机制，确保重要领域研究起步不落后于国外。
6 结束语
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经过多年的持续布局和攻关，中国新材料技术创新已基本进入良性发展的“快车道”。当前应顺应新质生产力发展的大潮流，抓住人工智能爆发的大机遇，加快建立中国特色的“AI+材料”创新体系；在重点领域精耕自作，进一步提升支撑保障能力；在前沿技术上强化支持，鼓励探索，共同推动中国新材料科技蓬勃发展、更上层楼。
基金
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- 中国工程院咨询项目(2024-JZ-05)
文献
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参考文献
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2025年第4卷第1期
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文章信息
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2025.01.001
- 接收时间：2024-12-23
- 出版时间：2025-03-20
- 发布时间：2025-03-27
补充材料
相关文章
表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
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