第一情报 ---材料工业

美国先进材料研究地位、方向与战略

供稿人:姚恒美  供稿时间:2012-12-24   关键字:美国  先进材料  地位  研究方向  战略  
先进材料,又名新材料,指新近发展或正在发展中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料。先进材料在新能源等多个产业中起到基础和先导作用,但研发周期长。该领域内正汇聚着全球大量科学家,投入与产出不断加大。汤森路透公司2011年6月发布的《全球科研报告:材料科学与技术》中指出公司数据库收录的材料科学论文自1981年至2009年增长了4倍,增长速度大大超过物理学与化学论文。而美国巴特尔研究院预测,2012年全球化学与材料工业研发经费将增长至338.4亿美元,其中美国投入为92.8亿美元,占到四分之一以上,继续保持全球领导地位。

一、先进材料是美国振兴制造业的基石之一

过去几十年里,耐极端温度材料、轻质复合材料和新电子功能材料等推动了运输、电子以及航空航天业的进步,赋予美国制造业以竞争优势。金融危机之后,美国政府意识到仅靠服务业无法支撑美国经济,必须重振制造业,为此,奥巴马政府提出了一系列提振计划。从本质上说,美国制造业的振兴并不是传统制造业的复兴,而是新兴制造业的培育,其中建立在材料科学基础上的先进材料产业是重点之一。未来几乎所有的重要研发方向和产品,包括能源效率或可替代能源设备,应对资源紧缺的新材料、下一代消费设备、化学安全的新范式等都很大程度上依赖于先进材料。未来先进材料将有望为美国撬动数十亿美元的新兴产业。
 
2011年以来美国在三份重量级振兴制造业报告中,均明确了先进材料的战略地位和未来发展方向。2011年6月,美国总统科技顾问委员会(PCAST)向奥巴马总统呈交了专题报告《确保美国在先进制造业的领先地位》,指出“设计材料”是先进制造的重要技术领域之一,新一代材料必须适用更加广泛,包括能源存储、柔性电子和国防领域。政府应投资开发相应的高效工具,包括建模相关的软件,设计材料属性的数据库,以及快速测试材料的工具等;2012年2月,美国国家科学技术委员会(NSTC)发布《先进制造业国家战略计划》,提出应以投资组合优化和调整联邦机构在先进制造业的投资,先进材料是其中重要方向之一;7月,美国先进制造伙伴关系指导委员会(AMP Steering Committee)编写了《赢得国内先进制造竞争力优势》报告,强调政府应加强资助先进制造国家项目办公室(AMNPO)选定的“先进材料设计、合成和加工”等跨学科前沿研究,其中包括小分子、纳米材料、涂层、复合材料以及集成组件(如光伏设备)等的设计和合成。

二、美国近年先进材料的研究方向与热点

美国目前面临的如清洁能源、国家安全和人类福祉等方面紧迫挑战的求解都有赖于先进材料的发展,因此能源材料(如聚变材料、太阳能材料、燃料电池材料、氢能材料等)、高温超导材料、纳米材料、生物材料、高分子材料、多功能复合材料、特殊性能的航空航天材料等一直备受关注。而稀土材料的替代研究、石墨烯研究的持续升温,以及计算材料学的快速崛起等成为近两年的热点。
 
稀土材料:稀土金属(如镧、铈、镨、钕、钐、铕、铽、镝和钇等)是最先进磁铁、电池、照明荧光粉以及国防应用的关键必备材料,对能源等技术发展非常重要。美国已设立多个联邦研发项目,涉及从基础研究,到大规模技术部署,再到跨越整个创新技术链。例如,2010财年能源部高级能源研究计划署(ARPA-E)办公室提供1500万美元研究磁铁中稀土替代研究,还投入3500万美元研究不需要稀土的下一代电池技术等。
 
石墨烯:石墨烯有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用。美国非常重视石墨烯的研究开发与应用,资助了一批相关项目。例如,国防部高级研究计划署(DARPA)发布碳电子射频应用项目,主要开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路;国家科学基金会(NSF)发布了石墨烯基材料超电容应用项目等。
 
计算材料:通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能加以定量描述,引导材料发现,缩短研制周期,降低成本是目前材料领域的趋势之一。美国劳伦斯伯克利国家实验室和麻省理工学院的研究人员联手开发出名为“材料计划”的新工具,表征无机化合物的性质,如稳定性、电压、电容、氧化态等,将这些结果放入数据库,以便用户可以自由、方便地获取。2011年启动的“材料基因组计划”很多概念就是受此启发。
 
产业界对于先进材料的未来方向预测更贴近产品和应用。在2012年8月举行主题为“材料密集型产业面临的挑战:能源、运输和消费品”材料科技交流暨展览会上,三位行业高管提出了各自对材料创新理念和实践的见解:福特汽车全球材料与制造研究的高级经理Matthew J. Zaluzec认为,计算材料和制造将在汽车应用上提供更智能、绿色、安全、优质的材料体系,包括高强度的钢、铝合金、铸铁和镁等;通用电器全球研发的技术主管Luana Iorio的观点是,通过整合产品设计、材料和制造发展来实现创新,随着计算和数字化工具的能力快速增长,将极大地方便设计材料制造一体化;3M公司材料研究实验室技术总监Terry P. Smith突出强调了可持续性、复合材料和照明材料。

三、国家层面部署先进材料发展战略

作为世界第一超级大国,为保持其领先地位,美国先进材料研究发展战略部署历来是超前的和较为全面的。近年来,美国制定了一系列与先进材料相关的国家级计划,包括未来工业材料计划(IMF)、国家纳米技术计划(NNI)、氢燃料电池研究计划、光电子计划、光伏计划、下一代照明光源计划、先进汽车材料计划、化石能源材料计划、建筑材料计划等。
 
 “材料基因组计划”(MGI)的实施无疑是近年材料领域最受关注的事件之一。2011年6月,美国奥巴马政府根据《确保美国在先进制造业的领先地位》报告建议,启动了超过5亿美元的“先进制造业伙伴关系”计划(AMP),其中缩短先进材料的开发和应用周期是该计划的四大目标之一,并就此实施 “材料基因组计划”(MGI)。该计划希望通过在研究、培训和基础设施等方面投入超过1亿美元,使美国企业发现、开发和应用先进材料的速度提高到目前的2倍。与“人类基因组计划”类似,“材料基因组计划”通过高通量的第一性原理计算,结合已知的可靠实验数据,用理论模拟去尝试尽可能多的真实或未知材料,建立其化学组分、晶体和各种物性的数据库,并利用信息学、统计学方法,通过数据挖掘探寻材料结构和性能之间的关系模式,为材料科学家提供更多的信息。材料基因组计划贴近实际应用,覆盖范围广泛,包括了几乎所有可能的化合物及其物性与产品开发应用,对国民经济发展、提升国家科技竞争力和维护国家安全有着重要意义。
 
从更深层次来看,作为关系到材料行业及整个制造业发展的重大计划,材料基因组并非是孤立的,而是美国政府跨部门统筹现有计划,全面布局的行为。譬如,美国国家纳米技术计划(NNI)的第四个主题“纳米技术知识基础:推动可持续设计的国家领导地位”(NKI)倡议将与材料基因组计划(MGI)对接,进一步加速美国先进材料的开发与利用。二大计划的协同领域特别体现在团队建设、协议以及数据管理与共享等方面。

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