從微觀看，新材料技術關系到每個人的生存（醫(yī)療、環(huán)境）；從介觀看，新材料技術關系到國家經(jīng)濟發(fā)展（產(chǎn)業(yè)升級）；從宏觀看，新材料技術則關系到人類生存與可持續(xù)發(fā)展。新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展賦予了政府、企業(yè)、研究機構、資本界更多機遇，也理應受到人們更多重視。

一、技術簡史：歷次工業(yè)革命中的新材料

整個人類文明的發(fā)展史，可以看作是新材料、新能源的利用史。石器文明、青銅器文明、鐵器文明，無一不見證著人類發(fā)現(xiàn)、掌握、使用材料的漫漫歷程。隨著科學技術的發(fā)展，三次工業(yè)革命相繼拉開帷幕，人類文明自近代以來依次走過蒸汽時代、電氣時代，一直到今天的信息時代。

蒸汽時代、電氣時代和信息時代，表面上看起來與新材料沒有直接的關系。但試想，若沒有鋼鐵工藝的革新，怎會有蒸汽機的轟鳴？沒有石化工業(yè)的興起，怎會有飛機、汽車、郵輪的馳騁？沒有半導體工業(yè)的出現(xiàn)，怎會有互聯(lián)互通的虛擬世界？新材料及其加工技術，不僅是歷次工業(yè)革命的物質基礎與先導，更是人類文明前進的基石。

圖1 公元1-2003年世界主要地區(qū)GDP比重

資料來源：Our World in Data

（一）第一次工業(yè)革命：英國與鋼鐵工業(yè)

第一次工業(yè)革命發(fā)軔于18世紀60年代的英國，關鍵節(jié)點是儀器修理工詹姆斯·瓦特改良了紐科門蒸汽機，大幅提升了熱效率，使蒸汽機可以大規(guī)模應用于采礦、冶煉、紡織等工業(yè)。此后的數(shù)十年中，蒸汽機帶來了人類生產(chǎn)力的極大提升，直接推動了歐洲機械制造、鐵路、紡織、輪船等工業(yè)的大發(fā)展，使西歐GDP總量呈爆發(fā)式成長。1770年（乾隆三十五年）中國GDP約占世界總量的30%，到1870年中國GDP占世界總量僅約17%，西歐GDP占比則超過30%（圖1）。

在英國主導的第一次工業(yè)革命中，鋼鐵工業(yè)無疑是生產(chǎn)力飛躍的物質基礎。盡管在羅馬時代，歐洲就已普遍使用鐵器并發(fā)展出了鐵匠、釘匠、刀匠等專業(yè)分工，但歐洲一直將木材作為冶鐵的唯一燃料，導致冶鐵成本高昂且不可持續(xù)。直到第一次工業(yè)革命前后，英國境內煤炭的廣泛使用和冶鐵工藝的持續(xù)改進，促成了鋼鐵工業(yè)的爆發(fā)。

1708年，亞伯拉罕·達比首次實現(xiàn)了焦炭煉鐵的試驗，從此廉價而廣泛的煤炭逐漸成為冶鐵的主要能源；

1742年，亨茨曼首次應用坩堝煉鋼法，在歐洲歷史上第一次煉得了液態(tài)鋼水；

1762年，斯米頓引進了水力風箱，大大提高了冶煉高爐的溫度；

1776年，瓦特蒸汽機代替水力鼓風在高爐煉鐵中得到應用，煉鐵業(yè)擺脫了對木材和水力的依賴。

豐富廉價的煤炭與鐵礦石相結合，使英國率先從木器時代進入鋼鐵時代。隨著坩堝煉鋼法和瓦特蒸汽機等革命性技術的廣泛應用，英國鋼鐵產(chǎn)量不斷上升、鋼鐵價格不斷下降，鐵已經(jīng)豐富和便宜到可以用于一般的建設。1720年英國鐵產(chǎn)量僅為2萬噸，1850年已經(jīng)迅速增長至250萬噸（圖2）。鐵迅速占領了木器主宰的傳統(tǒng)領域，從船舶、車輛、橋梁到建筑。

圖2英國18至19世紀鋼鐵產(chǎn)量圖

資料來源：《歷史的細節(jié)：橫跨千年的鋼鐵歷史》

1804年，特里維西克發(fā)明了世界上第一臺行駛于軌道上的蒸汽機車，由此開辟了一個嶄新的鐵路時代。1825年，當鐵路時代到來時，英國已建成原始鐵路軌道300英里。到1870年，英國就已擁有15500英里鐵路。新時代開啟后，鐵路成為推動英國經(jīng)濟起飛的最重要因素，“日不落帝國”的全球霸主地位就此奠定。

（二）第二次工業(yè)革命：德國與化學工業(yè)

第二次工業(yè)革命始于19世紀60年代末期，以電能的突破、應用以及內燃機的出現(xiàn)為標志，德國是這一場工業(yè)革命的引領者，美國則是集大成者。在第二次工業(yè)革命中，鋼鐵、煤炭、機械加工等第一次工業(yè)革命出現(xiàn)的技術得到了進一步的發(fā)展。同時，石油、化工、汽車、航空、電氣等新興工業(yè)領域嶄露頭角，使整個工業(yè)面貌煥然一新。在第二次工業(yè)革命進程中，科學與技術的不斷進步，帶動了西方社會經(jīng)濟的高速增長。到1950年，西歐和美國的GDP在全世界的占比超過50%，而中國僅為3%（見圖1）。

在第二次工業(yè)革命中，化工行業(yè)的興起與蓬勃發(fā)展，極大地豐富了人類社會所需求的物質?；と玖?、合成橡膠、塑料制品、化學制藥、化肥等產(chǎn)品的出現(xiàn)，為人類的衣食住行等各個環(huán)節(jié)提供了物質保障。德國化學工業(yè)與化工材料在第二次工業(yè)革命中異軍突起，更成為了德國經(jīng)濟彎道超車、軍事迅猛崛起的基礎。

1826年，李比希在德國吉森首創(chuàng)了聞名于世的現(xiàn)代化學實驗室，培養(yǎng)出霍夫曼、凱庫勒、拜耳、費歇爾、施陶丁格、李普曼、艾利希、奧斯瓦爾德等化學工業(yè)先驅，先后共有40人獲得諾貝爾化學獎；

1863-1867年，拜耳、赫希斯特、巴斯夫和阿克發(fā)等公司相繼在德國創(chuàng)立，德國合成染料工業(yè)異軍突起；

1897年，在拜耳公司工作的霍夫曼與艾興格林一起發(fā)明了阿司匹林，化學制藥工業(yè)開始興起；

1902年，德國化學家哈伯開始研究由氮氣和氫氣直接合成氨，并于1908年申請“循環(huán)法”專利，自此合成氨工業(yè)陸續(xù)為軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)服務；

1913年，德國化學家伯吉尤斯在實驗室成功實現(xiàn)了煤氫化為液體燃料，法本公司于1927年建設煤氫化工廠，此后為二戰(zhàn)期間德國軍隊提供燃料；

1922年，德國化學家施陶丁格開創(chuàng)了高分子化學這一學科，人類從此進入“聚合物”時代；

1925年，IG法本公司正式組建，由拜耳、赫希斯特、巴斯夫和阿克發(fā)等6家公司合并而成，該公司在二戰(zhàn)期間為德國軍隊生產(chǎn)了大量的合成燃料和合成橡膠，使德國沖破了資源瓶頸。

在過去100多年中，德國幾經(jīng)興衰，卻都能完成復興，這離不開德國在第二次工業(yè)革命中完成的技術積累與沉淀。德國化學工業(yè)一直保持著高度的創(chuàng)新能力，拜耳、巴斯夫等化工巨頭均由合成染料起家，但并沒陷入同質化競爭的漩渦中。經(jīng)歷100多年的發(fā)展，拜耳、巴斯夫等企業(yè)依然能夠位列全球500強企業(yè)，是名副其實的“不死鳥”。

圖3 拜耳、巴斯夫、贏創(chuàng)企業(yè)標志

資料來源：網(wǎng)絡

（三）第三次工業(yè)革命：美國與半導體工業(yè)

第三次工業(yè)革命起始于20世紀50年，以計算機的發(fā)明、信息化和通信產(chǎn)業(yè)的變革為標志，美國是這一次革命的發(fā)起者與當之無愧的領軍者。在第三次工業(yè)革命中，科技競爭成為國家競爭的的主戰(zhàn)場，美蘇霸權的爭奪也成為了科技發(fā)展的強大動力。憑借雄厚的物質基礎、自然資源和來自全球的優(yōu)秀人才，美國在核技術、生物技術、噴氣航空技術、載人航天技術、微電子技術和信息技術等領域幾乎全面領先于世界。與上述領域相關的核工程材料、生物高分子材料、高溫合金、航空航天材料、半導體材料與信息材料等技術，更成為了美國獲得全球霸權的物質基礎。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，信息技術對經(jīng)濟活動和人類生活方式產(chǎn)生了較為深刻的影響。半導體工業(yè)已經(jīng)成為藍色星球上最為精密、產(chǎn)值最高、全球化程度最深的產(chǎn)業(yè)，半導體材料則成為了承載信息社會的重要物質基礎。

1945年，美國賓州大學研發(fā)出世界上第一臺計算機ENIAC，其重量接近30噸，占地面積接一間大教室；

1947年，貝爾實驗室的三名科學家發(fā)明了比真空管體積小、成本低、能耗少的晶體管；

1951年，IBM交付了用于美國人口普查的第一臺商用計算機；

1958年，德州儀器公司設計出基于鍺的集成電路，1959年，仙童半導體設計出基于硅的集成電路；

1964年，在仙童半導體任職的摩爾預言半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍，1975年摩爾在IEEE上提交論文，正式發(fā)表了摩爾定律（改為晶體管數(shù)量每兩年增加一倍）。

圖4摩爾定律示意圖（1971-2016年）

數(shù)據(jù)來源：Our World in Data

20世紀50年代，為改善晶體管特性、提高穩(wěn)定性，半導體材料的制備技術得到了迅速發(fā)展。但由于受間接帶隙的制約，硅材料在硅基發(fā)光器件的研究方面進展緩慢。隨著半導體超晶體格概念的提出，以及分子束外延、化學束外延等先進外延生長技術的進步，半導體物理從過去的“雜質工程”發(fā)展到“能帶工程”，為基于量子效應的新一代器件應用奠定了基礎。截至目前，半導體材料已經(jīng)發(fā)展到第三代。

圖5 半導體材料性能比較

資料來源：IITE整理

近半個世紀以來，美國企業(yè)、政府、科研機構相互攜手，主導著全球網(wǎng)絡信息技術的發(fā)展進程。在全球互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟中，無論從技術開發(fā)、商業(yè)創(chuàng)新和收益比重上看，美國無疑都位居領先地位。但應該注意的是，美國引領信息產(chǎn)業(yè)浪潮的根基，不僅在于信息與通信技術的進步，還在于半導體材料、量子物理等科學和技術的發(fā)展。半導體材料作為信息產(chǎn)業(yè)最為重要的根技術之一，正是美國保持信息產(chǎn)業(yè)霸主地位的物質源泉。

二、大國視角：新材料如何支撐國家崛起？

在三次工業(yè)革命浪潮中，英國、德國、美國相繼崛起成為世界一流強國，這都離不開新材料技術的進展和突破。以化工行業(yè)為例，西歐和美國在該行業(yè)占據(jù)著絕對領先地位（圖6），從而確定了其在塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等產(chǎn)業(yè)，以及軍事、交通運輸、農(nóng)業(yè)、電氣電子等工業(yè)領域的優(yōu)勢。二戰(zhàn)以后，日本和韓國依靠資本引進、技術引進、發(fā)展外向型經(jīng)濟等手段，成功實現(xiàn)了經(jīng)濟騰飛與國家崛起，也奠定了在納米材料、電子信息材料、顯示材料和存儲材料等領域的優(yōu)勢地位。

圖6 2016年全球化工50強地域分布

資料來源：Chemical & Engineering News

（一）美國——全面開花的新材料產(chǎn)業(yè)

目前，國際上新材料領域全面領先的仍然是美國。在第二、三次工業(yè)革命浪潮中，美國依靠強大的經(jīng)濟與科技實力，在化工材料、陶瓷材料、信息材料、生物材料等領域全面開花，持續(xù)引領著材料科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

冷戰(zhàn)時期（1947-1991年），美國為壓制蘇聯(lián)，科研方向主要向國防軍事領域傾斜。與國防密切相關的航空航天、計算機與信息技術、生物工程等領域，成為美國引領全球科技發(fā)展的著力點，并直接帶動了美國電子信息材料、空間材料、化工新材料的迅速發(fā)展。在此期間，美國興起并引領了第三次工業(yè)革命的浪潮，半導體、生物制藥等新興產(chǎn)業(yè)相繼爆發(fā)，新材料技術的發(fā)展不僅豐富了人類的物質世界，同時還推動了社會組織形式與信息交流方式的變革。

冷戰(zhàn)結束后（1991-現(xiàn)在），受到日本與歐盟在科技領域的強勢挑戰(zhàn)，美國將科技政策轉為軍民融合，并先后出臺了一系列與新材料發(fā)展有關的政策（圖7）。1991年，美國政府發(fā)表第一份國家關鍵技術報告，提出了對國家經(jīng)濟繁榮和國家安全至關重要的 6個領域，其中新材料位于 6大領域之首。

圖7 美國新材料政策

數(shù)據(jù)來源：賽迪智庫原材料工業(yè)研究所

克林頓時期，美國政府出臺《技術促進美國經(jīng)濟增長 ：建設經(jīng)濟實力的新方向》政策報告，旨在振興美國制造業(yè)。在此框架下，美國先后發(fā)布《未來工業(yè)材料計劃》、《國家納米技術計劃》等一系列重大科技創(chuàng)新計劃?？肆诸D時期，美國新材料技術不斷取得新突破，在空間材料、超導材料、生物材料、能源材料等領域全球領先。

小布什時期，美國因“911事件”再次將科技研發(fā)重點轉向國防。在此期間，美國在新材料領域僅發(fā)布了《國家半導體照明研究計劃》、《21世紀納米技術研究開發(fā)法案》、《國家氫燃料研究計劃》，將把半導體技術、納米技術和氫能源等作為研發(fā)重點領域。

奧巴馬時期，受2008年金融危機的影響，美國加大技術研發(fā)投入，以重塑制造業(yè)競爭優(yōu)勢、加速新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國政府加強基礎性和前沿性技術研究，大力發(fā)展可再生能源，積極推進生物技術研究，保持美國在空間領域的優(yōu)勢地位，振興鋼鐵工業(yè)，推廣新能源汽車，培育納米技術產(chǎn)業(yè)。

圖8 2016年全球新材料企業(yè)100強（部分）

數(shù)據(jù)來源：新材料在線

經(jīng)過第二、三次工業(yè)革命的洗禮，美國誕生了一大批新材料產(chǎn)業(yè)的巨頭，如化工行業(yè)的宣偉、PPG、陶氏、?？松梨?，納米與半導體行業(yè)的應用材料、德州儀器、英特爾，以及航空航天行業(yè)的通用電氣、波音等。目前，美國依然擁有全球最大體量的經(jīng)濟，最龐大的科技人才團體，最具創(chuàng)新活力的企業(yè)與產(chǎn)業(yè)集群。在可預見的未來，美國將依然是新材料行業(yè)的執(zhí)牛耳者。

（二）日本——半導體產(chǎn)業(yè)的崛起

朝鮮戰(zhàn)爭期間，美國巨大的軍用產(chǎn)品需求，使日本快速擺脫了經(jīng)濟泥淖，走上快速發(fā)展的道路。在美國資本與技術轉移的背景下，日本通產(chǎn)?。∕ITI）推進“重化工”發(fā)展戰(zhàn)略，開始大力投資基礎工業(yè)。日本全面發(fā)展電力、鋼鐵、化工、機械等產(chǎn)業(yè)，迅速形成了完整工業(yè)體系。高性能鋼鐵、化工材料等技術的不斷進步，成為了日本今后經(jīng)濟騰飛的物質基礎。20世紀70年代，日本產(chǎn)的汽車、輪船、家電、鐘表等產(chǎn)品已經(jīng)橫掃全球市場。

由于信息和通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，半導體這一高價值的尖端產(chǎn)業(yè)已成為科技大國的必爭之地，半導體材料的基礎性、支撐性作用也就愈發(fā)凸顯。早在20世紀70年代，全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的絕大部分位于美國。例如，英特爾第一代微處理器于1971年在美國硅谷誕生，蘋果公司第一臺民用計算機于1976年在美國啟用。據(jù)1975年統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，全球前十的半導體制造商全部為美國企業(yè)。20世紀80年代，日本半導體制造商采取基于DRAM的IDM商業(yè)模式，在全球半導體市場獲得了領先地位，在政策扶持下日本半導體材料企業(yè)實現(xiàn)后發(fā)先至，半導體工業(yè)逐漸向亞洲轉移。

為擺脫半導體技術依附于歐美的弱勢局面，日本通產(chǎn)?。ìF(xiàn)為經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省）發(fā)揮了強大的政策引導作用。

1957年，通產(chǎn)省制定實施《電子工業(yè)振興臨時措施法》，有效奠定了日本企業(yè)學習美國先進技術的基礎；

1971年，通產(chǎn)省制定《特定電子工業(yè)及特定機械工業(yè)振興臨時措施法》，進一步秉承了“電振法”的宗旨，強化了發(fā)展以半導體為代表的電子產(chǎn)業(yè)的力度，成功地幫助日本企業(yè)通過加強自身研發(fā)、生產(chǎn)能力，有效地抵御了歐美半導體廠商的沖擊；

1978年，通產(chǎn)省制定《特定機械情報產(chǎn)業(yè)振興臨時措施法》，進一步穩(wěn)固了日本半導體產(chǎn)業(yè)的地位。

20世紀80年代，日本憑借雄厚的經(jīng)濟基礎，傾力發(fā)展半導體工業(yè)，塑造了眾多知名消費電子品牌。受益于全球PC需求的快速增長，以及存儲器市場的快速擴張，日本正式成為全球半導體市場和技術中心。截至1988年，全球前二十大半導體制造商中日本企業(yè)占有11席。

圖9 1988年全球半導體企業(yè)營收排行榜

數(shù)據(jù)來源：IHS

20世紀90年代后，日本通產(chǎn)省在產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的判斷上存在重大失誤，加之廣場協(xié)定和金融泡沫的破裂，日本在消費電子領域迎來了“失去的二十年”，日本半導體行業(yè)失去了往日的榮光，逐漸被韓國和***的企業(yè)所蠶食。盡管如此，日本新材料龍頭企業(yè)在半導體材料領域技術制高點持續(xù)布局，經(jīng)過近40年的潛心研發(fā)和精準的全球范圍市場布局，截至2014年日本在全球半導體材料市場份額中占比超過60%，依然掌握著半導體行業(yè)的命脈與高額利潤。

（三）韓國——經(jīng)濟騰飛背后的新材料產(chǎn)業(yè)

韓國是二戰(zhàn)以后，唯一一個由農(nóng)業(yè)國家成功轉型成為發(fā)達工業(yè)國家的大國（人口超過5000萬）。韓國經(jīng)濟騰飛的速度被譽為“江漢奇跡”，成為后發(fā)國家彎道超車的典范。從韓國崛起路徑看，“強人政治+勞動密集型產(chǎn)業(yè)+美日資本+越戰(zhàn)”等因素成為韓國經(jīng)濟發(fā)展的關鍵動力，韓國的科技發(fā)展也離不開國家意志。

半導體工業(yè)是韓國產(chǎn)業(yè)升級成功的典型代表之一。韓國半導體行業(yè)起源于產(chǎn)業(yè)鏈中低附加值的勞動密集型工序，經(jīng)過十多年的發(fā)展，韓國逐步進入產(chǎn)業(yè)鏈的高端，并且在全球半導體行業(yè)中的 DRAM 和閃存研發(fā)和生產(chǎn)方面取得了領先地位。特別是在下游存儲器領域，韓國的三星電子和 SK 海力士兩大公司幾乎壟斷全球三分之二的市場份額。

圖10 全球DRAM市場占有率

數(shù)據(jù)來源：國海證券研究所

1983年，三星電子決定對內存芯片生產(chǎn)進行大規(guī)模投資，并成功研發(fā)了64K DRAM；

1985年，三星電子成功開發(fā)了1M DRAM，并取得了英特爾“微處理器技術”的許可協(xié)議；

1988年，韓國電子通信研究院聯(lián)合三星、LG、現(xiàn)代和韓國六所大學成功攻關4M DRAM；

1993年，三星電子排名大躍進,首次進入全球前十大半導體廠商，開始挑戰(zhàn)日本半導體公司在DRAM的地位；

2001年，已經(jīng)收購了LG半導體的Hyundai，正式從現(xiàn)代集團分離出來并改名為Hynix（海力士）成為，DRAM領域的一個強有力爭奪者。

圖11 韓國半導體材料企業(yè)

資料來源：國海證券研究所

依托于下游強勢的存儲器行業(yè)，韓國半導體產(chǎn)業(yè)集群效應明顯，誕生了一大批半導體材料企業(yè)（圖11）。韓國的半導體產(chǎn)業(yè)從設計、制造、封測一直到設備和材料都具有相當?shù)膶嵙?。與半導體行業(yè)類似，液晶技術由美國人發(fā)明，日本實現(xiàn)技術突破并將液晶技術廣泛推廣，韓國則通過技術轉讓、“逆周期投資”等模式實現(xiàn)反超。目前，韓國LCD和OLED材料供應商以三星和LG（圖12）為主，其中OLED材料在世界占據(jù)領先地位。

圖12 LG化學業(yè)務

資料來源：國海證券研究所

三、未來展望：新材料技術關系人類命運？

當前，世界正面臨著種類繁多的全球性問題。一是人口問題，人口增長過快給環(huán)境帶來嚴重負荷，同時老齡化問題嚴重過給醫(yī)療、社會服務帶來嚴峻挑戰(zhàn)；二是環(huán)境問題，全球氣候變暖、生物多樣性銳減、土地荒漠化、海洋污染等問題給人類可持續(xù)循環(huán)帶來壓力；三是資源問題，水資源、土地資源的退化問題嚴重，將成為未來人類面臨的最為嚴峻的挑戰(zhàn)之一。

與此同時，新材料、新能源、生物醫(yī)藥等科學也在加速進步中，未來或有望幫助人類戰(zhàn)勝上述全球性問題。隨著生物醫(yī)用材料、信息材料、新能源材料等新材料的持續(xù)開發(fā)，以及人工智能和量子計算在新材料研發(fā)中的加速應用，材料與物理、化學、生物、信息、數(shù)學等多學科交叉融合的現(xiàn)象進一步升級，多學科交叉在新材料創(chuàng)新中的作用進一步凸顯。新材料技術在全球經(jīng)濟發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級變革中的支撐性、引領性作用不斷加強，新材料技術成為世界科技強國角逐的重點，也成為了破解全球性問題的關鍵所在。

作為信息產(chǎn)業(yè)、新能源、環(huán)保、生物醫(yī)藥的底層技術（或根技術），新材料技術的支撐性、先導性作用愈發(fā)凸顯。從微觀看，新材料技術關系到每個人的生存（醫(yī)療、環(huán)境）；從介觀看，新材料技術關系到國家經(jīng)濟發(fā)展（產(chǎn)業(yè)升級）；從宏觀看，新材料技術則關系到人類生存與可持續(xù)發(fā)展。新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展賦予了政府、企業(yè)、研究機構、資本界更多機遇，也理應受到人們更多重視。