美欧促进新材料转化应用的主要做法

本文由蓝海星智库（ID:SICC_LHX）授权转载，作者：方楠

现代武器装备及其他先进制造业的发展对新材料的依赖性越来越高，先进材料研发和应用的任务越来越重。新材料大范围推广并对经济建设形成支撑的前提是做到材料的产业化。但新材料从实验室制备到实现产业化之间往往存在“死亡之谷”，需要较长周期和大量资金投入才能跨越。“死亡之谷”的存在导致一些新材料研发出来后无法实现应用而被搁置。在这一问题上，美欧通过大力推动计算材料学的应用以及加快试验验证等方法促进新材料的转化应用。

一、新材料工程化、产业化缓慢是一个普遍性问题

新材料的工程化即生产工艺稳定，达到批量生产、测试数据齐全，可供设计人员选用。新材料从基础科研到工程化一般需经过技术开发、演示验证、小批量制造三个阶段，该过程重在提高技术成熟度，满足武器装备性能要求。从工程化到产业化阶段，要充分考虑市场价格、资源情况、生产成本和环境保护等诸多社会经济问题，关键是制造成熟度的提升。

新材料的工程化应用已成为制约国防建设和高端产业发展的普遍性问题。美国“材料基因组计划”指出，一种新材料从研发到应用周期往往长达10～20年。美国国防先期研究计划局（DARPA）称，新材料通常需要10年以上时间才能用到实战装备上。2015年，欧洲材料和科学工程专家委员会（MatSEEC）发布了《欧洲材料科学与工程知识和技术转化》工作组报告，认为欧洲在新材料技术开发到概念验证阶段领先于美国或亚洲，但在随后的原理样机和制造等工程化应用阶段处于劣势。

 《欧洲材料科学与工程知识和技术转化》报告

究其原因主要有两个：一是新材料发明、开发和转化过程的复杂性。美国国家研究委员会（NRC）认为，在新材料转化应用过程中，学术界、政府和企业研发部门主导概念设计和技术开发，工业界负责系统开发、演示验证和生产，军方负责使用、作战和保障，只有三者有效合作，才能促成技术转化；二是试验验证和试点生产能力不足。MatSEEC分析欧洲新材料工程化缓慢时指出，欧洲在“死亡之谷”问题上的严峻性要高于其他工业国家，虽然在概念验证、演示验证和专利申请阶段占据领先地位，但在原理样机、初期制造阶段却明显落后。

二、美国主要通过三种方式加速新材料技术转化

1.面向用户需求开展新材料设计研发和工程化应用

充分理解用户所需的性能可显著加速新材料的发现和技术转化。以DARPA为例，其材料研究突破了基础研究到应用研究再到器件开发的传统模式，以结果为出发点，根据性能需求进行反向设计，确保研发设计和工程应用保持全程统一。2014年，DARPA宣布启动“面向平台的材料开发”（MDP）项目，聚焦具有明确平台装备应用背景的材料快速开发工作，旨在将材料开发周期压缩75%以上（即从原来的10年及以上压缩到2.5年左右）。

2.充分利用计算材料学加速新材料设计和验证

计算材料学早期主要用于传统材料模型的验证，本世纪初美国开始将其用于新材料的设计、优化和模拟实验。2001年DARPA启动“加速材料应用”（AIM）项目，资助通用电气公司、普惠公司和波音公司开发新的计算模型和工具，用于快速且经济地开发新材料与工艺。利用该项目的成果，通用电气公司将轮盘合金材料开发周期减少一半。同时，AIM项目也为“材料基因组计划”打下了基础。基于大量前期研究中计算材料学展现出的巨大应用潜力，NRC建议科学与技术政策办公室领导开展一个国家层面的、多部门参与的计算材料工程计划，解决方法和工具、数据库、基础设施三个方面的问题。2012年美国政府正式启动“材料基因组计划”，研究主要集中在计算材料学、可共享的材料数据库两个方面，计算材料学是核心。计划旨在通过研究材料的基本组成来预测材料性能，使新材料研发模式由“试凑法”向主动设计转变，加快新材料的开发和工程化速度，使研发周期由目前10～20年缩短到5～10年。

3.通过第三方中介促进新材料从实验室走向工业界

联邦实验室负责人与第三方中介签署协议，促进实验室与小企业或科研院所的合作。1999年，国防部建立了其第一个新技术转化中介机构——Defense TechLink，旨在促进整个国防实验室系统研发的技术向工业界转化。DefenseTechLink主要工作包括：审查国防部发布的所有专利；从技术成熟度、技术创新性、专利许可程度、商业化可行性等方面考虑，选择一些技术进行产业化；根据前期研究直接与企业签署合同，参与有显著前景的技术的转化；帮助企业评估技术的潜在应用价值；协助国防实验室与企业签署合作研发协议。

三、欧洲主要通过促进技术验证和试点生产加速技术转化

1.通过加强学术界与工业界合作突破关键技术

一是通过非营利科研机构（RTOs），如荷兰应用科学研究组织（TNO）、德国弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer）等，在基础研发部门和企业之间建立桥梁，实现技术验证和原理样机开发等工程化应用；二是加强学术界和工业界间的信息交流。科研人员积极参加工业界会议了解工业需求，工程技术人员参加学术论坛获得启发；三是开展合作示范。欧盟开展了多领域关键使能技术试点示范项目（MKET）,学术界和工业界都参与其中，研发从原理样机到商业化制造的关键技术。

2.依托大学建立初创企业促进新技术直接转化

MatSEEC认为，孵化初创企业是将新材料从学术界成功转化到工业界最直接有效的方式之一。根据一份对瑞典隆德大学、英国牛津大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院、瑞士洛桑联邦理工大学进行的调查报告，这些大学都设立了转化办公室，以推动建立依托单项技术的初创企业。数据显示，每所学校每年平均建立8-12个初创企业，其中80%在5-10年后仍然运行。

3.建设欧洲技术设施网络提升技术验证能力

加工是材料领域实现创新应用和制造原理样机的关键之一。当前，欧洲拥有用于材料领域基础研究的设备，而缺少专用于工艺分析或优化的大型设备。为此，欧洲正致力于通过公私合作（PPP）方式构建由不同的设施组成的欧洲技术设施网络，为学术界和工业界提供广泛服务，保证欧洲在基础研究和技术验证都处于领先。

四、结语

我国武器装备的发展正处在加速创新阶段，对武器装备性能提出更高的要求。一代材料支撑一代装备的发展，加速新材料应用的需求十分迫切。目前国内新材料科研能力较强，论文数量世界领先，但工程化、产业化进程缓慢且存在诸多问题。一是相应数据库、检测、标准及应用验证体系支撑不足；二是许多新材料产业先进装备的研发和生产能力十分薄弱，大量关键设备和检测仪器依赖国外进口；三是生产过程中存在资源利用率低、能耗高及环境污染严重等问题。

上述问题严重制约了高端功能材料产业的发展，制约了新材料自主设计研发到产业化的形成。为此，应加快材料数据库建设的步伐，实现学术界和工业界的数据共享；拓展计算材料学在材料研发和试验验证上的应用范围；提高演示验证体系的重视程度，加快建立新材料行业的性能和工艺标准规范；集中攻关关键设备研制提升生产能力，优化生产过程实现绿色高效。

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