【鮮度】美歐促進新材料轉化應用的主要做法

本文轉載自：藍海星智庫，文：方楠

現代武器裝備及其他先進位造業的發展對新材料的依賴性越來越高，先進材料研發和應用的任務越來越重。新材料大範圍推廣並對經濟建設形成支撐的前提是做到材料的產業化。但新材料從實驗室製備到實現產業化之間往往存在「死亡之谷」，需要較長周期和大量資金投入才能跨越。「死亡之谷」的存在導致一些新材料研發出來后無法實現應用而被擱置。在這一問題上，美歐通過大力推動計算材料學的應用以及加快試驗驗證等方法促進新材料的轉化應用。

一、新材料工程化、產業化緩慢是一個普遍性問題

新材料的工程化即生產工藝穩定，達到批量生產、測試數據齊全，可供設計人員選用。新材料從基礎科研到工程化一般需經過技術開發、演示驗證、小批量製造三個階段，該過程重在提高技術成熟度，滿足武器裝備性能要求。從工程化到產業化階段，要充分考慮市場價格、資源情況、生產成本和環境保護等諸多社會經濟問題，關鍵是製造成熟度的提升。

新材料的工程化應用已成為制約國防建設和高端產業發展的普遍性問題。美國「材料基因組計劃」指出，一種新材料從研發到應用周期往往長達10～20年。美國國防先期研究計劃局（DARPA）稱，新材料通常需要10年以上時間才能用到實戰裝備上。2015年，歐洲材料和科學工程專家委員會（MatSEEC）發布了《歐洲材料科學與工程知識和技術轉化》工作組報告，認為歐洲在新材料技術開發到概念驗證階段領先於美國或亞洲，但在隨後的原理樣機和製造等工程化應用階段處於劣勢。

《歐洲材料科學與工程知識和技術轉化》報告

究其原因主要有兩個：一是新材料發明、開發和轉化過程的複雜性。美國國家研究委員會（NRC）認為，在新材料轉化應用過程中，學術界、政府和企業研發部門主導概念設計和技術開發，工業界負責系統開發、演示驗證和生產，軍方負責使用、作戰和保障，只有三者有效合作，才能促成技術轉化；二是試驗驗證和試點生產能力不足。MatSEEC分析歐洲新材料工程化緩慢時指出，歐洲在「死亡之谷」問題上的嚴峻性要高於其他工業國家，雖然在概念驗證、演示驗證和專利申請階段佔據領先地位，但在原理樣機、初期製造階段卻明顯落後。

二、美國主要通過三種方式加速新材料技術轉化

1.面向用戶需求開展新材料設計研發和工程化應用

充分理解用戶所需的性能可顯著加速新材料的發現和技術轉化。以DARPA為例，其材料研究突破了基礎研究到應用研究再到器件開發的傳統模式，以結果為出發點，根據性能需求進行反向設計，確保研發設計和工程應用保持全程統一。2014年，DARPA宣布啟動「面向平台的材料開發」（MDP）項目，聚焦具有明確平台裝備應用背景的材料快速開發工作，旨在將材料開發周期壓縮75%以上（即從原來的10年及以上壓縮到2.5年左右）。

2.充分利用計算材料學加速新材料設計和驗證

計算材料學早期主要用於傳統材料模型的驗證，本世紀初美國開始將其用於新材料的設計、優化和模擬實驗。2001年DARPA啟動「加速材料應用」（AIM）項目，資助通用電氣公司、普惠公司和波音公司開發新的計算模型和工具，用於快速且經濟地開發新材料與工藝。利用該項目的成果，通用電氣公司將輪盤合金材料開發周期減少一半。同時，AIM項目也為「材料基因組計劃」打下了基礎。基於大量前期研究中計算材料學展現出的巨大應用潛力，NRC建議科學與技術政策辦公室領導開展一個國家層面的、多部門參與的計算材料工程計劃，解決方法和工具、資料庫、基礎設施三個方面的問題。2012年美國政府正式啟動「材料基因組計劃」，研究主要集中在計算材料學、可共享的材料資料庫兩個方面，計算材料學是核心。計劃旨在通過研究材料的基本組成來預測材料性能，使新材料研發模式由「試湊法」向主動設計轉變，加快新材料的開發和工程化速度，使研發周期由目前10～20年縮短到5～10年。

3.通過第三方中介促進新材料從實驗室走向工業界

聯邦實驗室負責人與第三方中介簽署協議，促進實驗室與小企業或科研院所的合作。1999年，國防部建立了其第一個新技術轉化中介機構——Defense TechLink，旨在促進整個國防實驗室系統研發的技術向工業界轉化。DefenseTechLink主要工作包括：審查國防部發布的所有專利；從技術成熟度、技術創新性、專利許可程度、商業化可行性等方面考慮，選擇一些技術進行產業化；根據前期研究直接與企業簽署合同，參與有顯著前景的技術的轉化；幫助企業評估技術的潛在應用價值；協助國防實驗室與企業簽署合作研發協議。

三、歐洲主要通過促進技術驗證和試點生產加速技術轉化

1.通過加強學術界與工業界合作突破關鍵技術

一是通過非營利科研機構（RTOs），如荷蘭應用科學研究組織（TNO）、德國弗勞恩霍夫協會（Fraunhofer）等，在基礎研發部門和企業之間建立橋樑，實現技術驗證和原理樣機開發等工程化應用；二是加強學術界和工業界間的信息交流。科研人員積极參加工業界會議了解工業需求，工程技術人員參加學術論壇獲得啟發；三是開展合作示範。歐盟開展了多領域關鍵使能技術試點示範項目（MKET）,學術界和工業界都參與其中，研發從原理樣機到商業化製造的關鍵技術。

2.依託大學建立初創企業促進新技術直接轉化

MatSEEC認為，孵化初創企業是將新材料從學術界成功轉化到工業界最直接有效的方式之一。根據一份對瑞典隆德大學、英國牛津大學、德國卡爾斯魯厄理工學院、瑞士洛桑聯邦理工大學進行的調查報告，這些大學都設立了轉化辦公室，以推動建立依託單項技術的初創企業。數據顯示，每所學校每年平均建立8-12個初創企業，其中80%在5-10年後仍然運行。

3.建設歐洲技術設施網路提升技術驗證能力

加工是材料領域實現創新應用和製造原理樣機的關鍵之一。當前，歐洲擁有用於材料領域基礎研究的設備，而缺少專用於工藝分析或優化的大型設備。為此，歐洲正致力於通過公私合作（PPP）方式構建由不同的設施組成的歐洲技術設施網路，為學術界和工業界提供廣泛服務，保證歐洲在基礎研究和技術驗證都處於領先。

四、結語

武器裝備的發展正處在加速創新階段，對武器裝備性能提出更高的要求。一代材料支撐一代裝備的發展，加速新材料應用的需求十分迫切。目前國內新材料科研能力較強，論文數量世界領先，但工程化、產業化進程緩慢且存在諸多問題。一是相應資料庫、檢測、標準及應用驗證體系支撐不足；二是許多新材料產業先進裝備的研發和生產能力十分薄弱，大量關鍵設備和檢測儀器依賴國外進口；三是生產過程中存在資源利用率低、能耗高及環境污染嚴重等問題。

上述問題嚴重製約了高端功能材料產業的發展，制約了新材料自主設計研發到產業化的形成。為此，應加快材料資料庫建設的步伐，實現學術界和工業界的數據共享；拓展計算材料學在材料研發和試驗驗證上的應用範圍；提高演示驗證體系的重視程度，加快建立新材料行業的性能和工藝標準規範；集中攻關關鍵設備研製提升生產能力，優化生產過程實現綠色高效。

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