从火箭表面的隔热瓦到托卡马克装置的聚变腔，材料的突破奏响着科技飞跃的序曲。可以说，材料是“科学”向“科技”转化的最核心一环。21世纪前20年，材料科学的蓬勃发展，有力支撑了世界高新科技和经济社会的不断进步。“十四五”(2021-2025 年)是中国先进材料产业发展进入从规模增长向质量提升的重要窗口期，也是重要历史机遇期。作为工业门类最为齐全的城市之一，常州在先进材料领域更应步履不停、争先进位，瞄准新材料产业发展潜力，大胆布局发力，向“新”而行。鉴于此，我们对先进材料行业进行系统梳理，摸排先进材料全貌，发掘产业链机会，为常州先进材料产业投资增添新动能。
01先进材料释义
先进材料被称为“发明之母”和“产业粮食”，是高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛。（一）主要内涵材料是一个非常宽泛的概念，涵盖了我们所使用的所有物质。而先进材料，是指那些具有新颖性、创新性或良好应用前景的材料，它们通常具有高性能、高效率、环保等特点，广泛应用于各个领域。需要注意的是，“先进”是一个相对概念，它会随着时间和技术的发展而变化。例如，光伏产业在过去被视为高科技产业，而现在则被视为传统制造业的一部分。先进材料的开发主要包括两条路径：一是对传统材料的改进，二是开发全新的材料。传统材料通过科学家的不断改进，也会在某个特定领域展现出新的生命力。而全新的材料，如石墨烯或碳纳米管，则是科学家在研究过程中发现并创造的。与传统材料相比，先进材料产业具有技术高度密集、研究与开发投入高、产品的附加值高、生产与市场的国际性强、以及应用范围广、发展前景好等特点，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济，社会发展，科技进步和国防实力的重要标志。（二）发展重点领域根据“中国制造2025”和“十四五规划”等文件，我国将重点发展三大类新型先进材料，即先进基础材料、关键战略材料和前沿新型材料。2023年12月，工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2024年版）》文件中，也明确提出了先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料等三大类共299种新材料产品。这种分类方式并不是依据材料的化学属性，而是根据材料的功能和性能划分不同板块，并赋予其不同的战略定位。无论是金属、陶瓷还是高分子材料，关键在于它们在特定领域内的作用和潜在的应用前景。
图1：先进材料发展规划（资料来源：中国制造2025）
1、先进基础材料
先进基础材料是指在传统基础材料的基础上，通过改善组成、结构或工艺等方式，使其具有更好的性能或功能的新型基础材料，其发展是以支撑传统产业高质量发展为主攻方向。一方面，以“精品制造”为切入点，开展材料升级换代，拓展高端应用领域，不断从中低端产品制造向中高端产品制造、从价值链中低端向中高端方向升级；另一方面，加快数字化、清洁化、先进适用技术应用，优化工艺流程，提升产品质量稳定性、性能可靠性和品种适用性，实现高端化、智能化、绿色化发展。2、关键战略材料关键战略材料是指对国家经济发展和国家安全具有重要意义，但又存在供应不足或依赖进口的新型材料，其发展是以支撑战略性新兴产业健康发展、保障核心产业安全为主攻方向。面向新一代信息技术产业、高端装备制造业、航空航天、交通运输、新能源、生命健康等重点领域，开展关键核心技术攻关，完善产业链配套，努力实现重点领域短板材料的产业化和规模化应用，不断满足国家重大战略及我省经济高质量发展的需求。3、前沿新型材料前沿新型材料是指在科学技术发展的前沿领域涌现出的具有革命性创新潜力的新型材料，其发展是以构筑未来竞争新优势为主攻方向。面向国际科技前沿，把握未来产业发展趋势，加强基础研究和知识产权布局，培育一批变革性材料，打造有望引领未来发展的新产品，支撑未来产业发展。（三）产业链概况在先进材料产业链中，上游主要是基础原材料，包括矿产、石油化工产品、植物提取物等，以及各种成型和加工设备。中游环节负责材料的制造，如石墨烯、超导材料、纳米材料等。下游即广泛的应用领域，包括电子信息、新能源汽车、节能环保、医疗器械、航空航天、纺织机械、建筑化工、家电行业等行业。
图2：先进材料产业链图谱（资料来源：公开资料整理）
先进材料的结构和功能呈现出结构功能一体化、材料器件一体化、纳米化、复合化、绿色化的特点，其作用在高马赫数飞行器、微纳机电系统、新医药、高级化妆品和新能源电池方面发挥得淋漓尽致。就材料的制造来看，不同类型的材料具有各自独特的技术开发和制造方法，这让材料产业呈现多样化、碎片化特征。另一方面，先进材料的应用通常是跨领域的，也使其成为了一个横向集成的概念。例如，某些有机材料可能在医药、国防、新能源车辆等多个行业中发挥作用。因此，先进材料产业不仅横向扩展，而且纵向深入，涵盖了从基础原料到最终产品的广泛领域。我国先进材料产业已形成集群式的发展模式，形成以环渤海、长三角、珠三角为重点，东北、中西部特色突出的产业集群分布。图3：先进材料产业区域发展格局（资料来源：招商引资实战平台）各区域材料产业的发展和空间分布都各有优势、各具特点。环渤海地区技术创新推动最为明显，得益于拥有多家大型企业总部和重点科研院校；长三角地区工业基础雄厚、交通物流便利、产业配套齐全，是我国新材料产业基地数量最多的地区，也是先进材料产品的重要消费市场；珠三角地区的先进材料产业以外向出口型为主，技术创新型中小企业占主导地位。
02 先进材料发展的内生动力
伴随着全球气候变化带来的风险日趋紧迫、新一轮技术革命带来的制造业升级压力空前巨大、世界政治格局发生深刻变化等因素，关键材料的快速迭代正日渐成为国家间的竞争的角力场，新材料研发模式本身也亟待变革。（一）全球气候变化近年来，全球气候变化造成的影响已经涉及人类生活的方方面面，能源清洁、低碳化趋势日益成为各国发展战略的核心议题，我国将生态文明建设作为“五位一体”总体布局的重要组成部分。在环境保护重要性和紧迫性双重要求下，新能源材料推广、废弃物回收和高污染产业替代3个方面成为材料领域利用科技的力量来维系可持续发展的切入点。
图4：气候变化威胁生态环境（资料来源：网络）
1、新能源推广新能源材料推广是指发展环境友好的新能源材料，其实质是通过环境友好的方式完成能量捕获、能量存储和能量使用过程。例如利用高性能永磁体材料和具有高光电转化效率的光伏材料拓展人类从自然界捕获能量的渠道和效率。2、废弃物回收废弃物回收是指在工业生产过程中所产生的大量废气、废水和固态废弃物需要在减量化、资源化、无害化的原则下进行处理。例如，利用耐腐蚀材料延长各类工业产品的使用寿命；利用光催化方法并辅以金属有机骨架化合物（MOFs）和共价有机骨架化合物（COFs）材料的超高比表面积，实现对废气和废水的高效降解或无害化处理；实现废弃物回收再利用。
图5：光催化剂空心结构提高材料对光的吸收与利用（资料来源：Design of Heterostructured Hollow Photocatalysts for Solar-to-Chemical Energy Conversion）
3、高污染替代高污染替代是指对现有材料生产方式进行改进，替代高污染、高耗能的生产方式，简化生产工艺，也是材料科学可以发挥作用的一大领域。目前世界各国都在积极探索能源环保材料领域的科技突破，纷纷取得了不少新成果，持续推动着材料科学的快速发展。
表1：世界能源环保材料科研成果示例（资料来源：科技日报国际部）
（二）制造业产业升级当下，全球正处于在新的产业革命时代，正经历着百年未有之大变局，着力提升国家制造业基础是提升综合国力的重要支点。我国是全球制造业第一大国，也是唯一拥有完整产业链的国家，全球制造业发展与我国发展息息相关。近年来，我国制造业产业升级、结构改革的步伐不断加快，作为制造业发展关键基础和瓶颈的材料科学发展容不得半点松懈，不仅要在现有产业角度实现材料创新替代、降本增效，还应当发挥材料科学这一基础科学的创新源头作用，加强前瞻性基础研究与应用创新，改变我国材料工业和制造业现有的“大而不强”局面，提高我国高端制造业的国际市场占比。（三）国家安全国家安全是国民经济和民生稳步发展的重要前提。材料科学的发展与国防安全、社会安全和科技安全密切相关。1、国防安全为了保障国防安全，需要开展包括隐身材料、超材料、轻质合金材料等诸多材料体系的关键技术攻关，实现关键国防安全材料自主可控，包括军用金属材料等常规军用材料、用于电磁轨道炮和新型无人作战系统等新军事战略需求的新型军用材料，积极发展军民共用特种新材料，促进新材料产业军民融合发展。
图6：中国首款全复材多用途无人机——“翼龙”I-D无人机（资料来源：网络）
2、产业安全我国实施制造强国战略是实现国家产业安全的重要布局，也是保障社会安全的关键屏障。关键产业安全材料主要指与国计民生密切相关的产业中的相关材料，涵盖航天装备、通信装备、家用电器等等产业。掌握国家基础工业、基本民生和关键领域相关材料的关键技术，可以确保我国在全球格局发生深刻变革的过程中依旧保持稳定且自主发展。3、科技安全
在世界百年未有之大变局中，材料科学在核聚变反应堆材料、高能激光材料、先进通讯材料和航天材料等关键前沿领域的持续发展是保障国家科技安全的重要抓手之一。
03 材料基因工程
目前来看，材料设计主要是依赖于经验的传统“炒菜式”试错型摸索，这种方式存在研发周期长、投入大的问题。按需设计材料、实现材料研发过程“周期减半、成本减半”是材料研发模式变革目标，材料基因工程应运而生。
图7：多层材料设计和高通量集成计算（资料来源：武汉工程大学光电与新能源材料研究所）
其基本理念在于通过高通量自动流程计算，探索物质或材料最底层要素及其协同调控物性的机制或规律，进行高通量集成计算与多层次材料设计，开展高通量材料组合设计实验，以及基于高通量计算与实验构建材料设计数据库及信息数据库。
材料发展历程是人类社会文明进步的标志，其作用远不止以上讨论的几个方向。材料发展既要着眼于未来，又需解决当前国家重大需求的现实问题；既需要建立快速、低耗、创新发展的科学基础，又必须解决我国高端制造业所需关键材料长期依靠进口的严峻状态。
01先进材料释义
先进材料被称为“发明之母”和“产业粮食”，是高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛。（一）主要内涵材料是一个非常宽泛的概念，涵盖了我们所使用的所有物质。而先进材料，是指那些具有新颖性、创新性或良好应用前景的材料，它们通常具有高性能、高效率、环保等特点，广泛应用于各个领域。需要注意的是，“先进”是一个相对概念，它会随着时间和技术的发展而变化。例如，光伏产业在过去被视为高科技产业，而现在则被视为传统制造业的一部分。先进材料的开发主要包括两条路径：一是对传统材料的改进，二是开发全新的材料。传统材料通过科学家的不断改进，也会在某个特定领域展现出新的生命力。而全新的材料，如石墨烯或碳纳米管，则是科学家在研究过程中发现并创造的。与传统材料相比，先进材料产业具有技术高度密集、研究与开发投入高、产品的附加值高、生产与市场的国际性强、以及应用范围广、发展前景好等特点，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济，社会发展，科技进步和国防实力的重要标志。（二）发展重点领域根据“中国制造2025”和“十四五规划”等文件，我国将重点发展三大类新型先进材料，即先进基础材料、关键战略材料和前沿新型材料。2023年12月，工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录（2024年版）》文件中，也明确提出了先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料等三大类共299种新材料产品。这种分类方式并不是依据材料的化学属性，而是根据材料的功能和性能划分不同板块，并赋予其不同的战略定位。无论是金属、陶瓷还是高分子材料，关键在于它们在特定领域内的作用和潜在的应用前景。
图1：先进材料发展规划（资料来源：中国制造2025）
1、先进基础材料
先进基础材料是指在传统基础材料的基础上，通过改善组成、结构或工艺等方式，使其具有更好的性能或功能的新型基础材料，其发展是以支撑传统产业高质量发展为主攻方向。一方面，以“精品制造”为切入点，开展材料升级换代，拓展高端应用领域，不断从中低端产品制造向中高端产品制造、从价值链中低端向中高端方向升级；另一方面，加快数字化、清洁化、先进适用技术应用，优化工艺流程，提升产品质量稳定性、性能可靠性和品种适用性，实现高端化、智能化、绿色化发展。2、关键战略材料关键战略材料是指对国家经济发展和国家安全具有重要意义，但又存在供应不足或依赖进口的新型材料，其发展是以支撑战略性新兴产业健康发展、保障核心产业安全为主攻方向。面向新一代信息技术产业、高端装备制造业、航空航天、交通运输、新能源、生命健康等重点领域，开展关键核心技术攻关，完善产业链配套，努力实现重点领域短板材料的产业化和规模化应用，不断满足国家重大战略及我省经济高质量发展的需求。3、前沿新型材料前沿新型材料是指在科学技术发展的前沿领域涌现出的具有革命性创新潜力的新型材料，其发展是以构筑未来竞争新优势为主攻方向。面向国际科技前沿，把握未来产业发展趋势，加强基础研究和知识产权布局，培育一批变革性材料，打造有望引领未来发展的新产品，支撑未来产业发展。（三）产业链概况在先进材料产业链中，上游主要是基础原材料，包括矿产、石油化工产品、植物提取物等，以及各种成型和加工设备。中游环节负责材料的制造，如石墨烯、超导材料、纳米材料等。下游即广泛的应用领域，包括电子信息、新能源汽车、节能环保、医疗器械、航空航天、纺织机械、建筑化工、家电行业等行业。
图2：先进材料产业链图谱（资料来源：公开资料整理）
先进材料的结构和功能呈现出结构功能一体化、材料器件一体化、纳米化、复合化、绿色化的特点，其作用在高马赫数飞行器、微纳机电系统、新医药、高级化妆品和新能源电池方面发挥得淋漓尽致。就材料的制造来看，不同类型的材料具有各自独特的技术开发和制造方法，这让材料产业呈现多样化、碎片化特征。另一方面，先进材料的应用通常是跨领域的，也使其成为了一个横向集成的概念。例如，某些有机材料可能在医药、国防、新能源车辆等多个行业中发挥作用。因此，先进材料产业不仅横向扩展，而且纵向深入，涵盖了从基础原料到最终产品的广泛领域。我国先进材料产业已形成集群式的发展模式，形成以环渤海、长三角、珠三角为重点，东北、中西部特色突出的产业集群分布。图3：先进材料产业区域发展格局（资料来源：招商引资实战平台）各区域材料产业的发展和空间分布都各有优势、各具特点。环渤海地区技术创新推动最为明显，得益于拥有多家大型企业总部和重点科研院校；长三角地区工业基础雄厚、交通物流便利、产业配套齐全，是我国新材料产业基地数量最多的地区，也是先进材料产品的重要消费市场；珠三角地区的先进材料产业以外向出口型为主，技术创新型中小企业占主导地位。
02 先进材料发展的内生动力
伴随着全球气候变化带来的风险日趋紧迫、新一轮技术革命带来的制造业升级压力空前巨大、世界政治格局发生深刻变化等因素，关键材料的快速迭代正日渐成为国家间的竞争的角力场，新材料研发模式本身也亟待变革。（一）全球气候变化近年来，全球气候变化造成的影响已经涉及人类生活的方方面面，能源清洁、低碳化趋势日益成为各国发展战略的核心议题，我国将生态文明建设作为“五位一体”总体布局的重要组成部分。在环境保护重要性和紧迫性双重要求下，新能源材料推广、废弃物回收和高污染产业替代3个方面成为材料领域利用科技的力量来维系可持续发展的切入点。
图4：气候变化威胁生态环境（资料来源：网络）
1、新能源推广新能源材料推广是指发展环境友好的新能源材料，其实质是通过环境友好的方式完成能量捕获、能量存储和能量使用过程。例如利用高性能永磁体材料和具有高光电转化效率的光伏材料拓展人类从自然界捕获能量的渠道和效率。2、废弃物回收废弃物回收是指在工业生产过程中所产生的大量废气、废水和固态废弃物需要在减量化、资源化、无害化的原则下进行处理。例如，利用耐腐蚀材料延长各类工业产品的使用寿命；利用光催化方法并辅以金属有机骨架化合物（MOFs）和共价有机骨架化合物（COFs）材料的超高比表面积，实现对废气和废水的高效降解或无害化处理；实现废弃物回收再利用。
图5：光催化剂空心结构提高材料对光的吸收与利用（资料来源：Design of Heterostructured Hollow Photocatalysts for Solar-to-Chemical Energy Conversion）
3、高污染替代高污染替代是指对现有材料生产方式进行改进，替代高污染、高耗能的生产方式，简化生产工艺，也是材料科学可以发挥作用的一大领域。目前世界各国都在积极探索能源环保材料领域的科技突破，纷纷取得了不少新成果，持续推动着材料科学的快速发展。
表1：世界能源环保材料科研成果示例（资料来源：科技日报国际部）
（二）制造业产业升级当下，全球正处于在新的产业革命时代，正经历着百年未有之大变局，着力提升国家制造业基础是提升综合国力的重要支点。我国是全球制造业第一大国，也是唯一拥有完整产业链的国家，全球制造业发展与我国发展息息相关。近年来，我国制造业产业升级、结构改革的步伐不断加快，作为制造业发展关键基础和瓶颈的材料科学发展容不得半点松懈，不仅要在现有产业角度实现材料创新替代、降本增效，还应当发挥材料科学这一基础科学的创新源头作用，加强前瞻性基础研究与应用创新，改变我国材料工业和制造业现有的“大而不强”局面，提高我国高端制造业的国际市场占比。（三）国家安全国家安全是国民经济和民生稳步发展的重要前提。材料科学的发展与国防安全、社会安全和科技安全密切相关。1、国防安全为了保障国防安全，需要开展包括隐身材料、超材料、轻质合金材料等诸多材料体系的关键技术攻关，实现关键国防安全材料自主可控，包括军用金属材料等常规军用材料、用于电磁轨道炮和新型无人作战系统等新军事战略需求的新型军用材料，积极发展军民共用特种新材料，促进新材料产业军民融合发展。
图6：中国首款全复材多用途无人机——“翼龙”I-D无人机（资料来源：网络）
2、产业安全我国实施制造强国战略是实现国家产业安全的重要布局，也是保障社会安全的关键屏障。关键产业安全材料主要指与国计民生密切相关的产业中的相关材料，涵盖航天装备、通信装备、家用电器等等产业。掌握国家基础工业、基本民生和关键领域相关材料的关键技术，可以确保我国在全球格局发生深刻变革的过程中依旧保持稳定且自主发展。3、科技安全
在世界百年未有之大变局中，材料科学在核聚变反应堆材料、高能激光材料、先进通讯材料和航天材料等关键前沿领域的持续发展是保障国家科技安全的重要抓手之一。
03 材料基因工程
目前来看，材料设计主要是依赖于经验的传统“炒菜式”试错型摸索，这种方式存在研发周期长、投入大的问题。按需设计材料、实现材料研发过程“周期减半、成本减半”是材料研发模式变革目标，材料基因工程应运而生。
图7：多层材料设计和高通量集成计算（资料来源：武汉工程大学光电与新能源材料研究所）
其基本理念在于通过高通量自动流程计算，探索物质或材料最底层要素及其协同调控物性的机制或规律，进行高通量集成计算与多层次材料设计，开展高通量材料组合设计实验，以及基于高通量计算与实验构建材料设计数据库及信息数据库。
材料发展历程是人类社会文明进步的标志，其作用远不止以上讨论的几个方向。材料发展既要着眼于未来，又需解决当前国家重大需求的现实问题；既需要建立快速、低耗、创新发展的科学基础，又必须解决我国高端制造业所需关键材料长期依靠进口的严峻状态。
