学科协同、产业协同 冲击化工新材料自主创新高地

2021-02-22 09:50:42 来源: 科技日报 作者: 陈曦

科技日报记者 陈曦

材料是制造业的基础,要加快实施制造强国战略,必须夯实新材料这一重要基石。日前,中国石油和化学工业联合会发布《石油和化学工业“十四五”发展指南》,其中特别强调要加快化工新材料的发展,提出“十四五”末化工新材料的自给率要达到75%,占化工行业整体比重超过10%。

“我国化工新材料与发达国家还有很大差距。”天津大学化工学院教授姜忠义表示,要实现上述目标,需要贯彻新发展理念,构建化工新材料自主创新体系和新发展格局,需要加强多学科领域、多技术领域的协同,还要建设数字研发平台,开展大数据、数字化研发,更要加速国产新材料落地应用,给予更多市场支持。

材料是重要基础,化工新材料应用广泛

大到飞机、火箭、卫星、动车、轮船这些关系国民经济的重要载体,小到购物袋、饭盒、电池、保暖衣这些日常用品,都与化工新材料息息相关。一手牵着科技和创新,一手牵着产业和市场,可以说,新材料研发水平及产业化规模是衡量一个国家科技、经济实力的重要标志。

姜忠义介绍,一般来说,需要化学反应或化工过程制造出来的材料称为化工材料,它跟一般材料的区别在于,材料加工过程中要引入化学反应过程。比如把乙烯经过催化剂,转换成聚乙烯,必须有化学反应才能够实现。

化工新材料是指近期发展的和正在发展中具有传统化工材料不具备的优异性能或某种特殊功能的新型化工材料。与传统化工材料相比,化工新材料具有质量轻、性能优异、功能性强、技术含量高、附加价值高等特点。

“新材料多应用于国民经济的重要领域,如航空航天、电子、新能源、医疗健康、节能环保等。”姜忠义举例说,飞机耗油与自重有关,机身采用质量更轻的新材料,油耗就会更少,但同时还要满足防冻、抗冰等性能;再如废水处理,过去用蒸发器,耗能特别高,现在用新材料膜过滤,能耗节约很多。

此外,在一些领域,为了实现新的技术需求,传统材料满足不了时也必须依靠新材料。比如太空飞船载人工作舱需要转化、处理宇航员呼出的二氧化碳,如果携带低效率的二氧化碳处理材料,体积大,会影响太空舱内的空间利用。应用处理效率高的新材料,宇航员就可以在太空中停留更长时间,也为太空科学实验赢得更多时间。

打破行业定位束缚,需要产业协同和学科协同

“规划提出,到十四五末,化工新材料占化工行业整体比重超过10%。从世界范围看,比例并不算多。”姜忠义认为,这与化工行业定位有关,过去化工行业的定位是生产传统化工产品,像天津渤海化工集团,主要生产分子化学品,尤其是小分子化学品,而化工新材料一般都是大分子产品。再如在国家自然科学基金委员会,化工学科属于化学科学部,还有工程与材料科学部,分属两个部门。传统化工生产乙烯、盐、酸、碱,炼油,这些都不属于化工新材料。

过去我国传统理念和战略布局,把化工当作一个单独的行业。实际上,化工是一个辐射力很强的平台性行业,渗透性非常强。比如化工和生物制药、能源等都有很强的关联性。

“目前,国家科技部的重大科技专项,几乎没有单独的化工领域,但是有生命、材料、医药、能源等,研究化工领域的项目可以分别在这些专项里申报,说明化工有多学科交叉渗透的特点,更像是一个百宝箱。”姜忠义说。

在一些美国大学里,化工和材料设在同一个系——比如化学工程与材料科学系。相比之下,我国的学科划分狭窄,造成不同学科之间的壁垒较大,合作受限。姜忠义介绍,以膜技术为例,膜本身是材料,膜技术偏化工,这是典型的化工和材料的结合。

“现在研究化工新材料肯定要跨界,做新材料的目的是为了应用,只要应用在哪个领域,就是交叉到哪个领域。”姜忠义表示,化工新材料占整个新材料的比例越来越大,涵盖面非常广。仅有研究化工的人来做肯定不行,从基础研究到关键技术,到应用示范等各个层面,都需要产业协同、学科协同,甚至和大数据相结合,构建企业、高校、院所深度协同的新型创新平台。

2016年,姜忠义领衔承担国家重点研发计划项目——煤化工废水处理项目时,就提出“化工和环保理念相结合”。他表示:“环保关心达标排放,化工更关心资源化,化工和环保相结合,既实现深度处理零排放,也实现资源化。这就是明显的跨界协同创新。”

在人才培养方面,姜忠义认为,要充分体现以人为本,聚才聚智,有了人才能干事。在与化工新材料产业相适应的人才队伍里加强培养,特别是加强培养本土人才非常重要。技术层面也必须立足自主研发、自主知识产权,未来化工新材料自给率将会越来越高。

构建自主创新体系,战略机遇期不容错过

“我国化工新材料与国外先进国家相比,还比较落后。比如排水淡化里高端反渗透膜材料几乎都是进口的。往往是技术含量越高的领域,我国的差距就越大。”姜忠义毫不讳言,我国是制造业大国,产业现状决定了新材料必须迎头赶上。目前,我国正处在制造业转型升级的关键时期,重大设备、应用都离不开材料的支撑。

他认为,要改变这一现状,必须构建自主创新体系,“未来需要加强多学科领域,多技术领域的协同,这是一个重要方面;还要建设数字研发平台,开展大数据、数字化的研发,过去可能为了满足某个目的要通过实验来筛选出1000种材料,如果用计算机筛选和机器学习,就能大大缩短研发周期。”

化工新材料的十四五规划重点任务表明,要从国家需求出发,优先保证国家安全,拓展太空、海洋等空间资源,满足生命健康需求,以及节能减排等方向。这都需要抢占技术制高点,增强自主保障能力,关键产品的补短板。

姜忠义举例说,以部分尖端和高端膜材料为例,虽然目前尚未完全走向工业应用,但在实验室的研究层面上已经崭露头角,显示出良好前景。尽管是局部的领先,但将来这类材料一旦研发出来,可能就会是世界领先。

“这是战略机遇,谁走在前头,将来就会用谁的材料,而战略机遇期不容错过。”姜忠义认为。对于支持国产的化工新材料的研发和应用,国家已有政策导向,比如建立示范园区,设立新材料重大专项支持,构筑多学科多领域协同创新体系等。

目前国内市场支持不足也是有待打破的瓶颈。姜忠义表示,初期市场培育,是新材料推广应用的关键环节,新材料推广应用困难,是制约我国新材料技术创新成果产业化的关键瓶颈。对于国内取得技术与产业突破的新材料,应加速其在产业链上下游的应用与创新,给予国产新材料更多的倾斜支持。

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责任编辑:冷媚