中国AI+材料科学产业应用研究报告
中国AI+材料科学产业应用研究报告A Reporton Industrial Applications of AI + MaterialScience in China 亿欧智库https://www.iyiou.com/researchCopyright reserved to EqualOcean Intelligence, August 2021 AI+材料科学发展概况AI+材料科学产业应用梳理中国AI+材料科学产业发展痛点、趋势及展望Part 2Part 3Part 5Part 1目录C O N T E N T S全球新材料产业发展背景AI+材料科学企业解析Part 4 Part 1 全球新材料产业发展背景 全球新材料产业持续扩张，差异化显著，产业重心逐渐向亚太区转移◆全球新材料产业差异化显著，美国、欧洲和日本等国拥有成熟的新材料（Advancedmaterials）市场，多数产品占据全球市场的垄断地位，是新材料产业主要的创新主体。其中，美国在新材料全领域位于领先地位；欧洲在复合材料、化工材料领域优势显著；日本在电子信息材料领域领跑于世界；俄罗斯在航天航空材料等方面趋于领先地位；中国在前沿新材料等领域发展有一定优势。随着全球新材料产业巨头迅速扩张，新材料产业链的中低端逐渐向亚太地区（如中国）转移。◆2019年全球新材料产业规模达到2.23万亿美元，2020年仍保持10%左右增长。目前，全球范围内都在积极发展新材料，尤其是发达国家，新材料已成为决定一国高端制造及国防安全的关键因素和国际竞争的重点领域。2019年全球新材料产值中，先进基础材料产值比重占49%，关键战略材料产值占43%，前沿新材料比重8%。亿欧智库：全球新材料产业竞争格局美国欧洲日本中国韩国俄罗斯巴西印度...第一梯队占绝对优势第二梯队高速发展第三梯队奋力追赶亿欧智库：全球新材料产业版图电子信息材料世界领先《第五期科学技术基本计划》、《能源基本计划》、《元素战略研究》等日本Japan基于科技实力，全面领先《能 源 材 料 网 络 计 划》、《国 家 纳 米 技 术 计 划》、《先进伙伴制造计划》等美国USA化工材料、复合材料具有优势《欧盟能源技术战略计划》、《能源2020战略》、《欧洲2020战略》等欧盟Europe半导体材料具有优势《新增长动力规划及发展战略》、《第四次科学技术基本计划》等韩国Korea金属材料、航天材料优势显著《2030年前能源战略》、《2030年 前 科 学技 术 发展 优先方向》等俄罗斯Russia资料来源：公开资料整理、亿欧数据 国家和企业的研发投入是保持核心竞争力的关键，中国应持续加大投入5◆美国、日本等发达国家早期通过高强度的研发快速实现了高度成熟的工业化，日本1980年代研发强度已经超过2%，相关配套产业十分成熟，因此进一步的实体创新越发困难。但近20年来美国、日本的研发强度增长趋势十分缓慢，美国基本维持在2.6%-2.8%，日本维持在3.0%-3.5%，而韩国对基础科研的重视程度持续加深、科研投入不断加大。◆研发是新材料企业保持核心竞争力的关键，新材料研发周期长、回报慢，因此自主研发的企业必须具备足够的抗风险能力。从全球化工及材料巨头，如BASF、3M、陶氏、杜邦等企业看，并不存在单一的新材料企业，这些企业均具有多元化的业务结构，并且多数企业最初都是通过石化或基础化工形成规模优势及稳定的盈利，从而有能力在新材料领域投入持续的研发，并且其新材料产品多是基于石化产品的延伸。而石化化工产品在二十世纪七八时代开始便趋于成熟。因此近四十年来，化学工业基本不再产生新学识，新物质、新品种的创造愈发困难。0%5%10%15%20%2011201220132014201520162017201820192020巴斯夫3M康宁陶氏杜邦应用材料阿斯麦亿欧智库：新材料代表企业研发营收占比%资料来源：联合国教科文组织、公开资料整理、亿欧数据丹麦韩国瑞典芬兰新加坡挪威冰岛奥地利荷兰新西兰瑞士日本爱尔兰德国比利时卢森堡法国英国澳大利亚葡萄牙美国加拿大中国香港捷克爱沙尼亚中国澳门希腊匈牙利波兰西班牙斯洛伐克俄罗斯意大利马来西亚土耳其泰国中国阿根廷巴西埃及智利墨西哥印度010002000300040005000600070008000900000.511.522.533.544.55R&D支出占GDP比重%每百万居民研究人员数量亿欧智库：全球各国研发投入示意图总支出PPP$—— 新材料产业是国民经济和制造业升级的基础，涉及国防、民生等各方面6◆根据国家标准《GB/T37264-2018新材料技术成熟度等级划分及定义》，新材料指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料，及传统材料改进后性能明显提高或产生新功能的材料。国家统计局将新材料分为六大类，包括特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能复合材料和前沿新材料。工信部《新材料产业发展指南》中指出，新材料三大战略发展方向包括先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料。作为工业发展的先导，新材料产业是基础性、支柱性产业，已成为国民经济发展、高端制造业升级的基石。◆材料科学是经济发展的重要上游环节，是工业制造和国防发展的关键保障。从材料性能、材料属性、物理性质可以将材料进行归类，分别对应到应用环节的各个下游领域。作为中国七大战略新兴产业之一，材料产业的发展对于中国经济建设具有重要意义。亿欧智库：中国新材料产业战略示意图先进钢铁材料先进有色金属材料先进化工材料先进建筑材料先进基础材料关键战略材料前沿新材料新材料战略方向结构材料功能材料金属材料高分子有机材料无机非金属材料...高强度材料耐高温材料磁性材料导电材料按性能分类按材料属性分类按物理性质分类透光材料......基础材料学电子信息新能源...生物医药交通运输国防军工建筑材料应用领域新材料应用是制造业升级的驱动力增材制造材料智能仿生与超材料石墨烯液态金属高性能分离膜材料高性能纤维材料稀土功能材料半导体材料先进轻纺材料...新型能源材料...高温超导材料...资料来源：公开资料整理 新材料产业上升为国家战略性新兴产业，产业规模逐年递增7◆新材料广泛应用于各领域，其研发和应用与技术和产业变革息息相关，新材料的发展为技术创新和产业升级注入推动力。为应对新材料产业在快速发展中遇到的核心竞争力不强、创新力不够、产业化缓慢、进口依赖度高、人才匮乏等问题，近十年中国政府制定了一系列新材料产业政策，积极推动新材料产业发展。尤其是在2009年中国明确将新材料产业列为战略性新兴产业，并予以重点支持的背景下，中国新材料产业的发展获得充分的政策保障。2012年工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，为新材料产业制定明确的发展方向和任务后，新材料产业发展进一步提速。◆中国发改委、工信部等联合发布的《中国新材料产业发展报告》指出，2010至2019年中国新材料产业蓬勃发展，市场规模由人民币7000亿元增长至人民币4.1万亿元，年复合增长率达23.9%。0.70.81.01.31.72.02.73.23.64.123.08%26.25%23.76%32.00%21.21%32.50%20.00%14.47%12.09%0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.52010201120122013201420152016201720182019产业规模（万亿）增速%亿欧智库：2010-2019年中国新材料产业规模与增速亿欧智库：新材料关键产业政策要求新材料保障能力大幅提升，到2020年，先进基础材料总体实现稳定供给，关键战略材料综合保障能力超过70%，前沿新材料取得一批核心技术专利；新材料创新能力不断提高；材料产业体系初步完善，新材料产业规模化、集聚化发展态势基本形成。2016年12月·国务院2017年1月·工信部2015年5月·国务院提出通过“三步走”实现制造强国的战略目标，到2025年初步实现中国从材料大国向材料强国的转变，并将新材料产业列为十大重点领域。《中国制造2025》新材料产业被定为“国家战略性新兴产业”。规划提出应提高新材料基础支撑能力，为材料下游应用领域的发展需求和制造业水平的提升提供良好保障，到2020年重大关键材料自给率达到70%以上。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》《新材料产业发展指南》资料来源：《中国新材料产业发展报告》、公开资料整理 中国新材料产业自主创新能力不强，关键技术仍受制于人8◆材料科学是整个国民经济的基础，服务范围极广，涉及从国防到民生的各个方面，而且需求迫切。目前我国很多关键核心材料核心竞争力不强，32%中国关键材料领域为市场空白，进口依赖现象严重，如高铁齿轮制动装置、电子产品存储芯片等。具体来讲，航空发动机、雷达、军工等方面所需的材料比较复杂，往往是多种元素或者多种化合物组成的复杂混合物，单纯依靠传统“试错式”的材料研发模式非常困难，而材料的研发及生产周期较长，导致新材料的研发无法跟上产品设计的速度，严重制约了我国科技的进步和工业的发展。◆尽管中国新材料产业迅速发展跻身于全球材料大国行列，但存在材料支撑保障能力不强，产学研用衔接不紧密，产业集群效益弱，产业基础设施不健全等问题，具体表现为产品结构不合理、关键技术受制于人、国际市场竞争力不强。亿欧智库：新材料产业发展周期52%70%95%95%48%30%5%5%0%25%50%75%100%关键材料智能终端处理器制造及监测设备高端芯片依赖进口实现自给亿欧智库：2020年中国先进基础材料进口依赖程度68%32%未布局已布局亿欧智库：2020年中国关键新材料市场布局资料来源：头豹研究院、公开资料整理、亿欧数据市场成熟度(t)导入期成长期成熟期衰退期光固化材料高透光材料超导材料碳纤维液态金属增材材料OLED材料多晶硅玻璃纤维石墨烯半导体材料石英材料高强度钢高温合金锂电池材料液晶材料尾气催化材料轻型合金•国产化率<10%•生产研发成本高，企业估值较高•国产化率10%-60%•生产研发成本高，企业估值上升•国产化率>60%•竞 争 格 局 稳 定，头部企业份额提升稀土永磁材料•由于技术进步，逐步推出市场 材料基因工程发展概况Part 2 AI+材料科学发展概况 以“大数据+AI”为标志的数据驱动，成为材料科学发展的第四范式10◆传统的材料研发模式，以实验和经验为主。2011年美国提出“材料基因组计划”（MaterialsGenomeInitiative,MGI），旨在解码材料的不同组成成分和性能的对应关系，通过结合计算工具平台、实验工具平台和数字化数据（数据库和信息学）平台，借助高通量计算、大数据、人工智能等技术，有效整合现有的材料研究力量和设备，将高通量实验工具的效能发挥最大，以缩短材料研发周期和研发成本至少50%。◆2016年Nature发布了哈佛福德学院和普渡大学的研究成果，科研人员利用机器学习算法，用“失败”的实验数据预测了新材料合成，意味着机器学习将改变传统材料发现方式。通过计算机建模和人工智能（机器学习）技术，根据所需要的性能预测候选材料，从而加快新材料的研发速度和效率，降低研发成本。•基于大数据+人工智能（机器学习、深度学习、神经网络等）的材料信息学。•人工智能擅长建立数据间的关系，通过计算机建模和机器学习，预测候选材料。•基于理论（密度泛函理论DFT、分子动力学MD等）计算模拟，预测有希望的候选材料，缩小试验范围•以计算引领，通过实验验证。•随着各领域研究的深入，材料科学的理论基础逐渐成熟。•理论模型中热力学、分子动力学等应用，为材料研究提供了众多帮助，提高了新材料研究的效率。•“试错式”材料研究方式，依赖于经验和理论，需要经历反复实验。新材料研发周期长、效率低。•基于表征实验，直接优化与筛选（类似穷尽），通过量变引起质变。实验驱动~1600Empirical science理论驱动~1950Model-based theoretical science计算驱动~2000Computational science (simula
