新材料产业如何支撑国家崛起？

一、技术简史：历次工业革命中的新材料

整个人类文明的发展史，可以看作是新材料、新能源的利用史。石器文明、青铜器文明、铁器文明，无一不见证着人类发现、掌握、使用材料的漫漫历程。随着科学技术的发展，三次工业革命相继拉开帷幕，人类文明自近代以来依次走过蒸汽时代、电气时代，一直到今天的信息时代。

蒸汽时代、电气时代和信息时代，表面上看起来与新材料没有直接的关系。但试想，若没有钢铁工艺的革新，怎会有蒸汽机的轰鸣？没有石化工业的兴起，怎会有飞机、汽车、邮轮的驰骋？没有半导体工业的出现，怎会有互联互通的虚拟世界？新材料及其加工技术，不仅是历次工业革命的物质基础与先导，更是人类文明前进的基石。

资料来源：Our World in Data

（一）第一次工业革命：英国与钢铁工业

第一次工业革命发轫于18世纪60年代的英国，关键节点是仪器修理工詹姆斯·瓦特改良了纽科门蒸汽机，大幅提升了热效率，使蒸汽机可以大规模应用于采矿、冶炼、纺织等工业。此后的数十年中，蒸汽机带来了人类生产力的提升，直接推动了欧洲机械制造、铁路、纺织、轮船等工业的大发展，使西欧GDP总量呈爆发式成长。1770年（乾隆三十五年）中国GDP约占世界总量的30%，到1870年中国GDP占世界总量仅约17%，西欧GDP占比则超过30%（图1）。

在英国主导的第一次工业革命中，钢铁工业无疑是生产力飞跃的物质基础。尽管在罗马时代，欧洲就已普遍使用铁器并发展出了铁匠、钉匠、刀匠等专业分工，但欧洲一直将木材作为冶铁的唯一燃料，导致冶铁成本高昂且不可持续。直到第一次工业革命前后，英国境内煤炭的广泛使用和冶铁工艺的持续改进，促成了钢铁工业的爆发。

1708年，亚伯拉罕·达比实现了焦炭炼铁的试验，从此廉价而广泛的煤炭逐渐成为冶铁的主要能源；

1742年，亨茨曼应用坩埚炼钢法，在欧洲历史上第一次炼得了液态钢水；

1762年，斯米顿引进了水力风箱，大大提高了冶炼高炉的温度；

1776年，瓦特蒸汽机代替水力鼓风在高炉炼铁中得到应用，炼铁业摆脱了对木材和水力的依赖。

丰富廉价的煤炭与铁矿石相结合，使英国从木器时代进入钢铁时代。随着坩埚炼钢法和瓦特蒸汽机等革命性技术的广泛应用，英国钢铁产量不断上升、钢铁价格不断下降，铁已经丰富和便宜到可以用于一般的建设。1720年英国铁产量仅为2万吨，1850年已经迅速增长至250万吨（图2）。铁迅速占领了木器主宰的传统领域，从船舶、车辆、桥梁到建筑。

资料来源：《历史的细节：横跨千年的钢铁历史》

1804年，特里维西克发明了世界上第一台行驶于轨道上的蒸汽机车，由此开辟了一个崭新的铁路时代。1825年，当铁路时代到来时，英国已建成原始铁路轨道300英里。到1870年，英国就已拥有15500英里铁路。新时代开启后，铁路成为推动英国经济起飞的重要因素，“日不落帝国”的霸主地位就此奠定。

（二）第二次工业革命：德国与化学工业

第二次工业革命始于19世纪60年代末期，以电能的突破、应用以及内燃机的出现为标志，德国是这一场工业革命的引领者，美国则是集大成者。在第二次工业革命中，钢铁、煤炭、机械加工等第一次工业革命出现的技术得到了进一步的发展。同时，石油、化工、汽车、航空、电气等新兴工业领域崭露头角，使整个工业面貌焕然一新。在第二次工业革命进程中，科学与技术的不断进步，带动了西方社会经济的高速增长。到1950年，西欧和美国的GDP在的占比超过50%，而中国仅为3%（见图1）。

在第二次工业革命中，化工行业的兴起与蓬勃发展，地丰富了人类社会所需求的物质。化工染料、合成橡胶、塑料制品、化学制药、化肥等产品的出现，为人类的衣食住行等各个环节提供了物质保障。德国化学工业与化工材料在第二次工业革命中异军突起，更成为了德国经济弯道超车、军事迅猛崛起的基础。

1826年，李比希在德国吉森创了闻名于世的现代化学实验室，培养出霍夫曼、凯库勒、拜耳、费歇尔、施陶丁格、李普曼、艾利希、奥斯瓦尔德等化学工业先驱，先后共有40人获得诺贝尔化学奖；

1863-1867年，拜耳、赫希斯特、巴斯夫和阿克发等公司相继在德国创立，德国合成染料工业异军突起；

1897年，在拜耳公司工作的霍夫曼与艾兴格林一起发明了阿司匹林，化学制药工业开始兴起；

1902年，德国化学家哈伯开始研究由氮气和氢气直接合成氨，并于1908年申请“循环法”zhuanli，自此合成氨工业陆续为军事、农业、工业服务；

1913年，德国化学家伯吉尤斯在实验室成功实现了煤氢化为液体燃料，法本公司于1927年建设煤氢化工厂，此后为二战期间德国军队提供燃料；

1922年，德国化学家施陶丁格开创了高分子化学这一学科，人类从此进入“聚合物”时代；

1925年，IG法本公司正式组建，由拜耳、赫希斯特、巴斯夫和阿克发等6家公司合并而成，该公司在二战期间为德国军队生产了大量的合成燃料和合成橡胶，使德国冲破了资源瓶颈。

在过去100多年中，德国几经兴衰，却都能完成复兴，这离不开德国在第二次工业革命中完成的技术积累与沉淀。德国化学工业一直保持着高度的创新能力，拜耳、巴斯夫等化工巨头均由合成染料起家，但并没陷入同质化竞争的漩涡中。经历100多年的发展，拜耳、巴斯夫等企业依然能够位列500强企业，是名副其实的“不死鸟”。