90年代材料科學與工程發展的展望及對我國技術政策的思考

作者:宋家樹 張興鈐 張萬箱

1　90年代新材料、材料科學與工程的重要地位當前世界正面臨新的科學、技術革命,科
學、技術的作用被空前地開發出來。在這一基礎上,以電子信息技術為先導的新的產業革命行
將到來。對於新產業革命的具體內容雖有不同的預測,但共同的一點是:材料與製造技術仍是
新時代企業的物質基礎。90年代各種高、新技術(如電子信息、能源、製造業以及航空、航天
、海洋、軍事技術等)將都對材料及工藝提出更新更高的要求。美國1991年發表的“國家關鍵
技術報告”認為:材料領域的進展幾乎可以顯著改進國民經濟所有部門的產品性能,提高它們
的競爭能力;因此把材料列為六大關鍵技術的首位。這是由於先進材料與製造技術是未來國民
經濟與國防力量發展的基礎,是各種高、新技術成果轉化為實用產品與商品的關鍵。當前各種
新材料市場規模超過1000億美元,預計到2000年將達4　000億美元。由新材料帶動而產生的新
產品新技術則是一個更大的市場。例如美國在電子工業投入1美元的半導體材料可以產出10美
元的電子設備系統,而對交通工業如能延長材料使用壽命百分之一則可節約300億美元。國防
科技及武器裝備的發展在很大程度上也要依賴新材料和先進製造工藝。美國國防部“關鍵技
術計劃”把21項關鍵技術放在五個技術群中,其中之一就是“材料與製造”,他們認為這一技
術群與70%的新技術都有密切關係。因為一方面許多新材料技術本身就是新技術突破的主要內
容。另一方面是它已成為大多數先進國防技術轉化為有效的武器裝備的關鍵支撐條件。例如
先進武器技術對微電子電路要求的核心是提高信號處理速度(提高到GHz以上),這就要求高級
半導體材料,及亞微米(<0.25μm)製造工藝。傳感器技術發展可以創造出新型武器(如反輻射
導彈的導引頭可以瞄定敵方雷達),而傳感技術本身依賴於高質量碲鎘汞、硅化鉑、光纖、超
導等材料及其加工技術。高能量密度材料決定了所有武器的殺傷與推進能力。例如新合成的
CL-20可使炸藥能量增加20%,“同質異能核”如證實其存在則它所含能量比常規炸藥高出100
倍。高性能材料(特別是複合材料)的應用將使燃氣渦輪推動系統的能力提高一倍。由於武器
技術的進步,以及更多的採用新技術,使得現代化武器研製、生產周期加長、單價不斷上漲。
其後果是使先進技術成果應用於作戰武器系統上十分困難,而如不能進入應用則研究的成果就
被浪費了。解決這一難題的關鍵仍是革新製造工藝技術,例如先進的柔性設計與生產技術。在
未來的世紀我們會面臨更大的挑戰,當然也有機遇。當前我國經濟正在高速發展,但工業產品
與先進國家相比還有很大的差距,特別是產品質量與生產的效率較低,而消耗很高。國防科技
及武器裝備的質量也急待提高。為使我們的工業在未來具有競爭力,現在應抓住機遇,重視材
料科學與工程這一新興學科,狠抓材料與製造工藝這兩項關鍵基礎技術,使之接近、趕上現代
國際水平。為此我們需要認真考查現代材料科學技術的特點與將來的發展趨勢。

2　90年代材料科學及工程發展的趨勢材料科學技術是近年來發展最快的科技領域之一,它不
僅創造了大量高性能新材料和前所未有的加工方法,同時也使傳統材料的生產發生了巨大的變
化。現代化的鋼鐵工業生產率的大幅度增長即是一例。可以認為,材料科學與工程對各種技術
發展的作用有如數學對自然科學的重要作用。

90年代材料科學技術將發生“革命性”的變化,從宏觀層次來看這種發展的趨勢可以概括
為如下幾點:

(1)材料科學與工程正迅速形成一門統一的學科,並更加重視與實際應用的結合。從70年代起
逐漸形成一門統一的材料科學與工程的新學科,它打破了把材料分為金屬-非金屬、有機-無機
物幾個孤立領域的傳統概念,並用統一的觀點及方法來研究一切材料。它有共同的研究領域:
研究所有材料的結構-性能-合成加工-使用行為四大基本要素及其相互關係,使它成為融合多
種材料、多種學科的綜合性的科學。其綜合性突出地表現在先進複合材料與固體器件上,它們
都衝破了傳統材料的觀念。此外材料研究已經擴展到各種材料的綜合利用、回收以及保護環
境等問題。現代材料科學與工程強調使用行為導向的研究,強調合成/加工過程的研究,以加速
由研究到應用的進程。美國人已認識到由於歷來只重視新材料性能的研究,忽視合成、加工等
生產技術的研究,使得它在許多製造業部門落後於日本及歐洲,失去了一個又一個的市場優勢
。大家還普遍認識到:材料加工工藝不僅是新材料轉化為商品的關鍵,它本身也已成為一門重
要的綜合性的現代科學。正在迅速發展的人工構造材料工藝、無餘量加工、快速凝固方法、
激光及粒子束加工以及未來的智能加工系統都將極大地促進新材料的應用及製造業的發展。

(2)深入微觀層次,有目標地發現和開發新物質、新材料。如果說60年代以前新材料主要表現
在塊體材料中,則此後發展具有新的微觀結構的材料占有很大的比重,新材料與器件的緊密結
合也是另一重要發展趨勢。如半導體器件、超晶格、新的超導體、功能梯度材料以及新近出
現的碳-60及多孔硅等。形象的說,新材料的發展熱點在70年代的標誌是表面、界面,80年代是
原子層尺度加工,則90年代將進入零維材料(納米晶體)量子器件。它們在結構上更加複雜(信
息含量大),性能極限化,而使用量降低。由於已經掌握了觀察單個原子及一次僅一個原子層的
加工技術,可以預料90年代將出現更多、更新的材料與器件,其中人工構造材料將是最有潛力
的進展。信息功能材料發展最快,將不斷有重大突破,是發展新材料的重點。電子材料與光電
子材料的突破將使通訊、成像與信息處理技術產生重大的技術革新,光電集成電將在一個芯片
上連接微小的光子與電子元件,極大的提高信息處理能力。結構材料也將有大的進步,性能/重
量比將有大幅度提高,並將發展結構-功能型新材料。結構材料的應用研究也是重要研究方向。

(3)材料複合化是一個重要發展趨勢。由於多種材料多學科的交叉、融合,使材料的複合化成
為發展新材料的一種重要手段。可以利用多種基體與增強體的複合、多種層次的複合以及利
用非線性複合效應創造出全新的性能的材料。材料與部件(元件)的融合將改變“材料”的老
概念,創造出諸如集成電路這樣的新器件。近年來先進複合材料及新工藝發展很快,不少專家
預言未來複合材料的應用將引起結構設計的革命。目前複合材料的發展以樹脂基複合材料為
主,特別是熱固性材料,它的技術最成熟,應用最廣。熱塑性材料發展也很迅速,即將進入實用
階段,但其工藝需要完善。金屬基複合材料大部分處於研究開發階段,它特別適用於建造空間
結構體。陶瓷基複合材料則尚處於研究階段,但它是改進陶瓷的可靠性的重要途徑,從而使陶
瓷材料優異的高溫性能得以應用。此外碳/碳複合材料在軍事技術上有很大實用價值,並已有
一定的應用。功能複合材料是一個很有發展前途的方向。其中很多複合效應特別是非線性效
應、納米複合技術等尚未很好地開發利用,機理也不大清楚,估計可能出現比結構材料更廣泛
的應用前景,值得重視。由於激光、等離子體技術的發展,材料表面處理與表面改性技術也很
有前途。此外,材料的複合化還是進入智能材料的可能途徑。例如自癒合材料、自應變材料等。

(4)理論-計算機模擬-實驗的結合是未來發展新材料的重要研究方法。由於固體物理計算方法
與電子計算機的發展,材料科學與工程可以藉助大型計算機來分析、模擬材料的微觀結構,計
算其性能與行為,從而提供了一個強有力的研究工具來預測與合成具有預期性能的新材料。近
年出現的“材料微觀結構設計”方法受到美國、日本科技界的普遍布重視。

計算機模擬方法主要有量子力學能帶計算、分子動力學計算、MONTE-CARLO方法模擬等,在藥
物分子設計方面計算機給出的結果超出了最有經驗的藥物設計師的想象。錢學森在1986年已
提出要重視這一方向,他認為:流行的觀念太落後,“炒菜”的方法不行,材料科學本身也要現
代化。我國高技術計劃中“新材料微觀結構設計”已形成一個課題,研究工作已經起步。此外
,計算機技術的應用對新材料生產、控制和自動化也會起到重要到推動作用。可以預言,現代
計算機技術與材料科學結合將建立材料科學的理論基礎與提供新的研究方法,從根本上改變新
材料研究與開發的面貌。

(5)出現新材料的研究-開發-生產-應用一體化的趨勢,材料研究與生產緊密結合將使材料科學
的成果快速的發揮作用。近年來美國人一直在研究,為甚麼在美國科學家獲得諾貝爾獎的領域
日本人卻占領了市場。大量的研究集中到一個結論:僅靠科學和技術本身不能保證經濟的成功
,只有學會有效地利用技術,把科學技術成果迅速地轉變成商品時它才會發揮出巨大的作用。
在材料領域也是如此,半導體激光器是美國人發明的,但日本人很快就開發出低成本的激光器
產品,並大量用於激光光盤中,形成了很大的產業。現代新材料的應用要從產品設計開始,從產
品全壽命的觀點出發,把R&D、材料生產、推廣應用看成一個有機結合的集成的大系統,使之具
有合理的結構與運行機制。只有這個大系統正常地高速運行才能產生效益。我們過去對“新
材料研究”的理解太狹隘,流行的看法只偏重新的成分。實際上,一種材料的新的合成/加工方
法(以及過程的分析),新條件下的使用行為研究都應是新材料研究的重要內容。如果使用行為
不清,加工方法不好,即使材料的某項性能如何優越,仍然無法使用。也就是說這種新發現的物
質不能轉化為可用的新材料。我們要建立起一個共識:材料科學是一門應用科學,研製的新材
料必須具有先進的“使用性能”,能用它來製造有用的器件;同時它必須具有合適的“工藝性
能”,以便能經濟的生產出來。而這兩者都必須在與應用密切結合中通過應用研究而獲得。美
國、日本的科技界已在認真研究所謂“設計製造一體化”(縮寫為IDM),值得我們注意。因為
它可以高質量、高效率的來設計製造小批量的產品,加速科技成果轉化為商品的過程,對國防
產品最為合適。IDM與傳統的設計工作的區別在於實行了設計-材料-工藝三者早期的結合,它
不僅包含部件的形狀,尺寸設計,而且包括材料結構設計及工藝方法設計,還要對最終產品的性
能進行計算機模擬與驗證。以設計一個先進複合材料部件為例,IDM要求有一個增強纖維及基
體材料的數據庫,用它對材料結構進行優選;其次需要合適的模型及軟件來來模擬製造過程,以
驗證能造出來;對於最後成品還需在計算機上作三維強度-應力分析,以驗證原來設計的目標能
否達到。因此,在進行IDM時,除設計師外還必須有材料專家與工藝專家參加,彼此相互結合,而
計算機分析與模擬技術則是關鍵。目前IDM還處於開發階段,但已受到普遍重視。可以設想未
來這種“一體化”的方法再與計算機集成製造系統(CIM)結合起來,將使先進技術產品的開發
、生產發生革命性的變化。我們應充分重視這一發展動態。

(6)加強國家對材料研究工作的組織、領導。由於材料對國民經濟各個部門的關鍵性基礎作用
,以及發展新材料的風險性與長期性,國家將是主要的投資者。國家的作用表現在以下三方面
:一是重視制訂材料科學發展的國家規劃,由國家在財政上予以支持。如美國今年初把先進材
料和工藝開發首次作為總統倡議列入1993年度國家預算中,把它的地位提高到一個新的高度。
二是國家鼓勵工業界-大學-研究單位的合作,並在這方面起組織作用。如美國已經組織的汽車
複合材料研究聯合體、高級電池聯合體等。第三是重視材料科學人才的培養及在職人員的知
識更新,不僅要培養出高水平的科研人才,而且還要有大量能擔任技術推廣任務的科技、管理
人才。

3　對我國材料科學展望及對技術政策的思考

(1)新材料研究在我國一直受到重視,也取得不少成績。我國從50年代起對新材料研究已十分
重視,取得了大量的研究成果,支持了國民經濟及國防建設的發展,形成了一支有40萬人的新材
料研究與生產隊伍,其中科研人員近10萬人,從事材料科學與工程的研究單位有300多個,新材
料生產工廠1　000多個。各類大學有150多個與材料有關的專業,畢業生的數量與美國相近。
在不少領域如光學晶體、有機分離膜,稀土永磁材料,高溫超導體,准晶態研究等方面已取得舉
世矚目的成績。但與發達國家相比,在總體水平上,特別是在生產技術水平和新材料應用水平
上還有相當大的差距,估計落後10年左右。我們還有相當數量的鋼材和化工有機合成材料要靠
進口,高技術所需的新材料以及引進生產線所用原材料大量依靠國外。材料科學與工程的發展
還存在問題。不少研究起步不晚,成果不錯,但形不成商品及產業。有的方面是“成果一大片
,材料看不見”。如碳纖維、芳纖維以及某些電子材料等許多單位長期研究,但提供不出高性
能產品。國家在新材料研究開發上的總投資估計超過50億元,但形成的新材料生產的產值不大
,大大影響了我國工業特別是高技術產業的發展。

(2)究其原因,人們通常認為:材料的研究方向與重點有問題;基礎研究與應用研究結合不好;科
研投資強度不足以及科研人才後繼乏人等等。當然這些問題值得重視,應該予以解決。我們認
為問題可能不是出在研究階段,而是出在更高一級的系統結構上。美、日等工業發達國家在促
進新材料科技方面有許多經驗可供借鑑,但最根本的一條在於認識到:現代材料科學技術是科
學與工程的結合、研究與開發的結合、理論科學與應用科學的結合;新材料科技發展必須與新
材料產業發展結合起來(或說“一體化”);必須有合適的政策與組織形式來推動實現此種結合
。經驗表明:新材料能產生效益的必要條件是有一個高速運行的“研究開發-材料生產-應用及
商品化”的大系統。這個系統運轉速度愈高,效益就愈大。從大系統的結構看我國材料研究力
量不弱,但新材料生產的規模太小,推廣應用的力量太少。從運行情況看研究與生產脫節,黑色
金屬、有色金屬、有機材料、建築材料分屬不同部門,統一不起來,軍用與民用材料、基礎與
應用、新材料與傳統材料的關係也處理得不夠好,新材料推廣應用的機制很不健全。為了從根
本上改變這種情況,需要從我國國情出發,參考國際先進經驗,從總體上對材料科技領域的研究
、生產、應用進行規劃與改革。其主要任務是集中力量加速建立具有一定規模的新材料產業
;理順新材料研究與生產、應用間的關係,使之走上良性循環;建立新材料科技在下一世紀趕上
世界先進水平的科技基礎。要以當前國家重點發展的產業需求、引進生產線國產化的需求以
及國防科技的重點需求為主線,以工業發達國家用之有效的先進、適用的新材料及技術為背景
,有步驟的發展有中國特色的新材料體系,使新興的材料科學技術在90年代對中國的經濟騰飛
起到更大的保證與促進作用。

(3)為了貫徹這一設想,新材料科技工作也要有一些根本性的轉變:要改變已經習慣的選題方法
,擴大新材料研究的範圍,使之也包含傳統材料的新生產技術;集中力量,把提高科技成果轉移
速度放在重要地位,使研究成果真正有用;加強應用研究,大力開發新材料在國民經濟中的應用
範圍。同時還要注意處理好發展軍用新材料與民用材料的關係、開發與基礎研究的關係、自
力更生與引進新技術的關係、各類研究單位之間以及各種科技計劃之間的關係等。在當前情
況下,社會主義市場經濟的大發展將為建立新材料產業提供有利條件,高新技術開發區的建立
也有利於新材料的推廣應用。但合理的規劃這一工作仍須依靠國家的組織與指導,而不可能完
全依賴市場經營機制。其中重大的科研項目及重大的技術轉移計劃都應在國家統一規劃、指
導下來完成。我們建議:——國家要有一個總體設想及長遠規劃,把材料研究與工業發展聯繫
起來,大力解決好材料研究-生產-應用這個大系統的結構與運行機制問題。——要結合我國國
情決定材料科學與工程的重點發展方向,特別要考慮我國的資源、人口、工業發展階段、科技
水平的實際情況,提出我國自己的發展道路。新材料研究要解決好軍民結合問題,要重點發展
軍民兩用新材料。——要提倡材料研究與應用的結合,重視新材料的推廣應用。在發展新產品
時重視設計與材料、工藝的早期結合,鼓勵工業企業採用新材料。要大力組織企業、研究單位
與大專學校的合作。——重視材料科學的基礎研究及學科的發展,注意人才的培養,當前特別
應加強培養能從事新技術開發與推廣應用的人才。