90年代材料科学与工程发展的展望及对我国技术政策的思考

作者:宋家树 张兴钤 张万箱

1　90年代新材料、材料科学与工程的重要地位当前世界正面临新的科学、技术革命,科
学、技术的作用被空前地开发出来。在这一基础上,以电子信息技术为先导的新的产业革命行
将到来。对于新产业革命的具体内容虽有不同的预测,但共同的一点是:材料与制造技术仍是
新时代企业的物质基础。90年代各种高、新技术(如电子信息、能源、制造业以及航空、航天
、海洋、军事技术等)将都对材料及工艺提出更新更高的要求。美国1991年发表的“国家关键
技术报告”认为:材料领域的进展几乎可以显著改进国民经济所有部门的产品性能,提高它们
的竞争能力;因此把材料列为六大关键技术的首位。这是由于先进材料与制造技术是未来国民
经济与国防力量发展的基础,是各种高、新技术成果转化为实用产品与商品的关键。当前各种
新材料市场规模超过1000亿美元,预计到2000年将达4　000亿美元。由新材料带动而产生的新
产品新技术则是一个更大的市场。例如美国在电子工业投入1美元的半导体材料可以产出10美
元的电子设备系统,而对交通工业如能延长材料使用寿命百分之一则可节约300亿美元。国防
科技及武器装备的发展在很大程度上也要依赖新材料和先进制造工艺。美国国防部“关键技
术计划”把21项关键技术放在五个技术群中,其中之一就是“材料与制造”,他们认为这一技
术群与70%的新技术都有密切关系。因为一方面许多新材料技术本身就是新技术突破的主要内
容。另一方面是它已成为大多数先进国防技术转化为有效的武器装备的关键支撑条件。例如
先进武器技术对微电子电路要求的核心是提高信号处理速度(提高到GHz以上),这就要求高级
半导体材料,及亚微米(<0.25μm)制造工艺。传感器技术发展可以创造出新型武器(如反辐射
导弹的导引头可以瞄定敌方雷达),而传感技术本身依赖于高质量碲镉汞、硅化铂、光纤、超
导等材料及其加工技术。高能量密度材料决定了所有武器的杀伤与推进能力。例如新合成的
CL-20可使炸药能量增加20%,“同质异能核”如证实其存在则它所含能量比常规炸药高出100
倍。高性能材料(特别是复合材料)的应用将使燃气涡轮推动系统的能力提高一倍。由于武器
技术的进步,以及更多的采用新技术,使得现代化武器研制、生产周期加长、单价不断上涨。
其后果是使先进技术成果应用于作战武器系统上十分困难,而如不能进入应用则研究的成果就
被浪费了。解决这一难题的关键仍是革新制造工艺技术,例如先进的柔性设计与生产技术。在
未来的世纪我们会面临更大的挑战,当然也有机遇。当前我国经济正在高速发展,但工业产品
与先进国家相比还有很大的差距,特别是产品质量与生产的效率较低,而消耗很高。国防科技
及武器装备的质量也急待提高。为使我们的工业在未来具有竞争力,现在应抓住机遇,重视材
料科学与工程这一新兴学科,狠抓材料与制造工艺这两项关键基础技术,使之接近、赶上现代
国际水平。为此我们需要认真考查现代材料科学技术的特点与将来的发展趋势。

2　90年代材料科学及工程发展的趋势材料科学技术是近年来发展最快的科技领域之一,它不
仅创造了大量高性能新材料和前所未有的加工方法,同时也使传统材料的生产发生了巨大的变
化。现代化的钢铁工业生产率的大幅度增长即是一例。可以认为,材料科学与工程对各种技术
发展的作用有如数学对自然科学的重要作用。

90年代材料科学技术将发生“革命性”的变化,从宏观层次来看这种发展的趋势可以概括
为如下几点:

(1)材料科学与工程正迅速形成一门统一的学科,并更加重视与实际应用的结合。从70年代起
逐渐形成一门统一的材料科学与工程的新学科,它打破了把材料分为金属-非金属、有机-无机
物几个孤立领域的传统概念,并用统一的观点及方法来研究一切材料。它有共同的研究领域:
研究所有材料的结构-性能-合成加工-使用行为四大基本要素及其相互关系,使它成为融合多
种材料、多种学科的综合性的科学。其综合性突出地表现在先进复合材料与固体器件上,它们
都冲破了传统材料的观念。此外材料研究已经扩展到各种材料的综合利用、回收以及保护环
境等问题。现代材料科学与工程强调使用行为导向的研究,强调合成/加工过程的研究,以加速
由研究到应用的进程。美国人已认识到由于历来只重视新材料性能的研究,忽视合成、加工等
生产技术的研究,使得它在许多制造业部门落后于日本及欧洲,失去了一个又一个的市场优势
。大家还普遍认识到:材料加工工艺不仅是新材料转化为商品的关键,它本身也已成为一门重
要的综合性的现代科学。正在迅速发展的人工构造材料工艺、无余量加工、快速凝固方法、
激光及粒子束加工以及未来的智能加工系统都将极大地促进新材料的应用及制造业的发展。

(2)深入微观层次,有目标地发现和开发新物质、新材料。如果说60年代以前新材料主要表现
在块体材料中,则此后发展具有新的微观结构的材料占有很大的比重,新材料与器件的紧密结
合也是另一重要发展趋势。如半导体器件、超晶格、新的超导体、功能梯度材料以及新近出
现的碳-60及多孔硅等。形象的说,新材料的发展热点在70年代的标志是表面、界面,80年代是
原子层尺度加工,则90年代将进入零维材料(纳米晶体)量子器件。它们在结构上更加复杂(信
息含量大),性能极限化,而使用量降低。由于已经掌握了观察单个原子及一次仅一个原子层的
加工技术,可以预料90年代将出现更多、更新的材料与器件,其中人工构造材料将是最有潜力
的进展。信息功能材料发展最快,将不断有重大突破,是发展新材料的重点。电子材料与光电
子材料的突破将使通讯、成像与信息处理技术产生重大的技术革新,光电集成电将在一个芯片
上连接微小的光子与电子元件,极大的提高信息处理能力。结构材料也将有大的进步,性能/重
量比将有大幅度提高,并将发展结构-功能型新材料。结构材料的应用研究也是重要研究方向。

(3)材料复合化是一个重要发展趋势。由于多种材料多学科的交叉、融合,使材料的复合化成
为发展新材料的一种重要手段。可以利用多种基体与增强体的复合、多种层次的复合以及利
用非线性复合效应创造出全新的性能的材料。材料与部件(元件)的融合将改变“材料”的老
概念,创造出诸如集成电路这样的新器件。近年来先进复合材料及新工艺发展很快,不少专家
预言未来复合材料的应用将引起结构设计的革命。目前复合材料的发展以树脂基复合材料为
主,特别是热固性材料,它的技术最成熟,应用最广。热塑性材料发展也很迅速,即将进入实用
阶段,但其工艺需要完善。金属基复合材料大部分处于研究开发阶段,它特别适用于建造空间
结构体。陶瓷基复合材料则尚处于研究阶段,但它是改进陶瓷的可靠性的重要途径,从而使陶
瓷材料优异的高温性能得以应用。此外碳/碳复合材料在军事技术上有很大实用价值,并已有
一定的应用。功能复合材料是一个很有发展前途的方向。其中很多复合效应特别是非线性效
应、纳米复合技术等尚未很好地开发利用,机理也不大清楚,估计可能出现比结构材料更广泛
的应用前景,值得重视。由于激光、等离子体技术的发展,材料表面处理与表面改性技术也很
有前途。此外,材料的复合化还是进入智能材料的可能途径。例如自愈合材料、自应变材料等。

(4)理论-计算机模拟-实验的结合是未来发展新材料的重要研究方法。由于固体物理计算方法
与电子计算机的发展,材料科学与工程可以借助大型计算机来分析、模拟材料的微观结构,计
算其性能与行为,从而提供了一个强有力的研究工具来预测与合成具有预期性能的新材料。近
年出现的“材料微观结构设计”方法受到美国、日本科技界的普遍布重视。

计算机模拟方法主要有量子力学能带计算、分子动力学计算、MONTE-CARLO方法模拟等,在药
物分子设计方面计算机给出的结果超出了最有经验的药物设计师的想象。钱学森在1986年已
提出要重视这一方向,他认为:流行的观念太落后,“炒菜”的方法不行,材料科学本身也要现
代化。我国高技术计划中“新材料微观结构设计”已形成一个课题,研究工作已经起步。此外
,计算机技术的应用对新材料生产、控制和自动化也会起到重要到推动作用。可以预言,现代
计算机技术与材料科学结合将建立材料科学的理论基础与提供新的研究方法,从根本上改变新
材料研究与开发的面貌。

(5)出现新材料的研究-开发-生产-应用一体化的趋势,材料研究与生产紧密结合将使材料科学
的成果快速的发挥作用。近年来美国人一直在研究,为甚么在美国科学家获得诺贝尔奖的领域
日本人却占领了市场。大量的研究集中到一个结论:仅靠科学和技术本身不能保证经济的成功
,只有学会有效地利用技术,把科学技术成果迅速地转变成商品时它才会发挥出巨大的作用。
在材料领域也是如此,半导体激光器是美国人发明的,但日本人很快就开发出低成本的激光器
产品,并大量用于激光光盘中,形成了很大的产业。现代新材料的应用要从产品设计开始,从产
品全寿命的观点出发,把R&D、材料生产、推广应用看成一个有机结合的集成的大系统,使之具
有合理的结构与运行机制。只有这个大系统正常地高速运行才能产生效益。我们过去对“新
材料研究”的理解太狭隘,流行的看法只偏重新的成分。实际上,一种材料的新的合成/加工方
法(以及过程的分析),新条件下的使用行为研究都应是新材料研究的重要内容。如果使用行为
不清,加工方法不好,即使材料的某项性能如何优越,仍然无法使用。也就是说这种新发现的物
质不能转化为可用的新材料。我们要建立起一个共识:材料科学是一门应用科学,研制的新材
料必须具有先进的“使用性能”,能用它来制造有用的器件;同时它必须具有合适的“工艺性
能”,以便能经济的生产出来。而这两者都必须在与应用密切结合中通过应用研究而获得。美
国、日本的科技界已在认真研究所谓“设计制造一体化”(缩写为IDM),值得我们注意。因为
它可以高质量、高效率的来设计制造小批量的产品,加速科技成果转化为商品的过程,对国防
产品最为合适。IDM与传统的设计工作的区别在于实行了设计-材料-工艺三者早期的结合,它
不仅包含部件的形状,尺寸设计,而且包括材料结构设计及工艺方法设计,还要对最终产品的性
能进行计算机模拟与验证。以设计一个先进复合材料部件为例,IDM要求有一个增强纤维及基
体材料的数据库,用它对材料结构进行优选;其次需要合适的模型及软件来来模拟制造过程,以
验证能造出来;对于最后成品还需在计算机上作三维强度-应力分析,以验证原来设计的目标能
否达到。因此,在进行IDM时,除设计师外还必须有材料专家与工艺专家参加,彼此相互结合,而
计算机分析与模拟技术则是关键。目前IDM还处于开发阶段,但已受到普遍重视。可以设想未
来这种“一体化”的方法再与计算机集成制造系统(CIM)结合起来,将使先进技术产品的开发
、生产发生革命性的变化。我们应充分重视这一发展动态。

(6)加强国家对材料研究工作的组织、领导。由于材料对国民经济各个部门的关键性基础作用
,以及发展新材料的风险性与长期性,国家将是主要的投资者。国家的作用表现在以下三方面
:一是重视制订材料科学发展的国家规划,由国家在财政上予以支持。如美国今年初把先进材
料和工艺开发首次作为总统倡议列入1993年度国家预算中,把它的地位提高到一个新的高度。
二是国家鼓励工业界-大学-研究单位的合作,并在这方面起组织作用。如美国已经组织的汽车
复合材料研究联合体、高级电池联合体等。第三是重视材料科学人才的培养及在职人员的知
识更新,不仅要培养出高水平的科研人才,而且还要有大量能担任技术推广任务的科技、管理
人才。

3　对我国材料科学展望及对技术政策的思考

(1)新材料研究在我国一直受到重视,也取得不少成绩。我国从50年代起对新材料研究已十分
重视,取得了大量的研究成果,支持了国民经济及国防建设的发展,形成了一支有40万人的新材
料研究与生产队伍,其中科研人员近10万人,从事材料科学与工程的研究单位有300多个,新材
料生产工厂1　000多个。各类大学有150多个与材料有关的专业,毕业生的数量与美国相近。
在不少领域如光学晶体、有机分离膜,稀土永磁材料,高温超导体,准晶态研究等方面已取得举
世瞩目的成绩。但与发达国家相比,在总体水平上,特别是在生产技术水平和新材料应用水平
上还有相当大的差距,估计落后10年左右。我们还有相当数量的钢材和化工有机合成材料要靠
进口,高技术所需的新材料以及引进生产线所用原材料大量依靠国外。材料科学与工程的发展
还存在问题。不少研究起步不晚,成果不错,但形不成商品及产业。有的方面是“成果一大片
,材料看不见”。如碳纤维、芳纤维以及某些电子材料等许多单位长期研究,但提供不出高性
能产品。国家在新材料研究开发上的总投资估计超过50亿元,但形成的新材料生产的产值不大
,大大影响了我国工业特别是高技术产业的发展。

(2)究其原因,人们通常认为:材料的研究方向与重点有问题;基础研究与应用研究结合不好;科
研投资强度不足以及科研人才后继乏人等等。当然这些问题值得重视,应该予以解决。我们认
为问题可能不是出在研究阶段,而是出在更高一级的系统结构上。美、日等工业发达国家在促
进新材料科技方面有许多经验可供借鉴,但最根本的一条在于认识到:现代材料科学技术是科
学与工程的结合、研究与开发的结合、理论科学与应用科学的结合;新材料科技发展必须与新
材料产业发展结合起来(或说“一体化”);必须有合适的政策与组织形式来推动实现此种结合
。经验表明:新材料能产生效益的必要条件是有一个高速运行的“研究开发-材料生产-应用及
商品化”的大系统。这个系统运转速度愈高,效益就愈大。从大系统的结构看我国材料研究力
量不弱,但新材料生产的规模太小,推广应用的力量太少。从运行情况看研究与生产脱节,黑色
金属、有色金属、有机材料、建筑材料分属不同部门,统一不起来,军用与民用材料、基础与
应用、新材料与传统材料的关系也处理得不够好,新材料推广应用的机制很不健全。为了从根
本上改变这种情况,需要从我国国情出发,参考国际先进经验,从总体上对材料科技领域的研究
、生产、应用进行规划与改革。其主要任务是集中力量加速建立具有一定规模的新材料产业
;理顺新材料研究与生产、应用间的关系,使之走上良性循环;建立新材料科技在下一世纪赶上
世界先进水平的科技基础。要以当前国家重点发展的产业需求、引进生产线国产化的需求以
及国防科技的重点需求为主线,以工业发达国家用之有效的先进、适用的新材料及技术为背景
,有步骤的发展有中国特色的新材料体系,使新兴的材料科学技术在90年代对中国的经济腾飞
起到更大的保证与促进作用。

(3)为了贯彻这一设想,新材料科技工作也要有一些根本性的转变:要改变已经习惯的选题方法
,扩大新材料研究的范围,使之也包含传统材料的新生产技术;集中力量,把提高科技成果转移
速度放在重要地位,使研究成果真正有用;加强应用研究,大力开发新材料在国民经济中的应用
范围。同时还要注意处理好发展军用新材料与民用材料的关系、开发与基础研究的关系、自
力更生与引进新技术的关系、各类研究单位之间以及各种科技计划之间的关系等。在当前情
况下,社会主义市场经济的大发展将为建立新材料产业提供有利条件,高新技术开发区的建立
也有利于新材料的推广应用。但合理的规划这一工作仍须依靠国家的组织与指导,而不可能完
全依赖市场经营机制。其中重大的科研项目及重大的技术转移计划都应在国家统一规划、指
导下来完成。我们建议:——国家要有一个总体设想及长远规划,把材料研究与工业发展联系
起来,大力解决好材料研究-生产-应用这个大系统的结构与运行机制问题。——要结合我国国
情决定材料科学与工程的重点发展方向,特别要考虑我国的资源、人口、工业发展阶段、科技
水平的实际情况,提出我国自己的发展道路。新材料研究要解决好军民结合问题,要重点发展
军民两用新材料。——要提倡材料研究与应用的结合,重视新材料的推广应用。在发展新产品
时重视设计与材料、工艺的早期结合,鼓励工业企业采用新材料。要大力组织企业、研究单位
与大专学校的合作。——重视材料科学的基础研究及学科的发展,注意人才的培养,当前特别
应加强培养能从事新技术开发与推广应用的人才。