材料科學與工程發(fā)展的展望.doc

材料科學與工程發(fā)展的展望作者:宋家樹 張興鈐 張萬箱190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(shù)革命,科學、技術(shù)的作用被空前地開發(fā)出來。在這一基礎(chǔ)上,以電子信息技術(shù)為先導的新的產(chǎn)業(yè)革命行將到來。對于新產(chǎn)業(yè)革命的具體內(nèi)容雖有不同的預(yù)測,但共同的一點是:材料與制造技術(shù)仍是新時代企業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)。90年代各種高、新技術(shù)(如電子信息、能源、制造業(yè)以及航空、航天、海洋、軍事技術(shù)等)將都對材料及工藝提出更新更高的要求。美國1991年發(fā)表的“國家關(guān)鍵技術(shù)報告”認為:材料領(lǐng)域的進展幾乎可以顯著改進國民經(jīng)濟所有部門的產(chǎn)品性能,提高它們的競爭能力;因此把材料列為六大關(guān)鍵技術(shù)的首位。這是由于先進材料與制造技術(shù)是未來國民經(jīng)濟與國防力量發(fā)展的基礎(chǔ),是各種高、新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實用產(chǎn)品與商品的關(guān)鍵。當前各種新材料市場規(guī)模超過1000億美元,預(yù)計到2000年將達4000億美元。由新材料帶動而產(chǎn)生的新產(chǎn)品新技術(shù)則是一個更大的市場。例如美國在電子工業(yè)投入1美元的半導體材料可以產(chǎn)出10美元的電子設(shè)備系統(tǒng),而對交通工業(yè)如能延長材料使用壽命百分之一則可節(jié)約300億美元。國防科技及武器裝備的發(fā)展在很大程度上也要依賴新材料和先進制造工藝。美國國防部“關(guān)鍵技術(shù)計劃”把21項關(guān)鍵技術(shù)放在五個技術(shù)群中,其中之一就是“材料與制造”,他們認為這一技術(shù)群與70%的新技術(shù)都有密切關(guān)系。因為一方面許多新材料技術(shù)本身就是新技術(shù)突破的主要內(nèi)容。另一方面是它已成為大多數(shù)先進國防技術(shù)轉(zhuǎn)化為有效的武器裝備的關(guān)鍵支撐條件。例如先進武器技術(shù)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(0.25m)制造工藝。傳感器技術(shù)發(fā)展可以創(chuàng)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(shù)本身依賴于高質(zhì)量碲鎘汞、硅化鉑、光纖、超導等材料及其加工技術(shù)。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(zhì)異能核”如證實其存在則它所含能量比常規(guī)炸藥高出100倍。高性能材料(特別是復(fù)合材料)的應(yīng)用將使燃氣渦輪推動系統(tǒng)的能力提高一倍。由于武器技術(shù)的進步,以及更多的采用新技術(shù),使得現(xiàn)代化武器研制、生產(chǎn)周期加長、單價不斷上漲。其后果是使先進技術(shù)成果應(yīng)用于作戰(zhàn)武器系統(tǒng)上十分困難,而如不能進入應(yīng)用則研究的成果就被浪費了。解決這一難題的關(guān)鍵仍是革新制造工藝技術(shù),例如先進的柔性設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)。在未來的世紀我們會面臨更大的挑戰(zhàn),當然也有機遇。當前我國經(jīng)濟正在高速發(fā)展,但工業(yè)產(chǎn)品與先進國家相比還有很大的差距,特別是產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)的效率較低,而消耗很高。國防科技及武器裝備的質(zhì)量也急待提高。為使我們的工業(yè)在未來具有競爭力,現(xiàn)在應(yīng)抓住機遇,重視材料科學與工程這一新興學科,狠抓材料與制造工藝這兩項關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù),使之接近、趕上現(xiàn)代國際水平。為此我們需要認真考查現(xiàn)代材料科學技術(shù)的特點與將來的發(fā)展趨勢?？蒲兄袊鳶ciE.290年代材料科學及工程發(fā)展的趨勢材料科學技術(shù)是近年來發(fā)展最快的科技領(lǐng)域之一,它不僅創(chuàng)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(tǒng)材料的生產(chǎn)發(fā)生了巨大的變化。現(xiàn)代化的鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)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(shù)發(fā)展的作用有如數(shù)學對自然科學的重要作用。90年代材料科學技術(shù)將發(fā)生“革命性”的變化,從宏觀層次來看這種發(fā)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(tǒng)一的學科,并更加重視與實際應(yīng)用的結(jié)合。從70年代起逐漸形成一門統(tǒng)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(lǐng)域的傳統(tǒng)概念,并用統(tǒng)一的觀點及方法來研究一切材料。它有共同的研究領(lǐng)域:研究所有材料的結(jié)構(gòu)-性能-合成加工-使用行為四大基本要素及其相互關(guān)系,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(xiàn)在先進復(fù)合材料與固體器件上,它們都沖破了傳統(tǒng)材料的觀念。此外材料研究已經(jīng)擴展到各種材料的綜合利用、回收以及保護環(huán)境等問題?，F(xiàn)代材料科學與工程強調(diào)使用行為導向的研究,強調(diào)合成/加工過程的研究,以加速由研究到應(yīng)用的進程。美國人已認識到由于歷來只重視新材料性能的研究,忽視合成、加工等生產(chǎn)技術(shù)的研究,使得它在許多制造業(yè)部門落后于日本及歐洲,失去了一個又一個的市場優(yōu)勢。大家還普遍認識到:材料加工工藝不僅是新材料轉(zhuǎn)化為商品的關(guān)鍵,它本身也已成為一門重要的綜合性的現(xiàn)代科學。正在迅速發(fā)展的人工構(gòu)造材料工藝、無余量加工、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(tǒng)都將極大地促進新材料的應(yīng)用及制造業(yè)的發(fā)展。(2)深入微觀層次,有目標地發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新物質(zhì)、新材料。如果說60年代以前新材料主要表現(xiàn)在塊體材料中,則此后發(fā)展具有新的微觀結(jié)構(gòu)的材料占有很大的比重,新材料與器件的緊密結(jié)合也是另一重要發(fā)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(xiàn)的碳-60及多孔硅等。形象的說,新材料的發(fā)展熱點在70年代的標志是表面、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(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜(信息含量大),性能極限化,而使用量降低。由于已經(jīng)掌握了觀察單個原子及一次僅一個原子層的加工技術(shù),可以預(yù)料90年代將出現(xiàn)更多、更新的材料與器件,其中人工構(gòu)造材料將是最有潛力的進展。信息功能材料發(fā)展最快,將不斷有重大突破,是發(fā)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(shù)產(chǎn)生重大的技術(shù)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(jié)構(gòu)材料也將有大的進步,性能/重量比將有大幅度提高,并將發(fā)展結(jié)構(gòu)-功能型新材料。結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用研究也是重要研究方向?？蒲兄袊鳶ciE.(3)材料復(fù)合化是一個重要發(fā)展趨勢。由于多種材料多學科的交叉、融合,使材料的復(fù)合化成為發(fā)展新材料的一種重要手段?？梢岳枚喾N基體與增強體的復(fù)合、多種層次的復(fù)合以及利用非線性復(fù)合效應(yīng)創(chuàng)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(chuàng)造出諸如集成電路這樣的新器件。近年來先進復(fù)合材料及新工藝發(fā)展很快,不少專家預(yù)言未來復(fù)合材料的應(yīng)用將引起結(jié)構(gòu)設(shè)計的革命。目前復(fù)合材料的發(fā)展以樹脂基復(fù)合材料為主,特別是熱固性材料,它的技術(shù)最成熟,應(yīng)用最廣。熱塑性材料發(fā)展也很迅速,即將進入實用階段,但其工藝需要完善。金屬基復(fù)合材料大部分處于研究開發(fā)階段,它特別適用于建造空間結(jié)構(gòu)體。陶瓷基復(fù)合材料則尚處于研究階段,但它是改進陶瓷的可靠性的重要途徑,從而使陶瓷材料優(yōu)異的高溫性能得以應(yīng)用。此外碳/碳復(fù)合材料在軍事技術(shù)上有很大實用價值,并已有一定的應(yīng)用。功能復(fù)合材料是一個很有發(fā)展前途的方向。其中很多復(fù)合效應(yīng)特別是非線性效應(yīng)、納米復(fù)合技術(shù)等尚未很好地開發(fā)利用,機理也不大清楚,估計可能出現(xiàn)比結(jié)構(gòu)材料更廣泛的應(yīng)用前景,值得重視。由于激光、等離子體技術(shù)的發(fā)展,材料表面處理與表面改性技術(shù)也很有前途。此外,材料的復(fù)合化還是進入智能材料的可能途徑。例如自愈合材料、自應(yīng)變材料等。(4)理論-計算機模擬-實驗的結(jié)合是未來發(fā)展新材料的重要研究方法。由于固體物理計算方法與電子計算機的發(fā)展,材料科學與工程可以借助大型計算機來分析、模擬材料的微觀結(jié)構(gòu),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(yù)測與合成具有預(yù)期性能的新材料。近年出現(xiàn)的“材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計方面計算機給出的結(jié)果超出了最有經(jīng)驗的藥物設(shè)計師的想象。錢學森在1986年已提出要重視這一方向,他認為:流行的觀念太落后,“炒菜”的方法不行,材料科學本身也要現(xiàn)代化。我國高技術(shù)計劃中“新材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計”已形成一個課題,研究工作已經(jīng)起步。此外,計算機技術(shù)的應(yīng)用對新材料生產(chǎn)、控制和自動化也會起到重要到推動作用?？梢灶A(yù)言,現(xiàn)代計算機技術(shù)與材料科學結(jié)合將建立材料科學的理論基礎(chǔ)與提供新的研究方法,從根本上改變新材料研究與開發(fā)的面貌?？蒲兄袊鳶ciE.(5)出現(xiàn)新材料的研究-開發(fā)-生產(chǎn)-應(yīng)用一體化的趨勢,材料研究與生產(chǎn)緊密結(jié)合將使材料科學的成果快速的發(fā)揮作用。近年來美國人一直在研究,為甚么在美國科學家獲得諾貝爾獎的領(lǐng)域日本人卻占領(lǐng)了市場。大量的研究集中到一個結(jié)論:僅靠科學和技術(shù)本身不能保證經(jīng)濟的成功,只有學會有效地利用技術(shù),把科學技術(shù)成果迅速地轉(zhuǎn)變成商品時它才會發(fā)揮出巨大的作用。在材料領(lǐng)域也是如此,半導體激光器是美國人發(fā)明的,但日本人很快就開發(fā)出低成本的激光器產(chǎn)品,并大量用于激光光盤中,形成了很大的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)代新材料的應(yīng)用要從產(chǎn)品設(shè)計開始,從產(chǎn)品全壽命的觀點出發(fā),把R&D、材料生產(chǎn)、推廣應(yīng)用看成一個有機結(jié)合的集成的大系統(tǒng),使之具有合理的結(jié)構(gòu)與運行機制。只有這個大系統(tǒng)正常地高速運行才能產(chǎn)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(yīng)是新材料研究的重要內(nèi)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(yōu)越,仍然無法使用。也就是說這種新發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)不能轉(zhuǎn)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(yīng)用科學,研制的新材料必須具有先進的“使用性能”,能用它來制造有用的器件;同時它必須具有合適的“工藝性能”,以便能經(jīng)濟的生產(chǎn)出來。而這兩者都必須在與應(yīng)用密切結(jié)合中通過應(yīng)用研究而獲得。美國、日本的科技界已在認真研究所謂“設(shè)計制造一體化”(縮寫為IDM),值得我們注意。因為它可以高質(zhì)量、高效率的來設(shè)計制造小批量的產(chǎn)品,加速科技成果轉(zhuǎn)化為商品的過程,對國防產(chǎn)品最為合適。IDM與傳統(tǒng)的設(shè)計工作的區(qū)別在于實行了設(shè)計-材料-工藝三者早期的結(jié)合,它不僅包含部件的形狀,尺寸設(shè)計,而且包括材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及工藝方法設(shè)計,還要對最終產(chǎn)品的性能進行計算機模擬與驗證。以設(shè)計一個先進復(fù)合材料部件為例,IDM要求有一個增強纖維及基體材料的數(shù)據(jù)庫,用它對材料結(jié)構(gòu)進行優(yōu)選;其次需要合適的模型及軟件來來模擬制造過程,以驗證能造出來;對于最后成品還需在計算機上作三維強度-應(yīng)力分析,以驗證原來設(shè)計的目標能否達到。因此,在進行IDM時,除設(shè)計師外還必須有材料專家與工藝專家參加,彼此相互結(jié)合,而計算機分析與模擬技術(shù)則是關(guān)鍵。目前IDM還處于開發(fā)階段,但已受到普遍重視。可以設(shè)想未來這種“一體化”的方法再與計算機集成制造系統(tǒng)(CIM)結(jié)合起來,將使先進技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)發(fā)生革命性的變化。我們應(yīng)充分重視這一發(fā)展動態(tài)。(6)加強國家對材料研究工作的組織、領(lǐng)導。由于材料對國民經(jīng)濟各個部門的關(guān)鍵性基礎(chǔ)作用,以及發(fā)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(xiàn)在以下三方面:一是重視制訂材料科學發(fā)展的國家規(guī)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(fā)首次作為總統(tǒng)倡議列入1993年度國家預(yù)算中,把它的地位提高到一個新的高度。二是國家鼓勵工業(yè)界-大學-研究單位的合作,并在這方面起組織作用。如美國已經(jīng)組織的汽車復(fù)合材料研究聯(lián)合體、高級電池聯(lián)合體等。第三是重視材料科學人才的培養(yǎng)及在職人員的知識更新,不僅要培養(yǎng)出高水平的科研人才,而且還要有大量能擔任技術(shù)推廣任務(wù)的科技、管理人才。3對我國材料科學展望及對技術(shù)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(jīng)濟及國防建設(shè)的發(fā)展,形成了一支有40萬人的新材料研究與生產(chǎn)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(chǎn)工廠1000多個。各類大學有150多個與材料有關(guān)的專業(yè),畢業(yè)生的數(shù)量與美國相近。在不少領(lǐng)域如光學晶體、有機分離膜,稀土永磁材料,高溫超導體,準晶態(tài)研究等方面已取得舉世矚目的成績。但與發(fā)達國家相比,在總體水平上,特別是在生產(chǎn)技術(shù)水平和新材料應(yīng)用水平上還有相當大的差距,估計落后10年左右。我們還有相當數(shù)量的鋼材和化工有機合成材料要靠進口,高技術(shù)所需的新材料以及引進生產(chǎn)線所用原材料大量依靠國外。材料科學與工程的發(fā)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(chǎn)業(yè)。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(chǎn)品。國家在新材料研究開發(fā)上的總投資估計超過50億元,但形成的新材料生產(chǎn)的產(chǎn)值不大,大大影響了我國工業(yè)特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？蒲兄袊鳶ciE. (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(chǔ)研究與應(yīng)用研究結(jié)合不好;科研投資強度不足以及科研人才后繼乏人等等。當然這些問題值得重視,應(yīng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)上。美、日等工業(yè)發(fā)達國家在促進新材料科技方面有許多經(jīng)驗可供借鑒,但最根本的一條在于認識到:現(xiàn)代材料科學技術(shù)是科學與工程的結(jié)合、研究與開發(fā)的結(jié)合、理論科學與應(yīng)用科學的結(jié)合;新材料科技發(fā)展必須與新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)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(xiàn)此種結(jié)合。經(jīng)驗表明:新材料能產(chǎn)生效益的必要條件是有一個高速運行的“研究開發(fā)-材料生產(chǎn)-應(yīng)用及商品化”的大系統(tǒng)。這個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)速度愈高,效益就愈大。從大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看我國材料研究力量不弱,但新材料生產(chǎn)的規(guī)模太小,推廣應(yīng)用的力量太少。從運行情況看研究與生產(chǎn)脫節(jié),黑色金屬、有色金屬、有機材料、建筑材料分屬不同部門,統(tǒng)一不起來,軍用與民用材料、基礎(chǔ)與應(yīng)用、新材料與傳統(tǒng)材料的關(guān)系也處理得不夠好,新材料推廣應(yīng)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(fā),參考國際先進經(jīng)驗,從總體上對材料科技領(lǐng)域的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用進行規(guī)劃與改革。其主要任務(wù)是集中力量加速建立具有一定規(guī)模的新材料產(chǎn)業(yè);理順新材料研究與生產(chǎn)、應(yīng)用間的關(guān)系,使之走上良性循環(huán);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(chǔ)。要以當前國家重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)需求、引進生產(chǎn)線國產(chǎn)化的需求以及國防科技的重點需求為主線,以工業(yè)發(fā)達國家用之有效的先進、適用的新材料及技術(shù)為背景,有步驟的發(fā)展有中國特色的新材料體系,使新興的材料科學技術(shù)在9