未来十年，我国如何打造先进材料？

小心愿

导读：长久以来，先进材料的研发和制造成为我国诸多高技术产业发展的软肋，其与国际先进水平的差距不容忽视。日前，工业和信息化部委托中国工程院承担的“新材料产业发展”重大课题在京召开课题启动会，研究并确定了课题提纲、工作方案和有关安排。

　　据悉，工信部正会同有关部门研究起草促进新材料产业健康发展的指导意见。希望课题组在准确分析新材料产业发展现状的基础上，研究判断未来十年内国内外新材料产业发展趋势，提出重点发展方向和措施建议，为指导意见编制工作提供支撑。

　　我国先进材料发展之路将何去何从？长期从事电子材料研究与工程化的中国工程院院士、中国材料研究学会副理事长屠海令日前在中国科协学术会刊《科技导报》撰文，阐述了先进材料的发展特点和重要意义。　

　

　　纵观历史，以材料划分时代是一大特色，如石器、青铜器、铁器时代等，这足以说明人类文明与材料的关系。

　　今天，我们周围的物质世界发生了天翻地覆的变化，最新颖的智能手机、最新型的平板电脑、最时尚的可穿戴电子器件都充满了时代感。然而，无论是谷歌眼镜、阿特拉斯机器人、synapse芯片、人造树叶、远程医疗，还是阿科桑底生态城、特斯拉电动车、“和谐号”高铁、神舟飞船，都离不开先进材料。先进材料科学与工程正在改变当今世界和我们的生活。

　　一般来说，新出现的、具有优异性能或特殊功能的材料和传统材料，改进后有明显性能提高或产生新功能的材料均可称为先进材料，主要包括新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料等。先进材料可以导致颠覆性技术的出现，从而推进产业变革。白光LED的出现，开辟了照明的新纪元；液晶屏替代阴极射线管，曾带来了显示革命；现在，OLED、打印显示、激光显示又开始崛起，可谓一代材料、一代器件、一代整机相继出现。

　　近十几年，先进材料研究成果密集涌现，有人甚至断言，21世纪将是材料“革命”的时代。特别是金融危机以来，各国政府纷纷加大财政投入：美国于2011年启动的“先进制造伙伴关系计划”中设置了“材料基因组”计划；2013年欧盟“石墨烯旗舰项目”列支了10亿欧元的巨额经费；德国、日本也在其国家高技术计划中安排了先进材料的研发内容。不难看出，先进材料是战略新兴产业的基础，采用先进材料已成为未来技术和新兴产业的标志和特征之一，它有如下一些发展特点和重要意义。

　　1）先进材料发展呈现出结构功能一体化、材料器件一体化、纳米化、复合化的特点。其作用在高马赫数飞行器、微纳机电系统、新医药、高级化妆品和新能源电池方面发挥得淋漓尽致。

　　2）先进材料在行业科技进步中举足轻重。例如，高性能特殊钢和高温合金是高铁轮对和飞机发动机最好的选择，超高强铝合金是大飞机框架的关键结构材料，高强高韧耐腐蚀钛合金则是“蛟龙号”壳体及海洋工程不可或缺的材料。

　　3）先进材料联用或与其他学科、领域的深度融合成为其发展的另一特点。高k（编者注：指高介电常数）和更高k材料与新型金属栅结合，引领集成电路顺利走向45纳米及以下精度技术节点；钙钛矿材料和有机材料联用，催生了有前景的新型太阳能电池；智能材料与3D打印结合形成4D打印技术；有机复合材料、生物活性材料与临床医学结合，分别产生和发展了“电子皮肤”和组织再生工程；碳纤维及复合材料已用于航空航天和先进交通工具；化合物半导体材料使太赫兹技术在环境监测、医疗、反恐等方面得以应用；超材料以微结构和先进材料相结合，在电磁波和光学领域获得引人注目的成果；柔性电子学材料、新能源材料、生物医用材料的市场前景广阔。

　　4）先进材料与物质科学发展相辅相成。自旋电子学材料、铁基及新型超导材料的研究方兴未艾。阻变、相变及磁存储材料将改变传统的半导体存储器；纳米孪晶结构研究探索出一条合成超硬材料的新路径；富勒烯、碳纳米管开辟了碳基材料的发展前景；石墨烯剥离成功，引发了二硫化钼、单层锡、黑磷、硅烯、锗烯等二维材料的研究热潮。

　　5）高通量计算、高通量合成与表征以及大型数据库加速了材料设计、性能预测和制备工艺模拟，大幅缩短了研发周期、降低了生产成本，为先进材料研发和产业化提供了具有变革性的新方式。低铼高温合金和新型锂离子电池电极材料就是很好的实例。不久前，在拓扑绝缘体材料中，计算预测的量子反常霍尔现象已被实验证实。此外，具有超级导电能力的砷化镉材料也是理论计算在前，实验在后。

　　6）先进材料研究成果正快速产业化并不断降低成本。据市场预测，直径450毫米硅片将用于14纳米及以下技术节点的集成电路，可继续降低成本，使新技术和新产品以最短的时间、最合理的价格普惠大众。

　　7）先进材料的研发与生产还必须考虑节能环保与可再生，并进行全生命周期评价，诸如有毒材料的替代、中重稀土的减量使用、膜材料用于海水淡化、建筑节能材料的应用、生物基材料的研发以及“短小轻薄”理念付诸实践等。同时，低碳及环境友好的制备技术也得到快速发展，如共轭微孔高分子材料捕获二氧化碳并将其催化为环碳酸脂。

　　8）先进材料发展要注重军民融合，鼓励开拓“军转民”产品市场。宽禁带碳化硅、氮化镓基的下一代射频高能效高功率器件，即为有潜力的军民融合高端电子产品。

　　9）先进材料制备的新方法、新工艺、新装备至关重要，必须协调发展。先进材料也是我国“工业强基”的四大支柱之一；发展先进制造业，实现“中国制造2025”亟需大量先进材料。近年来，我国先进材料研发水平不断提高，产业发展迅猛，但核心竞争力不强，部分高端产品仍受制于人。今后，关键先进材料的研发、工程化与产业化将是我国研究单位、大学、企业、政府和市场关注和着力的重点。

　　展望未来，先进材料的研发涉及纳米尺度、飞秒时间、量子力学原理等，并将呈现多学科交叉融合的特点，宜采用自上而下和自下而上相结合的技术路线。此外，还需要进一步加强理论计算与数据挖掘，加强问题导向与市场导向，加强创新驱动，加强与重大工程和新兴产业的结合，促进先进材料的工程化、产业化向更高层次、更科学化、更综合化、更系统化的方向发展。可以预见，先进材料的集群式出现以及众多颠覆性技术的应运而生，将成为新一轮科技革命和产业变革最明亮的曙光。