屠海令

（北京有色金屬研究總院，北京100088）

卷首文摘

發(fā)展先進(jìn)材料迎接科技革命

屠海令

（北京有色金屬研究總院，北京100088）

屠海令中國工程院院士。長(zhǎng)期從事電子材料研究與工程化，現(xiàn)任中國科協(xié)常委，中國有色金屬學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國稀土學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國材料研究學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。

縱觀歷史，以材料劃分年代是一大特色，如石器、青銅器、鐵器時(shí)代等，這足以說明人類文明與材料的關(guān)系。今天，我們周圍的物質(zhì)世界發(fā)生了天翻地覆的變化，最新穎的智能手機(jī)、最新型的平板電腦、最時(shí)尚的可穿戴電子器件都充滿了時(shí)代感。然而，無論是谷歌眼鏡、阿特拉斯機(jī)器人、synapse芯片、人造樹葉、遠(yuǎn)程醫(yī)療，還是阿科桑底生態(tài)城、特斯拉電動(dòng)車、和諧號(hào)高鐵、神州號(hào)飛船都離不開先進(jìn)材料。先進(jìn)材料科學(xué)與工程正在改變當(dāng)今世界和我們的生活。

一般來說，新出現(xiàn)的具有優(yōu)異性能或特殊功能的材料和傳統(tǒng)材料改進(jìn)后性能明顯提高或產(chǎn)生新的功能均可稱為先進(jìn)材料，主要包括新型功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料和先進(jìn)復(fù)合材料等。先進(jìn)材料可以導(dǎo)致顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)，從而推進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革。白光LED的出現(xiàn)，開辟了照明的新紀(jì)元。液晶屏替代陰極攝像管，曾帶來了顯示革命；現(xiàn)在OLED、打印顯示、激光顯示又開始崛起，可謂一代材料、一代器件、一代整機(jī)。

近十幾年，先進(jìn)材料研究成果密集涌現(xiàn)，有人斷言21世紀(jì)將是材料革命的時(shí)代。特別是金融危機(jī)以來，各國政府紛紛加大財(cái)政投入：美國2011年啟動(dòng)的先進(jìn)制造伙伴關(guān)系計(jì)劃中設(shè)置了材料基因組計(jì)劃，2013年歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目列支了10億歐元的巨額經(jīng)費(fèi)，德國、日本也在其國家高技術(shù)計(jì)劃中安排了先進(jìn)材料的研發(fā)內(nèi)容。不難看出，先進(jìn)材料是其他戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，采用先進(jìn)材料已成為未來技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的標(biāo)志和特征之一。

1）先進(jìn)材料發(fā)展呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)功能一體化、材料器件一體化、納米化、復(fù)合化的特點(diǎn)。其作用在高馬赫數(shù)飛行器、微納機(jī)電系統(tǒng)、新醫(yī)藥、高級(jí)化妝品和新能源電池方面發(fā)揮得淋漓盡致。

2）先進(jìn)材料在行業(yè)科技進(jìn)步中舉足輕重。例如，高性能特殊鋼和高溫合金是高鐵輪對(duì)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)最好的選擇，超高強(qiáng)鋁合金是大飛機(jī)框架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)高韌耐腐蝕鈦合金則是蛟龍?zhí)枤んw及海洋工程不可或缺的材料。

3）先進(jìn)材料聯(lián)用或與其他學(xué)科、領(lǐng)域的深度融合成為其發(fā)展的另一特點(diǎn)。高k和更高k材料與新型金屬柵結(jié)合引領(lǐng)集成電路順利走向45 nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。鈣鈦礦材料和有機(jī)材料聯(lián)用催生了有前景的新型太陽電池。智能材料與3D打印結(jié)合形成4D打印技術(shù)。有機(jī)復(fù)合材料、生物活性材料與臨床醫(yī)學(xué)結(jié)合分別產(chǎn)生和發(fā)展了“電子皮膚”和組織再生工程。碳纖維及復(fù)合材料已用于航空航天和先進(jìn)交通工具。化合物半導(dǎo)體材料使太赫茲技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、反恐方面得以應(yīng)用。超材料以微結(jié)構(gòu)和先進(jìn)材料結(jié)合，在電磁波和光學(xué)領(lǐng)域獲得引人注目的成果。柔性電子學(xué)材料、新能源材料、生物醫(yī)用材料的市場(chǎng)前景廣闊。

4）先進(jìn)材料與物質(zhì)科學(xué)發(fā)展相輔相成。自旋電子學(xué)材料、鐵基及新型超導(dǎo)材料的研究方興未艾。阻變、相變及磁存儲(chǔ)材料將改變傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。納米孿晶結(jié)構(gòu)探索出一條合成超硬材料的新路徑。富勒烯、碳納米管開辟了碳基材料的發(fā)展前景；石墨烯剝離成功，引發(fā)了二硫化鉬、單層錫、黑磷、硅烯、鍺烯等二維材料的研究熱潮。

5）高通量計(jì)算、高通量合成與表征以及大型數(shù)據(jù)庫加速了材料設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和制備工藝模擬，大幅縮短了研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，為先進(jìn)材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化提供了變革性的新方式。低錸高溫合金和新型鋰離子電池電極材料就是很好的實(shí)例。最近，在拓?fù)浣^緣體材料中，計(jì)算預(yù)測(cè)的量子反?；魻柆F(xiàn)象已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。此外，具有超級(jí)導(dǎo)電能力的砷化鎘材料也是理論計(jì)算在前，實(shí)驗(yàn)在后。

6）先進(jìn)材料研究成果正快速產(chǎn)業(yè)化并不斷降低成本。據(jù)市場(chǎng)預(yù)測(cè)，直徑450 mm硅片將用于14 nm及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的集成電路，可繼續(xù)降低成本，使新技術(shù)和新產(chǎn)品以最短的時(shí)間、最合理的價(jià)格普惠大眾。

7）先進(jìn)材料的研發(fā)與生產(chǎn)還必須考慮節(jié)能環(huán)保與可再生，并進(jìn)行全生命周期評(píng)價(jià)。諸如有毒材料的替代，中重稀土的減量使用，膜材料用于海水淡化，建筑節(jié)能材料的應(yīng)用，生物基材料的研發(fā)以及“短小輕薄”理念付諸實(shí)踐等。同時(shí)，低碳及環(huán)境友好的制備技術(shù)也得到了快速發(fā)展，如共軛微孔高分子材料捕獲二氧化碳并將其催化為環(huán)碳酸脂。

8）先進(jìn)材料發(fā)展要注重軍民融合，鼓勵(lì)開拓軍轉(zhuǎn)民產(chǎn)品市場(chǎng)。寬禁帶碳化硅、氮化鎵基的下一代射頻高能效高功率器件即有潛力的軍民融合的高端電子產(chǎn)品。

9）先進(jìn)材料制備的新方法、新工藝、新裝備至關(guān)重要，必須協(xié)調(diào)發(fā)展。

先進(jìn)材料也是我國“工業(yè)強(qiáng)基”的四大支柱之一；發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”急需大量先進(jìn)材料。近年來，我國先進(jìn)材料研發(fā)水平不斷提高，產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛；但核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，部分高端產(chǎn)品仍受制于人。今后，關(guān)鍵先進(jìn)材料的研發(fā)、工程化與產(chǎn)業(yè)化將是我國研究單位、大學(xué)、企業(yè)、政府和市場(chǎng)關(guān)注和著力的重點(diǎn)。

展望未來，先進(jìn)材料的研發(fā)會(huì)涉及納米尺度、飛秒時(shí)間、量子力學(xué)原理，并將呈現(xiàn)多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，宜采用自上而下和自下而上相結(jié)合的技術(shù)路線。此外，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)理論計(jì)算與數(shù)據(jù)挖掘，加強(qiáng)問題導(dǎo)向與市場(chǎng)導(dǎo)向，加強(qiáng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，加強(qiáng)與重大工程和新興產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，促進(jìn)先進(jìn)材料的工程化、產(chǎn)業(yè)化向更高層次、更科學(xué)化、更綜合化、更系統(tǒng)化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，先進(jìn)材料的群體性出現(xiàn)以及眾多顛覆性技術(shù)的應(yīng)運(yùn)而生，將成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革最明亮的曙光。

—— 摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2014年 第34期 第1頁