走中國道路創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系
—— 論材料科學(xué)與新興產(chǎn)業(yè)鏈的全方位發(fā)展*

金展鵬 蔡格梅 蘇柳梅 樊 星 鄭 峰

1 中國科學(xué)院 北京 100864

2 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410083

走中國道路創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系
—— 論材料科學(xué)與新興產(chǎn)業(yè)鏈的全方位發(fā)展*

金展鵬1,2蔡格梅2蘇柳梅2樊 星2鄭 峰2

1 中國科學(xué)院 北京 100864

2 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410083

文章從全球高科技對材料科學(xué)提出的新挑戰(zhàn)，材料組織演化理論及有關(guān)知識單元的發(fā)展史，新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)菍W(xué)科交叉和群體性技術(shù)革命的產(chǎn)物，國際上創(chuàng)立新材料制造科學(xué)體系的借鑒，走中國的道路創(chuàng)立新材料制造科學(xué)體系的路線圖和“十三五”期間的緊迫任務(wù)與措施 6 個層面論證了創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系是迎接制造業(yè)全球競爭的前瞻性戰(zhàn)略布局，是全面貫徹落實(shí)五大發(fā)展理念，建設(shè)制造強(qiáng)國的重點(diǎn)工作。

材料設(shè)計，組織演化，知識單元，材料制造科學(xué)體系，產(chǎn)業(yè)鏈

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.11.008

在落實(shí)中國制造宏偉藍(lán)圖的時候，人們痛感材料制造是塊短板，是制約綜合國力提升的瓶頸。經(jīng)過對學(xué)科發(fā)展規(guī)律和態(tài)勢的研究，就會認(rèn)識到創(chuàng)新的材料與制造科學(xué)理論、知識系統(tǒng)和有關(guān)知識單元，正是全面發(fā)展技術(shù)科學(xué)的重要支柱[1]。 本文在解讀其要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論頂層設(shè)計問題。

1 高科技對材料科學(xué)的新挑戰(zhàn)

1.1 理解金屬、陶瓷和高分子材料中的共性科學(xué)規(guī)律

從歷史上看，金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料是分別發(fā)展起來的，就其制備工藝而言，就采用了“合金化”“摻雜”“雜化”“混合”“合成”等不同術(shù)語。雖然這些術(shù)語沒有一個能準(zhǔn)確反映出新材料設(shè)計與制造的科學(xué)內(nèi)涵，但是，在先進(jìn)制造業(yè)的牽動下，這 3 類材料的知識正在迅速地融合。以鋼鐵為中心的物理冶金正與陶瓷和高分子材料物理化學(xué)互相融合，對相變的研究則深入到各層次微結(jié)構(gòu)的演化。比如，通過人造的位錯陣列控制納米尺度的亞穩(wěn)分解、自組裝生成量子阱；再比如，通過相分離獲得納米尺度的多相塊狀聚合物，使其性能大大改善。這些例子都是金屬材料、無機(jī)非金屬材料和高分子材料交叉融合的新成就，又是 20 世紀(jì)亞穩(wěn)相變理論的延伸。

高分子材料的前景廣闊，其研發(fā)活動和產(chǎn)業(yè)化比金屬和無機(jī)材料更加活躍，進(jìn)展更快。為了擺脫在高分子材料研究中出現(xiàn)的“只見樹木不見森林”的現(xiàn)狀，美國工程院院士、高分子物理學(xué)家程正迪強(qiáng)調(diào)了研究高分子材料亞穩(wěn)相變及組織演化的重要性，指出這是一個有廣闊前景的研究領(lǐng)域。而作為其基礎(chǔ)的高分子物理學(xué)則是凝聚態(tài)物理和固態(tài)物理化學(xué)的核心。

最近，添加式制造（Additive manufacturing，例如 3D 打?。┑难邪l(fā)和產(chǎn)業(yè)化活動已經(jīng)擴(kuò)展到金屬、陶瓷、高分子材料乃至生命器官，然而全球至今尚未建立從前沿研究到產(chǎn)業(yè)化融會貫通的 3 類材料的科學(xué)體系，更未能提供可供現(xiàn)場操作的知識系統(tǒng)和相應(yīng)的工具，在這樣十分尖銳的矛盾后隱藏著豐富的創(chuàng)新機(jī)遇。

因此，理解和掌握金屬、陶瓷和高分子材料中的共性科學(xué)規(guī)律、構(gòu)成新的知識系統(tǒng)是一項(xiàng)關(guān)系占領(lǐng)科學(xué)制高點(diǎn)的重要任務(wù)。

1.2 材料科學(xué)正在使微電子芯片的設(shè)計和制造理念發(fā)生變革

在微電子芯片制造、組裝和封裝過程中，高效電阻、電容、電感和天線的微型化與集成化，必然會涉及到界面反應(yīng)、電遷移和晶須生長等科學(xué)問題。

多種微結(jié)構(gòu)之間的相互作用貫穿在材料選擇、工藝設(shè)計、可靠性預(yù)測、失效機(jī)制分析、抗沖擊和防污染等一系列環(huán)節(jié)中，每一環(huán)節(jié)都離不開材料組織演化這一核心問題。

1.3 功能微納器件設(shè)計和制造的挑戰(zhàn)

從大型構(gòu)件到納米器件的設(shè)計、制造和使用，遇到的共同問題是：（1）結(jié)構(gòu)不同的材料結(jié)合在一起時，其界面和整體會發(fā)生怎樣的變化，以及這些變化對整個器件的性能會有什么影響？（2）功能不同的異種材料結(jié)合在一起的時候會產(chǎn)生什么樣的新功能或隱患？這是今后在信息功能、能量轉(zhuǎn)換功能器件以及各種微納器件的設(shè)計、制造和使用全過程中不可回避的兩個問題。傳感器材料的組織演化失控，就可能使機(jī)器人“神經(jīng)錯亂”。

1.4 器件組裝中微區(qū)形貌調(diào)控的挑戰(zhàn)

作為半導(dǎo)體和單晶葉片等器件制造的基礎(chǔ)，晶體生長機(jī)理的研究在先進(jìn)制造業(yè)中遇到了新挑戰(zhàn)。為了使器件功能化，就要從理論上掌握其在組裝過程中組織演化的規(guī)律，也就是說要掌握從自然界的自組裝到微納器件和大型雕塑各個尺度產(chǎn)品從制造、服役直到回收等整個過程中的組織演化規(guī)律和細(xì)節(jié)，并應(yīng)用到多種多樣的制造方法以及靈活多變的工藝參數(shù)的實(shí)踐中去。這是所有先進(jìn)制造業(yè)所面臨的共性科學(xué)問題。

例如，張立德發(fā)明的制造納米復(fù)合材料的方法，諸如花狀 MgO 納米結(jié)構(gòu)[2]、層錯周期分隔 ZnS/ZnO 異質(zhì)結(jié)構(gòu)[3]、階段脈沖電沉積技術(shù)制備 Bi/Sb 超晶格納米線[4]，以及目前多種多樣的微納自組裝方法，其共同特點(diǎn)是通過在微觀尺度上調(diào)控晶面、晶向、缺陷等微結(jié)構(gòu)的自由能差別，以及在各微區(qū)中溫度梯度、對流和原子擴(kuò)散等參量變化來控制形貌，從而獲得器件的功能所需要的組裝結(jié)果。

在宏觀塑雕與建筑的組裝領(lǐng)域，麻省理工的 Carter 教授[5]一方面從原子尺度對晶界的自由能和組織演化的關(guān)系進(jìn)行模擬和計算，另一方面又與建筑學(xué)教授 Oxman 從熱力學(xué)和動力學(xué)出發(fā)，利用類似于油和醋的液相分層原理，模擬大型雕塑 3D 制造技術(shù)中的組織演化過程。

在自組裝的過程中，不可忽視宏觀工藝與微觀自組裝的結(jié)合在理論上和實(shí)踐上的重大意義。化合物半導(dǎo)體的成分在化學(xué)計量比附近發(fā)生微小的變化，就會使載流子濃度及材料性能變化幾個數(shù)量級。陳清等[6]將組織演化、相平衡、缺陷化學(xué)和半導(dǎo)體性質(zhì)結(jié)合在一起，建立起具有物理意義的模型，評估和計算了 Cd-Te 相圖，該相圖指出通過調(diào)整蒸氣壓可以將 CdTe 的成分波動控制在10-5范圍左右。這一工作的想象力在于：在理論上建立新的物理模型，在實(shí)踐上通過宏觀參數(shù)控制微觀過程。

1.5 材料組織演化理論是迎接高科技挑戰(zhàn)的共同理論基礎(chǔ)

組織演化貫穿在包括金屬、無機(jī)非金屬和高分子在內(nèi)的所有材料之中；貫穿在材料的各種制備、實(shí)驗(yàn)和表征方法之中；貫穿到從建筑、塑雕、大型構(gòu)件，直到微納器件等各種尺度器件的設(shè)計、制造和使用的全過程中；自然也就貫穿到材料和器件的設(shè)計與制造及產(chǎn)業(yè)鏈的過程中。因此，材料組織演化規(guī)律是材料制造設(shè)計的科學(xué)基礎(chǔ)，是迎接高科技挑戰(zhàn)的共同理論基礎(chǔ)。

材料組織演化的內(nèi)涵孕育著不同材料產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域在不同發(fā)展階段上的制高點(diǎn)。材料組織演化的內(nèi)涵具有開放性和包容性，使得人們能夠在實(shí)踐中不斷地豐富和深化對材料中各層次微結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理的認(rèn)識。材料的力、電、磁、熱、光、聲等功能，涉及到不同層次的組織演化與性能的關(guān)系，這些關(guān)系是材料技術(shù)科學(xué)的主線和核心，是材料與器件的功能多樣性和綜合性的基礎(chǔ)，是各種材料設(shè)計與制備的共同的基礎(chǔ)，是創(chuàng)新材料制造科學(xué)體系的基礎(chǔ)。

2 材料組織演化軌跡理論及有關(guān)知識單元的發(fā)展史

不同外界條件下，材料的微結(jié)構(gòu)、成分和性能在時空中的演化序列體現(xiàn)為材料組織演化軌跡。它是各種潛在的軌跡相互競爭共同組成的縱橫交錯的、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。

為實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的設(shè)計理念，如通過微結(jié)構(gòu)控制獲得具有特定綜合性能的器件，采用的制造方法和工藝路線的設(shè)計原理就集中體現(xiàn)在組織演化軌跡以及基于此而建立起的直接服務(wù)于產(chǎn)業(yè)鏈的知識單元。材料組織演化的知識單元經(jīng)歷著四個發(fā)展階段。

2.1 第一階段：學(xué)術(shù)思想起源

在物理冶金史上，鐵合金相圖系統(tǒng)地表述了成分、溫度和相區(qū)之間的關(guān)系。但是在與熱力學(xué)、動力學(xué)和計算技術(shù)結(jié)合起來之前，人們尚不能了解甚至于單相區(qū)內(nèi)的復(fù)雜擴(kuò)散現(xiàn)象，不能動態(tài)地描述合金鋼中的相變過程。

20 世紀(jì) 50 年代，Cahn[7-9]提出了自由能密度的概念和 Cahn-Hilliard 方程。同時，麻省理工 Cohen 教授的學(xué)生師昌緒、Kaufman 和 Hillert 在動態(tài)描述相變過程方面作了開創(chuàng)性的工作。其中師昌緒先生在低溫馬氏體相變動力學(xué)方面作了很出色的工作。Kaufman 通過相圖計算，闡明了 Fe-Ni 相圖的高溫相變與低溫馬氏體相變之間的關(guān)系。Kaufman 在發(fā)表的文章中回憶說“師昌緒學(xué)長啟發(fā)他將熱力學(xué)、物理性質(zhì)與形核理論相結(jié)合建立新的理論框架”[10]。Hillert 預(yù)測了合金鋼在相變過程中各相的成分與結(jié)構(gòu)的演化軌跡[11-12]。

上述經(jīng)典的學(xué)術(shù)思想，就是所謂的“材料基因工程”思想起源，幾十年來得到了長足的進(jìn)展。

2.2 第二階段：知識單元發(fā)展期

半個世紀(jì)以前，Meijering 計算相圖的一條結(jié)線花了3 個月，而測定三元相圖等溫截面的一個角，柯俊先生認(rèn)為需要 8 人·年的工作量。后來組織演化的內(nèi)涵隨著技術(shù)科學(xué)的發(fā)展日益豐富，經(jīng)典的相變理論又碰到了新的邊界條件。學(xué)科交叉特別是計算技術(shù)的發(fā)展，以前所未有的速度實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的互動和反饋。在此背景下涌現(xiàn)出了一系列以材料組織演化規(guī)律和信息為核心的概念、公式、模塊、軟件、數(shù)據(jù)庫等，現(xiàn)在我們把這些元素統(tǒng)稱為“知識單元”。它們能表達(dá)出材料組織演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)。

2.3 第三階段：發(fā)展新的知識單元的同時，構(gòu)建新的科學(xué)體系

這一體系的核心是將組織演變的驅(qū)動力和組織演化的程度定量地聯(lián)系起來，構(gòu)建熱力學(xué)、動力學(xué)和形貌學(xué)的框架，并與新的知識單元組成材料制造科學(xué)體系。這一體系具有開放性和包容性，它在金屬材料領(lǐng)域表現(xiàn)出破解千年機(jī)密和產(chǎn)生成批專利的能力，但對整個材料領(lǐng)域來說，工作才剛剛開始。

2.4 第四階段：在創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系的過程中加速前沿理論、高科技與產(chǎn)業(yè)鏈的融合

當(dāng)今的新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)俏锢怼⒒瘜W(xué)、材料學(xué)與信息學(xué)、大數(shù)據(jù)等學(xué)科交叉和群體性技術(shù)革命的產(chǎn)物，縱橫交錯的多軌跡知識系統(tǒng)是其靈魂。第四階段是跨越式發(fā)展的時機(jī)，體系創(chuàng)新的作用將會更加凸顯，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮知識單元在落實(shí)非對稱趕超戰(zhàn)略中的作用。具體來說是將前3個階段積累起來的方法、知識和經(jīng)驗(yàn)，靈活、準(zhǔn)確地落實(shí)到關(guān)鍵戰(zhàn)略材料產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)計中，使創(chuàng)建體系與材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計協(xié)調(diào)進(jìn)行。

相圖計算的新動向體現(xiàn)了當(dāng)下前沿理論高科技與產(chǎn)業(yè)化迅速融合的時代潮流。從文獻(xiàn) 1 中所列舉的 10 多位研究者最近的研發(fā)活動中可以看出，他們處于不同的材料領(lǐng)域和不同的發(fā)展階段，依據(jù)自己的經(jīng)歷，從不同的角度描繪出各自所期待的藍(lán)圖。他們的共同點(diǎn)都是以材料組織演化理論為基礎(chǔ)，建立起各具特色的材料組織演化軌跡的知識單元。

知識單元是在群體性技術(shù)革命中學(xué)科交叉的產(chǎn)物，具有百花齊放的多解性、靈活性和普適性，可以根據(jù)需要組裝到不同的體系中，是構(gòu)建材料設(shè)計與制造科學(xué)體系各個環(huán)節(jié)的基石，是產(chǎn)業(yè)鏈中最活躍的創(chuàng)新環(huán)節(jié)，是總設(shè)計師的戰(zhàn)略創(chuàng)新與萬眾創(chuàng)新之間的橋梁，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的科學(xué)支撐，是將“三級跳”變?yōu)椤岸痰浪倩边^程中的最活躍因素。

3 新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)菍W(xué)科交叉和群體性技術(shù)革命的產(chǎn)物

3.1 設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈需要掌握材料組織演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)

為什么由研發(fā)成果到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化難？這是因?yàn)椴牧系慕M織演化過程與性能的關(guān)系復(fù)雜多變，對工藝參數(shù)十分敏感；而獲得研發(fā)成果的時候，往往是只找到了材料性能與工藝關(guān)系的某些特殊解，對于材料組織演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)缺乏細(xì)致的、定量的知識體系。

材料的不同功能涉及到不同層次的微結(jié)構(gòu)變化及其與整體的關(guān)系。具體來說，由于相、相界、位錯、空位、化學(xué)反應(yīng)直到核反應(yīng)等各微結(jié)構(gòu)層次之間的相互作用機(jī)理不同、能量差別各異，外界條件即工藝參數(shù)的波動會改變組織演化的序列，這是熱力學(xué)因素競爭的結(jié)果。而在相變過程中，包含著一系列亞穩(wěn)相相互競爭的子過程，使得組織演化過程更加復(fù)雜多變，因而對工藝條件即外部變量十分敏感。

為了準(zhǔn)確地制定產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，必須圍繞產(chǎn)業(yè)鏈部署創(chuàng)新鏈，掌握組織演化的規(guī)律和細(xì)節(jié)。其中包括要有強(qiáng)大的智能數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫是用堅(jiān)實(shí)的物理模型和先進(jìn)的計算方法武裝起來的，不是“雜物間”更不是“垃圾堆”。

目前，在組織演化軌跡理論的基礎(chǔ)上，已經(jīng)創(chuàng)建了一系列知識工具。它們是組成整個材料知識體系的知識單元，是由不同背景的科學(xué)家從不同角度研發(fā)出來的，基于不同的物理模型，涉及不同的主要變量。但是，目前還沒有一種工具能適應(yīng)特定產(chǎn)業(yè)鏈整個過程的模擬和控制。

3.2 新興產(chǎn)業(yè)鏈頂層設(shè)計的特點(diǎn)

新興產(chǎn)業(yè)鏈具有人才密集、知識密集、技術(shù)密集、全局化、動態(tài)化、多軌跡和個性化的特點(diǎn)，其中各環(huán)節(jié)具有深刻的科學(xué)內(nèi)涵和廣闊的創(chuàng)新空間。在設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈工藝路線時離不開核心科學(xué)思想，離不開信息的處理和傳播，離不開實(shí)驗(yàn)方法、計算技術(shù)和數(shù)字化的支持。

3.3 新興產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)菍W(xué)科交叉和群體性技術(shù)革命的產(chǎn)物

物理學(xué)家不斷深入對各層次結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的認(rèn)識，化學(xué)家從化學(xué)反應(yīng)的角度設(shè)計各層次結(jié)構(gòu)演化的序列。20 世紀(jì)中葉，材料學(xué)家開始綜合運(yùn)用熱力學(xué)、動力學(xué)和形貌學(xué)來研究材料的微觀組織演化過程，即各微結(jié)構(gòu)及成分在時空中變化的軌跡。

先進(jìn)的計算技術(shù)和信息技術(shù)能使人們的想象力以前所未有的速度貫徹到終點(diǎn)，并迅速傳播，大大提高了優(yōu)化模型和現(xiàn)場互動的效率，引發(fā)了產(chǎn)業(yè)鏈的革命。

大數(shù)據(jù)能對大量的、經(jīng)驗(yàn)的、理論的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和鑒別，并作為優(yōu)化模型的輸入量。此外，信息技術(shù)及大數(shù)據(jù)在尋找主要變量及表達(dá)演化規(guī)律時還發(fā)揮著其他作用。例如，它們能運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)、回歸學(xué)以及相關(guān)的物理模型甚至于“無模型”的方法對大量的亞穩(wěn)相變數(shù)據(jù)、關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，找出主要變量，設(shè)計工藝路線，并在互相反饋的過程中理解其科學(xué)內(nèi)涵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息學(xué)、數(shù)學(xué)方法和物理模型在更高層次上的融合以及在產(chǎn)業(yè)鏈中的應(yīng)用。

4 國際上創(chuàng)立新材料制造科學(xué)體系的借鑒

材料與制造科學(xué)的核心理論反映了材料組織演化的共同規(guī)律；能包容材料各結(jié)構(gòu)層次的相互作用及演化細(xì)節(jié)，內(nèi)容豐富；并能通過知識單元應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)鏈的環(huán)節(jié)中，實(shí)用性強(qiáng)。因此，穿插在經(jīng)典理論、高科技與產(chǎn)業(yè)化過程中的，由材料與制造科學(xué)核心理論組成的一系列縱橫交錯的知識網(wǎng)絡(luò)是材料和器件制造的路線圖，是引航制造強(qiáng)國的燈塔。

半個世紀(jì)以來，科學(xué)家們在從不同角度構(gòu)建知識單元和形成知識系統(tǒng)的過程中，已經(jīng)為未來的新材料制造科學(xué)體系描繪了一幅逐漸清晰的圖畫，可以作為我們創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系的借鑒。

4.1 材料熱力學(xué)的創(chuàng)新

從 20 世紀(jì)中葉開始，就有一些科學(xué)家進(jìn)行了全面發(fā)展材料科學(xué)的工作。他們在物理學(xué)前沿的基礎(chǔ)上，用熱力學(xué)的觀點(diǎn)將材料科學(xué)的成就系統(tǒng)化，旨在建立起更加邏輯、自洽、精煉的新的理論體系，以便對實(shí)際問題有更強(qiáng)的穿透能力，并期待對整個技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重要的推動作用。

從理論創(chuàng)新的角度來說，就是以組織演化的科學(xué)本質(zhì)為依據(jù)，通過建立物理模型和函數(shù)，創(chuàng)新表達(dá)經(jīng)典熱力學(xué)中的有關(guān)變量，創(chuàng)建材料熱力學(xué)體系。

4.2 創(chuàng)新理論體系的實(shí)例

Hillert[11]提出的相變驅(qū)動力、體系自由能變化和組織演化程度的關(guān)系定律（?G=-∫Ddξ），綜合了熱力學(xué)與動力學(xué)理論，是綜合描述材料在不同外界條件下各相消長演變過程的基本框架。

在此基礎(chǔ)上，已經(jīng)建立了以相圖計算為代表的理論體系和知識單元，并在闡明金屬材料組織演化過程、開發(fā)新材料和進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化中獲得了顯著成就，正在向無機(jī)和高分子材料領(lǐng)域擴(kuò)展。

4.3 新材料制造科學(xué)中的知識系統(tǒng)

目前，第一性原理計算的結(jié)果，多數(shù)作為在開發(fā)新材料的過程中優(yōu)化技術(shù)路線的輸入量，真正的突破要待量子力學(xué)到宏觀各層次的組織演化規(guī)律和細(xì)節(jié)在制造科學(xué)中深度融合。

麻省理工學(xué)院的 Ceder、賓州大學(xué)的劉梓葵和西北大學(xué)的 Olson 的工作就體現(xiàn)了將前沿理論、高科技、新材料研發(fā)等知識系統(tǒng)化。Ceder 通過相圖計算預(yù)測 FePO4的熱分解路線，系統(tǒng)地分析了薛定諤方程、密度泛函、VASP、相圖計算、研發(fā)路線的設(shè)計和鋰電池材料開發(fā)的整個鏈條中各部分之間的關(guān)系。

相當(dāng)多的實(shí)例表明，創(chuàng)新的知識系統(tǒng)具有破解千年機(jī)密和產(chǎn)生成批專利的能力。

5 走中國道路，創(chuàng)建新材料制造科學(xué)體系

5.1 避免頂層設(shè)計中的誤區(qū)

現(xiàn)在不少自發(fā)自由的科研規(guī)劃，往往是通過鎖定單一目標(biāo)，采用單一方法“外推”“疊加”而來，對所涉及的科學(xué)問題缺乏周密調(diào)查和辯證分析，以致于丟失了學(xué)科集成權(quán)，削弱了培育制高點(diǎn)的競爭力，這是頂層設(shè)計中的誤區(qū)。沒有發(fā)揮社會主義大國的優(yōu)越性，容易使在個別項(xiàng)目上的超越變成整體上的被超越，與戰(zhàn)略機(jī)遇失之交臂。因此，創(chuàng)新體系必須以頂層設(shè)計作為指導(dǎo)思想，從國家戰(zhàn)略需求出發(fā)，使創(chuàng)新的理論更具有普適性，才能使全民族的科學(xué)素質(zhì)在創(chuàng)新過程中得到提升。

（1）頂層設(shè)計要建立在全局觀和歷史觀的基礎(chǔ)上。在技術(shù)科學(xué)發(fā)生群體性革命和互聯(lián)網(wǎng)信息暢通的當(dāng)下，全球的資源分配是由科學(xué)規(guī)律和經(jīng)濟(jì)規(guī)律來決定的。如果把創(chuàng)新知識系統(tǒng)的頂層設(shè)計按照現(xiàn)有的學(xué)科目錄、行業(yè)名稱和媒體熱點(diǎn)來分配資源和進(jìn)行派工，這就無異于刻舟求劍。今天要特別尊重科學(xué)的歷史性和時代性，整個技術(shù)科學(xué)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)涵也是與時俱進(jìn)的，這就要求我們要以實(shí)際問題為導(dǎo)向，從歷史上、全局上關(guān)注學(xué)科交叉，把握與本領(lǐng)域有關(guān)的學(xué)科發(fā)展總態(tài)勢；對各種研發(fā)路線充分展開和全面評估，對前沿技術(shù)和大量知識單元進(jìn)行洗牌式分析，挖掘它們之間的科學(xué)聯(lián)系，聰明的調(diào)用各種知識單元，在此基礎(chǔ)上提出完整的、系統(tǒng)的、創(chuàng)新的頂層設(shè)計。

（2）頂層設(shè)計要具有前瞻性。整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域是一個完整的統(tǒng)一體，前瞻能力會啟發(fā)我們敏銳發(fā)現(xiàn)和及時培育新的知識單元，抓住靈感的瞬時性、方式的隨意性、和路徑的不確定性蘊(yùn)藏著的對問題具有多解的機(jī)遇，充分發(fā)揮材料科學(xué)對整個技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域全面協(xié)調(diào)發(fā)展的支撐作用。例如在第二次工業(yè)革命中，由于濫用資源造成了人類生存環(huán)境的嚴(yán)重破壞，其深層次的原因，在于對能量轉(zhuǎn)換過程中熵增量及其對環(huán)境的影響缺乏前瞻性的科學(xué)認(rèn)識。今天，在能源技術(shù)科學(xué)、生態(tài)文明和綠色工程等領(lǐng)域中，為了從眾多的候選工藝路線中優(yōu)選出最佳者，就更加要以科學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)，對各種設(shè)計方案作出定量評估，并建立相應(yīng)的知識系統(tǒng)。

（3）要動態(tài)協(xié)調(diào)頂層設(shè)計中各部分之間的關(guān)系。創(chuàng)新知識系統(tǒng)的核心部分要體現(xiàn)前瞻的學(xué)術(shù)思想和堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。創(chuàng)新知識系統(tǒng)的過程也是在實(shí)踐中不斷進(jìn)行學(xué)科交叉、與實(shí)踐反饋、不斷完善頂層設(shè)計的過程。在它的發(fā)展過程中，某些鏈條暫時只能用經(jīng)驗(yàn)和試錯來彌補(bǔ)。這就是說，整個創(chuàng)新知識系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)之間以及它們與產(chǎn)業(yè)鏈之間必須具有協(xié)調(diào)、反饋、迭代和優(yōu)化的功能，并由相應(yīng)的人才來操作。

5.2 理解科學(xué)規(guī)律是制定路線圖的基礎(chǔ)

欲在2025年使我國制造業(yè)進(jìn)入世界前沿，就要對先進(jìn)制造業(yè)中的共性科學(xué)問題進(jìn)行理論創(chuàng)新和系統(tǒng)創(chuàng)新。

我國在基礎(chǔ)和關(guān)鍵材料領(lǐng)域內(nèi)與國際的差距到底有幾年？我們不這樣提出問題，而是要從根本上尋找趕超途徑。在掌握 4 階段的全局的基礎(chǔ)上，針對具體問題，創(chuàng)建新的知識單元和科學(xué)體系，才有可能得到多種解決方案，發(fā)現(xiàn)具體問題的趕超捷徑。這就要落實(shí)并聯(lián)式和非對稱趕超戰(zhàn)略新思想，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)一系列的關(guān)系，例如以下 4 個方面：

（1）協(xié)調(diào)科學(xué)體系中各創(chuàng)新環(huán)節(jié)之間的關(guān)系。創(chuàng)建科學(xué)體系的過程包括提出學(xué)術(shù)思想、建立物理模型、創(chuàng)立新的函數(shù)、發(fā)展計算技術(shù)等，并進(jìn)一步將這些創(chuàng)新環(huán)節(jié)連貫成知識系統(tǒng)。在這一過程中，需要將這些環(huán)節(jié)與相關(guān)的知識單元進(jìn)行反復(fù)的試探、迭代和優(yōu)化。

（2）協(xié)調(diào)科學(xué)體系中精練的理論框架與產(chǎn)業(yè)鏈中海量信息之間的關(guān)系。材料組織演化的公式是精練的框架，包括了互相關(guān)聯(lián)的 3 類函數(shù)：體系自由能，組織演化的驅(qū)動力和演化程度。在進(jìn)入到不同材料領(lǐng)域時，涉及到力、電、磁、熱、光、聲等功能，也就是涉及到不同層次的組織演化與性能的關(guān)系，此時就要通過創(chuàng)建不同的物理模型，創(chuàng)建新的函數(shù)。在設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈時，為了協(xié)調(diào)好全局化、動態(tài)化、多軌跡和個性化之間的關(guān)系，就要把與組織演化有關(guān)的函數(shù)具體化為制造方法中成百上千的工藝參數(shù)，以及在服役和回收過程中的環(huán)境參數(shù)，其中包含了海量的信息與數(shù)據(jù)。

（3）協(xié)調(diào)科學(xué)體系中各門學(xué)科之間的關(guān)系。要進(jìn)行理論系統(tǒng)創(chuàng)新，必須找準(zhǔn)例如針對先進(jìn)的計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)和信息學(xué)等學(xué)科之間的結(jié)合點(diǎn)。

（4）“協(xié)調(diào)發(fā)展是制勝要訣”。要創(chuàng)新協(xié)調(diào)好上述種種關(guān)系，就必須動態(tài)地協(xié)調(diào)好中國創(chuàng)新大格局中各創(chuàng)新主體之間，也就是國家意志、總設(shè)計師的戰(zhàn)略創(chuàng)新、體系創(chuàng)新、知識單元創(chuàng)新與萬眾創(chuàng)新之間的關(guān)系；協(xié)調(diào)好科技創(chuàng)新、體系創(chuàng)新和管理創(chuàng)新之間的關(guān)系。這是中國特色創(chuàng)新大格局的特點(diǎn)和優(yōu)勢。走中國的道路是歷史的必然，在具體領(lǐng)域內(nèi)中國道路的科學(xué)內(nèi)涵，必然是豐富多彩的。

五大發(fā)展理念以及非對稱趕超戰(zhàn)略、并聯(lián)式戰(zhàn)略這些新思想必將使我們在協(xié)調(diào)種種關(guān)系、創(chuàng)建體系、制定路線圖的過程中，視野寬、辦法多、信心足。同時也使得五大發(fā)展理念具有更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，更豐富的學(xué)科內(nèi)涵，更鮮明的時代特征，同時煥發(fā)出更強(qiáng)大的力量。

5.3 蘊(yùn)含創(chuàng)新體系的實(shí)例

添加式制造、高通量實(shí)驗(yàn)和計算方法以及材料在極端條件下的行為三大研究領(lǐng)域，都涉及到材料的組織在不同外界（變量）條件下演化的理論問題，這表明材料的組織演化在高科技和產(chǎn)業(yè)化中的輻射能力很強(qiáng)。深入分析其中的科學(xué)聯(lián)系、找出規(guī)律，并建立起新的理論體系和知識單元，既發(fā)展了理論，又能解決較為廣泛的實(shí)際問題，這是對青年科學(xué)家的智慧和勇氣的新挑戰(zhàn)。

6 創(chuàng)立新材料制造科學(xué)體系的戰(zhàn)略目標(biāo)和路線圖

6.1 戰(zhàn)略目標(biāo)和路線圖

6.1.1 著手制定金屬、陶瓷和高分子三大材料組織演化科學(xué)體系的頂層設(shè)計工作

目前人們對金屬、陶瓷和高分子材料中的共性科學(xué)規(guī)律以及對這類材料及器件的潛力和隱患的認(rèn)識還很不夠。全球至今尚未出現(xiàn)貫穿從基礎(chǔ)理論、高科技到產(chǎn)業(yè)化過程的知識體系。因此理解和掌握金屬、陶瓷和高分子材料中的共性科學(xué)規(guī)律、構(gòu)成新的知識系統(tǒng)，是搶占全球制高點(diǎn)的新挑戰(zhàn)。

6.1.2 至2020年，使先進(jìn)基礎(chǔ)材料和關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的科學(xué)技術(shù)水平進(jìn)入世界前沿

在“十三五”期間，將國內(nèi)外具有世界先進(jìn)水平的知識單元創(chuàng)造性地滲透到先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料的制造、研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中，滲透到制造強(qiáng)國綠皮書和材料有關(guān)的大專項(xiàng)中。關(guān)鍵材料是指鎳基高溫合金、鈦合金、特種鋼、稀土材料、鋁、鎂、高溫陶瓷、核武器、核反應(yīng)堆、核廢料等；關(guān)鍵技術(shù)是指快速凝固技術(shù)、熱障涂層材料制備技術(shù)以及晶體生長、形貌控制和自組裝技術(shù)等。這是在實(shí)踐中培養(yǎng)視野比較開闊的人才、提升通觀全局的能力、創(chuàng)建材料制造科技體系并使之扎根中國的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是整個戰(zhàn)略的決勝階段，圓滿完成此階段的任務(wù)，可以為我國發(fā)展贏得 10 余年的時間。

6.1.3 至2020年，初步建成具有世界先進(jìn)水平的無機(jī)功能材料和微納器件科學(xué)體系

在先進(jìn)無機(jī)功能材料領(lǐng)域新成果不斷涌現(xiàn)，國際競爭異常激烈。我國在研發(fā)、專利和產(chǎn)業(yè)化方面都有成果，但總體實(shí)力不強(qiáng)。國際上現(xiàn)有的知識系統(tǒng)尚不能滿足材料領(lǐng)域的發(fā)展需求。因此，創(chuàng)立具有世界先進(jìn)水平的，從經(jīng)典理論、高科技到產(chǎn)業(yè)化融會貫通的知識單元和科技系統(tǒng)將是當(dāng)下國際競爭的熱點(diǎn)。建議我國以典型的功能材料為切入點(diǎn)，創(chuàng)立從量子到宏觀各層次溝通的新材料設(shè)計科學(xué)體系。

6.2 措施及操作

6.2.1 有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和管理部門圍繞大局密切配合

正如本文第 5 部分所述，創(chuàng)建新材料與科學(xué)體系要走中國道路，協(xié)調(diào)好各創(chuàng)新主體之間的關(guān)系。而操作過程要長期堅(jiān)持對全球動向和國內(nèi)形勢的調(diào)查研究，建議由國家制造強(qiáng)國建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組領(lǐng)導(dǎo)和統(tǒng)籌創(chuàng)建新材料科學(xué)體系的工作，各部門緊密配合。例如，請國家專利局梳理材料與制造領(lǐng)域中敏感的專利及其中的科學(xué)問題，由各大專項(xiàng)提出具體的需求，請國家自然科學(xué)基金委提出項(xiàng)目指南或指令，請中科院、工程院、社科院和教育部提供咨詢服務(wù)。

6.2.2 “十三五”期間的緊急措施

改革開放以來所培養(yǎng)的人才隊(duì)伍，應(yīng)擔(dān)當(dāng)完成“十三五”決勝階段的任務(wù)，建議由中國物理學(xué)會相圖專業(yè)委員會提出運(yùn)作方案，該單位每年都集結(jié)了數(shù)百名研究生，具有國際優(yōu)勢的研究人員數(shù)量?，F(xiàn)在國內(nèi)有些很好的數(shù)據(jù)庫還尚未與研發(fā)溝通，尚未進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化嘗試。中國物理學(xué)會相圖專業(yè)委員會，可通過與有關(guān)單位聯(lián)合舉辦基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)班、知識工具的培訓(xùn)班和典型案例剖析班，學(xué)習(xí)和掌握破解某些重要問題的學(xué)術(shù)思想、基礎(chǔ)知識和知識工具。例如鎳基高溫合金及某些特種鋼的工藝分析、熱障涂層設(shè)計、3D 工藝中的組織演化過程分析、鋁合金熱力學(xué)動力學(xué)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用以及有關(guān)單位委托的課題等。以期，由該單位將國內(nèi)外具有世界先進(jìn)水平的知識單元創(chuàng)造性地應(yīng)用到先進(jìn)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵戰(zhàn)略材料和前沿新材料的制造、研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中。

致謝 衷心感謝中科院技術(shù)科學(xué)部和學(xué)部工作局的資助和支持。衷心感謝朱靜、都有為和祝世寧院士對本文的結(jié)構(gòu)和修改所作的指導(dǎo)。

1 金展鵬, 蔡格梅, 蘇柳梅, 等. 論新材料與制造科學(xué)體系在高科技和產(chǎn)業(yè)化中的作用. 中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué), 2016, 46(9): 877-893.

2 Fang X S, Ye C H, Zhang L D, et al. Direct observation of the growth process of MgO nanoflowers by a simple chemical route. Small, 2005, 1(4): 422-428.

3 Yan J, Fang X S, Zhang L D, et al. Structure of individual ZnS/ ZnO biaxial nanobelt heterostructures. NanoLetters, 2008, 8(9): 2749-2799.

4 Xue F H, Fei G T, Wu B, et al. Direct electrodeposition of highly dense Bi/Sb superlattice nanowire arrays. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127 (44): 15348-15349.

5 Kevin Bullis. The art of 3-D printing. [2012-1-11]. http://www. technologyreview.in/computing/39437/

6 Chen Q, Hillert M, Sundman B, et al. Phase equilibria, defect chemistry an semiconducting properties of CdTe(s)-thermodynamic modeling. Journal of Electronic Materials, 1998, 27(8): 961-971.

7 Cahn J W. Free energy of a nonuniform system - interfacial free energy. Journal of Chemical Physics, 1958, 28(2): 258-267.

8 Cahn J W. Free energy of a nonuniform system II - thermodynamic basis. Journal of Chemical Physics, 1959, 30(5): 1121-1124.

9 Cahn J W, Hilliard J E. Free energy of a nonuniform system III -nucleation in a two-component incompressible fluid. Journal of Chemical Physics, 1959, 31(3): 688-699.

10 Kaufman L. Computational materials design. Journal of Phase Equilibria and Diffusion, 2009, 30: 418-428.

11 Hillert M. 合金擴(kuò)散和熱力學(xué). 賴和怡, 劉國勛, 譯. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1984.

12 Hillert M. Phase equilibria, phase diagrams and phase transformations — their thermodynamic basis (Ed.2rd). Cambridge University Press, 2008.

金展鵬 材料科學(xué)技術(shù)專家，中科院院士，中南大學(xué)教授。1938年11月出生于廣西荔浦，1960年畢業(yè)于中南礦冶學(xué)院，1963年中南礦冶學(xué)院金屬學(xué)專業(yè)研究生畢業(yè)，2003年當(dāng)選為中科院院士。主要從事相圖熱力學(xué)與相變動力學(xué)研究。發(fā)展了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同的相的熱力學(xué)模型和相圖優(yōu)化計算方法，構(gòu)筑了一系列金屬合金、氧化鋯基陶瓷及人工晶體材料的相圖。發(fā)展了研究相圖等溫截面和等溫四面體的多元擴(kuò)散偶方法，實(shí)現(xiàn)用一個試樣獲得三元相圖等溫截面及無擴(kuò)散亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變區(qū)等信息。建立了階段性亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變理論，揭示了某些鐵合金中依次出現(xiàn)各種亞穩(wěn)相的相變機(jī)制。以不同熱力學(xué)變量為坐標(biāo)的相圖為背景來研究各類動力學(xué)通道，建立了模擬材料組織演化過程的理論框架，并用于預(yù)測和闡明合金的非晶形成區(qū)、復(fù)合材料的界面反應(yīng)過程及熱腐蝕產(chǎn)物的形成條件。E-mail：jin@mail.csu.edu.cn

Jin Zhanpeng Academician of Chinese Academy of Sciences (CAS) and professor of Central South University (CSU). He is an expert in materials science and technology. His research mainly focuses on thermodynamic of phase diagram and kinetics of phase transformation. He has developed thermodynamic models for many phases of different structures as well as methods for phase diagram optimization. Out of these, he has constructed a series of phase diagrams and thermodynamic databases for alloys, ZrO2-based ceramics, and synthetic crystals. He has also developed diffusion triple method capable to obtaining ternary isothermal phase diagram and diffusionless phase transition regions with use of only one sample. In addition, he has established staged phase transformation theory, revealed the mechanism of metastable phase transition for multi-component systems. Furthermore, he has established the framework of simulation of microstructure evolution, and predicted and clarified the formation areas of amorphous alloys, the interface reaction process of composites and the formation conditions of hot corrosions. E-mail: jin@mail.csu.edu.cn

Chinese Strategies of Materials Development and Their Manufacturing and Fabrication—— Comprehensive Development of Material Science and Its Emerging Industry Chain

Jin Zhanpeng1,2Cai Gemei2Su Liumei2Fan Xing2Zheng Feng2
（1 Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, China; 2 School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China）

Six perspectives, from which materials and their manufacturing and fabrication system are demostrated, are as follows. (1) How could materials science meet the challenge of ever-increased development of advanced technologies? (2) The stories of basic knowledge of microstructure evolution. (3) Newly-developed and developing industry chains are output of multidisciplinary integration occurred in advanced technologies. (4) What could we learn from global experience of novel materials and their manufacturing and fabrication? (5) Designing Chinese knowledge system of novel materials and their manufacturing and fabrication. And (6) where is our roadmap? What are urgent tasks and implementation measures for the 13th Five-Year Plan? In order to catch up and be comparable with global competition in fields of industries, we propose that the creation of novel materials and their manufacturing and fabrication system is one of the forward-looking strategies. In order to build a strong state with advanced and powerful manufacturing and fabrication system, it is then one of the key factors to fulfill the so called five development concepts of “innovation, harmony, green, open, and sharing”.

materials designing, microstructure evolution, knowledge base, materials and their manufacturing and fabrication system, industry chain

*資助項(xiàng)目：中科院學(xué)部咨詢項(xiàng)目

預(yù)出版日期：2016年10月18日