材料科技領域發(fā)展態(tài)勢與趨勢

萬 勇 馮瑞華 姜 山 黃 健

（中國科學院武漢文獻情報中心，武漢 430071）

材料是新一代高新技術的基礎和先導，是新工業(yè)革命的物質保障。新材料技術與納米技術、生物技術、信息技術相互融合，結構功能一體化、功能材料智能化等發(fā)展趨勢日趨顯現(xiàn)。世界各國紛紛在新材料領域制定出臺相應的戰(zhàn)略規(guī)劃，竭力搶占新材料產業(yè)的制高點。目前，發(fā)達國家仍在國際新材料產業(yè)中占據(jù)領先地位，世界上新材料科技及行業(yè)龍頭主要集中在美國、歐洲和日本。美國仍然是新材料領域全面領先的國家，歐盟和日本等則各自擁有自己優(yōu)勢方向。在基礎及應用研究方面，從設計開發(fā)、材料制備、性質表征、成果應用的鏈條看，近年來材料領域取得了一系列原創(chuàng)性成果和先進適用技術，以增材制造為代表的先進制造技術也實現(xiàn)了眾多令人振奮的突破。

1 世界主要發(fā)達國家重要戰(zhàn)略行動

1.1 美國：重視基礎及應用研究，關注高性能結構材料

美國在材料領域的目標是保持全球領先地位，并支撐信息技術、生命科學、納米技術和環(huán)境科學的發(fā)展，滿足國防、能源、電子信息等對材料的需求。以能源部、國防部、商務部（國家標準與技術研究院）、國家科學基金會和國家航空航天局等機構的大型研發(fā)計劃為牽引，推動高校、研究機構和企業(yè)在材料領域的研發(fā)工作。

2011年起，美國開始實施“材料基因組計劃”，旨在通過以比現(xiàn)在快一倍的速度以及足夠低的成本，加快新材料從發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、制造到商業(yè)化的步伐?，F(xiàn)已有六家聯(lián)邦機構參與，開創(chuàng)性研究的資助逾4億美元，合作伙伴遍及產業(yè)界和學術界［1］。2012年美國政府啟動國家制造業(yè)創(chuàng)新網絡，現(xiàn)已建成14家研究所，在材料領域涉及輕質金屬、復合材料、纖維紡織、可持續(xù)材料制造等［2］。2018年7月，美國白宮發(fā)布“2020財年行政機構研發(fā)預算優(yōu)先事項”備忘錄，提出要開發(fā)先進材料及相關加工技術，包括高性能材料、關鍵材料和增材制造等［3］。

美國制造業(yè)前瞻聯(lián)盟MForesight是美國國家標準與技術研究院（NIST）會同國家科學基金會（NSF）牽頭組建的制造領域高端智庫。2018年4月和9月，該智庫先后發(fā)布主題為超材料和高熵合金的“通向工業(yè)競爭之路”系列報告，建議設立全國性超材料制造研究計劃，加強對關鍵原料的支持，建設超材料制造卓越中心［4］；同時，通過投資推動高熵合金制造關鍵技術轉化研究，建立國家測試中心及中央數(shù)據(jù)庫［5］。

1.2 歐盟及其成員國：聚焦主要方向，發(fā)布重點戰(zhàn)略

歐盟及其成員國在科技發(fā)展戰(zhàn)略中，盡管各自側重點有所差異，但都把生命科學與生命技術、信息通信技術、納米技術、能源等作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略領域，材料在其中均占有重要地位。

2011年，包括先進材料在內的六大技術被確定為歐盟工業(yè)的關鍵使能技術（Key Enabling Technologies，KETs）。而加強六大關鍵技術的研發(fā)創(chuàng)新，確保世界領先水平，關系到歐盟工業(yè)的生存和未來競爭力。2018年4月，歐盟確定了新的關鍵使能技術，先進材料依舊在列［6］。歐盟“未來和新興技術旗艦項目”是一項長期的科研扶持項目，是歐盟科技發(fā)展扶持政策的重要組成部分。石墨烯作為首批入選的兩個領域之一，設有13個重點研發(fā)方向，獲得持續(xù)10年總共10億歐元的資助［7］。2018年6月，歐盟委員會發(fā)布了2021—2027年科研資助框架“地平線歐洲”的實施方案提案。作為“地平線2020”的接續(xù)，該計劃的臨時預算約1000億歐元，再創(chuàng)新高。先進材料位列“數(shù)字與工業(yè)”涉及的九大領域之一，重點關注的是具有新特性和新功能的材料設計（包括塑料、生物材料、納米材料、二維材料、智能材料和復合材料等）［8］。

德國政府近年來推出了高技術戰(zhàn)略、工業(yè)4.0等來引領材料技術的發(fā)展。如2018年9月出臺的《高科技戰(zhàn)略2025》涵蓋7大重點領域和12項任務，為德國未來七年高科技創(chuàng)新制定了目標。該戰(zhàn)略在涉及材料的部分指出，將通過3D打印或有效利用資源，智能地設計和使用材料［9］。2019年2月，德國聯(lián)邦經濟事務與能源部發(fā)布《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》草案，旨在有針對性地扶持重點工業(yè)領域，提高工業(yè)產值，保證德國工業(yè)在歐洲乃至全球的競爭力。與材料相關的鋼鐵銅鋁、化工、增材制造（3D打印）等十個工業(yè)領域被列為“關鍵工業(yè)領域”［10］。

英國作為老牌工業(yè)國家，近年來頒布的新版工業(yè)戰(zhàn)略、量子技術戰(zhàn)略和高價值制造等政策規(guī)劃都把材料、納米及制造等作為重大技術進行大力發(fā)展。以石墨烯為例，英國財政大臣曾提出，石墨烯不僅要“在英國發(fā)現(xiàn)”，更要實現(xiàn)“在英國制造”，并先后在曼徹斯特大學建起了石墨烯工程創(chuàng)新中心和國家石墨烯研究院［11］。

1.3 日本：每年發(fā)布《制造業(yè)白皮書》，材料發(fā)展以產業(yè)化為導向

自本世紀初期開始，日本通常在每年的6月前后發(fā)布《制造業(yè)白皮書》，其內容非常豐富，是深入了解日本制造業(yè)的參考資料。2017年6月，日本經濟產業(yè)省發(fā)布的《制造業(yè)白皮書2017》提出要維持并提升日本制造業(yè)本土化，日企已開始放緩在中國設立生產基地，從中國轉移至東盟以及部分回流日本的趨勢較為明顯［12］。2018年5月發(fā)布的《制造業(yè)白皮書2018》認為，當前是一個“非連續(xù)創(chuàng)新”的階段，可通過自動化與數(shù)字化融合的解決方案來獲取更高的附加值。新版的白皮書還強調了“互聯(lián)工業(yè)”（Connected Industries）的概念，突出“工業(yè)”的核心地位，并作為日本制造的追求目標［13］。

日本內閣政府在歷期科學技術基本計劃中，都會涉及材料的發(fā)展。如《第五期科學技術基本計劃（2015—2020）》提出打造“超智能社會（5.0社會）”，優(yōu)先推進包括“綜合型材料開發(fā)系統(tǒng)”在內的11項系統(tǒng)建設工作，圍繞機器人、傳感器、生物技術、納米技術和材料、光量子等創(chuàng)造新價值的核心優(yōu)勢技術，并設定富有挑戰(zhàn)性的中長期發(fā)展目標［14］。日本材料產業(yè)以工業(yè)政策為導向，目標是占有世界市場，因而選取的重點是市場潛力巨大和附加值高的新材料領域，爭取盡快專業(yè)化、工業(yè)化，并在先進鋼鐵、電子信息材料、陶瓷材料和碳纖維等領域占據(jù)國際領先地位。

2 重要研究進展

2.1 機器學習助力材料設計開發(fā)

美國能源部利用擁有的超快科學裝置，資助材料、化學等領域的研究，在原子和分子尺度上，通過更好地逐步觀察和控制物質行為，加速新材料和化學過程的發(fā)現(xiàn)［15，16］；還通過資助相關軟件開發(fā)，推動基于計算建模的化學過程設計［17］。英國法拉第電池研究所引入超級計算機，無需制造大量原型來測試每種新材料或者電池組件，就能提升電池研究項目的研發(fā)速度［18］。哈佛大學開發(fā)了一種基于量子力學方程的算法，根據(jù)晶體化學元素預測材料的電子傳輸特性，無需實驗輔助，即可在幾個月內發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化熱電材料［19］。美國休斯頓大學設計出新的算法，加速尋找用于LED照明的高效熒光材料，使LED更高效、色彩質量更佳［20］。

2.2 新型材料不斷涌現(xiàn)

常見的鈣鈦礦材料主要有無機和有機無機雜化兩類，均含有金屬元素，增加了加工、制備的困難。東南大學等機構利用帶電分子基團取代無機離子，首次制備得到全有機的無金屬鈣鈦礦鐵電體，性能可與傳統(tǒng)無機鈣鈦礦材料相媲美，為鈣鈦礦家族增添了新成員［21］。美國桑迪亞國家實驗室開發(fā)出一種由90%鉑金和10%黃金組成的耐磨新材料，堪稱目前最耐磨的金屬合金，比高強度鋼耐用100倍，與自然界鉆石及藍寶石等的耐磨度處于同一級別［22］。中國科學院金屬研究所與東京大學、重慶大學等合作，將掃描透射電子顯微技術與第一性原理理論計算相結合，在薄膜陶瓷材料中發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于晶體、準晶體和非晶體的新結構：一維有序結構（一維有序晶體），更新并深化了人們對固態(tài)物質結構的認識［23］。美國馬里蘭大學通過去除原生木材的木質素，并在100℃進行熱壓處理，制得的超級木頭拉伸強度達587 MPa，可與鋼材媲美，其比拉伸強度高達451 MPa cm3/g，超過幾乎全部的金屬，展現(xiàn)出未來結構材料之星的巨大潛力［24］。

2.3 材料性質研究取得眾多突破

在各種材料中，很多屬性往往由于相互沖突而無法兼顧。2018年，研究人員在金剛石、碳纖維、合金等領域取得了突破，實現(xiàn)從“不可兼得”到“可兼得”的轉變。香港城市大學與美國麻省理工學院、新加坡南洋理工大學等合作研制出一種單晶納米金剛石，兼具高彈性與高強度：彈性形變可達9%，強度接近理論極限的89～98GPa，而一般的體相金剛石拉伸強度不足10 GPa［25］。市場對碳纖維的需求是能同時具有更高的拉伸強度和拉伸模量。日本東麗工業(yè)株式會社開發(fā)出碳纖維M40X，其拉伸強度在M40J的基礎上提升了約30%，達到5.7 GPa，拉伸模量則保持不變（377 GPa）。這是世界范圍內首次以這一水平量產兼顧兩種功能的碳纖維［26］。北京科技大學以等原子比TiZrHfNb高熵合金為模型合金，通過添加適量的氧，發(fā)現(xiàn)間隙原子在合金中還有一種尚未被發(fā)現(xiàn)的存在狀態(tài)，不僅能提高合金強度，還可以大幅提高合金塑性，打破了對間隙固溶強化的傳統(tǒng)認知［27］。

材料性質研究還有一些典型進展。實現(xiàn)自旋構型與材料結構的原子尺度協(xié)同定量表征，是理解、預測與調控磁性材料物理性質的關鍵。清華大學與德國、日本機構合作，應用色差校正透射電子顯微學技術，在國際上首次通過實驗手段獲得了材料內部原子面分辨的磁圓二色譜，并基于實驗結果定量計算出每一層原子面原子的軌道自旋磁矩比［28］。美國麻省理工學院、哈佛大學和日本國立材料科學研究所組成的聯(lián)合團隊研究發(fā)現(xiàn)，當兩層石墨烯以特定的1.1°角度旋轉扭曲在一起時，在電場作用下會展現(xiàn)出非常規(guī)超導性質，這意味著可通過簡單方式實現(xiàn)絕緣體與超導體的轉變［29］。中科院物理所與合作者利用極低溫-強磁場-掃描探針顯微鏡聯(lián)合系統(tǒng)，首次于相對高的溫度下，在鐵基超導體FeTe0.55Se0.45中觀察到純的馬約拉納束縛態(tài)，這預示著其他多能帶高溫超導體也可能存在馬約拉納任意子，為馬約拉納物理研究開辟了新的方向［30］。

2.4 新型材料助推器件發(fā)展

減少功耗是當前集成電路發(fā)展的主要趨勢，其中最有效的途徑即為降低工作電壓。北京大學將具有特定摻雜的石墨烯作為冷電子源，碳納米管作為有源溝道，研制出新型狄拉克源場效應晶體管，達到了國際半導體發(fā)展路線圖對相關器件實用化的標準要求，有望將集成電路工作電壓降到0.5 V甚至更低，為3 nm技術節(jié)點提供解決方案［31］。調制器是光電子行業(yè)的重要組成部分，鈮酸鋰是制備調制器的最佳材料之一，哈佛大學、香港城市大學等利用電子束刻蝕和Ar+基反應離子刻蝕等先進納米制造方法，克服了傳統(tǒng)化學刻蝕不能形成光滑表面的弊端，并改善了鈮酸鋰化學惰性限制，研制出的微型片上鈮酸鋰調制器體積更小、運行效率更高、數(shù)據(jù)傳輸速度更快，與當前CMOS電路兼容集成，且無需用到電子放大器［32］。加拿大阿爾伯塔大學利用原子級電路制造技術，快速去除或替換單個氫原子，使得存儲器可被重寫，研制出迄今為止儲存密度最高、可在室溫工作的固態(tài)存儲器，存儲能力比當前計算機存儲設備提高了1000倍，可在25美分硬幣大小的表面存儲4500萬首歌曲［33］。

2.5 增材制造技術發(fā)展日新月異

借助新材料、人工智能等技術的發(fā)展，以增材制造（3D打?。榇淼南冗M制造技術取得大量新的進展，多材料、多工藝成為重要方向。美國南加州大學利用3D打印構建出能阻擋聲波和機械振動的特殊超材料，可通過磁場遠程控制開關，有望用于噪聲消除、振動控制和聲波隱形［34］。美國卡內基梅隆大學研制出一種由導電材料和紙張制成的紙質機器人，當施加電流時可以折疊或展開［35］。美國加州大學圣克魯茲分校、勞倫斯利佛莫爾國家實驗室利用可印刷石墨烯氣凝膠構建裝有贗電容材料的多孔三維支架，研制出的超級電容器具有當前最高的面積電容（每單位電極表面積存儲的電荷），質量負載提升到超過100 mg MnO2/cm2的記錄水平且不影響性能，而商用設備的常規(guī)水平約為 10 mg/cm2［36］。

3 對我國的啟示與建議

3.1 從基礎入手，資助前瞻性研究工作

美國、歐盟等歷來重視包括材料在內的基礎研究工作，并注重與應用相結合。我們應根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀和國家戰(zhàn)略需求，遴選出需要重點支持的材料門類，重視原始創(chuàng)新和顛覆性技術創(chuàng)新，加強前瞻基礎研究與應用創(chuàng)新，搶占未來先進材料競爭的制高點。根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀和國家需求，遴選出需要重點支持的材料門類，如量子材料、二維材料等新興前沿方向，以及合金、陶瓷等傳統(tǒng)材料的升級，部署相關研究計劃和項目，促進我國重點前沿新材料的發(fā)展。

3.2 從路徑著眼，開展相關領域方向的路線圖繪制

高質量的發(fā)展路線圖是獲取長期商業(yè)成功的基礎，也是加速部署先進材料與制造技術的關鍵。材料領域廣而雜，更需要凝聚創(chuàng)新方向和目標，分階段刻畫核心科學問題與關鍵技術問題。我們應注重需求導向和問題導向，梳理材料與制造領域的科技布局重點、發(fā)展路徑和技術演進等，開展前瞻性戰(zhàn)略研究，發(fā)揮引領作用。

3.3 從共性切入，重視關鍵技術創(chuàng)新

關鍵共性技術是材料創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐，其研發(fā)成果可共享，并產生深刻影響。依托科技進步使關鍵共性技術取得突破，打破一些重點領域制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸，推動材料與制造技術水平躋身世界先進行列。同時，集聚科研院所、大中小企業(yè)等多方力量，發(fā)展具有技術優(yōu)勢的產業(yè)集群?！爸圃鞓I(yè)美國”網絡和英國高價值制造中心是發(fā)展產業(yè)集群的典型案例，其工作組織模式等經驗可供借鑒。