对材料科技发展战略布局的建议，本文主要内容关键词为：发展战略论文,布局论文,建议论文,材料论文,科技论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
国家战略需求和我们的任务
我国在十五年内要建设成为创新型国家，在2020年要成为世界材料强国，这个目标很宏伟。国家“十一五”规划中，航空航天、能源信息等很多部门都涉及到材料，但是目前材料的品种和质量满足不了国家需求。原始创新少、成果转换难是现象，其背景是我们还面临着发达国家在经济和科技上占优势的压力。在国际竞争中，将会出现超越与反超越的现象。因此，我们要按照科学发展观对材料科学的理论前沿、发展动向、集成趋势和应用现状及前景有一个动态的、全局的了解，找出影响我国材料科技跨越式发展的突出矛盾和问题。尽量弄清楚哪些是最重要的前沿领域，需要深入和扩大；哪些是急需的知识集成或者交叉研究，怎样集成；哪些是相对成熟的知识框架，需尽快普及应用；组织哪些与材料科技有关的重大课题等等，并为国家自然科学基金，863，973和攻关等项目的选题、评估和结题提供科学化的咨询。
我们还要造就一大批材料科学技术人才，其中包括一批能引领世界潮流的顶尖级专家。他们热爱科学追求真理，掌握辩证唯物主义和科学发展观，立志在中华民族伟大复兴的新长征中，增长才干施展才华，实现自己的人生价值和美好理想。因此，教育工作也要做好相应的规划。
目前进行战略布局的困难在于：材料科技涉及面广，材料的品种、功能、制备方法多种多样，各种材料发展不平衡等等。我们希望结合学科的长远发展和国家对材料的迫切需求，通过战略布局建立材料创新体系，特别强调应用研究的重要性。
当今材料科学技术的特点与内涵
特点之一：在跨学科中发展。材料科学是一门交叉学科，这个交叉现在正在加速进行。美国科学院、工程院及医学科学院组织了一批专家，撰写了21世纪化学所面临的挑战的报告，文中列举了六个方面的挑战，其中就材料科学与技术面临的挑战方面的内容就长达八十多页。美国还有一个从理论到应用全面发展科技的计划，即加速材料成熟化的项目，其标题很朴素，内容却极其重要。
特点之二：多样性与统一性。多样性是指材料的品种、功能和制备方法的多样性。材料涉及到金属、非金属及其化合物，涉及到周期表中大部分元素，因此材料科学与技术内涵的丰富性和重要性还会不断增强。统一性在于组织与性能的关系以及演化规律。材料的机械性能和热、电、磁、光、声等功能涉及到不同层次的材料结构，涉及到不同类型的能量转化以及伴随着的结构变化，都与焓、熵等热力学量有关。千差万别的材料制备方法及服役条件指的是温度、压力、环境介质等工艺参数，它们可以表达为材料组织演变的外部变量。因此，组织与性能的关系及其演化规律是材料设计、制备和使用全过程的一条主线。
特点之三：科学技术化与技术科学化。今天材料前沿的理论问题往往又是材料设计和制备中不可回避的工艺问题。专利是国际材料科技知识产权竞争的热点，是抢占技术制高点的重要环节。
公元6世纪，Merovingian Fanks和Vikings的铁匠们用手工抡铁锤的方法将两种碳含量不同的钢固态焊接在一起，再经过淬火，制成了内韧外硬的利剑。这种工艺的机理是马氏体相变及碳的再分配，它是上世纪物理冶金的热门课题。观察和鉴别出其中的纳米结构则是应用了透射电镜以后的事情。因此，这些1500年前的铁匠们就是当时的纳米技术专家，他们采用了现在称之为“不均匀相纳米结构的自组装”技术。这是一个技术走在科学前面的例子。
基于经验积累和灵感的发明是偶然的、令人惊喜的。而基于基础研究的专利，则是研究工作的必然结果。有目的地在高科技材料领域中进行基础的研究，一旦建立和掌握了智能化的材料科技知识集成系统，就可以大大地提高发明专利的速度。
围绕着材料组织与性能的关系及其演化规律这条主线，材料科学技术的内涵可以展开为：材料热力学、晶体学(结构学)、动力学和形貌学。这些知识正在被不同学者分别集成于各种各样的材料设计的框架之中。
学科交叉与知识集成迅猛发展并获得广泛应用
当前，从宏观到微观的各个层次的材料科学理论正在蓬勃发展，材料结构学、热力学、动力学、形貌学与计算科学的知识正在集成。比如，相图理论、实验方法与计算技术的集成使相图研究的速度提高了几个数量级，而与相邻学科进一步集成，又可以把材料设计与开发的速度提高几个数量级。相图计算与相场方法相结合，能描写相以及一些微纳结构单元如晶界、位错等在三维空间的组织演化过程。目前，这些知识已在合金钢、铝合金、镁合金、镍基超高温合金、人工晶体、陶瓷、纳米复合材料、半导体、无铅焊料、高温合金热障涂层等，以及机械合金化、快速凝固、化学气相沉积、物理气相沉积等材料制备技术，和金属与半导体的界面反应中取得了不同程度的成就。
相图研究领域面临的挑战是：如何预测亚稳相结构的热力学性质；如何对各种微纳结构的单元如晶界、位错、不同形状的纳米析出相等进行恰当的热力学描述。
材料设计集中体现了材料科学知识的集成，欧美日等材料科技发达国家非常重视这方面工作。例如美国西北大学G.B.Olson小组已设计出一系列的新合金，包括为美国航空航天局(NASA)设计用于火箭发动机燃料泵上的新合金。他们主要是从相变设计、微力学设计、纳米设计、量子设计等四个不同的层次进行材料设计。每个层次都有一些软件平台进行计算设计，并同时用各种微观测试方法来验证计算模型的可靠性及准确性。以设计结构材料为例，他们又把整个系统按性能分为若干个子系统，包括强度子系统、韧性子系统和抗脆性子系统等。其主线条是运用相图计算技术及由瑞典皇家工学院发展的热力学和动力学软件描述各个层次中的热力学、动力学的变化情况。该方法的具体操作过程是从材料所需的性能出发，确定材料应当具有的结构，而结构组合又取决于不同的制备过程中的工艺参数，因此它首先可以在计算机上利用各种虚拟的合金成分、制备方法(如熔铸、粉末冶金等)和工艺参数优化得到所需的合金，然后再进行典型的合金实验，这就大大减少了实验的工作量。例如：他们在一个小实验坩埚中仅用了17磅的材料就得到了他们所需的具有正确元素配比的合金试样。他们正将此方法推广到陶瓷材料、自愈合材料和生物材料的设计和大学生的教育中去。
预计在未来10年内，将会形成各种各样的材料设计知识体系。它们能描述、模拟和预测材料的制备和服役全过程中的微观组织的演变及其与性能的关系。
我国材料科技发展中存在的问题及其初步分析
一、超越、反超越与整体跨越
国内在材料的表征、模拟、设计和制备等方面都有发明创造，但是相互间合作和交流不够，没有针对性的知识集成工作。有时候，在前沿的某些点上取得了很好的研究成果，缩小了与国外的差距，但却很快被国外用于知识集成，从而又拉开了与国外的差距，使超越发展的愿望转瞬间变成被超越的现实。超越与反超越问题，反映出我国知识集成的深度不够。
工程技术问题涉及到方方面面，受到诸多因素的制约。有时候缺一个数据、少一种材料就会使计算和实际工作难以进行。另一方面，工程技术问题通常是多解的，修正一个模型或者引进一个概念就会把全局搞活，因此，如果我们处于被集成的境遇就会被大大地拉开距离。事实告诉我们，只有在学科交叉的领域进行创新，在创新的基础上及时地进行知识集成，我们才能在更高层次与更广阔的背景上观察事物和处理问题。
二、对已有理论认识不够，应用不足
大量的事实表明，材料科学现有的理论框架已经能够使我们在一个新的起点上结合资源、能耗及环境等方面的因素，来重新审视工程材料在设计、制备和使用过程中的诸多问题，并为发展先进材料提供思路。但国内一些研究工作者往往不注意应用现有的理论和方法，有离开世界文明大道去搞“创新”之嫌，有时到了课题结束的时候还没有切入到要研究的实质问题。没有及时应用材料科技已有的理论框架，没有在工程界普及成熟的知识体系与方法，将会造成重大损失，及早注意到这一点可以赢得若干年时间。
三、教学内容和方法陈旧，不利于创造性人才脱颖而出。
1、组织有关专家，对国内外材料科技的基础研究、学科交叉、知识集成和应用的现状进行调查研究和分析，找准我国材料科技跨越式发展的途径，掌握材料设计知识集成的主动权，扭转被国外集成的被动局面。
2、加强理论创新与材料制备的并行发展，针对国家急需解决的航空航天材料、微电子材料与器件等问题，组织国内外有关学科领域的专家对设计、模拟、性能表征和制备同时进行合作研究。国际上有这种例子：加州伯克利大学与斯坦福大学合作通过人造的位错阵列，来控制纳米尺度的失稳分解从而自组装生成量子阱；再例如美国国家科学基金材料部和空军陶瓷与非金属材料科学研究办公室，联合支持开发超高温陶瓷材料的项目等等。
3、讨论我国材料设计软件或智能数据库的建设、应用和国际交流等问题。强大的智能数据库可以大大提高发明专利的速度。工程师们将把它们作为有力的工具来使用，他们会运用自己的知识、经验、艺术和灵感来做出自己的决策，而不会被这些工具所束缚。
4、从知识集成的角度，提出对科技人员继续教育及新一代人才培养的改革方案，鼓励处于前沿的课题组建立各具特色的集成材料科学与工程(INTEGRATED MATERIALS SCIENCE AND ENGINERING)专业。为此要精心设计教学内容及各个环节，比如建设精练的主干课程，开设一些人文学科讲座。对某些专业结构和课程体系进行调整，对教学内容和方法进行必要的改革尝试。在研究生教育中，设计各具特色的精品课程，组织学生参加重大课题研究，充分激发学生的主动性和创新精神，使他们逐步具有跨学科的视野以及在此基础上通观全局的能力。