材料科学与工程发展的展望

材料科学与工程发展的展望

作者:宋家树张兴钤张万箱

1 90年代新材料、材料科学与工程的重要地位当前世界正面临新的科学、技术革命,科学、技术的作用被空前地开发出来。在这一基础上,以电子信息技术为先导的新的产业革命行将到来。对于新产业革命的具体内容虽有不同的预测,但共同的一点是:材料与制造技术仍是新时代企业的物质基础。90年代各种高、新技术(如电子信息、能源、制造业以及航空、航天、海洋、军事技术等)将都对材料及工艺提出更新更高的要求。美国1991年发表的“国家关键技术报告”认为:材料领域的进展几乎可以显著改进国民经济所有部门的产品性能,提高它们的竞争能力;因此把材料列为六大关键技术的首位。这是由于先进材料与制造技术是未来国民经济与国防力量发展的基础,是各种高、新技术成果转化为实用产品与商品的关键。当前各种新材料市场规模超过1000亿美元,预计到2000年将达4 000亿美元。由新材料带动而产生的新产品新技术则是一个更大的市场。例如美国在电子工业投入1美元的半导体材料可以产出10美元的电子设备系统,而对交通工业如能延长材料使用寿命百分之一则可节约300亿美元。国防科技及武器装备的发展在很大程度上也要依赖新材料和先进制造工艺。美国国防部“关键技术计划”把21项关键技术放在五个技术群中,其中之一就是“材料与制造”,他们认为这一技术群与70%的新技术都有密切关系。因为一方面许多新材料技术本身就是新技术突破的主要内容。另一方面是它已成为大多数先进国防技术转化为有效的武器装备的关键支撑条件。例如先进武器技术对微电子电路要求的核心是提高信号处理速度(提高到GHz以上),这就要求高级半导体材料,及亚微米(<0.

2 5μm)制造工艺。传感器技术发展可以创造出新型武器(如反辐射导弹的导引头可以瞄定敌方雷达),而传感技术本身依赖于高质量碲镉汞、硅化铂、光纤、超导等材料及其加工技术。高能量密度材料决定了所有武器的杀伤与推进能力。例如新合成的CL-20可使炸药能量增加20%,“同质异能核”如证实其存在则它所含能量比常规炸药高出100倍。高性能材料(特别是复合材料)的应用将使燃气涡轮推动系统的能力提高一倍。由于武器技术的进步,以及更多的采用新技术,使得现代化武器研制、生产周期加长、单价不断上涨。其后果是使先进技术成果应用于作战武器系统上十分困难,而如不能进入应用则研究的成果就被浪费了。解决这一难题的关键仍是革新制造工艺技术,例如先进的柔性设计与生产技术。在

未来的世纪我们会面临更大的挑战,当然也有机遇。当前我国经济正在高速发展,但工业产品与先进国家相比还有很大的差距,特别是产品质量与生产的效率较低,而消耗很高。国防科技及武器装备的质量也急待提高。为使我们的工业在未来具有竞争力,现在应抓住机遇,重视材

料科学与工程这一新兴学科,狠抓材料与制造工艺这两项关键基础技术,使之接近、赶上现代国际水平。为此我们需要认真考查现代材料科学技术的特点与将来的发展趋势。科研中国.

2 90年代材料科学及工程发展的趋势材料科学技术是近年来发展最快的科技

领域之一,它不仅创造了大量高性能新材料和前所未有的加工方法,同时也使传统材料的生产发生了巨大的变化。现代化的钢铁工业生产率的大幅度增长即是一例。可以认为,材料科学与工程对各种技术发展的作用有如数学对自然科学的重要作用。

90年代材料科学技术将发生“革命性”的变化,从宏观层次来看这种发展的趋势可以概括

为如下几点:

(1)材料科学与工程正迅速形成一门统一的学科,并更加重视与实际应用的结合。从70年代起逐渐形成一门统一的材料科学与工程的新学科,它打破了把材料分为金属-非金属、有机-无机物几个孤立领域的传统概念,并用统一的观点及方法来研究一切材料。它有共同的研究领域:

研究所有材料的结构-性能-合成加工-使用行为四大基本要素及其相互关系,使它成为融合多种材料、多种学科的综合性的科学。其综合性突出地表现在先进复合材料与固体器件上,它们都冲破了传统材料的观念。此外材料研究已经扩展到各种材料的综合利用、回收以及保护环

境等问题。现代材料科学与工程强调使用行为导向的研究,强调合成/加工过程的研究,以加速由研究到应用的进程。美国人已认识到由于历来只重视新材料性能的研究,忽视合成、加工等生产技术的研究,使得它在许多制造业部门落后于日本及欧洲,失去了一个又一个的市场优势。大家还普遍认识到:材料加工工艺不仅是新材料转化为商品的关键,它本身也已成为一门重要的综合性的现代科学。正在迅速发展的人工构造材料工艺、无余量加工、快速凝固方法、激光及粒子束加工以及未来的智能加工系统都将极大地促进新材料的应用及制造业的发展。

(2)深入微观层次,有目标地发现和开发新物质、新材料。如果说60年代以前新材料主要表现在块体材料中,则此后发展具有新的微观结构的材料占有很大的比重,新材料与器件的紧密结合也是另一重要发展趋势。如半导体器件、超晶格、新的超导体、功能梯度材料以及新近出

现的碳-60及多孔硅等。形象的说,新材料的发展热点在70年代的标志是表面、界面,80年代是原子层尺度加工,则90年代将进入零维材料(纳米晶体)量子器件。它们在结构上更加复杂(信息含量大),性能极限化,而使用量降低。由于已经掌握了观察单个原子及一次仅一个原子层的

加工技术,可以预料90年代将出现更多、更新的材料与器件,其中人工构造材料将是最有潜力的进展。信息功能材料发展最快,将不断有重大突破,是发展新材料的重点。电子材料与光电子材料的突破将使通讯、成像与信息处理技术产生重大的技术革新,光电集成电将在一个芯片上连接微小的光子与电子元件,极大的提高信息处理能力。结构材料也将有大的进步,性能/重量比将有大幅度提高,并将发展结构-功能型新材料。结构材料的应用研究也是重要研究方向。科研中国Sc .

(3)材料复合化是一个重要发展趋势。由于多种材料多学科的交叉、融合,使材料的复合化成为发展新材料的一种重要手段。可以利用多种基体与增强体的复合、多种层次的复合以及利用非线性复合效应创造出全新的性能的材料。材料与部件(元件)的融合将改变“材料”的老

概念,创造出诸如集成电路这样的新器件。近年来先进复合材料及新工艺发展很快,不少专家预言未来复合材料的应用将引起结构设计的革命。目前复合材料的发展以树脂基复合材料为主,特别是热固性材料,它的技术最成熟,应用最广。热塑性材料发展也很迅速,即将进入实用

阶段,但其工艺需要完善。金属基复合材料大部分处于研究开发阶段,它特别适用