材料科技发展新趋势(势所必然)

      材料是人类生存和社会发展的物质基础,它既包括日常广泛使用的水泥、陶瓷、玻璃、金属、木材和高分子材料,也包括那些通过创新工艺制造出的具有特殊性能和功能的材料,如纳米材料、光电子材料、量子材料、超材料等。材料是一个既古老又充满活力的科技领域。从历史上看,人类从使用天然材料的石器时代开始,材料科技的进步推动着人类文明不断走向铜器时代、铁器时代和硅时代(电子时代)。现在,钢铁和水泥的制造与使用仍被看作是一个国家工业发展水平的重要指标;碳纤维、高温合金、隐身材料、激光晶体等先进材料发展水平则被视为一个国家国防技术水平的标志。而未来,正如汤森路透所言:“材料研究中的革命性发现会使21世纪人类社会和人们生活方式产生深远的变化。”


      材料科技是一个多学科交叉融合的领域,它的发展既依赖于数学、物理、化学、生物学等基础学科的发展,同时也与机械工程、信息工程、装备与制造技术、航空航天、汽车、核电等工业技术紧密相连。因此,材料科技一直是近一个世纪以来世界上几个最重要的科技领域之一。各发达国家无不把材料科技放在至关重要的位置进行规划和部署,涌现出一批像美国的橡树岭国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室、日本国立材料科学研究所、德国马普学会钢铁研究所等世界知名的材料研究机构。世界上绝大多数研究型大学均设立了材料院系,以满足工业发展对大量材料领域人才的需求。近年来,基于再工业化以及巩固科技领先优势的需要,美欧日等多国加大了对材料研发的顶层设计和规划,相继发布了“材料基因组计划”“材料发展路线图”“冶金欧洲”等发展规划,并投入巨资推动材料科技的加速发展。


      传统意义上材料科技的主要任务是研究材料成分、制备与加工、组织结构、性能和使役行为等要素以及它们之间的相互关系,以发现新的材料或对现有材料进行性能和功能提升。随着经济社会发展对材料需求的不断变化和相关学科领域的发展,近年来材料研究呈现出一些新的发展趋势。


      材料技术与纳米技术、信息技术的深度融合使人们对材料结构性能的认识更加深入,对材料制备过程和功能调控更加精准。随着计算技术和各种分析测试技术的发展,人们已经可以观察和测试材料中单个原子的行为,可以进一步理解材料性能与成分、组织结构之间的关系,并通过跨尺度构筑与组织结构调控提高材料的综合性能或者获得特殊性能材料。纳米技术实现了材料在纳米尺度上的制备、测试、结构调控、性能表征。以碳纳米材料(如石墨烯、纳米碳管等)为代表的大量纳米材料,由于结构尺寸接近电子的相干长度而表现出奇特的电、热、光、磁性能。金属材料的结构纳米化可使其强度提高10倍以上,大大拓宽了金属材料的性能和用途。信息技术与材料制备技术的融合,使材料微观结构的定量调控能力不断提高,从而实现各类性能和可靠性的定量可控。


       降低材料制备与使用各环节的能耗物耗及环境污染,降低材料全寿命成本,满足可持续发展需求。人类社会由于工业快速发展需要使用大量的材料,带来原材料短缺尤其是稀贵元素匮乏、能源大量消耗和温室气体排放等一系列问题。如何实现材料的可持续发展已成为材料科学家们关注的焦点。降低材料及器件制备与使用各环节的能耗、物耗,重视回收与再利用,发展替代稀贵和有毒元素的方法,成为材料科技的前沿方向。在中国科学院2009年发布的《中国至2050年先进材料科技发展路线图》中我们提出,应对材料从原料、部件、系统再到废料回收利用全寿命周期的能耗、物耗及对环境的影响进行综合评估,以降低材料的全寿命成本。2012年英国剑桥大学一些学者通过对以钢和铝为代表的金属材料从矿石的开采、冶炼、加工、有效使用和循环等各个环节的能耗、物耗、气体排放进行全周期分析,提出了类似的概念和观点,推动材料可持续发展。


      探索新材料原理,发展新制备技术,减少材料对稀贵元素的依赖。能源、军工、航空航天、电子等诸多领域所需的高性能材料往往需要消耗大量的稀贵元素。例如,计算机、高性能显示屏、移动电话、电力马达、锂离子电池、光电催化等所用的功能材料,主要靠稀土或稀贵金属元素实现性能的提升。但地球上稀贵元素储量有限,其战略重要性与日俱增。有数据显示,全世界稀贵金属已探明的静态可采储量可开采年限分别是:钒233年、铀110年、钛95年、钨64年、钼42年、锗40年、锑24年、金18年、银16年、铟10年。同时,开采和提纯这些稀贵金属也加重了对环境的破坏。此外,一些现有材料通过添加有毒元素以达到性能目标,给环境和人类健康带来不利影响。在加紧储存稀贵元素的同时,世界各国也在发展替代稀贵元素和有毒元素的材料技术。例如,日本2007年启动的“元素战略计划”,就是为推动研制稀贵元素替代物的一种尝试。(来源:人民日报)



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