我國的材料科學(xué)研究規(guī)模全球領(lǐng)先，但為何諸多戰(zhàn)略材料仍被“卡脖子”？科技界需要做什么，打算怎么做？8月23—24日，2019使役條件材料結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系學(xué)術(shù)研討會在浙江桐廬召開，包括6位院士在內(nèi)的160多位學(xué)者與會。會議認為，改革開放以來，我國的材料科學(xué)研究蓬勃發(fā)展，與之形成鮮明對比的是，材料工程層面的研究仍然欠缺落后，急需“補課”。強調(diào)戰(zhàn)略材料的真實服役狀態(tài)，以先進的科學(xué)研究手段去全鏈支撐材料工程實際，將是我國破題“卡脖子”問題的關(guān)鍵，也是科學(xué)界下一步的努力方向。

根據(jù)工信部2018年公布的對全國30多家大型企業(yè)130多種關(guān)鍵基礎(chǔ)材料調(diào)研結(jié)果，32%的關(guān)鍵材料在中國仍為空白，52%依賴進口，絕大多數(shù)計算機和服務(wù)器通用處理器95%的高端專用芯片，70%以上智能終端處理器以及絕大多數(shù)存儲芯片依賴進口。在裝備制造領(lǐng)域，高檔數(shù)控機床、運載火箭、大飛機、航空發(fā)動機、汽車等關(guān)鍵件精加工生產(chǎn)線上逾95%制造及檢測設(shè)備依賴進口。中國制造業(yè)創(chuàng)新力不強，核心技術(shù)短缺的局面尚未根本改變。

“中國的材料似乎什么都做，但是關(guān)鍵的材料，特別是影響國家的安全，影響國民經(jīng)濟的高端材料往往都不行。”會議主席，中科院院士、浙江大學(xué)學(xué)術(shù)委員會主任張澤提出，當前中美貿(mào)易戰(zhàn)暴露了當然我們在材料領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)性問題，“要知其然并知其所以然，怎樣使材料用得上，更好提升戰(zhàn)略材料在真實使役條件下的性能，是我們此次會議的共同話題。”

“欠賬”材料問題，并不是簡單的“工藝不行”

研討會上，許多研究都圍繞航空發(fā)動機中渦輪葉片的主材——鎳基單晶高溫合金展開，它被譽為航空工業(yè)“皇冠上的明珠”。當渦輪葉片高速運轉(zhuǎn)時，葉片要耐受1100攝氏度以上的高溫，每平方厘米能負載一輛重型卡車的重量。目前，中國的制造水平與美國還存在2個代次的差距。

“這樣一個小小的葉片，美國的‘熱處理’生產(chǎn)環(huán)節(jié)是怎么做的？他們在50攝氏度附近，循環(huán)著升溫、降溫，反復(fù)執(zhí)行50個小時，目的是讓不同的元素在金屬內(nèi)部更加均勻的分布，為什么要這樣做，后面都是有科學(xué)數(shù)據(jù)支撐的，但人家不會告訴我們。而在中國的生產(chǎn)線上，上述過程也許只有一步。”張澤說。

中國科學(xué)院金屬所研究員馬秀良認為，“在物理冶金這一基礎(chǔ)科學(xué)指導(dǎo)下的材料制備”是中國材料領(lǐng)域的長期以來忽視的短板，急需補課。馬秀良說，材料研究涉及四大要素：性能、使役行為、微觀結(jié)構(gòu)、制備與加工。“改革開放以來，我們對于材料結(jié)構(gòu)與性能的研究手段已取得了長足進步，甚至已經(jīng)比肩國際先進水平，但我們的材料還做不到理想的性能、也達不到需要的使役行為，分析這四大要素，很容易看出‘制備加工’環(huán)節(jié)拖了后腿。”馬秀良說。

“‘基于物理冶金學(xué)的材料制備’環(huán)節(jié)需要大量實驗數(shù)據(jù)的積累，”馬秀良說，每一個步驟對應(yīng)的參數(shù)是多少，都需要嚴格的、大量的、長時間的數(shù)據(jù)積累和研究。十九世紀中后期化學(xué)熱力學(xué)理論的創(chuàng)立為合金相圖的建立打下了基礎(chǔ)。合金相圖被認為是材料設(shè)計的地圖，從相圖上可以直觀地看出多組元中各種凝聚狀態(tài)及他們所處的條件。在歐美和日本等知名大學(xué)和研究機構(gòu)，至今仍有學(xué)者在從事著“古老”的相圖工作，為合金材料的制備提供精細的“地圖”。而中國，在合金相圖的建立這一環(huán)節(jié)長期以來沒有引起足夠的重視。憑經(jīng)驗、非定量、‘模糊控制’等做法限制了高性能材料的制備及其性能的提升。”

“材料做不出來，并不是簡單的‘工藝不行’，而是在微觀層次的理解還不夠。”張澤認為，改革開放以來，中國的材料領(lǐng)域，存在科學(xué)與工程發(fā)展的嚴重失衡的現(xiàn)象。大量的研究力量投身于科學(xué)研究，并取得了令人矚目的成就，而材料工程這一塊卻始終沒有充分發(fā)展。“科技界需要承擔起這方面責任，去彌補過去忽視工程實際，一股腦兒去追求時髦科學(xué)、前沿熱點留下的缺憾。”

改革開放之前，我國科技發(fā)展停滯了30年，“這30年里，國外所做的事就是我們現(xiàn)在所遇到的這些問題。”張澤說，發(fā)達國家科學(xué)與工程研究一直是同步進行，支撐起了高端的研究與高端的制造。而反觀國內(nèi)，相比于緊跟國際前沿的材料科學(xué)，材料工程研究卻“冷”了太久。“在物理冶金這基礎(chǔ)科學(xué)指導(dǎo)下的高端材料制備，我們落下的課遲早是要補的。”馬秀良說。

中科院院士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授韓杰才說，材料最薄弱的問題，就是基于科學(xué)的精細化研究不夠，這進一步帶來了關(guān)鍵材料的“卡脖子”問題。

“材料領(lǐng)域的‘欠賬’問題，我感受很深。”中科院院士、北京理工大學(xué)教授方岱寧說，“如果不真正沉下心來，去想辦法讓材料真正去使用，國家就會一直存在高端的材料受制約的情況”。

“回饋”使役條件下，科學(xué)與工程的一體化研究

“高校有好的儀器，好的手段，好的研究團隊，現(xiàn)在是時候也理應(yīng)做出‘回饋’，為國家卡脖子的關(guān)鍵材料做點事了。”張澤的這番話引起了許多專家學(xué)者的認同。他提出，電子顯微鏡等高水平的研究手段，應(yīng)該更多的“回饋”到把材料做得有用，用得上的方向上。

自去年起，浙江大學(xué)先后出資7000萬元，組建高溫合金研究所，開展高溫合金設(shè)計和優(yōu)化、合金凝固和精確成型、材料設(shè)計與制備、材料微觀結(jié)構(gòu)分析和表征一體的高溫材料科學(xué)研發(fā)平臺，在與會專家眼中，這是以高水平科學(xué)研究支持材料工程的一項示范。

中國科學(xué)院院士、中科院物理所研究員沈保根說，他最初以為高溫合金研究所就是用電鏡去看合金材料的，后來發(fā)現(xiàn)理解還不夠到位。“原來，這里是從頭到尾地從‘煉鋼’開始，從材料的制備到表征，把結(jié)構(gòu)與服役條件組合起來研究。”沈保根說，“主動的把科學(xué)和工程放在一起，科學(xué)家承擔起責任，我覺得我們搞材料的都應(yīng)該要有這樣的勇氣。”

與會專家指出，上世紀80年代以來形成的以論文來衡量學(xué)術(shù)水平的評價機制，很大程度上限制了工程科技的發(fā)展。大量的研究人員投身于材料科學(xué)研究，而對于“產(chǎn)出”不那么顯性的工程領(lǐng)域，科研力量仍顯匱乏。學(xué)者們期待有更加合理多元的評價體系，來釋放科技人員的創(chuàng)造力，鼓勵更多的科研人員投身材料工程研究。“做有用材料，也許發(fā)表不了高影響因子的論文，得不到鮮花掌聲，但我們一定要支持他們，這也是我們的責任。”張澤說。

中國科學(xué)院院士，浙江大學(xué)教授陳云敏認為，“回饋”還應(yīng)體現(xiàn)在人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，建議材料專家聯(lián)手編寫《工程材料》的大學(xué)教材。“我國高校當前的教材設(shè)計，土木專業(yè)學(xué)的是建筑材料、機械學(xué)的是機械材料，從一個很窄的行業(yè)領(lǐng)域去編寫的教材，學(xué)生的思路容易受到局限，《工程材料》有助于學(xué)生在更為深刻透徹的理解工程材料的共性問題。

圖：6位中科院院士與專家學(xué)者縱論“卡脖子”技術(shù)

會議背景及概況

中美貿(mào)易戰(zhàn)環(huán)境下，新一代信息技術(shù)、航空航天裝備、海洋工程和高技術(shù)船舶、節(jié)能環(huán)保、新能源等領(lǐng)域的發(fā)展，關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的國產(chǎn)化迫在眉睫，對國產(chǎn)關(guān)鍵戰(zhàn)略材料質(zhì)量性能、保障能力等也提出了更高要求。

2019--使役條件下材料結(jié)構(gòu)和性能學(xué)術(shù)研討會于8月23-24日在杭州桐廬經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會孵化園召開，會議由浙江省科創(chuàng)新材料研究院主辦，來自全國高等院校、科研院所以及相關(guān)企業(yè)的160余位專家學(xué)者、研究生以及企業(yè)技術(shù)骨干出席研討會。浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)以及中國科學(xué)院等高等院校和科研院所的29位專家學(xué)者與會并作學(xué)術(shù)報告；中國科學(xué)院院士、浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、浙江省科創(chuàng)新材料研究院院長張澤院士擔任大會主席，與中國科學(xué)院沈保根院士、方岱寧院士、陳云敏院士、韓杰才院士、郭萬林院士等組成大會學(xué)術(shù)委員會。

出席研討會的6位院士與大會報告的專家學(xué)者進行了深入交流，與相關(guān)專家學(xué)者圍繞使役條件材料結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系進行panel discussion，并與參會代表進行了良好互動。