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1中国科学院

中南大学材料科学与工程学院

在实施“中国制造”宏伟蓝图时，人们觉得材料制造业是短板，是制约综合国力提升的瓶颈。通过对学科发展规律和现状的研究，我们将认识到创新材料与制造科学理论、知识体系和相关知识单元是技术科学全面发展的重要支柱。本文在阐释其主要观点的基础上，进一步探讨了顶层设计。

高科技对材料科学的新挑战

了解金属、陶瓷和高分子材料中常见的科学规律

历史上，金属材料、无机非金属材料和高分子材料是分开发展的。就其制备工艺而言，采用了“合金化”、“掺杂”、“杂化”、“混合”和“合成”等不同的术语。虽然这些术语都不能准确反映新材料设计和制造的科学内涵，但在先进制造的影响下，这三种材料的知识正在迅速融合。

以钢铁为中心的物理冶金正在与陶瓷和高分子材料的物理化学相融合，而相变的研究则深入到各个层面的微观结构演化。例如，纳米尺度的亚稳态分解和自组装由人工位错阵列控制产生量子阱；例如，通过相分离得到纳米级的多相嵌段聚合物，其性能大大提高。这些例子都是金属材料、无机非金属材料和高分子材料交叉融合的新成果，是20世纪亚稳相变理论的延伸。

高分子材料具有广阔的前景，其研发活动和产业化比金属和无机材料更活跃、进展更快。为了摆脱高分子材料研究中“只看树不见林”的现状，美国工程院院士、高分子物理学家程正迪强调了研究高分子材料亚稳相变和组织演化的重要性，指出这是一个具有广阔前景的研究领域。高分子物理是凝聚态物理和固态物理化学的核心。

最近，添加剂制造(如3D打印)的R&D和工业化活动已经扩展到金属、陶瓷、聚合物材料甚至活体器官。然而，世界尚未建立起从前沿研究到产业化的三类材料科学体系，也未能为野外作业提供知识体系和相应的工具。如此尖锐的矛盾背后隐藏着丰富的创新机会。

因此，了解和掌握金属、陶瓷和高分子材料中的常见科学规律，形成新的知识体系，是一项重要的任务。

材料科学正在改变微电子芯片的设计和制造理念

在微电子芯片的制造、组装和封装过程中，高效率电阻、电容、电感和天线的小型化和集成化必然会涉及到界面反应、电迁移和晶须生长等科学问题。

各种微观结构之间的相互作用贯穿于材料选择、工艺设计、可靠性预测、失效机理分析、抗冲击和防污染等一系列环节，每一个环节都离不开材料微观结构演化的核心问题。

功能性微纳米器件设计和制造中的挑战

从大型组件到纳米器件的设计、制造和使用，遇到的常见问题有:

这是信息功能器件、能量转换功能器件和各种微纳器件设计、制造和使用全过程中不可回避的两个问题。如果传感器材料的组织进化失控，机器人可能会“精神失常”。

器件组装中微区形貌控制的挑战

作为半导体、单晶叶片等制造器件的基础，晶体生长机理的研究在先进制造业中遇到了新的挑战。为了使器件发挥功能，需要从理论上把握组装过程中的组织演化规律，也就是说，要掌握从自然界的自组装到微纳器件和大型雕塑，从制造、服务到回收利用的整个过程中的组织演化规律和细节，并应用到各种制造方法和灵活的工艺参数中。这是所有先进制造业面临的共同科学问题。

例如，张立德发明的花状氧化镁纳米结构、堆垛层错周期分离硫化锌/氧化锌异质结构、用阶段脉冲电沉积技术制备铋/锑超晶格纳米线等纳米复合材料的制造方法，以及目前的各种微纳自组装方法，都具有在微观尺度上控制晶面、晶体取向、缺陷等微观结构的自由能差，通过改变各微区的温度梯度、对流、原子扩散等参数来控制形貌，从而获得

在宏观雕塑和建筑装配领域，麻省理工学院的卡特教授一方面从原子尺度模拟计算晶界自由能与组织演化的关系，另一方面从热力学和动力学角度，他和建筑学的奥克斯曼教授利用类似于油和醋的液体分层原理模拟大型雕塑三维制造技术中的组织演化过程。

在自组装过程中，宏观过程和微观自组装相结合在理论和实践上的重大意义不容忽视。当化合物半导体的组成在化学计量比附近稍微改变时，载流子浓度和材料性质将改变几个数量级。陈清等人结合微观结构演化、相平衡、缺陷化学和半导体性质，建立了物理模型，评价和计算了CdTe相图，指出通过调节蒸汽压可以将CdTe组成的波动控制在10-5范围内。这项工作的设想在于在理论上建立新的物理模型，在实践中通过宏观参数控制微观过程。

物质组织进化理论是应对高技术挑战的共同理论基础

微结构演化贯穿所有材料，包括金属、无机非金属和聚合物。它贯穿材料的各种制备、实验和表征方法；它贯穿于从建筑、塑料雕刻、大部件到微纳器件的各种尺度器件的设计、制造和使用的全过程；自然贯穿于材料和器件的设计制造以及产业链的流程之中。因此，材料组织的演化规律是材料制造设计的科学基础，也是迎接高技术挑战的共同理论基础。

材料组织演化的内涵孕育了不同发展阶段不同材料产业化领域的制高点。材料微观结构演化的内涵具有开放性和包容性，这使得人们在实践中能够丰富和深化对材料中不同层次微观结构相互作用机制的理解。材料的力学、电学、磁学、热学、光学和声学功能涉及到不同层次的组织演化与绩效之间的关系。这些关系是材料技术科学的主线和核心，是材料和器件功能多样性和综合性的基础，是各种材料设计和制备的共同基础，是创新材料制造科学体系的基础。

物质组织的进化轨迹理论及相关知识单元的发展历史

在不同的外部条件下，材料的微观结构、成分和性能在时间空上的演化顺序反映了材料组织的演化轨迹。它是由各种相互竞争的潜在轨道组成的纵横交错的动态网络。

为了实现各种先进的设计理念，如通过微观结构控制获得具有特定综合性能的器件等，所采用的制造方法和工艺路线的设计原则集中在组织演化轨迹上，并在此基础上建立直接服务于产业链的知识单元。物质组织进化的知识单元经历了四个发展阶段。

第一阶段:学术思想的起源

在物理冶金史上，铁合金的相图系统地表达了成分、温度和相区之间的关系。然而，在它与热力学、动力学和计算技术相结合之前，人们甚至不能理解单相区的复杂扩散现象，也不能动态描述合金钢中的相变过程。

图片来自网络

20世纪50年代，Cahn提出了自由能密度的概念和Cahn-Hilliard方程。与此同时，麻省理工学院科恩教授的学生史长旭、考夫曼和希勒特在动态描述相变过程方面做了开创性的工作。其中石长旭先生在低温马氏体相变动力学方面做得很出色。考夫曼通过相图计算阐明了铁镍相图的高温相变和低温马氏体相变之间的关系。考夫曼在他发表的文章中回忆说，“资深石长旭启发他结合热力学、物理性质和成核理论建立了新的理论框架”。Hillert预测了合金钢在相变过程中成分和结构的演变轨迹。

上述经典学术思想，就是所谓“材料基因工程”的起源，几十年来取得了长足的进步。

第二阶段:知识单元的发展期

半个世纪前，梅杰玲花了三个月的时间计算出一条相图的结线，而柯军先生却以为花了八个人一年的时间测量出三元相图等温截面的一角。后来随着科技的发展，组织演化的内涵日益丰富，经典的相变理论遇到了新的边界条件。跨学科，尤其是计算技术的发展，以前所未有的速度实现了理论与实践的互动和反馈。

在这个背景下，一系列的概念、公式、模块、软件、数据库等。关注物质组织的演化规律和信息的。现在我们称这些元素为“知识单元”。它们可以表达物质组织演化的规律和细节。

第三阶段:在开发新知识单元的同时，建立新的科学体系

该体系的核心是将组织演化的驱动力与组织演化程度定量联系起来，构建热力学、动力学和地形学框架，形成具有新知识单元的材料制造科学体系。这个体系是开放包容的，展现了破解千年秘密，生成金属材料领域批量专利的能力，但对于整个材料领域来说，工作才刚刚开始。

第四阶段:在创建新材料制造科学主体的过程中，加快前沿理论、高技术和产业链的整合

今天的新兴产业链是物理、化学、材料科学和信息学、大数据等交叉学科和大规模技术革命的产物。纵横交错的多轨知识体系是其灵魂。第四阶段是跨越式发展的机遇，制度创新的作用将更加突出，应充分发挥知识单元在实施非对称追赶战略中的作用。具体而言，将前三个阶段积累的方法、知识和经验灵活、准确地落实到关键战略材料产业链的设计中，使创造体系与材料研发和产业链设计相协调。

相图计算的新趋势反映了前沿理论、高技术和工业化迅速融合的时代趋势。从文献1所列的10多位研究人员近期的研发活动可以看出，他们处于不同的材料领域和不同的发展阶段，根据自己的经验，从不同的角度绘制自己的蓝图。他们的共同点是基于物质组织进化理论，建立了各具特色的物质组织进化轨迹的知识单元。

知识单元是大规模技术革命中跨学科的产物。它有多种解决方案，具有灵活性和通用性，可以根据需要组装成不同的系统。它是材料设计与制造科学体系中所有环节的基石，是产业链中最活跃的创新环节，是总设计师战略创新与创新之间的桥梁，是战略性新兴产业的科学支撑，是“三级跳远”向“短道速滑”转变过程中最活跃的因素

新兴产业链是跨学科和大规模技术革命的产物

设计产业链需要掌握材料群体演化的规律和细节

为什么研发成果难以转化为产业化？这是因为材料的微观结构演化过程与性能之间的关系复杂多变，对工艺参数非常敏感；但在获得研发成果时，只找到了材料性能与工艺之间关系的一些特殊解，对于材料结构演化的规律和细节没有详细的、定量的知识体系。

材料的不同功能涉及不同层次的微观结构变化及其与整体的关系。具体来说，由于不同微观结构层之间的相互作用机制和能量差异不同，如相、相界、位错、空位、化学反应和核反应，外界条件即工艺参数的波动会改变微观结构演化的顺序，这是热力学因素竞争的结果。在相变过程中，存在一系列亚稳相相互竞争的子过程，使得微观结构演化过程更加复杂多变，因此对工艺条件即外界变量非常敏感。

为了准确制定产业链各环节的工艺参数，需要围绕产业链部署创新链，掌握组织演化的规律和细节。这些包括功能强大的智能数据库，配备了坚实的物理模型和先进的计算方法，不是“杂物间”或“垃圾场”。

目前，基于组织进化轨迹理论已经创造了一系列知识工具。它们是构成整个物质知识体系的知识单元。它们是由不同背景的科学家从不同角度，基于不同的物理模型，涉及不同的主要变量而开发的。但是目前还没有一个工具能够适应特定产业链的全过程的模拟和控制。

新兴产业链顶层设计的特点

新兴产业链具有人才密集、知识密集、技术密集、全球化、动态化、多轨道化、个性化等特征，其中每个环节都具有深刻的科学内涵和广阔的创新空。产业链工艺路线的设计离不开核心科学思想、信息处理与传播、实验方法、计算技术和数字支持。

新兴产业链是跨学科和大规模技术革命的产物

物理学家加深了对各级结构与性能关系的理解，化学家从化学反应的角度设计了各级结构的演化顺序。20世纪中期，材料科学家开始综合应用热力学、动力学和地形学来研究材料微观结构的演化过程，即各个微观结构和成分随时间变化的轨迹空。

先进的计算技术和信息技术可以使人们的想象力以前所未有的速度到达终点并迅速传播，大大提高了优化模型和现场交互的效率，引发了产业链的革命。

大数据可以收集和识别大量的经验和理论数据，作为优化模型的输入。此外，信息技术和大数据在寻找主要变量和表达进化规则方面也发挥着其他作用。例如，他们可以利用统计学、回归和相关物理模型甚至“无模型”的方法，分析大量亚稳态相变数据和关键词，找出主要变量，设计工艺路线，在相互反馈的过程中理解其科学内涵，从而实现更高层次的信息学、数学方法和物理模型的融合及其在产业链中的应用。

世界新材料制造科学体系建立的借鉴

材料与制造科学的核心理论反映了材料组织演化的一般规律。它可以包含材料各结构层次的相互作用和演化细节，内容丰富；并且可以通过知识单元应用到产业链的各个环节，具有很强的实用性。因此，一系列纵横交错的知识网络，穿插着经典理论、高科技、产业化，由材料与制造科学的核心理论组成，是材料与器件制造的路线图，是引领制造强国的灯塔。

在过去的半个世纪里，在从不同角度构建知识单元和形成知识体系的过程中，科学家们为未来的新材料制造科学体系描绘了一幅逐渐清晰的画面，可以作为我们创建新材料制造科学体系的参考。

材料热力学的创新

20世纪中叶以来，一些科学家开展了全面发展材料科学的工作。他们在物理学前沿的基础上，从热力学的角度对材料科学的成果进行了系统化，旨在建立一个更具逻辑性、自洽性和精细化的新的理论体系，从而具有更强的渗透实际问题的能力，期望对整个技术科学领域起到重要的推动作用。

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从理论创新的角度来看，它是基于组织进化的科学性，通过物理模型和函数的建立，经典热力学中相关变量的创新表达，以及材料热力学体系的创建。

创新理论体系实例

Hillert (g =-∫ DD ξ)提出的相变驱动力、系统自由能变化与微观结构演化程度的关系规律，集热力学和动力学理论于一体，是综合描述材料各相在不同外界条件下演化过程的基本框架。

在此基础上，建立了以相图计算为代表的理论体系和知识单元，在阐明金属材料的组织演化过程、开发新材料和产业化等方面取得了显著成果，正在向无机和高分子材料领域拓展。

新材料制造科学中的知识体系

目前，在开发新材料的过程中，大多数第一性原理计算的结果被用作优化技术路线的输入。真正的突破在于组织演化规律和细节从量子力学到制造科学宏观层面的深度整合。

麻省理工学院的塞德尔(Ceder)、宾夕法尼亚州立大学的刘和西北大学的奥尔森(Olson)的工作体现了前沿理论、高技术和新材料研发的系统化。塞德尔通过相图计算预测了磷酸铁锂的热分解路线，并系统分析了薛定谔方程、密度泛函理论、VASP、相图计算、R&D路线设计与锂电池材料发展全链之间的关系。

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相当多的例子表明，创新的知识体系有能力破解千年秘密，产生批量专利。

走中国之路，创建科学的新材料制造体系

避免顶层设计中的误解

现在很多自发的、自由的科研计划往往来源于锁定单一目标，采用“外推”、“叠加”的单一方法，对所涉及的科学问题缺乏细致的考察和辩证的分析，从而失去学科整合的权利，削弱培育制高点的竞争力，这是顶层设计的误区。如果不充分发挥社会主义大国的优势，个别项目的超越很容易被整体超越，从而错失战略机遇。因此，创新体系必须以顶层设计为指导思想，从国家战略需求出发，使创新理论更具普遍性，从而在创新过程中提高全民族的科学素质。

顶层设计应以整体观和历史观为基础

随着科技的大规模革命和互联网信息的畅通，全球资源配置是由科学和经济规律决定的。如果创新知识体系的顶层设计是基于现有的学科目录、行业名称、媒体热点，无异于雕舟求剑。

今天，我们要特别关注科学的历史性和时代性，整个技术科学的结构和内涵也在与时俱进，这就要求我们以实际问题为导向，关注历史和全局中的跨学科，把握与该领域相关的学科发展总趋势；充分开发和综合评价各种R&D路线，洗牌分析前沿技术和大量知识单元，挖掘它们之间的科学联系，智能调用各种知识单元，并在此基础上提出完整、系统、创新的顶层设计。

顶层设计应该具有前瞻性

整个科技领域是一个完整的统一体，前瞻性的能力将激励我们及时发现和培养新的知识单元，抓住灵感的即时性、途径的随机性和路径的不确定性所蕴含的问题有多个解决方案的契机，充分发挥材料科学在整个科技领域全面协调发展中的支撑作用。例如，在第二次工业革命中，资源的滥用对人类的生存环境造成了严重的破坏。深层次的原因在于对能量转换过程中的熵增及其对环境的影响缺乏前瞻性的科学认识。

今天，在能源技术科学、生态文明和绿色工程领域，为了从众多候选工艺路线中选出最佳路线，更需要基于科学规律对各种设计方案进行定量评价，并建立相应的知识体系。

顶层设计需要动态协调各部分之间的关系

创新知识体系的核心部分应体现前瞻性的学术思想和坚实的科学基础。知识体系创新的过程也是一个不断跨学科、与实践反馈、在实践中不断完善顶层设计的过程。在其发展过程中，部分链条暂时只能靠经验和试错来弥补。也就是说，整个创新知识体系的所有环节以及它们与产业链之间都必须具有协调、反馈、迭代和优化的功能，并由相应的人才来运作。

理解科学规律是制定路线图的基础

为了使中国制造业在2025年进入世界前列，有必要对先进制造业中常见的科学问题进行理论创新和系统创新。

中国在基础和关键材料领域与国际的差距有多少年？我们不会问这样的问题，而是寻找从根本上迎头赶上的方法。在掌握四个阶段的总体情况的基础上，针对具体问题创造新的知识单元和科学体系，就有可能获得多种解决方案，找到赶上具体问题的捷径。要落实平行和非对称追赶战略的新思路，协调好一系列关系，如以下四个方面:

协调科学体系中创新环节之间的关系

建立科学体系的过程包括提出学术思想、建立物理模型、创造新功能、开发计算技术等。，并将这些创新环节进一步连接成一个知识体系。在这个过程中，这些环节和相关知识单元需要反复探索、迭代和优化。

协调科学体系中的精细化理论框架与产业链中的海量信息之间的关系

物质组织演化公式是一个简洁的框架，包括三个相互关联的函数:系统自由能、组织演化的驱动力和演化程度。当进入不同的物质领域时，涉及到力、电、磁、热、光、声等功能。，也就是说，它涉及到不同层次的组织演化与绩效的关系。这时候就需要通过创建不同的物理模型来创建新的功能。在设计产业链时，为了协调全球化、动态化、多轨道化和个性化之间的关系，需要将与组织演化相关的功能具体化为制造方法中的数百个过程参数和服务和回收过程中的环境参数，其中包含大量的信息和数据。

协调科学体系中各个学科之间的关系

为了进行理论体系创新，有必要确定先进计算技术、大数据和信息学等学科之间的连接点。

“协调发展是成功的关键”

为了创新和协调上述关系，必须动态协调我国创新模式中创新主体之间的关系，即国家意志、总设计师的战略创新、制度创新、知识单元创新和全民创新；协调科技创新、制度创新和管理创新的关系。这就是中国特色创新大格局的特点和优势。走中国道路是历史的必然，中国道路在特定领域的科学内涵必然丰富多彩。

五大发展理念和不对称追赶战略、平行战略的新理念，必将使我们在协调各种关系、创建体系、制定路线图的过程中，视野开阔、方式多样、信心十足。同时也使五个发展理念有了更坚实的科学基础，更丰富的学科内涵，更鲜明的时代特征，同时也焕发出更加强大的生命力。

包含创新系统的示例

添加剂制造、高通量实验和计算方法、极端条件下材料的行为都与不同外部(可变)条件下材料组织演化的理论问题有关，说明材料组织演化的辐射能力在高技术和产业化中非常强。深入分析科学联系，找出规律，建立新的理论体系和知识单元，是对青年科学家智慧和勇气的新挑战，不仅发展了理论，而且解决了广泛的实践问题。

建立新材料制造科学体系的战略目标和路线图

战略目标和路线图

开始制定金属、陶瓷和聚合物组织进化科学体系的顶层设计

目前，人们对金属、陶瓷、高分子材料的一般科学规律以及这些材料和器件的潜在和隐患还不够了解。世界上没有一个知识体系贯穿从基础理论、高科技到工业化的过程。因此，掌握金属、陶瓷和高分子材料的共同科学规律，形成新的知识体系，是一个新的挑战。

到2020年，先进基础材料和关键战略材料的科技水平将进入世界前列

“十三五”期间，国内外具有世界先进水平的知识单元将创造性地渗透到先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料的制造、R&D和产业化中，渗透到制造强国绿皮书和与材料相关的重大项目中。关键材料是指镍基高温合金、钛合金、特殊钢、稀土材料、铝、镁、高温陶瓷、核武器、核反应堆、核废料等。；关键技术是快速凝固技术、热障涂层材料制备技术、晶体生长、形貌控制和自组装技术。这是培养具有广阔视野的人才，增强顾全大局的能力，打造材料制造科技体系，使之在实践中扎根中国的关键环节，是整个战略的决定性阶段。成功完成这一阶段可以为中国的发展赢得10多年的时间。

到2020年，初步建立具有世界先进水平的无机功能材料和微纳米器件科学体系

先进无机功能材料领域不断涌现新成果，国际竞争异常激烈。中国在研发、专利、产业化方面取得了成绩，但整体实力不强。世界上现有的知识体系已经不能满足材料领域的发展需求。因此，创造从经典理论、高技术到产业化的具有世界先进水平的知识单元和技术体系，将是当前国际竞争的热点。建议我国以典型功能材料为切入点，建立从量子到宏观沟通的新材料设计科学体系。

措施和操作

有关领导和管理部门围绕大局密切配合

如本文第五部分所述，新材料和科学体系的建立应遵循中国道路，协调各创新主体之间的关系。在操作过程中，要长期坚持对全球趋势和国内情况的调查研究。建议建设制造强国领导小组牵头协调创建新材料科学体系工作，各部门密切配合。比如请国家专利局整理材料与制造领域的敏感专利及其科学问题，按重大项目提出具体需求，请国家自然科学基金提出项目指南或说明，请中科院、工程院、社科院、教育部提供咨询服务。

“十三五”期间的应急措施

改革开放以来培养的人才队伍，应该担负起完成十三五决定性阶段的任务。建议运营方案由中国物理学会相图专业委员会提出，每年聚集数百名研究生，拥有国际优势的研究人员数量。目前国内一些好的数据库还没有和R&D沟通，还没有尝试产业化。中国物理学会相图专业委员会与相关单位联合组织基础知识班、知识工具培训班、典型案例分析班，可以学习和掌握解决一些重要问题的学术思想、基础知识和知识工具。如镍基高温合金和某些特殊钢的工艺分析，热障涂层的设计，三维工艺中微观组织演变过程的分析，铝合金热力学和动力学数据库的应用，以及相关单位委托的项目等。预计该单位将创造性地将国内外具有世界先进水平的知识单元应用于先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料的制造、研发和产业化。

金材料科学技术专家，中国科学院院士，中南大学教授。1938年11月生于广西荔浦，1960年毕业于中南矿冶学院，1963年毕业于中南矿冶学院，2003年当选中国科学院院士。主要从事相图热力学和相变动力学。发展了不同结构特征相的热力学模型和相图优化计算方法，构建了金属合金、氧化锆基陶瓷和人工晶体材料的一系列相图。发展了研究相图等温截面和等温四面体的多元扩散耦合方法，用一个样品即可获得三元相图等温截面和无扩散的亚稳相变区等信息。建立了阶段性亚稳相变理论，揭示了某些铁合金中各种亚稳相的相变机理。基于以不同热力学变量为坐标的相图，研究了各种动力学通道，建立了模拟材料微观结构演化过程的理论框架，可用于预测和阐明合金的非晶形成区域、复合材料的界面反应过程以及热腐蚀产物的形成条件。

金、蔡、苏、范星、郑峰。走中国之路构建新材料制造科学体系——论材料科学与新兴产业链的全面发展。中国科学院院刊，2016，31(11): 1244-1252。

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