1.2　我国新材料研究的发展现状和机遇

新材料作为国民经济先导产业和高端制造及国防工业的重要保障，未来将成为各国战略竞争的焦点。当前在新一轮科技革命和产业变革大势下，全球新材料基础研究和产业格局发生重大调整。新材料与信息、能源、生物等高技术加速融合，互联网+、材料基因组计划、增材制造等新技术新模式蓬勃兴起，新材料创新步伐持续加快，国际竞争日趋激烈。在此大背景下，欧、美、日、俄等全球多个国家（地区）纷纷制定了与新材料相关的发展战略，启动了多项专项计划，大力促进本国新材料发展。相对而言，我国新材料研究起步晚、底子薄，材料先行战略没有得到充分落实，核心技术与专用装备水平相对落后，关键材料保障能力不足，整体仍处于培育发展阶段。笔者统计了Nature和Science期刊上近5年发表的材料相关学术论文，热点的研究领域主要有生物医学材料、能源和催化材料、有机聚合物材料、功能陶瓷和量子拓扑材料等（图1-1）。我国学者的贡献量逐年增加，发文量排在美国之后，居第二位（图1-2）；尤其是在低维材料、功能陶瓷、金属合金和能源催化材料等领域，我国研究成果的整体水平有显著提高（图1-3）。但是，图中也反映出我国与传统强国美国仍有很大差距，原始创新依旧缺乏，引领发展能力不足，难以抢占战略制高点。催生新兴产业的新材料主要来自国外，比如，大尺寸硅片、新型显示材料、远红外探测材料、中红外激光晶体、特种光纤等光/微电子材料，现代航空、高铁、汽车等交通业的高温合金、轻合金、碳纤维增强树脂基复合材料等。我国缺少引领材料自身发展的标志性新材料，包括半导体材料、超导材料、合成塑料及高分子、催化剂、液晶和聚合物、光纤等。在发挥前沿新材料引领产业发展方面，我国的自主创新能力也有待提高，迫切需要在高强度结构材料、3D打印材料、智能仿生与传感、超材料、石墨烯等新材料前沿方向加大创新力度，加快布局自主知识产权，抢占发展先机和战略制高点。

（1）先进金属与合金材料

金属材料包括钢铁、镁、铜已经被许多学者进行了全方位系统的研究，应用也很成熟。近年来，航空航天、先进装备制造、新能源、深海技术以及先进交通运输等关键领域的发展对新一代高性能钢铁材料、先进金属功能和结构材料以及先进金属材料设计、制备加工和服役评价提出了迫切需求。金属和合金领域的基础研究将继续推动新科技革命和对材料行为的深入理解，从而产生新的材料设备和系统。近5年在Nature和Science期刊上已发表的约20篇金属材料相关的文章中，先进金属材料的研究主要聚焦在理解金属多相高熵合金的固溶效应、纳米晶强化强韧新机制、高温非晶合金和塑性变形理论研究等。其中，我国大陆学者发表的论文有8篇，表明在这些领域具有了国际领先的地位。比如，北京科技大学基于最低错配度下获得最大程度弥散析出和高剪切应力的创新思想，以及引入“有序效应”作为主要强化机制有效阻碍位错对增强相颗粒的切割作用，发展了超强韧的高密度有序Ni（Al，Fe）纳米颗粒强化高性能新型马氏体时效钢，其抗拉强度不低于2.2GPa，拉伸塑性不低于8%[1]。应变硬化是工程合金力学行为中最重要的现象，因为它保证了合金流动的非定域化，提高了拉伸延性，并抑制了灾难性的力学损伤。上海高压科学研究中心在纳米金属镍的高压变形中发现强度随着晶粒尺寸减小持续提高的效应，这是由于高压变形抑制了纳米材料中的晶界滑动，并促进了起强化作用的晶体缺陷（位错）的储存，从而导致高压细晶强化[2]。高压诱导金属强化机理的发现，极大拓展了高强度金属材料在极端环境下的应用。中国科学院沈阳金属研究所首次在块体非晶态材料中实现加工硬化，颠覆了人们对非晶态材料形变软化行为的固有认识，为开发具有均匀塑性变形能力的非晶合金及其工业应用提供了新思路和方向[3]。中国科学院沈阳金属研究所发现低温下由塑性变形产生的纯铜或镍中的纳米级晶粒在临界晶粒尺寸以下显示出显著的热稳定性，主要因为塑性变形中部分位错的活化使纳米晶粒之间形成低角度晶界，导致纳米晶晶界自动从高能态演变到低能态，从而增强热稳定性[4]。

先进金属材料研究的主要机遇包括：原位操作实验表征数据的实时分析；纳米孪晶材料中的变形和应力发展机制、微观结构演变的过程和机制；航空发动机关键材料；下一代高性能轻质合金的设计制造及性能调控；非晶合金/高熵合金的微结构和强韧化；在相同长度和时间尺度上进行耦合实验和计算模拟研究等。

（2）新能源和催化材料

开发清洁利用可再生的新能源是人类社会发展的一大挑战。太阳能和锂电池具有来源广泛、清洁安全等优点，近年来备受青睐。在太阳能电池领域，第三代钙钛矿太阳能电池获得了最快速度的发展，其光电转换效率已超过25%，与成熟的薄膜太阳能电池如铜铟硒化镓（CIGS）和碲化镉（CdTe）性能相当。目前的主要研究方向包括有机组分降低环境稳定性的机制、缺陷在薄膜内的分布规律以及对性能的影响特征、如何制备大面积连续生产的钙钛矿太阳电池、全无机钙钛矿的相稳定性、铅毒性以及铅渗漏等问题。这些问题是钙钛矿电池在商业化道路上面临的重要挑战。应对这些挑战，我国学者与国际同行都做出了重要的贡献。比如，北京大学发现通过在钙钛矿活性层中引入具有氧化还原活性的Eu3-Eu2离子对，实现了全寿命周期内本征缺陷的消除，大幅提升钙钛矿太阳能电池的稳定性[5]。上海交通大学通过在钙钛矿薄膜表面形成强化学键来稳定钙钛矿异质结构，从而构筑了稳定的基于钙钛矿的异质结构。构建的异质结构可以选择性地提取光生电荷载流子并阻止钙钛矿中组分的流失，从而减少对有机电荷传输半导体的破坏[6]。我国学者在钙钛矿电池领域形成了一定的研究优势，但是在深入理解钙钛矿阴阳离子缺陷形成和演化机制、叠层结构等方面，与欧美国家有一定的差距。

在过去20年，中国锂离子电池研究及产业均取得巨大进步，锂离子电池材料体系从钴酸锂发展到磷酸铁锂、三元材料，再到高镍和富锰体系，负极从石墨到多元碳材料、再发展到含锂合金以至锂金属。我国已经成为全球最大的锂离子电池生产地和消费地。尽管我国学者在论文发表数量和质量上位居世界前列，但是，高水平的基础研究成果仍然欠缺。在近5年Nature和Science期刊上，美国学者发表了90%的锂电池相关的文章，而中国学者还没有一篇，在一定程度上体现了我们在该领域的原创结果欠缺。锂电池的主要研究方向是高比能量、高比功率、高安全、长寿命、低成本，全固态电池、新原理轻金属电池以及水系和空气金属电池。另外，新近发展的冷冻电镜技术已应用于观察电池材料及其界面的成分和原子结构。

催化有众多的研究方向，最近几年的研究热点包括光/光电催化CO₂还原；一氧化碳（二氧化碳）加氢反应；生物质转化多元醇、酸和酯的催化材料；高选择性催化乙醇和烯烃等化学物质；低碳烷烃转化低碳烯烃催化剂的研究等。我国学者高水平的研究成果主要集中在贵金属电催化剂的结构调控和单原子催化技术（2011年中国科学家张涛院士提出的概念）。比如，北京大学报道了高端卷曲的亚纳米厚双金属钯钼纳米片，其在碱性电解质中有卓越的氧还原反应电催化活性和稳定性，突破了阴极反应的缓慢动力学对电化学能源转换/存储器件的限制[7]。苏州大学报道了应力调控PtPb/Pt纳米片核壳结构催化剂具有非常优异的氧还原活性，不仅可以作为燃料电池阴极氧还原催化剂，还可以被用来催化阳极反应[8]。

新能源和催化材料研究的主要机遇包括：研发新型高转换效率的太阳能电池材料；解决钙钛矿和有机电池的稳定性和大规模制备问题；空间太阳能电池；高安全、高能量密度和功率密度的全固态电化学电池；能量转换-存储-管理一体化器件；可拉伸可弯折柔性可穿戴供能器件；固体氧化物燃料电池材料；高转换效率的热电材料和其他新的能量转换方式的研发；催化材料的理论预测模型；高效催化剂适合工业生产及应用的可扩展合成方案；助催化剂在活性位场上的选择性沉积；二维材料催化剂的研究等。

（3）光电信息功能材料

我国在信息功能材料与器件领域的原创研究成果日益增多，国际影响力日趋提升。特别是基于二维材料光电子器件技术和拓扑量子材料，我国在国际上已有显著的影响力。比如，北京大学提出一种新型超低功耗的场效应晶体管，并采用具有特定掺杂的石墨烯作为一个“冷”电子源，用半导体碳纳米管作为有源沟道，以高效率的顶栅结构构建出狄拉克源场效应晶体管。该技术突破了晶体管室温亚阈值摆幅的热发射理论极限，提供了一种能够实现室温下亚60mV/DEC的新原理结构；与此同时，还能保持传统MOS晶体管的高性能，有望将集成电路的工作电压降低到0.5V及以下，为3nm以后技术节点的集成电路技术提供解决方案[9]。复旦大学首次通过实验在本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲（MnBi₂Te₄）中观测到量子反常霍尔效应，该研究将为未来本征材料体系中拓扑物理的研究开辟新思路[10]。电子科技大学首次在高温超导纳米多孔薄膜中完全证实了量子金属态的存在，该研究对于量子金属起源的探索将会改变我们对量子材料的认识，将极大推动量子器件领域的发展[11]。5G通信时代让终端对支撑材料提出了更高要求，一旦基础性研究的成果适时地满足终端对材料方面差异化的需求，将迅速占领市场。5G技术需要高热导、低介电和高电磁屏蔽新材料。5G也将为半导体材料带来革命性的变化，随着通信频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的射频器件，是GaN发挥优势的频段。近几年，我国在大尺寸、低缺陷密度和自支撑GaN衬底材料的研究和产业化应用方面取得了长足的进步，使得GaN有望成为5G基站建设的重点材料之一。我国非线性光学晶体及其应用方面占国际领先地位，我国发展的深紫外非线性光学晶体及其全固态激光器已成功用于系列深紫外科学仪器的研制，初步形成新的科学仪器系列，有可能在与科学仪器相关的产业中获得重大突破。激光晶体研发基本与国际同步，发展了多种激光晶体新体系，不断完善了各类不同要求和不同波段范围的重大需求；光学超晶格体、复合功能晶体，特别是激光自倍频晶体的研究和应用处于国际领先地位；我国在紫外、深紫外非线性光学晶体研究领域处于国际领先地位。发现了氟硼铍酸钾（K₂Be₂BO₃F，KBBF）族晶体，其是目前唯一具有深紫外直接倍频能力的非线性晶体。2009年Nature期刊以“China's Crystal Cache”为题指出KBBF晶体是中国对科学研究的重要贡献[12]。其他光电信息领域包括光通信、柔性可穿戴传感器件、发光二极管、高密度超快数据存储材料和器件，都是欧、美、日近年来非常活跃的研究领域，处于领先地位，我国紧跟国外技术的发展方向，处于追赶阶段。

光电信息功能材料研究的主要机遇包括二维材料及其多层异质结构的大面积可控增长和新电子态探索；更高功率密度与效率和更小占位面积的新型电子材料和器件；宽禁带半导体材料技术；高效、低成本、长寿命和可绿色加工的高性能有机光电材料及其相关配套材料（如封装材料等）；印刷电子制造技术；多功能电子皮肤；大尺寸、高质量（硅、激光）晶体生长，加工设备及检测方法；用于晶体生长及加工的高纯原材料等。

（4）先进结构陶瓷材料和复合材料

先进结构陶瓷材料和复合材料是工业和基建所必需的基础材料，在国家安全、国民经济建设、环保与可持续发展等方面占有极为重要地位，为相关领域提供了重要支撑。国外在先进结构陶瓷发展中处于领先地位，其中，美国先进陶瓷在航空航天、核能等领域的应用处于领先地位；日本在先进结构陶瓷材料的产业化、民用领域方面占据领先地位，并占有世界一半的市场份额；欧盟在机械装备领域处于领先地位；俄罗斯、乌克兰在结构陶瓷和陶瓷基复合材料方面实力雄厚。国内的先进结构陶瓷体系不断拓展，制备技术不断丰富与进步，应用领域也从单一的军事、航空航天推广到环保、新能源、电子信息等更为广泛的民用市场，陶瓷材料也从结构陶瓷、功能陶瓷向结构-功能一体化方向发展。

粉体的特性对先进陶瓷后续成型和烧结有着显著的影响，特别是影响陶瓷的显微结构和机械性能。高性能陶瓷粉体行业长期被日本、欧美公司所垄断。我国的陶瓷粉料制备技术仍相对落后。例如，高纯氧化铝粉，日本99.99%氧化铝粉烧结温度只需1300℃，而国内需要到1600℃以上；高纯氮化硅粉仍受到日本UBE和德国H.C.Stark的限制，国内在粉料质量上仍存在较大的波动。同时，粉体的高效分散技术也存在较大差距。我国在氧化物陶瓷粉体方面取得了长足进步，基本可以满足耐磨蚀件、密封件、光纤套管等陶瓷产品的需要，但在高端应用领域对粉体纯度和粒径有更高的要求，国产粉体依然存在较大的差距。在非氧化物粉体方面，国产氮化硅、氮化铝和碳化硅等关键陶瓷粉体与国外差距更加明显，在航天用轻量化碳化硅光学部件、舰船用大型高强度高韧性碳化硅密封部件、核反应堆用碳化硼中子吸收部件、高硬度碳化硼防弹装甲部件、电子领域用高热导高绝缘氮化铝、LED照明用高效氮化硅基荧光粉等领域只能依赖进口粉体。我国粉体质量较低的原因主要是对粉体制备的内在科学机理了解不够，阻碍品质提升，而且产学研结合没有正确衔接。

我国航空航天领域对连续氧化物纤维已有迫切的应用，受限于国内技术水平，只能采用进口纤维。国内连续氧化铝纤维研究起步较晚，起点较低，虽近年来上海硅酸盐研究所、山东大学等开展了连续氧化铝纤维工程化制备研究，取得一定的研究成果，但尚无法生产出高性能连续氧化铝纤维。另外，建立先进纤维增强陶瓷基复合材料与特殊构件极端服役环境下的性能检测与表征技术平台势在必行。西北工业大学在热解碳织构C/C复合材料制备及其抗氧化/烧蚀涂层研究方面有较高的研究水平，创立了多种高性能涂层体系，已在航天、航空的多个高新装备型号中应用，防护性能达到国际先进水平。哈尔滨工业大学在超高温陶瓷基复合材料的强韧化与抗氧化协同等前沿方向开始进入国际前列，逐步迈向从量的积累向质的飞跃、从点的突破向系统能力提升的重要转变。在超硬材料领域，燕山大学建立了共价材料硬度的系统理论，解决了硬度定量预测这一难题；合成出硬度超过了天然金刚石的纳米孪晶结构超硬材料，有望在先进超硬工具、科学仪器及其相关产业上获得重大突破。在开发超硬材料功能性方面的应用，国外已经取得很好的进展，而国内几乎还是空白，因此，加大超硬材料功能性的应用研究，是我国超硬材料未来重点研究的方向。

先进结构陶瓷和复合材料研究的主要机遇包括：高性能陶瓷粉体的制备；高熵陶瓷的计算、制备和形成机制研究；高性能连续纤维的相变和结晶结构调控；在高性能纤维增强材料的成分组成上创新，使其具有更强的定制性和多功能性；极端环境用纤维增强陶瓷基复合材料制备及服役评价和检测；高导热氮化硅陶瓷基片研究；非晶陶瓷的制备、晶化、形变和断裂机制；将缺陷作为材料设计的新维度，理解晶界相演化与晶相演变，3D 打印增材制造用特种陶瓷粉体及其制备技术；确定制造陶瓷的节能工艺，生产更致密和超高温的陶瓷；高性能陶瓷纤维及复合材料等。

（5）功能陶瓷

我国功能陶瓷的研究队伍规模在不断壮大，论文产量和质量都有较大的提高，在某些领域处于国际领先。在超导领域，目前的研究热点是铁基超导体的拓扑和其他新电子态，石墨烯和其他二维材料体系的超导态，以及高压下氢化物的室温超导探索等。我国在超导材料的研发与结构性能的关系研究中具有国际先进的研究水平。比如，复旦大学首次提供直接实验证据，证明了二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体相同的超导特性，该项研究为单层铜氧化物作为研究2D高温超导性和其他强相关现象提供了一个新平台[13]。中科院物理所利用极低温-强磁场-扫描探针显微系统首次在铁基超导体中观察到了马约拉纳零能模，即为马约拉纳任意子，该成果对构建稳定的、高容错、可拓展的未来量子计算机的应用具有极其重要意义[14]。我国在铁电压电领域，特别是无铅压电，以及近几年在铁电压电的新功能探索，包括透明和柔性，具有国际领先地位。比如，西安交通大学采用无损伤剥离法合成了钛酸钡（BaTiO₃）铁电薄膜。该BaTiO₃膜可以在180℃下进行折叠试验，显示出更高的弹性和超柔软性。这种超柔性铁电膜可以实现许多应用，如柔性传感器、存储器和电子皮肤[15]。西安交通大学利用交变电场来极化PMN-PT铁电晶体，从而完全消除了对光有散射作用的铁电畴壁，从而获得了兼具高压电系数、高电光系数和理论极限透光率的铁电晶体材料。透明压电晶体将有效地推动声-光-电多功能耦合器件的设计与开发[16]。清华大学在相场模拟方法指导下，构筑了无铅的BiFeO₃-BaTiO₃-SrTiO₃固溶体薄膜，该薄膜在保持较高极化的同时获得了最小的磁滞回线，其能量密度高达112J/cm3，能量转化效率达约80%[17]。在超构材料研究中，相比于不少国家相对分散的发展模式，我国在超材料领域的发展模式则更加聚焦和有力，已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术、介质基超材料以及声波负折射等基础理论研究方面具有研究特色和国际影响力。近几年，我国在超材料的微结构加工和应用方面也取得了长足进步。另外，我国在新型二维铁磁材料的制备、室温铁磁性和非线性光学特性等方面，近年来取得了一系列原创性研究成果。

功能陶瓷材料研究的主要机遇包括：钙钛矿型高性能无铅压电与铁电陶瓷材料的多层次跨尺度调控；高性能忆阻材料、器件结构设计与性能提升，仿神经突触忆阻器件的新架构和新机制；超构材料的结构设计及其新效应，研发主动微波和太赫兹波段超材料和器件，并实现与常规材料的无缝融合；磁性材料的“磁振子玻色爱因斯坦凝聚”等新集体自旋模式，非铁金属制备的反铁磁体材料；高温超导材料实用化制备科学、大面积高品质高温超导体薄膜制备技术、新型高温超导材料探索；具有拓扑特性的新型功能材料探索；以“按需设计材料”为目标的材料设计等。

（6）低维碳材料

我国在低维碳材料领域的研究起步早，在开展碳纳米管的手性控制、提纯、排列组装、宏量制备和谱学表征方向有独特的优势，其应用主要集中于储能、透明电极和场效应晶体管等方面。比如，北京大学提出了一种利用碳纳米管与催化剂对称性匹配的外延生长技术制备碳纳米管，为单一手性单壁碳纳米管的可预测生长提供了新方案，为碳基电子学的发展奠定了基础[18]。北京大学另一团队研制出高性能5nm栅长碳纳米管CMOS器件，这是世界上迄今最小的高性能晶体管，综合性能高于目前最好的硅基晶体管，接近理论极限。其工作速度3倍于英特尔最先进的14nm商用硅材料晶体管，能耗却只有硅晶体管的1/4[19]。作为低维碳材料的另一种形式，石墨烯以其良好的光、电、热和力性能，在电子信息、新材料、新能源、生物医药等领域具有广阔的应用前景。在石墨烯的应用研究方面，美、欧、日、韩等聚焦在石墨烯功能器件研发和产业化应用。欧美在石墨烯制备技术，复合材料、核心电子元件等应用产品保持领先，亚洲尤其是中国已形成新能源、大健康、复合材料、节能环保等优势。在基础研究方面，近5年在Nature和Science上发表了约70篇石墨烯相关的论文，主要的研究方向是双层石墨烯的魔角光电性质、多层和超晶格石墨烯的新奇性质、石墨烯异质结、能带结构和量子态等基础物理问题，这也是欧美学者关注最多的领域。这些基础物理问题的深入研究对于石墨烯将来在高端技术领域的应用至关重要，这样极为深入的原创基础研究成果是我们欠缺的，尽管我国学者在石墨烯基础研究方面也做出了重要贡献，比如，中国科学院物理研究所主要涉及石墨烯的可控制备、物理性能和器件测试；清华大学重点关注石墨烯的宏观制备及其应用、特别是石墨烯基超级电容器的组装，以及石墨烯/碳纳米管复合结构的非催化合成和场发射特性等；厦门大学主要围绕石墨烯在辐射增强拉曼光谱中的应用；北京大学主要关注石墨烯单晶晶圆的制备和转移技术等。

低维碳材料研究的主要机遇包括：晶圆尺寸电子级低维碳材料的制备方法；双层旋转魔角石墨烯的新奇物理性质；基于低维碳材料的器件和电路设计、加工与集成技术，实现中等到大规模碳基数字集成电路；低维碳材料的宏量制备、功能化、有序化及其他组装方法和产业化关键技术；突破低维碳材料在储能、催化和柔性电子等领域应用的关键技术等。

（7）聚合物、生物医学和其他软物质材料

聚合物和软物质在环境、能源、通信信息和健康等领域已发挥着重要的作用。近几年，我国在聚合物领域的基础研究主要体现在提高能量存储器件的安全性和效率，包括固态电解质、全有机电池和用于液流电池的氧化还原聚合物；用于能量转换的聚合物，包括有机光伏LED；柔性可穿戴系统；提高聚合物和有机半导体器件中载流子迁移率；聚合物晶体管；增材制造技术；基于聚合物的组织工程等。赋予材料全新的生物结构与功能活性，使其具有良好的生物相容性、生物安全性及复合多功能性，已成为生物医学材料发展重要的方向。现有的生物医学材料应用已取得了一定的成绩，但是面对临床应用表现出来的生物相容性差、使用寿命短及长时间功能缺失等问题仍无法解决，更是无法满足当代临床医学对组织及器官修复、个性化和微创伤治疗的需求。新一代生物活性材料是目前生物材料研究的热点，包括具有“主动修复”和“生物响应调控”功能、充分调动人体自修复能力、再生和重建被损坏的组织或器官，或恢复和增进其生物功能。弄清材料的物理化学信号和细胞生物学信号的相互作用机制将有助于揭示生物材料最根本的生物相容性问题，这也是整个生物材料的科学基础。我国在这一领域的研究水平处于国际先进行列。近年来我国生物医用高分子材料领域得到了快速的发展，在基础研究和产业化方面均取得了许多重要成果，开发出聚乳酸、医用导管、高分子纳米药物等具有自主知识产权的技术及产品。与国际先进水平相比，我国在植入材料、药用高分子辅料等领域仍存在差距，在基础研究方面缺乏原创性发明和发现。

生物材料研究的主要机遇包括：生物高分子材料和陶瓷生物材料、用无机粉末的增材制造技术、生物分子材料性能的提升及糖化学；超分子组件中的结构控制、水凝胶材料中水的组织和动力学、纳米结构内多个生物信号的精确空间定位方法；软物质的自主行为以及掌握具有与肌肉骨骼组织相当性质和功能的合成材料的制造方法；高分子诊断材料；植介入材料的血液相容性与抗菌性；药用高分子材料；生物医用高分子的合成、修饰关键技术等。