發達國家先進材料領域發展路線簡介

新材料是高新技術的重要組成部分，又是高新技術發展的物質基礎和先導，也是提升傳統產業的技術能級、調整產業結構的關鍵。工業發達國家都十分重視新材料在國民經濟和國防安全中的基礎地位和支撐作用，為保持其經濟和科技的領先地位，都把發展新材料作為科技發展戰略的目標，在制定國家科技與產業發展計劃時將新材料列為21世紀優先發展的關鍵技術之一，予以重點發展。但是由於材料研究的基礎性與應用的廣泛性，各國一般沒有專門的材料整體規劃，材料規劃往往分布於國家總體科技規劃或各個應用領域相關規劃之中。

1. 美國

美國材料科技戰略目標是保持本領域的全球領導地位，支撐信息技術、生命科學、環境科學和納米技術等持續發展，同時滿足國防、能源、電子信息等重要部門和領域的需求。

美國在2005年提出的國家5大研發優先領域(反恐、能源與環境、納米技術、信息技術、在分子水平上對生命的理解)發展戰略中，材料科學技術佔有重要地位。美國國家研究理事會和國家材料諮詢委員會等認為材料發展應該滿足美國遭受「9 ? 11」襲擊、國家能源消耗快速增長、勞動力和教育策略快速轉變等背景下國家對於材料的緊迫需求。美國把生物材料、信息材料、納米材料、極端環境材料及材料計算科學列為主要前沿研究領域。同時，美國多個國家機構對材料研究都給予了優先支持。例如，美國國家科學基金會(NSF)在其數學與物質科學下設立了專門的材料研究部(DMR),其中陶瓷材料、電子材料、材料理論等是 DMR的主要分支。近幾年美國制定了一系列與新材料相關的國家級計劃，這些規劃包括：未來工業材料計劃(IMF)、國家納米技術計劃(NNI)、美國氫燃料電池研究計劃、光電子計劃、光伏計劃、下一代照明光源計劃(NGLI)、先進汽車材料計劃、化石能源材料計劃、建築材料計劃。其中，國家納米技術計劃(NNI) 於2000年2月正式發布，由美國國家科學技術委員會(NSTC) 專門設立的納米科學、工程與技術分會(NSET)負責。由於納米市場成熟尚需時日，近期投入將還是以聯邦政府為主，從2001年開始，連同2006年預算，NNI共獲得總數超過50億美元的資金支持，NNI戰略規劃中列出了7個領域，直接與材料本身密切相關的有5個領域，包括：基本的納米尺度現象和過程、納米材料、納米器件和系統、納米製造業以及納米技術的設備研究、計量學和標準。

2. 歐盟

歐盟以法國、德國、英國等西歐國家為代表，在科技發展戰略中，儘管各成員國在側重點上有所差異，但都是以生命科學與生物技術、信息通信技術、納米技術、能源四大領域為優先發展戰略領域，其中材料均佔有重要地位。2003年歐盟科研部門指出歐盟將大力發展的十大新材料領域是催化劑、光學材料和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生學、納米生物技術、超導體、複合材料、生物醫學材料以及智能紡織原料。歐盟新材料科技戰略目標是保持在航空航天材料等某些領域的競爭領先優勢。

作為世界上一個大聯盟，歐盟近來提出歐洲必須在國際材料科學和工程的各個研究領域成為領導者，並在儘可能多的新材料技術中成為世界第一。歐盟有多個與材料相關的整體計劃：在已經完成的第六個框架計劃中，總經費達到175億歐元，其中智能型多功能材料、納米技術領域佔13億歐元，此外，信息社會技術、航空和航天、可持續發展、全球變化和生態系統等4個領域也與新材料有關。而在2007年啟動的第七個框架計劃中，材料仍是9大主體領域之一。歐盟近年來的其他計劃還包括：歐盟納米計劃、COST (歐洲科技領域研究合作)計劃、尤里卡計劃等。另外歐盟各成員國也都有自己的材料相關發展規劃，主要工業國如德國、法國、英國等都有自己的納米計劃、光產業發展計劃等，其他國家如瑞典、芬蘭等都根據自己的優勢制定了相關材料發展規劃。

在2001年3月，Max Planck學會會同歐洲材料領域眾多領軍科學家和與歐盟有協作關係的區域科學家，發表了關於歐洲材料科學和基礎研究未來領域的規劃戰略白皮書，該白皮書是世界範圍材料領域研究的彙集，也是對未來發展方向和歐盟科技優先研究方向的展示。該白皮書重點討論了以下五個方面：

(1) 材料的合成和製備：將小尺度的原子和大尺度的系統組元組合成預定的構型；

(2) 組成和結構對材料性能和行為的決定作用；

(3) 通過材料的外在現象和性能來揭示其內在的機理；

(4) 根據材料的性能表現來判定它的適用性；

(5) 通過理論和計算手段來設計新材料和預測材料的壽命。

在歐盟材料科學戰略規劃中，未來的研究方向和優先發展領域主要包括以下幾方面：

1. 材料合成和製備技術

通過更新/更改合成製備技術，人們在材料研發的基礎上可以得到新材料或優良的材料性能，同時合成製備技術也可實現製造業的高質量和低成本化。創新的主要領域為：

(1) 對組分、結構和功能的良好控制；

(2) 低成本、環保的水基溶液化學；

(3) 可用於組合化學和尋找新材料的快速成型；

(4) 各種尺度（原子尺度到宏觀尺度)的材料剪裁；

(5) 有助於理解和控制材料中複雜現象的計算機模擬；

(6) 改善元器件性能或者延長其使用壽命的薄膜或塗層製備。

該領域需要開展的研究有：

(1) 微型化：這是材料合成和製備領域近期最重要的目標之一

(2) 仿生學和仿生材料：由於對生物礦化以及其他的自然合成過程的理解還很膚淺，合成這類材料的控制方式選擇和可靠性還不是很明確；

(3) 複雜結構的構建模塊/組裝：複雜的功能結構是基於納米和中間尺度的積木通過自組裝形成的；

(4) 界面工程：界面工程在優化提高各種材料過程中起著越來越重要的作用，小型化使界面成為材料中缺陷的主導因素之一；某些情況下這些界面是獲得奇異現象的必要條件。

2. 先進表徵技術

材料科學的進步與其專用分析技術的發展密切相關，這種專用分析技術能夠在納米尺度上檢驗材料的原子和電子結構，解釋及定量分析固體材料現象及過程。新材料設計和製備的未來目標，新現象和新性能的檢驗和控制依賴於衍射學、顯微術和光譜學方面的新概念和技術發展。

3. 材料理論和模擬

現代材料科學研究的目標是，根據應用要求，將一種材料進行裁剪和設計（從它的化學成分、組成相和微觀結構出發），以獲得符合指標參數的新材料。今後十年內歐盟從事材料理論和模擬的主題主要包括：新結構和功能材料的預測（納米材料）；複雜材料的優化/解決方案的設計；材料合成、製備、微結構和性能的模擬；複雜材料及其製備工藝的建模等。

4. 新材料體系

新的設計理念，如仿生、自組裝、複雜複合材料體系以及納米科技，加上由計算機建模提供的進一步理解和可預測能力，未來將有新材料不斷湧現以滿足需求。

3．日本

日本制定的《2006-2010年科學技術基本計劃》（第三個科學技術基本計劃)將生命科學、信息與通信、納米技術與材料和環境科學技術四大戰略領域作為研究與發展的重中之重。而日本科學技術政策委員會在2001年9月起草的「部門振興戰略」中將五個領域設定為需要優先關注的領域：

1. 應用於下一代信息和通信的納米器件和材料；

2. 用於環保和能源高效利用的材料；

3. 利用和控制超微系統的納米生物學以及用於醫療和生態機制的材料；

4. 測量、評估、製備、海量分析、模擬以及其他基本的技術和相關領域；

5. 有助於實現材料性能和功能取得突破的物質和材料技術。

該戰略提出日本應將材料的研究和發展提到一個新的高度，以便在未來能領導世界的科技革新。

日本新材料科技戰略目標是保持產品的國際競爭力，注重實用性，在尖端領域趕超歐美。為促進材料技術發展，日本「第三個科學技術基本計劃」提出日本未來發展的3個具體目標，即成為通過創造知識、運用知識為世界作出貢獻的國家，具有國際競爭力、可持續發展的國家，安全、穩定、生活質量高的國家。「第三個科學技術基本計劃」在納米技術與材料方面主要優先支持的領域有：

1. 實現潔凈能源成本大幅度降低的材料技術；

2. 解決資源短缺問題中減少資源消耗的創新技術；

3. 支撐安全舒適生活的創新納米技術與材料技術；

4. 以改革創新為核心的新型材料技術；

5. 突破設備性能界限的尖端電子學；

6. 實現超早期診斷與微創治療一體化的尖端納米生物醫療技術；

7. 納米技術社會接受能力的研究開發?，

8. 改革創新中納米技術實用化的先導研發，納米領域最尖端的測量與加工技術；

9. X射線自由電子激光開發（國家支柱技術）。

日本在21世紀新材料發展規劃中主要考慮環境、資源與能源問題。把研究、開發、生產的具體材料是否利於資源與環境的有效利用，是否對環境有污染，是否有利於再生利用等作為主要考核指標。日本注重於已有材料的性能提高、合理利用及回收再生，並在這些方面領先於世界。日本對新材料的研發與傳統材料的改進採取並進策略，在結構材料的研究主要集中在超級鋼、高性能鋁合金、鈦合金、鎂合金、銅合金、鋅合金、高性能陶瓷、超細陶瓷粉體、高性能高分子材料、複合材料方面；材料技術上的發展重點為高純化、薄膜化、纖維化、微粒化、氣孔化、緻密化、複合化、非晶化、梯度功能化、精密成型化等技術。日本與材料研究相關的其他主要計劃還包括：科學技術基本計劃、納米材料計劃、21世紀之光計劃、超級鋼鐵材料開發計劃等。

日本國立材料科學研究所(NIMS)2006年3月出版的《材料科學展望2005》重點介紹了未來納米材料、超導材料、生物材料、環境友好材料、金屬材料、陶瓷材料、複合材料、有機高分子材料等的研究重點和趨勢。

納米材料中近年來的熱點之一是納米管，但需要進一步的基礎研究來了解納米管的功能性。在納米材料製備科學和技術研究方面需加強控制工程的研究，這包括顆粒尺寸、形狀、表面、微觀結構的控制。另一方面，由於半導體器件的進一步發展受到限制，因此更應把重點放在開發新的納米電子器件上，包括單電子器件和原子、分子器件。

超導材料的實際應用除了需要高臨界電流密度(JC)之外，還需要材料有相當的長度(>lkm)和良好的機械性能及熱穩定性。對氧化物超導材料，金屬複合是必由之路。為發展高性能超導線材，必須控制納米級結構。氧化物超導材料重要研究主題將是納米原材料的準備和薄片狀晶體與粒子結構的改進。在尋找新的超導材料方面，超高壓和其他特殊環境下的合成以及其他技術的應用都是值得關注的領域。

生物醫用材料今後的研究重點是組織工程材料、納米技術在生物醫用材料中的應用、血液凈化材料、複合生物材料、材料表面改性等。

環境友好材料需要加強基礎研究來闡明光催化劑反應機制，提高活性、可見性和穩定性，開發和實施新的可見光反應光催化劑。在材料循環回收方面，需將可回收材料設計提前納入研究計劃。

金屬材料研究方面，燃料電池汽車需要性能良好的儲氫合金，飛機引擎以及組織替代品需求的不斷增加要求開發新型高性能鈦合金，鋁合金在提高性能指標的同時必須要大力發展回收技術，金屬間化合物不僅需要降低製造成本而且還要提高其韌性，形狀記憶合金在感測器和制動器方面的需求將不斷增加。

陶瓷材料方面，3d過渡金屬化合物在物理和化學性質方面表現出多樣性，如催化性能、光催化性能、鐵電性、磁性、超導電性等，在環境、能源、信息與通信、電子和光學等領域有著良好的應用前景。4d和5d化合物鉭鈮氧化物因其鐵電性也是目前研究熱點，尤其是鈮酸鋰、鉭酸鋰單晶體結構。稀土化合物作為發光材料可用於固態激光器。在這方面，正在研究透明陶瓷應用到激光器主系統中。

在複合材料領域中，在聚合物基和陶瓷基複合材料方面，需要通過控制基質和界面納米結構以及利用熱膨脹彈性模數和係數的納米序差異，研究出比傳統性能更好的複合材料。複合材料新的研究重點包括不同尺度（納米到大分子）、不同形狀（顆粒、纖維、薄膜、塊體等）、不同方式（混合、融合、鍵合、接枝等）的有機-無機複合、聚合物-聚合物複合、染料與織物複合。複合材料的近期發展趨勢為應用領域日趨多元化、低成本設計與製造技術和複合材料的回收與循環利用。此外，納米複合材料的研究開發也成為新的熱點。

高分子材料今後的重要研究方向包括：分子材料與分子電子器件、光電信息功能高分子材料、生物醫用高分子材料，以及與能源、環境相關的高分子功能材料。

4. 俄羅斯

俄羅斯研發新材料的戰略目標是：力求繼續保持某些材料領域在世界上的領先地位，如航空航天、能源工業、化工、金屬材料、超導材料、聚合材料等；另一方面大力發展對促進其國民經濟發展和提高國防實力有影響的領域，如電子信息工業、通信設施、計算機產業等所用的關鍵新材料。俄羅斯在航空航天及與國防有關的材料方面投入很大，以期保持在國防與空間技術方面與美國抗衡的實力。

俄羅斯新材料的主要研發方向是結構材料和功能材料，具體為金屬材料、陶瓷材料、複合材料、高分子材料、高純度材料以及生物、超導和納米材料等。

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