(1.3)-材料科学研究对国家重大需求的影响

报告内容一、材料科学的地位与作用二、材料科学研究的要求、方法和问题三、材料科学研究与国家重大需求★

总论：21世纪是“知识经济”，或称“技术经济”的时代，世界各国的实力竞争变成了科技实力的竞争。这各说法已经不是从某种意义上说，而是根本性的结论。一、材料科学的地位与作用★美国：决意保持世界领先；提出

«塑造21世纪的科学技术»；

«教育改革十点计划»。重点在于：信息技术；生物技术；纳米技术★欧洲：创造知识化社会，提高总体竞争力；提出«2000年议程»«创造明天»------欧洲第五个研究开发总体规划。同样将信息技术；生物技术；纳米技术作为优先发展目标。★日本：励志改革，科技创新立国；提出：

«科技基本法»（1995）«科技基本计划»（1996）最近又新提出：（1）E-日本计划；庞大的科研发展计划（2）《开创生物技术产业的基本方针》目标：5年超欧赶美。投入：5年提供500亿日元研究经费。以文部省为主，成立“五省厅联席会议”，加强沟通和合作。（3）纳米技术2001年投入2.1亿美元。★韩国：

«科技创新五年计划»；

«2000年生物技术计划»★新加坡：

«亚太信息中心计划»一、材料科学的地位与作用★中国：科教兴国战略经济结构调整战略体制创新，技术创新

«国民经济和社会发展第十个五年计划纲要»

从实际出发，有选择地加快信息技术、生物工程和新材料的发展，加强基础研究和应用基础研究，提高科技持续创新能力。加强基础科学重点领域的前沿性交叉性研究。选择我国具有优势和对发展有重大意义的领域，加强应用基础研究，力争在基因组学、信息科学、纳米科学、生态科学、和地球科学等方面取得新进展。

«十五计划»

«863计划»

«自然科学基金»

«973计划»

«星火计划»一、材料科学的地位与作用二、材料科学研究的特点、方法、问题★领导性

在计算机、航天航空、化工、电子、机械、汽车、能源、环保、军事等领域，已成为关键技术。

★综合性

由于材料在原子、电子层次上是个物理问题，在分子及其超细结构形成上是个化学问题；在宏观层次上是个复杂性科学问题。因此，必须依靠一系列物理、化学、数学、计算机科学、现代测试方法等基础科学。特点、要求二、材料科学研究的特点、方法、问题★交叉性

对于多相、多组分、多界面、多孔、非化学计量、非均质等类型的复杂材料材料，不是单一科学原理可以描述；应用上的综合性决定了研究的学科交叉性★实验性

材料科学技术研究，一靠新思维，二靠现代化手段。是一门实验性科学技术★复合性

知识的复合，人才的复合，人力与仪器的复合特点、要求①高性能化⑥低维化

②高功能化⑦轻量化

③智能化⑧极限化

④复合化⑨设计化

⑤仿生化⑩综合化

二、材料科学研究的特点、方法、问题材料发展的要求★

学科交叉各门类科学、各层次分支学科交叉，同时又加速综合，使科学朝着在一学科内不断深入和多学科综合交叉的方向发展。★理论定量自然与社会科学结合并定量化，科学理论将高度数学化。★科技一体科学与技术将更加相互依赖，更多地发生融合，界线模糊，朝一体化方向发展。★相互作用

科学与社会之间将发生强相互作用，即社会越来越以科学为基础，而社会的需求决定科学发展的规模、速度和重点。★规模发展

科学研究将由国家规模向全球规模发展，尤其在研究自然系统的过程中，将形成全球科学活动。二、材料科学研究的特点、方法、问题发展趋势三、材料科学研究与国家重大需求1、传统材料领域1、传统材料领域水泥混凝土是最大宗人造材料，水泥工业是支撑社会和经济发展的重要基础原材料工业；2007年我国水泥产量13.6亿吨，占世界的52％,连续23年居世界首位。世界及中国水泥产量产量（亿吨）2001-2007年平均增长率13.7％，需求和产量仍将持续增长我国水泥工业存在的四大突出问题

性能问题资源问题

能源问题环境问题

性能问题机场大坝我国发达国家熟料强度（MPa）55~5860~65水泥强度等级32.5~42.542.5~52.5同等级的混凝土需要更多的水泥混凝土的耐久性是世界性问题，相当数量的工程未达到使用寿命就发生破坏，维修和重建费用高昂，每年达上万亿美元。重建也需要更多的水泥。年份1995年2000年2007年标煤（亿吨）0.60.81.56电（亿千瓦时）4906601200石灰石（亿吨)3.84.713其他原料消耗，如粘土和铁粉等能源和资源问题环境问题

CO2

（亿吨）SO2

（万吨）NOX（万吨）1995年3.645922000年4.4591202007年10150200

中国水泥工业可持续发展面临巨大挑战！如何提高水泥性能、高效利用各种资源？如何实现节能降耗？需要解决的重大问题：

总体科学技术内容示意图高胶凝性高复合性高C3S水泥熟料活化辅助性胶凝材料（煤矸石等）由新理论、新技术、新材料、新方法、新标准构成新的水泥生产和使用的科学原理和技术体系水泥浆体结构优化与控制实现高耐久长寿命的原理和标准关键科学问题⑴高胶凝性高复合性高C3S水泥熟料制备技术⑵

煤矸石和赤泥的活化技术⑶

水泥浆体的收缩补偿技术⑷集料碱碳酸盐活性快速判定及反应抑制技术四大技术创新高性能水泥研究对水泥科学技术的推动若干重要的理论创新①

辅助性胶凝材料抑止碱集料反应的新机理②

阴阳离子掺杂形成C3S结构微缺陷理论③

煤矸石-铝和硅无定形化活化理论④

水泥浆体结构的理想模型⑤

水泥熟料和水泥水化产物CSH凝胶的纳米结构高性能水泥研究对水泥科学技术的推动技术名称国内外技术本项目技术高胶凝性高复合性高C3S水泥熟料制备技术国内外未见这种高C3S熟料体系阴阳离子掺杂,C3S高达73%,熟料标号提高一个等级(10MPa),或辅助胶凝材料多加20%辅助性胶凝材料

活化技术局限于热处理的理论探讨，工业应用量偏少，质量差、效率低机械处理、热处理、化学处理及复合处理，提高掺入量水泥浆体的收缩

补偿技术主要是钙矾石类和CaO类收缩补偿材料,产物不稳定水化产物地质稳定型镁质膨胀收缩补偿材料集料碱碳酸盐活性快速判定技术国内外尚没有满足工程建设要求的快速判定技术快速、经国际验证可靠技术同国内外技术的比较高性能水泥研究对水泥科学技术的推动广西龙滩水电站工程雅砻江锦屏一级水电站工程江苏田湾核电站工程金沙江向家坝水电站工程推广应用高性能水泥研究对水泥科学技术的推动2、国防新材料领域2、国防新材料领域空天信息机动能力精确打击能力海洋军事战略制高点未来核心战斗力先进侦察系统天基侦察设备：KH-12本.拉登住地五角大楼核试验弹坑空基侦察设备：有人侦察机(E-8CJSTAR)侦察直升机(RAH-66科曼奇)无人侦察机(全球鹰)先进侦察系统海基侦察设备：水面舰艇潜水艇先进侦察系统陆基侦察设备：表5陆基侦察装备载体设备类型举例典型装备备注装甲侦察车美国：Ｍ３“骑兵”英国：“弯刀”和“佩刀”法国：AMX-10RC(6×6)德国：“山猫”（8×8）俄罗斯：ЪMP“山猫”战场监视雷达热像观察装置激光测距仪地面导航系统

战场雷达侦察雷达美国：AN-PPS-5、

AN-TPS-5XＸ英国：“姆斯塔”、ZB298法国：RB12A厘米波段，分远程、中程、近程侧视雷达合成孔径技术炮位侦察雷达美国80年代初装备的AN-TPQ-36和AN-TPQ-37炮位侦察雷达电扫描的相控阵体制作用距离可达30km、扇扫范围90°传感系统美国80年代装备的“伦巴斯”系统传感器、中继器和监视器探测范围几米～几百米无人侦察车如美“萨格”（Sarge）监视、侦察地面设备彩色和增强型黑白摄像机遥控距离达4km先进侦察系统精确制导打击威胁美、俄、法等国典型激光制导武器及主要性能国别制导武器名称主要性能美国AGM-65E幼畜

精度:0.3～1m；射程:22.5kmGBU-28精度：－；钻地30m，混凝土6m“铜斑蛇”精度:0.3～1m;射程:16km法国AS-30L

精度:0.5/-m;射程:3～12km俄罗斯红土地152mm炮弹

精度：－；射程:20～22km以色列“火球”120mm迫击炮弹

精度:1m；射程:15km印度“驽马”反坦克导弹

射程:5～8

km精确打击系统激光隐身材料是现代战争中坦克、装甲等地面装备免受精确打击的关键激光制导反坦克导弹打击示意图发现＝摧毁ABL激光打击是未来战争重要的制高点

低能激光器的精确跟踪、指示是ABL激光打击的重要前提和基础未来激光反导防御系统突破的核心也在于激光隐身材料图1改装的波音747飞机-ABL机载激光系统图2机载激光系统发射激光拦截导弹Missile

激光测距、制导和侦查激光隐身技术

2004年国防报告：军用关键技术，包括激光隐身技术

激光隐身技术是世界各强国竞相发展的军事重点需求以美国为例国防部《2020联合设想》：

国防九大优势技术,包括激光隐身技术发展激光隐身材料技术符合国家安全重大需求激光隐身涉及的一些基本问题与雷达隐身有何异同点？激光隐身的基本概念？要优先解决的哪个波长？关键科学问题是什么？关键科学问题是什么？①阐明激光隐身功能元的组成、结构与激光吸收、能量传递和耗散之间的关系，揭示激光隐身功能元与激光的作用机理；②激光隐身功能元激光吸收、能量耗散模型和计算方法；③微纳米激光隐身功能元的制备方法；④高分子基体和树脂基体的选择、设计与制备；⑤针对不同基体材料体系，激光隐身功能元表面修饰技术、激光隐身功能元与基体的复合技术，尤其是界面处理技术；⑥针对不同隐身材料，材料表面结构和形态的控制技术；⑦激光隐身材料的性能测试、隐身机理分析等等。

核心科学问题可以归结为：激光隐身材料的激光吸收、能量传递和耗散激光隐身涉及相关学科、专业激光与物质作用的基础理论分子设计与材料计算纳米材料制备与性能控制功能高分子材料的改性与合成纳米材料的改性、分散与复合技术涉及高