論新材料的發(fā)展在國家創(chuàng)新體系中的必要性

論新材料的發(fā)展在國家創(chuàng)新體系中的必要性

摘要：知識(shí)經(jīng)濟(jì)是以知識(shí)和信息的生產(chǎn)、傳播和應(yīng)用為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)，國家創(chuàng)新體系中的一個(gè)重要側(cè)面——新材料，又以其突出的工功能和顯著的特點(diǎn)引起了人們的極大關(guān)注。本文試圖分別對(duì)國家創(chuàng)新體系和新材料這兩個(gè)全新概念進(jìn)行較全面的論述，得出新材料的發(fā)展在國家創(chuàng)新體系中是不可或缺的結(jié)論。關(guān)鍵詞：國家創(chuàng)新體系，新材料

時(shí)鐘指向2000年，當(dāng)我國邁向第三步戰(zhàn)略目標(biāo)，世界科學(xué)技術(shù)正突飛猛進(jìn)，并迅速地改變著這個(gè)世界，根據(jù)我國“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，我國將在二十一世紀(jì)中葉達(dá)到中國等發(fā)達(dá)國家水平，這是一個(gè)以發(fā)達(dá)國家參照系的、動(dòng)態(tài)的、開放的目標(biāo)，而發(fā)達(dá)國家正向知識(shí)經(jīng)就是邁進(jìn)基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)，實(shí)現(xiàn)是我國經(jīng)濟(jì)工業(yè)化和知識(shí)化的協(xié)調(diào)發(fā)展。知識(shí)經(jīng)濟(jì)是以知識(shí)為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)，這種經(jīng)濟(jì)直接依賴于知識(shí)力信息的生產(chǎn)、擴(kuò)散和應(yīng)用。現(xiàn)在，經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）主要成員國的知識(shí)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)超過其國內(nèi)生產(chǎn)總值的50%[1]。二十世紀(jì)，知識(shí)經(jīng)濟(jì)將逐步占據(jù)國際經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)地位，知識(shí)經(jīng)濟(jì)對(duì)發(fā)達(dá)國家而言，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的自然結(jié)果；對(duì)處于工業(yè)化進(jìn)程聽發(fā)展中國家，則是機(jī)遇與挑戰(zhàn)產(chǎn)并存。為迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)的挑戰(zhàn)，發(fā)展中國家在加速工業(yè)化的同時(shí)，必將大力發(fā)展知識(shí)密集型制造業(yè)和服務(wù)業(yè)。其經(jīng)濟(jì)發(fā)展將經(jīng)歷工業(yè)化為主、工業(yè)化和知識(shí)化并重、知識(shí)化為主三個(gè)階段。在這個(gè)過程中，世界是科技的產(chǎn)品的市場生命周期將更短，發(fā)展中國通過學(xué)習(xí)別國技術(shù)產(chǎn)品的市場生命周期將更短，發(fā)展中國家通過學(xué)習(xí)別國技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)而趕上發(fā)達(dá)國家的難度將加大，“后發(fā)優(yōu)勢”的作用將減弱；一個(gè)擁有持續(xù)創(chuàng)新能力和大量高素質(zhì)人力資源的國家，將具備發(fā)展知識(shí)經(jīng)濟(jì)的巨大潛力；一個(gè)缺乏科學(xué)儲(chǔ)備和科學(xué)創(chuàng)新能力的國家，不僅將失去國際市場競爭力和國內(nèi)市場競爭優(yōu)勢，還將失去知識(shí)經(jīng)濟(jì)帶來的機(jī)遇。在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，國家的創(chuàng)新能力，包括知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新能力，是決定該國的國際競爭和世界總格局中所處地位的重要因素。“一個(gè)沒有創(chuàng)新能力的民族，難以屹立于世界是先進(jìn)民族之林”[2]。然而，我國的創(chuàng)新能力與國家需求和國際先進(jìn)水平相差較大，這一方面與我國科技投入不足和市場機(jī)制發(fā)育不完善有關(guān)，另一方面也與我國現(xiàn)行創(chuàng)新體制及運(yùn)行機(jī)制的不盡合理有關(guān)。深化科技體制改革，建設(shè)符合現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展規(guī)律的國家創(chuàng)新能力，為二十一世紀(jì)我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，已成為越來越多人的共識(shí)。

國家創(chuàng)新體系是與知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新相關(guān)的機(jī)構(gòu)和組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其骨干部分是企業(yè)（大型企業(yè)集團(tuán)和高技術(shù)企業(yè)為主），科研機(jī)構(gòu)（包括國立科研機(jī)構(gòu)和地主科研機(jī)構(gòu)等）和高等院校等。國家創(chuàng)新體系的主要功能是知識(shí)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、知識(shí)傳播和知識(shí)應(yīng)用。大力促進(jìn)和廣泛進(jìn)行知識(shí)的生產(chǎn)、傳播和應(yīng)用，是國家創(chuàng)新體系的基本任務(wù)。國家創(chuàng)新體系可分為創(chuàng)新系統(tǒng)、技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)、知識(shí)傳播系統(tǒng)和知識(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。其中，知識(shí)創(chuàng)新體系是由與知識(shí)的生產(chǎn)、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移相關(guān)的機(jī)構(gòu)的相關(guān)的機(jī)構(gòu)和組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（知識(shí)創(chuàng)新是指通過科學(xué)研究獲得新的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)知識(shí)的過程），其核心部分是國立科研機(jī)構(gòu)（包括國家科研機(jī)構(gòu)和部門科研機(jī)構(gòu)）和教學(xué)科研型大學(xué)；技術(shù)創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（技術(shù)創(chuàng)新是指學(xué)習(xí)、革新和創(chuàng)造新技術(shù)的過程），其核心部是企業(yè)；知識(shí)傳播系統(tǒng)主要是指高等教育系統(tǒng)和職業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)，其主要作用是培養(yǎng)具有較高技能、最新知識(shí)和創(chuàng)新能力的人力資源；知識(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的主體是社會(huì)和企業(yè)，其主要功能是知識(shí)的技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。知識(shí)創(chuàng)新是技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)和源泉，技術(shù)創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的根本，知識(shí)傳播系統(tǒng)培養(yǎng)和輸送高素質(zhì)人才，知識(shí)應(yīng)用促使科學(xué)知識(shí)和技術(shù)知識(shí)轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力。國家創(chuàng)新體系的四個(gè)子系統(tǒng)各有側(cè)重，相互變更，互相支持構(gòu)成一個(gè)開放的有機(jī)整體。建設(shè)我國國家創(chuàng)新體系，不僅要把握國際經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展趨勢，尊循經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展規(guī)律，更要瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略目標(biāo)，適應(yīng)我國社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。通過建設(shè)和完善我國國家創(chuàng)新體系，力爭到2010年前后，基本形成適應(yīng)社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)體系和符合科技發(fā)展規(guī)律的國家科技運(yùn)行機(jī)構(gòu)，基本具備能夠支撐我國科技與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的國家創(chuàng)新能力，使我國國家經(jīng)濟(jì)占國家經(jīng)濟(jì)的比例有較大提高，造就一批有國際影響的技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)、國立科研機(jī)構(gòu)和教學(xué)科研型大學(xué)[3]。在當(dāng)前科技界，較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是六大技術(shù)領(lǐng)域要在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)成為人們潛心探索的至高點(diǎn)。它們是生物技術(shù)，信息技術(shù)，新材料技術(shù)，新能源技術(shù)，空間技術(shù)及海洋技術(shù)，其中新材料技術(shù)涉及生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)，光電子信息產(chǎn)業(yè)，智能機(jī)械普，軟件普，超導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，太陽能產(chǎn)業(yè)，空間產(chǎn)業(yè)及海洋產(chǎn)業(yè)。新材料的發(fā)展，因其涉及的領(lǐng)域廣泛而引了世入的共同關(guān)注，新材料的類型頗多，主要可分為以下四大部分：A、結(jié)構(gòu)材料

主要以承受外力為主的一類材料，在化學(xué)、物理性能等方面根據(jù)使用對(duì)象不同也有相應(yīng)的要求。趨勢是向著更高溫度、更高比強(qiáng)度、更高比剛度和耐更苛刻的工作環(huán)境的方向發(fā)展。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)材料中發(fā)展的重點(diǎn)如下：a）以鋁合金、鈦合金、高溫合金及其中間化合物為代表的金屬材料，具有很強(qiáng)的生命力，尤其在航天航空領(lǐng)域和軍事國防領(lǐng)域；b）工程陶瓷是高溫、高比強(qiáng)度材料中最有發(fā)展前途的一類材料，是當(dāng)前材料研究的熱點(diǎn)。主要包Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3及Sialon等。這類材料的主要特點(diǎn)是：膨脹系數(shù)不，抗熱震性能好；高溫強(qiáng)度好，在1400℃甚至1600℃仍具有較好的強(qiáng)度：耐腐蝕與抗氧化；比重小從而有更市制比強(qiáng)度和比剛度，硬度高，耐磨性好；有豐富的資源[4]；c)工程塑料在高分子材料中所占比重將不斷提高。高分子材料是近幾十年來發(fā)展最快的材料，每年以高于10%的速度增加。幾年前世界高分子材料所占比例，從體積看已超過了鋼鐵。這是因?yàn)樗谐渥愣畠r(jià)的原料（石油、天然氣、煤及其它生物體），制造過程能耗低，建設(shè)周期短，投資少，收益大。更為重要的是有機(jī)材料具備優(yōu)異的性能和良好的成型性。工程塑料是高分子材料中具有特殊優(yōu)異性的一部分，它們或強(qiáng)度高，或能導(dǎo)電，或是具有磁性，是當(dāng)前正在發(fā)展的新型材料；d)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的最重要趨勢。當(dāng)前研究最多的復(fù)合材料的以下幾種類型：（1）用高分子纖維或碳纖維強(qiáng)化的樹脂基復(fù)合材料。而目前比強(qiáng)度、比剛度最高的纖維就是高分子。使纖維一體化需要纖維的編織、排列與樹脂的粘結(jié)，從而成為樹脂基復(fù)合材料；（2）金屬基復(fù)合材料。一般來說，輕金屬的模量低，強(qiáng)度也不高，因此采用無機(jī)纖維或碳纖維強(qiáng)化是提高金屬性能的重要的手段。金屬基復(fù)合材料的問題在于強(qiáng)化相和基體相間的相容性，由于模量及膨脹系統(tǒng)的不同而在反復(fù)變力或變溫條件下發(fā)生脫離，在高溫下工作的構(gòu)件也會(huì)因強(qiáng)化相的溶解而失效；（3）陶瓷基本復(fù)合材料。陶瓷的最大缺點(diǎn)是脆性問題，復(fù)合的目的除了提高強(qiáng)度及工作溫度以外，更重要的是利用復(fù)合手段提高韌性[5]。（4）碳碳復(fù)合材料。碳在所有材料中的承受溫度是最高的，一般在3000℃以上，而且在一定范圍內(nèi)，隨工作溫度的提高，基強(qiáng)度反而有所增加。但塊狀碳材料由于各相異性，在高速加熱過程中容易產(chǎn)生炸裂。因而，采用碳纖維的多向編織而后粘結(jié)碳化成為碳碳復(fù)合材料，是當(dāng)前高溫復(fù)合材料的一部分。改變材料表面的方法很多，如激光處理、表面合金化、離了注入等，這是涉及至廣、種類紛繁、前途廣闊的一類材料。B、信息功能材料

在信息時(shí)代，信息的重要性和普遍性是人類進(jìn)步最重要的決定因素。美國在1990年大約有一半左右的人從事與信息產(chǎn)業(yè)相關(guān)的職業(yè)，這成為信息時(shí)代的一個(gè)重要標(biāo)志[6]。目前信息功能材料的重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：a)集成電路材料。集成電路是信息科學(xué)的基礎(chǔ)，大凡電子計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備及控制文件都離不開集成電路，所以各國均投入大量的人力物發(fā)展集成電路。從材料角度來講，本世紀(jì)內(nèi)集成電路的主要材料仍然是單晶硅。為了提高芯片的成品率，硅單晶盾徑愈來愈大，從而成品率大提高，隨著高集成度器件的采用，計(jì)算機(jī)功能越來越強(qiáng)，體積越來越小巧玲瓏，而其價(jià)格卻不斷下降。b)信息存儲(chǔ)材料。信息存儲(chǔ)是信息中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，四十多年來一直以磁記錄為主，除粉末記錄材料以外，五十年代就開始研究金屬膜記錄材料并取得了可喜的成就。最近發(fā)展的光存儲(chǔ)與磁光存儲(chǔ)，不但密度高，壽命長，而且保真度高，可以擦除，在九十年代，可望與磁記錄并駕齊驅(qū)。磁光材料最初為稀土與過渡金屬非晶態(tài)薄膜，近來用分子束外延或測射法多層金屬，如鈷及鉑沉積為幾埃厚的薄帶，又可大幅度提高記錄密度，頗有發(fā)展前途。c)光導(dǎo)纖維與光通訊材料。通訊的方式很多，但不同通訊方式的相對(duì)通訊量卻有很大差，八十年代出現(xiàn)的光導(dǎo)通通訊的相對(duì)信息量比同軸電纜、微波系統(tǒng)與衛(wèi)星通訊都有數(shù)量級(jí)的提高。此外地人，光導(dǎo)通訊因?yàn)榫哂泻牟纳?、保密性?qiáng)，而在各國得以大力發(fā)展。光導(dǎo)纖維的光損耗耗決定于光導(dǎo)纖維材料，目前為高純石英加少量摻雜，為了進(jìn)一步降低損耗，科學(xué)家正在研究多組分玻璃或單晶纖維，近期光耗可望降到0.01~0.001分貝/公里，氟化玻璃有可能實(shí)現(xiàn)30~4分貝/公里的低損耗，從而實(shí)現(xiàn)長距離不需要中間放大。有機(jī)高分了也可作為光導(dǎo)纖維做短距離光導(dǎo)還是很普遍的，因?yàn)閮r(jià)廉而柔性好。d)傳感器及敏感材料。傳感器是控制系統(tǒng)的耳目，而敏感材料又是傳感器的基礎(chǔ)。敏感材料的靈敏度、穩(wěn)定性等決定著控制的精度和質(zhì)量，所以對(duì)傳感材料的研究與開發(fā)不容忽視。敏感材料目前多數(shù)是陶瓷材料，如熱敏元件，一般采用金屬氧化物燒結(jié)開成負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其靈敏度可達(dá)10~6℃；濕度敏感材料ZnO-Cr2O3系陶瓷；氣體敏感材料SnO2用于可烯氣體的檢測，V2O4加微量銀制成薄膜，可測1ppm的NO2。壓力傳感器是利用陶瓷的壓電效應(yīng)，如BaTiO3、PbTiO3等都對(duì)壓力的變化很敏感。金屬與半導(dǎo)體材料都可能是敏感材料，如形狀記憶合金就是利用溫度的變化而發(fā)生相變，達(dá)到控制的目的。此外，還有激光材料、顯示材料、非線性光學(xué)材料等。C、能源功能材料

能源材料涉及范圍極其廣泛，大凡能源的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、輸運(yùn)與生存儲(chǔ)等所涉及時(shí)的材料都可以認(rèn)為是能源材料。目前發(fā)展較快的有以下幾種類型：a)高臨界溫度超導(dǎo)材料。高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)形成了一人空前的研究熱潮。作為信息材料，用于制造計(jì)算機(jī)，大大提高電路集成密度，使億次計(jì)算機(jī)的體積縮小到微機(jī)一樣大小。用超導(dǎo)作成量子干涉器可以作磁體必不缺少的，諸如用于磁共振動(dòng)成像，高能加速器，磁分離與過濾，可控核聚變化及磁流體發(fā)電所用磁體；用于輸電領(lǐng)域的超導(dǎo)材料，是目前超導(dǎo)材料研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)。b)永磁材料。磁性材料主要用于信息產(chǎn)業(yè)，如信息存儲(chǔ)、控制元件等。1983年發(fā)現(xiàn)的Fe14Nd2B永磁材料，使硬磁材料方面出現(xiàn)一個(gè)飛躍，現(xiàn)代永磁材料釹鐵硼，在制造永磁電極、磁性軸承、耳機(jī)及微波裝置等方面有重要用途。從資源上看，F(xiàn)e,Nd在地球中含量比Co,Sm多，NdFeB也有內(nèi)稟矯頑力不夠高的缺點(diǎn)，居里點(diǎn)也比釤鈷合金低得多，此外還有抗氧化問題，需要進(jìn)一步研究。中國在稀土資源方面有優(yōu)勢，有發(fā)展前途。c)有機(jī)分離膜。生體機(jī)能模擬材料與導(dǎo)電高分子材料。當(dāng)前多數(shù)化工合成都是在高溫高壓力下進(jìn)行，工藝和裝備復(fù)雜，能源消耗大。所以近年來利用膜的不同孔徑，把不同物質(zhì)分開，從而達(dá)到節(jié)能目的。目前已達(dá)到工業(yè)化的，如合成氨尾氣中的氨(5%)，可以通過分離膜而回到流程再利用。海水淡化也可以利用分離膜把鹽水分開，當(dāng)前更熱門的是氮氧分離，氧的富集可以提高燃效，如氧達(dá)40%時(shí)，燃燒效率可提高30%。目前，還研究也分離膜兼有催化的功能，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)合成與組分分離同時(shí)實(shí)現(xiàn)。D、生物材料與智能材料

生物材料又稱生物醫(yī)學(xué)材料。這類材料自六十年代發(fā)展以來，已經(jīng)形成了很大產(chǎn)業(yè)，如美國近年的年銷售額在500億美元以上下班，而且每年以13%的速度遞增。生物材料一般要求無毒，不產(chǎn)生過敏反應(yīng)，與生體組織相容，不致癌，不產(chǎn)生血凝或血溶，在生物體內(nèi)不分解或產(chǎn)生沉演等。在力學(xué)方面要與被代替件相匹配，即硬性適當(dāng)，彈性適宜，能耐疲勞。

常用生物材料有金屬、陶瓷、碳素材料及多種高分材料和各種復(fù)合材料。到目前為止，除神經(jīng)系統(tǒng)外，幾乎各種器官都可用人工材料代替，并具有較好的生物功能。除了人造器官以外，還有醫(yī)療輔助系統(tǒng)，如貼在皮膚上的藥物運(yùn)輸系統(tǒng)，它可以通過多孔膜不斷將藥物輸血管，有時(shí)將存物輸入系統(tǒng)植入器官之內(nèi)，使其根據(jù)需要而不斷釋放藥物[7]。受生物體的啟發(fā)，近年來又提出智能材料。所謂智能材料就是對(duì)材料的工作環(huán)境進(jìn)行判斷并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，從而使材料的工作環(huán)境進(jìn)行判斷并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，從而使材料繼續(xù)不斷地工作。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，材料也可產(chǎn)生自愈合，或在應(yīng)力作用下裂纊尖端產(chǎn)生松馳作用而阻止裂紋的生長。這些都是延長材料使用壽命的途徑；另一種智能材料則是報(bào)材料的損傷情況，提高材料安全程度，即通過材料中埋入傳感器，用光纖把它們連接起來進(jìn)和監(jiān)控，這樣可能做到最合理地使用材料。從以上新材料綜合介紹中，我們不難看出，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)逐步占領(lǐng)人類競技舞臺(tái)的嶄新世紀(jì)，在中華民族面對(duì)世人未有過和嚴(yán)竣挑戰(zhàn)的關(guān)鍵時(shí)刻，我國政府適時(shí)創(chuàng)建國家創(chuàng)新體系是何等的緊迫與必要。作為高技術(shù)中的一分子，新材料的發(fā)展無不生產(chǎn)、生活的方方面面得以體現(xiàn)并發(fā)揮著不可替代的重要功能，幾乎所有的國家都把材料的生產(chǎn)與開發(fā)作為鞏固國防、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活的重要組成部分。因此，現(xiàn)代人們普遍認(rèn)為：材料是人類進(jìn)步的里程碑，是現(xiàn)代文明的重要支柱[8]。

參考文獻(xiàn)

1以知識(shí)為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì).