国家重大出版工程 | 中国材料科学2035发展战略

2023年5月26日，由中国科学院和国家自然科学基金委员会联合部署、材料科学领域 410 余位专家学者共同研究编撰的《中国材料科学2035发展战略》正式发布，该报告是“十四五”国家重大出版工程“中国学科及前沿领域2035发展战略丛书”的分册之一，全面分析了世界材料科学的发展趋势，并提出了我国相应的政策和策略，值得我们特别关注。

材料科学的战略地位和科学意义

       材料是支撑世界高新技术和现代工业经济不断发展的必需物质基础。一代材料承载一代技术，形成一个时代标志。钢铁是第一次科技革命中发明蒸汽机的必要条件。第二次科技革命实现电气化离不开有色金属材料。半导体电子材料制约着第三次科技革命中计算机技术的更新换代。新型能源材料和纳米材料加速了第四次科技革命的演变进程。象征第五次科技革命的互联网技术的出现也强烈依赖于高性能信息材料和智能材料体系。展望未来，生物医用材料将在第六次科技革命中发挥举足轻重的作用。因此，我国早就将材料科技工业列为国家战略性新兴产业。

       材料科学与物质科学密切相关，但是二者的研究内容和科学目标各有侧重，并且具有明确的学科划分界面。材料是在人类生产和生活过程中已经实际应用或者显示潜在用途的各类物质。狭义地理解，物质科学是物理学、化学、生物学、天文学和地学等自然科学领域的一个重要学科。材料科学的核心导向是系统研究可以成为“器材原料”的各类物质的科学属性和应用特征，属于工程和技术科学的范畴，是一个典型的应用基础研究学科。可以认为，材料科学是自然科学与工程技术的交叉学科，与冶金、化工和机械工程等学科共同奠定了新型工业体系发展的科学基础。

材料科学的研究特点与发展规律

          材料科学作为一个完整独立的学科体系成形于 20 世纪 80 年代，此前相关研究零散分布于冶金学、物理学、化学化工、机械工程及生物医学等科技领域。按照材料的化学组成，其研究对象主要包括金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等三大类型。材料科学的研究过程从物理学和化学关于物质结构与性质理论出发，采用现代数学和计算技术作为分析工具，以实验研究为基础且面向材料工程应用，主要探索各类材料的微观结构与优化设计、合成制备与成形加工，以及服役性能与循环利用。

       材料学科的发展驱动力来自三个方面：首先是高科技领域对千姿百态的特种新材料的战略需求牵引；其次是材料科学前沿生长点和新兴交叉方向的萌生与蓬勃发展；最后是纯粹自然科学和智能信息技术等相关领域的重大科技突破不断提供催化和助推效应。

       未来，材料学科的发展趋势将呈现六大特征：①材料科学与物质科学的交叉融合更加广泛深入；②材料科学与信息技术、人工智能和生物医学领域相互促进；③航空、航天、航海、核工业、生物医学等尖端需求给新材料带来挑战和机遇；④全新的时空概念冲击着材料科学的前沿生长点；⑤“双碳”（碳达峰、碳中和）时代强化材料绿色制造和全寿命循环利用研究；⑥高等教育的新发展促进材料学科体系的变革和重构。

材料科学的关键问题及发展思路

       在国家自然科学基金委员会和有关部委的共同支持下，我国材料学科取得了长足发展。特别是，21 世纪以来我国材料学科研究队伍规模和发表论文数量均跃居世界首位。然而，我国材料学科的原始创新能力远没达到引领国际材料科技前沿的水平。未来实现材料学科的更好发展亟待解决六个关键科学问题：一是面向世界科技前沿，策划材料科学的未来发展架构；二是面向国家重大战略需求，设计材料科学的未来重点发展方向；三是着眼全新时空背景，强化材料科学与人工智能和生物医学领域交叉融合；四是基于“双碳”目标和保护环境基本国策，贯彻材料绿色制造与全寿命控制理念；五是服务经济建设主战场，倡导材料科学—材料技术—材料工程三维融合研究；六是突破“五唯”束缚，实现从跟踪向引领材料科技前沿的根本转变。

       根据两年的广泛调研和深入论证，材料学科的未来发展思路应该是：立足国家经济社会发展需求，瞄准世界材料科学与技术前沿，积极融入和促进第六次科技革命，统筹布局符合我国国情的优先发展研究方向，在追赶超越过程中逐步重构材料科学新体系。经过15年的努力，预期实现以新材料、新技术、新理论、新体系为特征的“四新”发展目标：①基础理论研究指引新材料设计，建立中国原创的高性能新材料谱系；②加强科学研究的技术化导向，建立战略性传统材料的变革性新技术系统；③追求切实可行的重点科学目标，力争智能材料、生物材料和纳米能源材料等热点领域的多方面理论突破；④基于材料科学与技术的前沿进展，建立以新概念材料和交叉共性科学为先导的“北极星型”材料学科新体系；⑤面向国民经济主战场的重大战略需求，建立先进结构材料国家实验室和新型功能智能材料国家实验室，形成材料领域的国家战略科技力量。

材料科学的发展策略与政策建议

重点发展方向

金属材料学科

在材料科学的四个分支学科中，金属材料学科重点发展方向包括：金属结构材料的强韧化新原理、新方法研究；金属功能材料的原子层次结构与性能调控机制研究；金属材料制备与加工过程的变革性理论方法和全新技术装备设计原理研究。

无机非金属材料学科

无机非金属材料学科重点发展方向包括：“双碳”目标牵引的新能源材料研究；满足国防科技和高端制造需求的高性能结构材料研究；满足电子信息与人工智能迫切需求的半导体晶体和功能陶瓷材料研究；面向人民生命健康的生物医用和环境治理材料研究。

有机高分子材料学科

有机高分子材料学科重点发展方向包括：先进复合材料、新型智能材料、高性能生物和信息材料；探索建立“双能化—复合化—智能化—精细化—绿色化”五维归一的材料科学研究新范式。

新概念材料与材料共性科学

新概念材料与材料共性科学是国家自然科学基金委员会于 2019年新设立的第四个材料分支学科，其未来重点发展方向包括：新奇特材料的设计合成和结构性能研究；面向人工智能的多功能材料与材料基因调控研究；材料绿色制造和全寿命循环利用优化控制过程研究；航空、航天、能源、交通等战略领域赖以发展的新型核心材料研究。

优先发展领域

金属材料学科

金属材料学科优先发展领域包括：轻质高强金属材料；高温合金和轴承钢等特殊黑色金属；信息、能源和生物医药金属功能材料；材料制备与加工新工艺；材料加工高端装备。

无机非金属材料学科

无机非金属材料学科优先发展领域包括：面向“双碳”目标的新能源材料；高性能结构材料；功能晶体及陶瓷；先进碳材料；量子材料。

有机高分子材料学科

有机高分子材料学科优先发展领域包括：通用高分子材料高性能化和功能化的方法与理论；智能与仿生高分子材料的新概念设计原理和制备方法；目标导向的生物医用高分子材料的基础研究与应用评价方法；能源与环境高分子材料；特定服役条件下的先进高分子材料。

新概念材料与材料共性科学

新概念材料与材料共性科学优先发展领域包括：未来材料的人工设计与构筑成型研究；特殊环境下材料设计与表征方法研究；材料多功能耦合与集成新原理和新机制研究；国家战略性特种材料谱系设计与传统材料变革性研究。

重大交叉领域

金属材料学科

金属材料学科重大交叉领域包括：金属材料加工制备的数字化与智能化理论与技术；金属材料与能源、信息和生命学科的交叉研究；金属材料与物理及化学学科的交叉研究，特别关注金属力学和物理化学性能的电子理论，即把对金属材料性能的理解从原子层面深入到更加微观的层面。

无机非金属材料学科

无机非金属材料学科重大交叉领域包括：信息功能材料及器件；生物医用材料；无机非金属材料研究新范式。

有机高分子材料学科

有机高分子材料学科重大交叉领域包括：有机 / 无机复合半导体材料和信息材料；智能与多功能高分子复合材料；先进功能有机膜材料；材料多层次多尺度复合新方法与新原理。

新概念材料与材料共性科学

新概念材料与材料共性科学重大交叉领域包括：全新时空背景下材料设计制备、成型过程与服役特性研究；基于人工智能的新型材料组织性能优化调控研究；“双碳”时代传统支柱材料的绿色再生机制研究；面向临床医学的新型生物医用材料设计与合成研究。

本文摘编自《中国材料科学2035发展战略》，战略研究组组长为中国科学院院士魏炳波，标题和内容有调整。

内容简介

       21世纪前20年，材料科学蓬勃发展，有力支撑了世界高新科技和经济社会的不断进步，我国也已经成为材料科学大国、材料产业大国和材料教育大国。《中国材料科学2035发展战略》面向2035年探讨了国际材料科学前沿发展趋势和中国从材料大国走向材料强国的可持续发展策略，深入阐述了材料科学及其各分支学科的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点，系统分析了材料科学的发展现状与态势，凝练了材料科学的发展思路与发展方向，并提出了我国相应的优先发展领域和政策建议。

本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引，为科研管理部门提供了决策参考，也是社会公众了解材料科学发展现状及趋势的重要读本。

战略研究组组长简介

       魏炳波，材料科学专家，主要从事金属材料凝固科学与技术和空间材料科学研究。西北工业大学物理科学与技术学院教授，中国科学院院士。现任中国材料研究学会理事长、中科院载人航天空间材料科学首席专家、国务院学位委员会第八届材料科学与工程学科评议组召集人。