论新材料的发展在国家创新体系中的必要性
摘要：知识是以知识和信息的生产、传播和应用为基础的经济，国家创新体系中的一个重要侧面——新材料，又以其突出的工功能和显著的特点引起了人们的极大关注。本文试图分别对国家创新体系和新材料这两个全新概念进行较全面的论述，得出新材料的在国家创新体系中是不可或缺的结论。
关键词：国家创新体系，新材料
时钟指向2000年，当我国迈向第三步战略目标，世界技术正突飞猛进，并迅速地改变着这个世界，根据我国“三步走”发展战略，我国将在二十一世纪中叶达到等发达国家水平，这是一个以发达国家参照系的、动态的、开放的目标，而发达国家正向知识经就是迈进基础的经济，实现是我国经济化和知识化的协调发展。
知识经济是以知识为基础的经济，这种经济直接依赖于知识力信息的生产、扩散和应用。现在，经济合作与发展组织（OECD）主要成员国的知识经济已经超过其国内生产总值的50%[1]。二十世纪，知识经济将逐步占据国际经济的主导地位，知识经济对发达国家而言，是社会生产力发展的结果；对处于工业化进程听发展中国家，则是机遇与挑战产并存。为迎接知识经济的挑战，发展中国家在加速工业化的同时，必将大力发展知识密集型制造业和服务业。其经济发展将经历工业化为主、工业化和知识化并重、知识化为主三个阶段。在这个过程中，世界是科技的产品的市场生命周期将更短，发展中国通过学习别国技术产品的市场生命周期将更短，发展中国家通过学习别国技术和经验而赶上发达国家的难度将加大，“后发优势”的作用将减弱；一个拥有持续创新能力和大量高素质人力资源的国家，将具备发展知识经济的巨大潜力；一个缺乏科学储备和科学创新能力的国家，不仅将失去国际市场竞争力和国内市场竞争优势，还将失去知识经济带来的机遇。
在知识经济时代，国家的创新能力，包括知识创新和技术创新能力，是决定该国的国际竞争和世界总格局中所处地位的重要因素。“一个没有创新能力的民族，难以屹立于世界是先进民族之林”[2]。然而，我国的创新能力与国家需求和国际先进水平相差较大，这一方面与我国科技投入不足和市场机制发育不完善有关，另一方面也与我国现行创新体制及运行机制的不尽合理有关。深化科技体制改革，建设符合经济和科技发展的国家创新能力，为二十一世纪我国经济的可持续发展奠定坚实的基础，已成为越来越多人的共识。
国家创新体系是与知识创新和技术创新相关的机构和组织构成的系统，其骨干部分是（大型企业集团和高技术企业为主），科研机构（包括国立科研机构和地主科研机构等）和高等院校等。国家创新体系的主要功能是知识创新、技术创新、知识传播和知识应用。大力促进和广泛进行知识的生产、传播和应用，是国家创新体系的基本任务。
国家创新体系可分为创新系统、技术创新系统、知识传播系统和知识应用系统。其中，知识创新体系是由与知识的生产、扩散和转移相关的机构的相关的机构和组织构成的网络系统（知识创新是指通过科学研究获得新的基础科学和技术科学知识的过程），其核心部分是国立科研机构（包括国家科研机构和部门科研机构）和教学科研型大学；技术创新的网络系统（技术创新是指学习、革新和创造新技术的过程），其核心部是企业；知识传播系统主要是指高等系统和职业培训系统，其主要作用是培养具有较高技能、最新知识和创新能力的人力资源；知识应用系统的主体是社会和企业，其主要功能是知识的技术的实际应用。知识创新是技术创新的基础和源泉，技术创新是企业发展的根本，知识传播系统培养和输送高素质人才，知识应用促使科学知识和技术知识转变成现实生产力。国家创新体系的四个子系统各有侧重，相互变更，互相支持构成一个开放的有机整体。
建设我国国家创新体系，不仅要把握国际经济和科技发展趋势，尊循经济和科技发展规律，更要瞄准国家战略目标，适应我国社会主义市场经济发展的需要。通过建设和完善我国国家创新体系，力争到2010年前后，基本形成适应社会主义市场经济体系和符合科技发展规律的国家科技运行机构，基本具备能够支撑我国科技与经济可持续发展的国家创新能力，使我国国家经济占国家经济的比例有较大提高，造就一批有国际影响的技术创新企业、国立科研机构和教学科研型大学[3]。
在当前科技界，较为统一的认识是六大技术领域要在相当长的时期内成为人们潜心探索的至高点。它们是生物技术，信息技术，新材料技术，新能源技术，空间技术及海洋技术，其中新材料技术涉及生物医药产业，光信息产业，智能机械普，软件普，超导体产业，太阳能产业，空间产业及海洋产业。
新材料的发展，因其涉及的领域广泛而引了世入的共同关注，新材料的类型颇多，主要可分为以下四大部分：
A、结构材料
主要以承受外力为主的一类材料，在化学、物理性能等方面根据使用对象不同也有相应的要求。趋势是向着更高温度、更高比强度、更高比刚度和耐更苛刻的工作环境的方向发展。当前，结构材料中发展的重点如下：
a）以铝合金、钛合金、高温合金及其中间化合物为代表的金属材料，具有很强的生命力，尤其在航天航空领域和军事国防领域；
b）工程陶瓷是高温、高比强度材料中最有发展前途的一类材料，是当前材料研究的热点。主要包Si3N4、SiC、ZrO2、Al2O3及Sialon等。这类材料的主要特点是：膨胀系数不，抗热震性能好；高温强度好，在1400℃甚至1600℃仍具有较好的强度：耐腐蚀与抗氧化；比重小从而有更市制比强度和比刚度，硬度高，耐磨性好；有丰富的资源[4]；
c)工程塑料在高分子材料中所占比重将不断提高。高分子材料是近几十年来发展最快的材料，每年以高于10%的速度增加。几年前世界高分子材料所占比例，从体积看已超过了钢铁。这是因为它有充足而廉价的原料（石油、天然气、煤及其它生物体），制造过程能耗低，建设周期短，投资少，收益大。更为重要的是有机材料具备优异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优异性的一部分，它们或强度高，或能导电，或是具有磁性，是当前正在发展的新型材料；
d)复合材料结构材料发展的最重要趋势。当前研究最多的复合材料的以下几种类型：（1）用高分子纤维或碳纤维强化的树脂基复合材料。而目前比强度、比刚度最高的纤维就是高分子。使纤维一体化需要纤维的编织、排列与树脂的粘结，从而成为树脂基复合材料；（2）金属基复合材料。一般来说，轻金属的模量低，强度也不高，因此采用无机纤维或碳纤维强化是提高金属性能的重要的手段。金属基复合材料的问题在于强化相和基体相间的相容性，由于模量及膨胀系统的不同而在反复变力或变温条件下发生脱离，在高温下工作的构件也会因强化相的溶解而失效；（3）陶瓷基本复合材料。陶瓷的最大缺点是脆性问题，复合的目的除了提高强度及工作温度以外，更重要的是利用复合手段提高韧性[5]。（4）碳碳复合材料。碳在所有材料中的承受温度是最高的，一般在3000℃以上，而且在一定范围内，随工作温度的提高，基强度反而有所增加。但块状碳材料由于各相异性，在高速加热过程中容易产生炸裂。因而，采用碳纤维的多向编织而后粘结碳化成为碳碳复合材料，是当前高温复合材料的一部分。改变材料表面的方法很多，如激光处理、表面合金化、离了注入等，这是涉及至广、种类纷繁、前途广阔的一类材料。
B、信息功能材料
在信息时代，信息的重要性和普遍性是人类进步最重要的决定因素。美国在1990年大约有一半左右的人从事与信息产业相关的职业，这成为信息时代的一个重要标志[6]。目前信息功能材料的重点有以下几个方面：
a)集成电路材料。集成电路是信息的基础，大凡机、通讯设备及控制文件都离不开集成电路，所以各国均投入大量的人力物集成电路。从材料角度来讲，本世纪内集成电路的主要材料仍然是单晶硅。为了提高芯片的成品率，硅单晶盾径愈来愈大，从而成品率大提高，随着高集成度器件的采用，计算机功能越来越强，体积越来越小巧玲珑，而其价格却不断下降。
b)信息存储材料。信息存储是信息中的一个重要环节，四十多年来一直以磁记录为主，除粉末记录材料以外，五十年代就开始研究金属膜记录材料并取得了可喜的成就。最近发展的光存储与磁光存储，不但密度高，寿命长，而且保真度高，可以擦除，在九十年代，可望与磁记录并驾齐驱。磁光材料最初为稀土与过渡金属非晶态薄膜，近来用分子束外延或测射法多层金属，如钴及铂沉积为几埃厚的薄带，又可大幅度提高记录密度，颇有发展前途。
c)光导纤维与光通讯材料。通讯的方式很多，但不同通讯方式的相对通讯量却有很大差，八十年代出现的光导通通讯的相对信息量比同轴电缆、微波系统与卫星通讯都有数量级的提高。此外地人，光导通讯因为具有耗材少、保密性强，而在各国得以大力发展。光导纤维的光损耗耗决定于光导纤维材料，目前为高纯石英加少量掺杂，为了进一步降低损耗，科学家正在研究多组分玻璃或单晶纤维，近期光耗可望降到0.01~0.001分贝/公里，氟化玻璃有可能实现30~4分贝/公里的低损耗，从而实现长距离不需要中间放大。有机高分了也可作为光导纤维做短距离光导还是很普遍的，因为价廉而柔性好。
d)传感器及敏感材料。传感器是控制系统的耳目，而敏感材料又是传感器的基础。敏感材料的灵敏度、稳定性等决定着控制的精度和质量，所以对传感材料的研究与开发不容忽视。敏感材料目前多数是陶瓷材料，如热敏元件，一般采用金属氧化物烧结开成负温度系数热敏电阻，其灵敏度可达10~6℃；湿度敏感材料ZnO-Cr2O3系陶瓷；气体敏感材料SnO2用于可烯气体的检测，V2O4加微量银制成薄膜，可测1ppm的NO2。压力传感器是利用陶瓷的压电效应，如BaTiO3、PbTiO3等都对压力的变化很敏感。金属与半导体材料都可能是敏感材料，如形状记忆合金就是利用温度的变化而发生相变，达到控制的目的。此外，还有激光材料、显示材料、非线性光学材料等。
C、能源功能材料
能源材料涉及范围极其广泛，大凡能源的产生、转化、输运与生存储等所涉及时的材料都可以认为是能源材料。目前发展较快的有以下几种类型：
a)高临界温度超导材料。高温超导材料的出现形成了一人空前的研究热潮。作为信息材料，用于制造计算机，大大提高电路集成密度，使亿次计算机的体积缩小到微机一样大小。用超导作成量子干涉器可以作磁体必不缺少的，诸如用于磁共振动成像，高能加速器，磁分离与过滤，可控核聚变化及磁流体发电所用磁体；用于输电领域的超导材料，是目前超导材料研究领域中的重点。
b)永磁材料。磁性材料主要用于信息产业，如信息存储、控制元件等。1983年发现的Fe14Nd2B永磁材料，使硬磁材料方面出现一个飞跃，永磁材料钕铁硼，在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有重要用途。从资源上看，Fe,Nd在地球中含量比Co,Sm多，NdFeB也有内禀矫顽力不够高的缺点，居里点也比钐钴合金低得多，此外还有抗氧化问题，需要进一步研究。在稀土资源方面有优势，有发展前途。
c)有机分离膜。生体机能模拟材料与导电高分子材料。当前多数化工合成都是在高温高压力下进行，工艺和装备复杂，能源消耗大。所以近年来利用膜的不同孔径，把不同物质分开，从而达到节能目的。目前已达到化的，如合成氨尾气中的氨(5%)，可以通过分离膜而回到流程再利用。海水淡化也可以利用分离膜把盐水分开，当前更热门的是氮氧分离，氧的富集可以提高燃效，如氧达40%时，燃烧效率可提高30%。目前，还研究也分离膜兼有催化的功能，从而实现化学合成与组分分离同时实现。
D、生物材料与智能材料
生物材料又称生物医学材料。这类材料自六十年代发展以来，已经形成了很大产业，如美国近年的年销售额在500亿美元以上下班，而且每年以13%的速度递增。生物材料一般要求无毒，不产生过敏反应，与生体组织相容，不致癌，不产生血凝或血溶，在生物体内不分解或产生沉演等。在力学方面要与被代替件相匹配，即硬性适当，弹性适宜，能耐疲劳。
常用生物材料有金属、陶瓷、碳素材料及多种高分材料和各种复合材料。到目前为止，除神经系统外，几乎各种器官都可用人工材料代替，并具有较好的生物功能。除了人造器官以外，还有医疗辅助系统，如贴在皮肤上的药物运输系统，它可以通过多孔膜不断将药物输血管，有时将存物输入系统植入器官之内，使其根据需要而不断释放药物[7]。
受生物体的启发，近年来又提出智能材料。所谓智能材料就是对材料的工作环境进行判断并产生相应的反应，从而使材料的工作环境进行判断并产生相应的反应，从而使材料继续不断地工作。经研究发现，材料也可产生自愈合，或在应力作用下裂纩尖端产生松驰作用而阻止裂纹的生长。这些都是延长材料使用寿命的途径；另一种智能材料则是报材料的损伤情况，提高材料安全程度，即通过材料中埋入传感器，用光纤把它们连接起来进和监控，这样可能做到最合理地使用材料。
从以上新材料综合介绍中，我们不难看出，在知识逐步占领人类竞技舞台的崭新世纪，在中华民族面对世人未有过和严竣挑战的关键时刻，我国政府适时创建国家创新体系是何等的紧迫与必要。作为高技术中的一分子，新材料的发展无不生产、生活的方方面面得以体现并发挥着不可替代的重要功能，几乎所有的国家都把材料的生产与开发作为巩固国防、发展国民经济、改善人民生活的重要组成部分。因此，现代人们普遍认为：材料是人类进步的里程碑，是现代文明的重要支柱[8]。
1 以知识为基础的经济.杨宏进等译.机械工业出版社:(1996),P97;
2 江泽民在1995年全国科技大会上的讲话.全国科技大会文集,(1995);
3 路祥.创新与未来.科学出版社(1998)P6;
4 李世普.特种陶瓷工艺学.武汉工大出版社(1986),P124;
5 无机非金属材料科学.国家科学基金委员科学出版社(1997),P24;
6 胡金元.现代科技与资本主义.中国出版社(1997),P461;
7 李弘.生命现象与生物工程.复旦大学也版社(1996),P461;
8 高技术现状与发展趋势.中国版协科学出版工作委员会,科学出版社(1993),P102.
