院士讲材料——新材料的发展及其产业化(下)

1、 主持人： 观众朋友，欢迎您来到CETV学术报告厅，在上周的时间里，我们为您播出了中国工程院左铁镛院士关于新材料的发展及其产业化学术报告的前半部分。今天，请您继续收看这个学术报告。 材料，是人类社会生存与发展的物质基础，材料也很能源与信息一起，构成人类社会的三大支柱，当今，人类社会正在走向知识经济时代，高技术群体的涌现，更需要一批新材料作为其物质基础为其服务。可以预见，新材料的发展及其产业化是必然的，下面，请您继续收看中国工程院左铁镛院士对这个问题的论述。 左铁镛： 下面我就进入到，跟大家介绍一下，到底21世纪我们发展什么样领域，什么是我们应该选择的领域，什么是我们应该选择的关键基数呢？大概全

2、世界和我们国家都看好这几个方面。一个是信息科学技术，一个是新能源科学技术，一个是生物科学技术，一个是空间科学技术，一个是生态环境科学技术。那么，信息，也就是这次深圳决定这次高交会的主题就是这几大领域，你们可以对应着找，信息科学需要什么材料，新能源科学需要什么材料，生物技术需要什么样的生物材料，那么，我下面将概要地回答这些重点领域需要什么样的材料，而解决这些材料的关键基数在哪里。 大概人类经过全世界的论证，选择，大概定了七大领域是高技术领域。那就是探索生命本质的生物科学技术、探索海洋奥秘的海洋科学技术、探索物质结构的新材料科学技术，探索宇宙空间的空间技术和环境科学技术，作为它们一个共同遵守的规则

3、。上面是能源和再生技术，最核心这个圈里面，对其他科学都起支撑作用、带动作用的信息科学技术。而人在这里面，人为本，所有发展这些高技术产业最根本的是人，用这样一个简图，可以把高技术群这个体系表明了，大概全世界公认，但是每个国家根据自己的经济情况，资源情况和产业分布情况，并不是这几个都算，而是有重点的选择，而每个地区又根据地区的情况和地区的资源特点和财力情况，选择其中若干领域的若干重点。比如像深圳，没有条件发展，我举个例子随便说，像空间，恐怕是国家和别人在考虑的，你不一定花大本钱探索宇宙空间吧，海洋你们靠海边，但是不是海洋将是你们的重点呢？我们过去也讨论过，你们把深圳的定位定在什么地方？信息、生物和

4、新材料，现在注意到新能源再生利用当中的一些高技术。 我首先讲一下信息，因为我来之前，希望我们对信息材料讲一下，昨天王院士所做的半导体材料及发展，是信息当中最重要的一部分，我可能是从更宽的方面看看，信息到底有什么材料。信息材料是信息技术的基石，是发展信息产业的先导和基础。信息材料是指在微电子和光电子技术、现代通讯技术、计算机和网络技术、新兴电子光子元器件技术和音频视频，以多媒体技术等现代技术领域中，发射、传输、接收、记录、存储、处理信息所用的材料。大家注意，一个是发射，一个是传输，信息的发射、信息的传输，接收、记录、存储、处理。这个材料都是我们应该做的。 信息材料作为信息技术的基础材料，广泛应用

5、在经济、安全领域，起着基础和先导作用。按用途可以把信息材料，刚才我说的，不是按照刚才说的传输材料，存储材料，而是按材料的类别，把它分成微电子材料、光电子材料、磁性材料、电子陶瓷材料和绿色电子材料这么六大类。信息材料的发展趋势和特点是什么？信息材料总体的发展趋势，是向着大尺寸、高均匀性、高完整及多功能复合低维化发展，那就是功能晶体的大尺寸化。大家都知道，大尺寸带来了高性能，高效率，低成本，所以，芯片的功能越来越大，一个芯片上做一亿和十亿个器件，现在逐步要越做器件越多。那么，怎么样才能说功能越来越好了，为什么要降价呢？就是半导体单晶硅的直径越来越大，原来是五寸的，八寸的，十二寸的，现在还在做大。做

6、大了以后，而且要求缺欠越来越少，这样它加工的时候就很便宜了，所以，它向着大尺寸发展，向着完美发展，没有任何缺欠，如果这一个片上，缺欠数多了，整个片子要报废，因为不可能某一个芯片上有一个缺欠而失灵。多功能化、复合化、低维化和智能化我就不展开一一说明。 具体谈到各个材料领域的发展趋势，就是半导体功能材料，向着大尺寸、高均匀性、完整性发展。比如说，国外的硅材料已经发展到12英寸，商品，砷化镓材料向着6英寸生产线过度，我们国家已经做出来了12英寸的，昨天王院士已经讲了，但是大规模、商业化还是在5英寸，少量是八英寸。半导体的外延材料，继经典的同质结、异质结、超晶格、量子阱之后，向着更加低微的量子线、量子

7、点方向发展。固体激光晶体正向着高功率、LD聚浦和可协调、多功能方向发展，光纤材料正在向着满足大容量、速率、密集波这样用的高灵敏度的传感方向发展。光纤一个很重要的指标就是光谱，两个站之间，光的损耗，如果它损耗越低，我们中间的距离就拉得越来越远，传输的子量和信息鸠夺，再就是液晶材料，正向着满足大尺寸、高分辨率这样一个方向发展。磁性材料向着高磁能积、高磁导率、高饱和磁感应强度、高存储密度及非晶态和纳米方向发展，电子陶瓷向着片式化、多功能化、复合化、纳米陶瓷方向发展。电磁材料向着满足无汞、高比重、长寿命、小型化、轻型化、绿色电子的方向发展。 这个很好，你们有一个企业就是搞镍氢电池的，王经理，他已经搞到

8、五六个亿的产值，在国际的镍氢电池里面，已经排在前十名，正在向前五名生产量发展。这就表明，只要抓准了，这个产业会发展很大，几乎它全部95%到97%的产品是外销，全是外边的定单。 那么信息材料，按照传输、运算、存储这样的看，都是用一些什么材料，这个也是分类，就是这些器件，都用这些材料，便于大家选择，就是说，比如说能做电容器，用什么材料做电容器，光电子器件主要功能物理效应，就是未来第三代的工业革命，可能是光电子的革命，那么这个时候，它所用的一些器件功能，然后有什么物理效应，用什么材料，这是国际国内大家都共识的。那么这一张图，就是表明了每片集成电路芯片上元件的数量，正在按着指数规律增加，而最小的特征尺

9、寸，按指数的规律减少。这条线看得很清楚，这就是几代集成电路的发展，到现在到第五代，估计到2000年往下，你看，这个就是年代和相对值，这是器件的尺寸，越做越小，现在我们国家的主流是到0.3，0.35和0.5，国外现在的主流是0.3以下，而2000年，估计会突破0.18，0.15，21世纪人类向0.08的方向，这时候带来一系列材料的限制，到0.1的时候，已经到了材料的硅单晶的物理极限了，这个时候，恐怕就要寻找其他材料，但是要注意，硅单晶将在21世纪很长一段时间是主要的芯片材料，也就是90%几会用到，但是看到它的一些制约因素，所以正在发展新型半导体，化合物半导体，芯片价格，猛降，这条曲线就把由于单晶

10、的进步，造成芯片IC它的发展，单晶硅发展趋势，到2000年，它的技术要求将是这样，出现大于300，然后缺欠数，表面金属原子数，氧含量，各项职能都满足的情况下，我们所用的芯片，我们所用的信息产品将再度越来越便宜，就是因为单晶硅越做越好。这是传输材料，就是敏感材料，因为所有的信号都是靠敏感材料微小的信号把它传输出去，这个敏感材料是非常关键的，所以，发展无机非金属的敏感材料，作为信息产业当中一个很大的领域。 这个是光纤，高性能光纤它的发展，对通讯行业的巨大影响，这个就是光耗损，从年代来看，60年代发明光纤，就是高科院，中文大学高科院校长，他是国际上叫做光纤之父，他在毕业论文里面提出光纤，玻璃是可以做

11、传导，所以，在他提出这个设想以后几年，出现了光纤。那么，你看，随着光耗损的减少，光学纤维它发展得越快，每公里的透光率，这是可以越做它的相继站越远，传输效率越好。这个是光纤发展第一代，第二代表，第三代，第五代，这个就是结构氟化玻璃，现在多是石英玻璃，满足一般条件。 这是光纤激光器，探测器，光纤通讯的几代。 这个是玻璃光纤激光器的输出特性，这个给大家提供一个选择机会，你选择什么，这个并不是要非常大的成本。 发展战略，信息材料产业发展战略是什么？就是坚持有所为、有所不为的战略思想和原则，以市场为导向，重点解决微电子与光电子、通信、计算机所用量大面广的信息材料的关键技术，推进产业化，充分发挥我们国家一

12、些特有的资源优势，做信息材料，除了电路以外，相当一部分材料是要用稀土的，而我们国家的稀土是得天独厚的，小平同志说，中东有石油，中国有稀土，现在江泽民同志又一再强调，发挥我们国家稀土资源的优势，我们要培养信息产业信的竞争力，并且适度超前研究开发对国民经济、国家安全具有重大影响和前景好的信息材料。发展目标是什么？瞄准微电子通讯计算机信息家电，新型元器件材料为重点，突破关键技术，使重要材料性能上个台阶，磁性材料、电子陶瓷和绿色电磁材料要做什么？关键技术列出来几项关键技术，要攻下来这些问题，需要解决这样一些技术关键，大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术，高精度晶片的加工技术等等。 那么第一个信息材

13、料作为一个重点，因为深圳的信息产业已经有相当的规模和基础，它希望能够和它的信息产业相配套的，信息材料产业，也能够应运而生，它是一种比较新的，它并不需要原来那么大的工业基础，所以，这是给大家提供个信息，就是你要发展信息材料，发展哪几类？哪几类材料估计通用和主要发展方向，它要解决的关键技术是什么，给大家提供一个菜单，进一步细步的问题，我们可以很很多这方面材料专家进行探讨，下面我简单说一下生物，这也是深圳非常希望发展的一类材料。现在你们生物技术方面，已经有一定的基础，在生物应用材料方面，是些什么材料，生物技术材料可以广义地定义为适用于生物技术用的一类材料，用于生物系统结合，以诊断、治疗或替代生物机体

14、中的组织、器官、或增进其功能为目的，它们可以用非生物材料甚至无机材料合成，或者也可以从有生命的组织中产生。 品种很繁多，人造器官，生物化学传感器，血管移植物、人工心脏、给药系统、牙科、整形外科、耳科和眼科器械，矫形外科用的替代物，假肢和治疗辅助物品等等。材料种类，有不可降解的合成聚合物，生物吸收可容的聚合物，聚合物组织的粘结剂，金属、陶瓷和玻璃，金属的衍生材料，表面改性，材料种类很多。 当代生物材料科学正处在从传统的无生命活力的材料向可重建有生命活力的组织和器官的材料发展，这样一个重大的变革时期。最基本的研究方向，是了解合成物质与生物组织之间的相互作用，满足临床需要，这一点，我需要额外跟大家说

15、，就是现在生物应用材料的发展是一个很大的产业，现在据统计，我这里有一个材料，美国1998年，生物应用材料和它的制品的产值是360亿美元，预计到2000年，美国将达到650亿美元的生物应用材料，这和半导体工业的产值相当，是国民经济当中最活跃、出口最大的几个产业之一，最大的六个美国出口产业，其中一个就是生物应用材料。随着人口老龄化的进程，还有中青年受伤，比如开快车、打架斗殴，所以现在撞伤也越来越多，所以，现在需要置换，大概每年以10%的增长，所以，是21世纪世界经济的支柱产业之一。我们国家生物应用材料发展比较慢，占整个国际上的产业不到2%的产值，但是我们是人口最多的国家，12个亿，我们每年用在换器

16、官、解决创伤问题、修复、整形和药的空室所花的钱是大量的，而95%的市场是外国人占领的，现在外商和外来的制品已经基本上统治了我们国家生物医药材料市场和器件。面对未来人类生活质量的提高，人们在这方面的钱是不吝啬的，必花的，因此，如何发展生物医用材料，是请大家思考的。而它的材料，大量的材料是一种新型材料，是以聚合物为主体，并不需要传统的从矿山金属那样很长的流程，很大的污染，而是以值，以高附加值为主的，因为深圳市领导征求意见的时候，我提过要注意捕捉信息，着手考虑生物应用材料的技术和产业，在原有的基础上，要搞一些新的生产工艺。 当前的问题，热点在什么地方？那就是组织工程、基因工程、生长工程和自组装。难点

17、是相容性、活性和解决毒性问题，这一点，最近正在研究的组织工程，大家看材料、看新闻说了，在老鼠身上长一个耳朵，那个就是生物组织工程和医药，生物医用材料一个很重要的突破，过去我们所换的东西是无生命的，过去换的东西，是无生命的，它是解决跟人体的相容，那个搞拉索，不好就拿出来，换上去一个要保证在他一生当中，是工作的。同时，要注意一个什么问题呢？就是它逐步过渡到有活性的、有生命的，现在已经能做到，那就是说，在材料的表面，要形成一种膜，这种膜跟人体的组织、细胞是能够相容的，先构出一个构架，三维的构架，然后把这个组织工程引进去，当它组织细胞在不断增值，增加营养，完善了构架的时候，植入人体，最后骨架是可降解的

18、，当你完善的时候，功能恢复的时候，这时候构架性的东西是可以降解的材料，变成无害于人的降解掉了，排泄掉了，正向这样的方向发展。所以大概现在美国开玩笑，除了大脑，这玩意儿没有办法用材料来代，所有的器官都实现了用材料，人工的材料来置换，包括人工心脏，人工瓣膜，和人工任何一个脏器，都可以用新型材料来制，这是一个高附加值的产业。所以，生物应用材料，我希望深圳能够重视到这点。 能源材料，这一点，因为昨天袁院士重点讲能源材料，我这里就说个标题，今后能源是全世界的，中国的能源是很不乐观的，在这种情况下，发展新能源，提高能源的生产和利用效率，和储能，这种都是非常关键的，而这些所有的共同关键问题是寻找新材料，材料

19、没有突破的时候，这些很好的技术是不能发展的，所以，广义上说，凡是能源用的材料就是叫能源材料，那么包括新能源材料、节能材料和储能材料。那么反应堆用什么材料？太阳能用什么材料？风力发电用什么材料、地热用什么材料，节能的这些材料用什么，燃料电池，最近深圳日报上登了一个院士，关于新能源燃料电池的发展，最后一句话，燃料电池能否在国际上实现，是取决于材料能不能拿出来，0.1毫米、有致密性好、足够强度的陶瓷，这个不通过，再好的设计都是不能实现的。 我们每百万元的国民生产总值的能耗，是人家的很大倍。你看，日本和中国，能源消耗是巨大的，因此，节能，提高能效，是非常重要的。 这是储能材料。 这个密度电池。 这个是

20、燃料电池。 现在空间材料，因为离我们还稍微远一点，我也不讲了。它主要就是这句话，设计是主导，材料是基础，工艺是手段，检测是保证，这是航天的一句口号。关键是材料，我就举一个例子。你们买了飞机，下边，波音777这个飞机，你看一个飞机上，分割了一下，都是用什么材料，哪一部分用什么材料，根据这部分的性能，工作环境，用什么材料，那么，显然这些材料都得拿下来，做成这个飞机才有可能完成一个飞机777。这是国庆节检阅的时候，我们自己的飞机，也看到了舒尔奇（音）飞机，现在舒尔奇面临着也有这个问题，舒尔奇飞机原来是适合苏联比较干冷的地区的材料，现在咱们把它买来，要对着台湾海峡，对着海洋性气侯，腐蚀，原来想在这儿离

21、着台湾海峡就起飞了，可以持续战斗的时间长，但是现在它有个问题，就是腐蚀性，因此，材料这些问题不解决，它的防腐问题不解决，这个飞机的战斗能力是受到很大的影响。 这个就是刚刚我说的新材料的改进，和飞机减重的情况。这个就是导弹壳体材料和射程的关系，金属是射这么远，玻璃钢射这么远，复合材料能射这么远。 那么下边环境材料，生态环境材料，或者叫环境材料，是具有能够满意使用性能，又具有良好环境协调性的材料，环境协调性，是指对资源能耗消耗，对资源污染小，如再生应用，所以现在我们国家，钢材、钢、铜、铝、铅、锌，消耗分别是世界平均水平的3.6倍，3.7倍，2.4倍，2.7倍和2.2倍，所以，能源对GNP的产出率，

22、仅仅是世界先进水平的70%，这个说明什么问题？我们要发展环境材料，环境评价，今后要有一种新的科学，对整个环保一样，对材料整个全过程要进行评价，不合格的不允许生产，正在做这个决定。 另外注意材料的回收。用高新技术改造发展现有材料，这是一个非常重要的问题，这个我前面已经讲了，因为现在我们国家的材料还是传统产业，95%的市场支撑我们的制造业，我们的各行各业，是现有材料，如果我们不用高技术来改造、武装、更新提升它，将不会形成整体经济上的效益。 一个是钢，钢我们国家一亿吨，占世界第一位，煤炭我们现在13亿吨，去年产量，水泥咱们这儿写4.9亿吨，实际上我们是5.3亿吨，全世界13亿吨，3亿多吨水泥都在中国

23、生产，而水泥的生产情况，一吨水泥要造成一吨二氧化碳，而且能耗非常大，像这样的产业，如果不能用高技术来武装，提升我们水泥的质量，现在重要建筑的水泥还得引进。 所以，我们说，高性能、复合化、低成本、环境协调发展，这是我们非常重视的问题。然后要降低工程构件的重量，提高结构效率，服役可靠性、延长寿命，所以，高性能是轻质、高强、高模、高韧和耐高温、耐低温、抗氧化、抗腐蚀，对材料的综合要求。 这个表就是今后材料价格低、环境好、节能、自动化程度高、人身保护、易接收、容易得到、可替代，作为综合评价一个材料是否有用。 这个是材料的强度跟密度，现在你们看，不再是石、青铜、铸铁、钢、复合、碳，到芳香族纤维，越来越是

24、有机高分子。 美国汽车估计汽车消耗量，各种材料用多少。 现在一台汽车比较好的新的汽车，铝合金5%到10%，塑料10%到20%，然后其他是钢，现在还在进一步发展。 汽车材料的发展趋势是廉价、易成形、长寿、高可靠性、低油耗、低污染、便于回收，所以汽车减重的效果非常明显，40%是减重。 这个就是发动机的工作温度。材料越耐高温，发动机的工作温度越高，热效越高，这是30年代的，这是现代涡轮轮机。 这个就是我说的发动机工作温度。现在最高温度可以到高速燃烧冲压式喷气发动机，在1927度，那个材料用镍金合金。 这个是材料加工和基础研究，这个不讲了。 现在设计问题，我讲一下，就是材料，现在已经从经验和半经验的配

25、方试着研制，发展到用计算机和加工过程的数字仿真，这个将是今后21世纪材料工作者一个非常重要的任务，就是你设计零件的时候，研究它的成本和组织，并不需要像原来我们那个时候一点一点试，而是用计算机来模拟，就像你们现在计算机里面的所谓临近效应，戴上头盔，戴上手套，你设计了一个房子，你说是大理石地面，可以触摸到大理石的光滑，桌面怎么光滑，现在看材料的设计，是完全可以按预定设计发展。 这个是讲我们要发展的一个计算机材料设计和计算机模拟，这样可以大量地提高国际竞争力，我们出口的一些机床，为什么比别人价格低？就是我们个头大，性能不见得比别人好。材料不行，个头都很大，不耐磨。 那么现在举个例子，我们国家的精铸件

26、比重，跟工业化国家比国外越来越接近最终形状，而我们现在做得很大，不断加工变小，精锻件的比例也是。 那么今后新材料的若干新的增长点是什么？是纳米材料，这个不讲。它带来一系列的新的性能，新的效益，功能有机高分子材料，智能材料、碳材料，这个是非常俏的，碳是最普通、最古老的，但是碳加入所产生一系列新的特异性的科学发现，将使碳加入成为未来一种新型材料的基础，比如像高强，是钢的一百倍，但是它的密度仅仅是钢的1/6，高导电率，可以超过铜，用纳米级电子导电，超导，下面是超导，这个大家都清楚。超导如果的能够实现，大概在2020年左右，可以实现实用化，那时候又是一个大的产业，有时候我们想像不到，我们适应了用电阻，

27、当没有电阻的时候，这个世界将是什么样子，说不清楚。 关于产业的问题，我为什么在最后不是把产业的问题按照我原来那个提纲，要讲1/3的时间呢？我是考虑，新材料本身在我前边讲它的特点和定义的时候，就讲过，高新技术的基本点，技术跟产业是密切相关的，在大学里，在研究所里是做实验研究，过去发现，真正的创新是在企业，因此，我们重点是讲新材料技术，而产业化的问题，是高新技术本身必然要走的路子，如果不能够把高技术变成一个产业，在一定程度上，它很难说是高技术，是一个科学发现，因此在产业这个问题上，我们要把握住它规模是小的、品种是多的、更新换代快、价格昂贵、保密性强、依赖技术创新。 材料的任何产品发展都取决于市场拉

28、动和技术推动，技术推动源于发现，市场拉动源于竞争，价格低廉、快速供应、绿色生产，新材料从研制关键还是投入问题，投入就是一个及时、要足够，因为新材料的特点是捕捉，新材料我前面刚才说第三个特点是周期性短，是动态的，只有那个时候它是新材料，过了这个时间不是新材料了，因此，你要看好，你就赶快抓住机遇发展，发展完了以后，它过几年，可能就会有更新的技术。所以，它对于基础研究的依赖，为什么希望大家搞产学研，就是捕捉现有的高校和研究院所的新技术，把它搞到这儿来开发，我认为这是一个路子。 往下，附加值越高，越强调质量，在很多情况下，产量决定成本，而决定了材料的生存和竞争能力，另一方面，对质量也是起决定性作用。 我认为，在当前我们国家情况下，政府对新材料产业化的作用，是决定性