第一章 材料技术新进展
　　Progress in Material Technology
　　1.1　金属材料技术新进展
　　孙宝德
　　（上海交通大学）
　　金属材料在经济社会建设中发挥着不可替代的重要作用，支撑着航空航天、武器装备、能源动力、集成电路及芯片制造、轨道交通、船舶海洋等重点领域的发展，是保障国家安全和经济快速发展的重要基石。世界各国都重视金属材料的研发工作。下面主要从金属结构材料、金属功能材料、结构功能一体化金属材料、金属材料制备加工与装备、金属材料高效设计与精细制备技术等五个方面介绍金属材料的国内外新进展，并对其发展趋势进行展望。
　　一、国际新进展
　　1. 金属结构材料
　　金属结构材料是经济中的关键主干材料。目前，针对金属结构材料的研究主要集中在镁合金、铝合金、钛合金、高温合金、高性能钢、金属基复合材料、高熵合金、金属间化合物等材料体系。
　　美国劳伦斯伯克利国家实验室等发现了高屈服强度诱发晶界分层开裂增韧的新机制，获得了兼具极高屈服强度、极佳韧性、良好延展性的低成本超级钢?[1]。俄罗斯联合发动机制造集团采用超高压变形方法，制备出超细晶粒钛合金，提高了钛合金发动机叶片的强度和使用寿命。美国爱达荷国家实验室开发出的“617高温合金”，可在高达950℃的条件下使用，这是美国在2020年之前的30年中*个添加到《ASME锅炉和压力容器规范》（ASME Boiler and Pressure Vessel Code）中的新材料?[2]。美国得克萨斯农工大学等机构开发出可用于核裂变与核聚变反应堆的高性能氧化物弥散强化合金，提高了合金的高温强度和抗溶胀性?[3]。美国加利福尼亚大学伯克利分校等对中熵合金的短程有序结构进行可视化观测，发现调整热力工艺参数可改变纳米级的局部有序度，进而调整了合金的力学性能?[4]。
　　2. 金属功能材料
　　金属功能材料是指具有特定光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性的金属材料，是能源、计算机、通信、电子等现代科学的基础。当前金属功能材料的研究和开发热点集中在信息材料、能源材料、催化材料、生物材料、磁性材料、非晶材料以及智能材料等领域。
　　韩国科学技术研究院利用半导体制造工程中使用的金属薄膜沉积工艺，掌握了氢燃料电池催化剂金属纳米粒子量产技术?[5]。奥地利维也纳工业大学利用磁控溅射制备的薄膜Heusler合金热电材料，具有高达5～6的热电优值系数，显著提高了温差发电效率?[6]。德国马克斯？普朗克研究所等开发出一种具有高机械强度、高拉伸延展性、低矫顽力、中等饱和磁化强度和高电阻率的多组元软磁合金，为解决金属材料机械性能与软磁性能之间的矛盾提供了重要思路?[7]。
　　3. 结构功能一体化金属材料
　　结构功能一体化是金属材料发展的重要趋势，发展结构功能一体化器件是金属材料应用拓展的重要方向之一，金属构筑材料、金属超材料和金属含能材料是代表性的结构功能一体化金属材料。
　　金属构筑材料与传统材料的*大不同，在于其由大量含孔的微结构基元组合而成；微结构基元的多样性和可设计性，为轻质结构-功能一体化材料的发展开辟了新道路。在先进工程设计中，经常会同时考虑拓扑优化和含孔微结构，以获得更高效的轻量化效果。2022年，德国西门子公司发布白皮书，提出面向高温应用的构筑材料（designed material）理念，并在燃气轮机高温部件中，通过构筑不同微结构的发汗冷却流道，大幅提升了冷却效能?[8]（图1）。
　　图1　具有不同微结构冷却流道的高温合金构筑材料
　　超材料结构是由亚波长结构单元构成的具有超常物理特性的人工周期结构，可实现常规材料不具备的*特功能（如透波、隐形、负折射等）。金属是超材料*常用的材质。美国雷神公司开发出“透波率可控人工复合蒙皮材料”，该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面，实现了材料透波特性的人工控制。
　　金属含能材料是指高能量密度金属材料。美国国防部高级研究计划局（DARPA）设立Reactive Material Structures项目，集中研究金属间化合物型（如NiAl型）和锆基非晶合金型金属含能材料。此外，美国哈佛大学在极高压环境下研制出小块金属氢，金属氢的爆炸威力相当于相同质量TNT炸药的25～35倍，是已知威力*强大的化学爆炸物。
　　4. 金属材料制备加工与装备
　　世界主要先进工业国家正在开展高端金属构件的数字化、智能化的加工制造技术的研究，如德国工业4.0战略计划、美国先进制造伙伴计划、日本超智能社会5.0战略、英国工业2050战略计划、韩国制造业创新3.0计划以及美国国家航空航天局（NASA）的材料与制造2040路线图。
　　韩国工业技术研究院提出压铸大数据分析平台的体系结构和系统模块，以实现中小型企业的工厂智能化。德国弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所利用“数字孪生”方法为每个淬火前的铸件提供准确的状态描述，减少了铝合金压铸后的变形并进行了补偿?[9]。美国肯塔基大学等基于人工智能与大数据，构建出具有传感、获取和学习能力的人机交互模型，实现了对TIG焊焊接接头熔深的智能控制。
　　2018年美国发布的《先进制造业美国领导力战略》和2019年德国发布的《国家工业战略2030》均把增材制造（俗称3D打印）列为战略性关键技术领域，其中金属3D打印技术是*重要的部分。香港城市大学创造性地提出一种3D打印策略，通过调控熔池中不同粉末的混合程度，研发出一种高强度、高塑性的钛合金。澳大利亚皇家墨尔本理工大学发现在3D打印过程中使用超声波，可使金属合金晶粒更紧密。美国马萨诸塞大学等利用激光3D打印技术制备出具有高强韧性力学性能及各向同性特征的双相纳米片层共晶高熵合金，并揭示了合金的强韧化机理。
　　5. 金属材料高效设计与精细制备技术
　　材料基因工程颠覆性地以数据为驱动将高效计算、高通量实验和大数据与人工智能技术有机融合，促进传统的试错模式向模型预测转化，极大地提升了研发速度，降低了成本，代表国际新材料的*新发展趋势。欧美等发达地区或国家近年建成数十个材料基因工程创新平台，全面展开了材料数据库建设，使材料研发模式开始发生变革，已设计出高性能高温合金、战斗机起落架用钢、苹果手表壳体专用铝合金等多类新型金属材料。
　　材料的原子制造是指在原子尺寸上直接将单个原子装配成纳米结构甚至微器件，并实现批量生产、满足所需要求的前沿制造技术，是突破当前科技前沿制造瓶颈的下一代制造技术，对未来科技发展和高端元器件制造具有重大意义。显微技术在分辨率、原位表征等方面的技术进步，为观察单个原子或原子单元在电子束作用下的动力学行为奠定了基础?[10-12]。数字化技术的引入，有效地提高了可控电子束作用下原子行为操纵的精确度和可靠性?[13]。
　　二、国内新进展
　　近年来，我国在金属材料领域取得一系列重要进展：建成全球门类*全、品种和产量规模**的金属材料产业体系；基础研究水平显著提高；高端关键金属材料的制备和加工技术迈上新台阶。
　　1. 金属结构材料
　　我国已建成全球门类*全、品种与产量规模**的金属材料产业体系，形成庞大的材料生产规模，钢铁、电解铝、原镁、有色金属、稀土金属等材料产量达到世界**。
　　北京科技大学等研发出一种仅通过简单轧制和退火工艺即可获得高性能超细晶钢的工业化晶粒细化技术，并利用它制备出屈服强度达到710?MPa、抗拉强度高达2000?MPa、均匀真应变超过45%的超细晶钢?[14]。宝武钢铁集团有限公司全球*发QP系列第三代汽车钢，为汽车厂提供了与现有热冲压钢同级别的冷冲压解决方案，可有效提升用户的生产效率，降低综合成本。
　　以上海交通大学、重庆大学、西安交通大学为代表的国内研究机构在稀土镁合金设计、铸造与变形工艺优化、微观变形与腐蚀机理等方面取得突出成绩。高性能轻质镁稀土合金材料已成功用于直升机关键复杂承力部件，20余种镁合金材料列入国家标准牌号。
　　我国自行研制的新型高强韧铸造铝合金、第三代铝锂合金、高性能铝合金型材的性能均达到国际先进水平。与2008年发布的《变形铝及铝合金化学成分》（GB/T 3190—2008）相比，2020年3月发布的《变形铝及铝合金化学成分》（GB/T 3190—2020）中新增加29个国产铝合金牌号。上海交通大学等开发的SiC/Al、B4C/Al、金刚石/Al等增强类铝基复合材料已应用于“载人航天”“探月工程”“北斗导航”等国家重大工程任务中。

目录
前言 i
第一章 材料技术新进展 1
1.1 金属材料技术新进展 3
1.2 新型陶瓷材料技术新进展 13
1.3 碳纤维材料技术新进展 20
1.4 石墨炔技术新进展 31
1.5 3D打印材料技术新进展 41
1.6 太赫兹量子级联激光器新进展 50
1.7 材料信息学技术新进展 58
第二章?能源技术新进展 69
2.1 油气开采技术新进展 71
2.2 煤炭清洁高效利用技术新进展 78
2.3 太阳能技术新进展 87
2.4 风力发电技术新进展 96
2.5 海洋能技术新进展 103
2.6 先进核能技术新进展 113
2.7 电化学储能技术新进展 121
2.8 先进制氢技术新进展 131
2.9 节能技术新进展 141
2.10 新型电网技术新进展 149
2.11 综合能源系统技术新进展 159
第三章?材料和能源技术产业化新进展 167
3.1 半导体硅材料现状及产业化新进展 169
3.2 低维碳材料产业化新进展 176
3.3 高端稀土功能材料产业化新进展 184
3.4 海洋工程重防腐材料产业化新进展 190
3.5 煤炭间接液化产业化新进展 197
3.6 煤制烯烃技术产业化新进展 207
3.7 核能技术产业化新进展 213
3.8 先进储能电池产业化新进展 220
3.9 压缩空气储能技术产业化新进展 227
第四章?高技术产业国际竞争力与创新能力评价 235
4.1 中国高技术产业国际竞争力评价 237
4.2 中国高技术产业创新能力评价 260
第五章 高技术与社会 281
5.1 纳米生物安全性问题及应对策略 283
5.2 中国科研人员参与“开放获取”的现状、问题与对策 290
5.3 中国科技伦理教育的问题与趋势 298
5.4 核电再次腾飞的挑战 306
5.5 美国材料基因组计划的科学意义和政策含义 314
5.6 拓展开放科学的边界：从开放获取到开放社会 321
第六章 专家论坛 329
6.1 新材料产业发展战略与创新实践 331
6.2 中国制造业高质量发展现状与政策建议 339
6.3 “双碳”背景下创新政策范式转型与思考 350
6.4 打造高能级创新联合体加快科技自立自强的思路与对策 357
6.5 “双碳”背景下氢燃料电池汽车发展现状、挑战与政策建议 363
6.6 战略性新兴产业未来发展与政策建议 371
6.7 “链时代”产业发展的战略选择 377
CONTENTS
Introduction i
Chapter 1 Progress in Material Technology 1
1.1 Metallic Materials Technology 3
1.2 New Ceramics Materials Technology 13
1.3 Carbon Fiber Materials Technology 20
1.4 Graphdiyne Technology 31
1.5 3D Printing Materials Technology 41
1.6 Terahertz Quantum Cascade Laser 50
1.7 Materials Informatics Technology 58
Chapter 2 Progress in Energy Technology 69
2.1 Oil & Gas Exploitation Technology 71
2.2 Clean and Efficient Coal Utilization Technology 78
2.3 Solar Technologies 87
2.4 Wind Power Generation Technology 96
2.5 Ocean Energy Technology 103
2.6 Advanced Nuclear Energy Technology 113
2.7 Electrochemical Energy Storage Technology 121
2.8 Advanced Hydrogen Production Technology 131
2.9 Energy Conservation Technology 141
2.10 New Power Grid Technology 149
2.11 Integrated Energy System 159
Chapter 3 Progress in Commercialization of Materials and Energy Technology 167
3.1 The Current Situation and New Commercialization Progress of Semiconductor Silicon Materials 169
3.2 Commercialization of Low-dimensional Carbon Materials 176
3.3 Commercialization of Advanced Rare Earth Functional Materials 184
3.4 Commercialization of Ocean Engineering Heavy Anti-corrosive Materials 190
3.5 Commercialization of Indirect Coal-to-Liquid Technology 197
3.6 Commercialization of Coal to Olefin Technology 207
3.7 Commercialization of Nuclear Power Technology 213
3.8 Commercialization of Advanced Battery for Energy Storage 220
3.9 Commercialization of Compressed Air Energy Storage Technology 227
Chapter 4 Evaluation on High Technology Industry International Competitiveness and Innovation Capacity 235
4.1 Evaluation on International Competitiveness of Chinese High Technology Industry 237
4.2 The Evaluation of Innovation Capacity of Chinese High Technology Industry 260
Chapter 5 High Technology and Society 281
5.1 The Biosafety Issues of Nanomaterials and Coping Strategies 283
5.2 Chinese Scientists’ Participation in Open Access：Current Situation，Problems and Policy Suggestions 290
5.3 The Problems and Trends of Science and Technology Ethics Education in China 298
5.4 The Challenges to Nuclear Power Redevelopment 306
5.5 The Scientific Significance and Policy Implications of the American Materials Genome Initiative 314
5.6 Expanding the Boundary of Open Science：from Open Access to OpenSociety 321
Chapter 6 Expert Forum 329
6.1 New Material Industry Development Strategies and Innovation Practice 331
6.2 Status and Policy Suggestions of High-quality Development of China’s Manufacturing Industry 339
6.3 Innovation Policy Paradigm Transformation and Thinking under the Background of“Carbon Peaking and Neutrality Goals” 350
6.4 High-level Innovation Consortium for S＆T Self-reliance and Self-improvement 357
6.5 Development Status，Challenges and Policy Recommendations of Hydrogen Fuel Cell Vehicles under the Background of“Carbon Peaking and Neutrality Goals” 363
6.6 Future Development and Policy Suggestions for Strategic Emerging Industries 371
6.7 Strategic Choice of Industrial Development in“Chain Era” 377