材料的技術(shù)創(chuàng)新

1、材料的技術(shù)創(chuàng)新新材料，又稱先進(jìn)材料，是指新近研究成功和在研制中的具有優(yōu)異特性和功能，能滿足高技 術(shù)需求的新型材料。人類歷史的發(fā)展表明，材料是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，而新材料則 是社會(huì)進(jìn)步的里程碑，新材料技術(shù)成果的取得與其技術(shù)創(chuàng)新方法高度關(guān)聯(lián)。但目前在國內(nèi)， 對(duì)新材料發(fā)展中的技術(shù)創(chuàng)新方法尚且缺少必要的知識(shí)，對(duì)其重要性認(rèn)識(shí)不足，在技術(shù)創(chuàng)新活 動(dòng)中也不善于總結(jié)新材料發(fā)展背后的方法和規(guī)律，原創(chuàng)性成果很少。為此，本文在介紹國外 典型創(chuàng)新軌跡與技術(shù)創(chuàng)新方法研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合金屬材料發(fā)展中具有實(shí)用性和可操作 性的部分技術(shù)創(chuàng)新成果，對(duì)新材料發(fā)展中的技術(shù)創(chuàng)新方法問題進(jìn)行探討，以期吸引更多的專 家學(xué)者、企業(yè)

2、等共同參與到對(duì)新材料領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新方法的研究應(yīng)用中來，不斷提高我國新材 料產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新能力。一、國外的典型創(chuàng)新軌跡與技術(shù)創(chuàng)新方法1、典型創(chuàng)新軌跡如果從某一角度或截面出發(fā)，是難以全面理解技術(shù)創(chuàng)新方法本質(zhì)內(nèi)涵的，因?yàn)榧夹g(shù)創(chuàng)新方法 實(shí)質(zhì)上是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理、創(chuàng)造學(xué)等多學(xué)科方法和工具的融合。美國的創(chuàng)新軌跡就是對(duì)技 術(shù)創(chuàng)新方法進(jìn)行全面理解的一種具體實(shí)踐，其創(chuàng)新實(shí)踐結(jié)果證明也是非常成功的：在克林頓 政府的兩屆任期內(nèi)(19922000年)，美國重新恢復(fù)并保持其世界最大出口國和國際競(jìng)爭(zhēng)力最 強(qiáng)的地位；在高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)保持領(lǐng)先的同時(shí)，不少傳統(tǒng)制造業(yè)也重新奪回生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，并一舉 扭轉(zhuǎn)了連續(xù)30年的政府財(cái)政赤字；美國率

3、先進(jìn)入知識(shí)經(jīng)濟(jì)或創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)時(shí)代。從美國的創(chuàng)新軌跡，我們從中可清晰地看到，體現(xiàn)美國國家意志的創(chuàng)新活動(dòng)起始于20世紀(jì) 60 70代；到20世紀(jì)80年代里根政府期間，美國進(jìn)入了創(chuàng)新政策蓬勃發(fā)展期；到了20世 紀(jì)90年代，美國制造業(yè)受到了日本的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，克林頓政府發(fā)布了更強(qiáng)勁有力的促進(jìn)創(chuàng)新 的方針政策和目標(biāo)文件，并簽署命令成立“國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)”(NSTC)和總統(tǒng)科技顧問委 員會(huì)(PCAST，1993.11)，形成了由國家制定相應(yīng)的創(chuàng)新政策，有計(jì)劃地予以強(qiáng)力推動(dòng)和實(shí)施 的管理機(jī)制，并由此確立了創(chuàng)新在國家發(fā)展中的重要地位。2、典型技術(shù)創(chuàng)新方法伴隨著技術(shù)創(chuàng)新研究的逐步發(fā)展，創(chuàng)新方法逐漸豐富起來，據(jù)不完全統(tǒng)

4、計(jì)，目前已提出的創(chuàng) 新方法有300多種，從適用范圍劃分，其中典型的創(chuàng)新方法有：基于創(chuàng)造學(xué)的技術(shù)創(chuàng)新方法、 基于用戶需求的技術(shù)創(chuàng)新方法、基于新產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新方法、基于產(chǎn)品和技術(shù)管理的技 術(shù)創(chuàng)新方法、基于創(chuàng)新規(guī)律的技術(shù)創(chuàng)新方法等。從具體品種劃分有：頭腦風(fēng)暴法、綜攝法、 形態(tài)分析法、信息交合法，“5W2H”法、奧斯本核表法、屬性列舉法、TRIZ，中山正和法、 六頂思考帽法、公理化設(shè)計(jì)方法等。實(shí)踐證明，能掌握一些典型的創(chuàng)新方法，并用這些方法來指導(dǎo)創(chuàng)新活動(dòng)，可以加快人們創(chuàng)造 發(fā)明的進(jìn)程，幫助企業(yè)提高技術(shù)創(chuàng)新的效率，更有效地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)。因篇幅所限，下 面只對(duì)奧斯本核表法、TRIZ和六頂思考帽法作

5、簡(jiǎn)單介紹。奧斯本柱表法鑒于檢核表法是從“5W2H”法的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的，先對(duì)“5W2H”法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。“5W2H”法亦稱為七何分析法，含義是：Why，What，Where、When、Who、HOW、HOW much。 人們利用這7個(gè)問題進(jìn)行設(shè)問，探尋創(chuàng)新思路，構(gòu)思設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新的發(fā)明創(chuàng)造。核表法是奧斯本檢核表法，包括9個(gè)大問題：有無其他用途、能否借用、能否改變、能否擴(kuò) 大、能否縮小、能否代用、能否調(diào)整、能否顛倒、能否組合。人們?cè)趧?chuàng)新的過程中，可以根 據(jù)檢核表上所列條目逐一分析問題的各個(gè)方面。發(fā)明問題解決理論TRIZTRIZ是俄文的英文音譯“Teoriya Resheniya Izobrea

6、tatelkikh Zadatch”的縮寫，我國有學(xué)者將其 作“萃智,，。TRIZ理論核心包括9個(gè)部分：8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化路徑、最終理想解 IFR(Ideal Final Result). 40個(gè)發(fā)明原理、39個(gè)通用過程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾和分離原 理、物場(chǎng)模型分析、標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)算法(ARIZ).物理效應(yīng)庫。(3)六頂思考帽法六頂思考帽法是指，首先戴上白色的中立帽子陳述問題，再戴上綠色的活力帽子提出設(shè)想方 案，然后戴上黃色的正面帽子列舉目標(biāo)事物的優(yōu)點(diǎn)，接著戴上黑色的負(fù)面帽子列舉目標(biāo)事物 的缺點(diǎn)，繼而戴上紅色的評(píng)判帽子對(duì)所提出的設(shè)想進(jìn)行評(píng)判，最后戴上藍(lán)色的指揮帽子篩選 方K。二、新材

7、料發(fā)展中的技術(shù)創(chuàng)新方法探討胡錦濤總書記在十七大報(bào)告中就明確提出了 “推進(jìn)學(xué)科體系、學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、科研方法創(chuàng)新”的重 要思想，溫家寶總理在2007年給王大珩等三位老科學(xué)家所提出的“關(guān)于加強(qiáng)我國創(chuàng)新方法工 作的意見”的批復(fù)中，也充分肯定了“自主創(chuàng)新，方法先行”的重要性。因此，重視對(duì)科研方 法和技術(shù)創(chuàng)新手段的研究，是提高我國新材料產(chǎn)業(yè)科學(xué)技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ) 性工作，需要引起大家的高度重視。下面，摘取金屬材料技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新中的幾個(gè)案例，套用奧斯本檢核表中部分大問題的邏輯推 理，對(duì)新材料發(fā)展中的技術(shù)創(chuàng)新方法進(jìn)行初步探討。1、“能否擴(kuò)大”一一創(chuàng)新的合金：新型多主元高熵合金傳統(tǒng)的合金材料幾乎都是以一

8、種金屬元素為主，通過添加不同的合金元素獲得具有某些特殊 性能的合金，例如以鐵為主元的鋼鐵材料、以鋁為主元的鋁合金、以銅為主元的銅合金等。 添加合金元素可以改善合金的性能，如提高強(qiáng)度與韌性、耐蝕性、耐磨性等，但是加過多的 合金元素種類會(huì)導(dǎo)致很多脆性金屬間化合物的出現(xiàn)，惡化合金的機(jī)械性能；同時(shí)過多的化合 物會(huì)對(duì)合金組織的研究不利，分析比較困難。所以，一直以來，人們開發(fā)新型合金和改善合 金都是基于以一種合金為主元(一般超過50%)的觀念，通過添加少量合金元素和改善工藝方 法，以獲得組織和性能良好的合金?！澳芊駭U(kuò)大”增加組元生產(chǎn)多主元合金材料？1995年，中國臺(tái)灣清華大學(xué)葉均蔚等突破材料設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)觀念

9、，提出了新的合金設(shè)計(jì)理念， 制備“多主元高熵合金(multielement high-entropy alloys)”。研究發(fā)現(xiàn)高熵合金因具有很高的 熵和原子不易擴(kuò)散的特性，容易獲得熱穩(wěn)定性高的固溶相和納米結(jié)構(gòu)，甚至非晶結(jié)構(gòu)，不同 的合金顯示不同的特性，現(xiàn)有傳統(tǒng)合金還沒有哪種合金可以同時(shí)具備以上優(yōu)異性能。多主元 高熵合金，主要組元多于5種金屬或金屬與非金屬，是經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成具 有金屬特性的材料。中國臺(tái)灣對(duì)多主元高熵合金的研究取得了較多成果，有了一定的研究經(jīng) 驗(yàn)，而大陸的研究剛剛起步，最早是清華大學(xué)開始研究，現(xiàn)在北京科技大學(xué)、吉林大學(xué)、山 東科技大學(xué)等學(xué)者也開展了相關(guān)研究工作。多

10、主元高熵合金有成千上萬個(gè)合金系統(tǒng)，為我們 提供了開拓新材料、新現(xiàn)象及新功能等的許多機(jī)會(huì)，使得多主元高熵合金具有豐富的應(yīng)用潛 能和廣闊的應(yīng)用前景。2、“能否顛倒”一一新興的研究領(lǐng)域：納米多孔金屬材料脫合金可導(dǎo)致合金材料多孔化，是電化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)常見現(xiàn)象，過去的研究重點(diǎn)是如何避免 該現(xiàn)象的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)金屬一一特別是合金材料的防護(hù)?！澳芊耦嵉埂币灰患涌旄g生產(chǎn)多孔金屬材料？從2001年開始，丁軼教授在美國攻讀博士學(xué)位期間，以反常規(guī)思路，即加快腐蝕，制備出 一系列具有新穎結(jié)構(gòu)特性的金屬納米材料，即納米多孔金屬材料，并由此開拓出多孔金屬材 料這一新興研究領(lǐng)域。材料科學(xué)研究領(lǐng)域著名的綜述性刊物MRS B

11、ulletin)(2009, 34 (8)： 2569-576)以封面介紹的方式刊登我國山東大學(xué)材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 和化學(xué)與化工學(xué)院丁軼教授與國際同行共同撰寫的綜述文章，該論文全面展示了他們近年來 在納米多孔金屬催化及光學(xué)特性方面的研究成果，并評(píng)述了納米多孔金屬材料這一新興研究 領(lǐng)域的最新進(jìn)展和今后發(fā)展方向。丁軼教授根據(jù)山東大學(xué)學(xué)科特點(diǎn)和國際發(fā)展趨勢(shì)，在國際 上率先開展了納米多孔金屬材料催化和電催化研究，2003-2005年，丁軼教授接連在材料學(xué) 及化學(xué)頂尖刊物發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，引起國際同行的關(guān)注和好評(píng)。2005年開始，國際上 對(duì)納米多孔金屬材料的研究全面興起，同年底，丁

12、軼博士接受了山東省首批泰山學(xué)者特聘教 授崗位，在山東大學(xué)開始建設(shè)國內(nèi)第一個(gè)納米多孔金屬材料學(xué)科方向。自2007年以來，丁 軼教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組已經(jīng)就相關(guān)課題發(fā)表論文20余篇，全部發(fā)表在材料物理與化學(xué)領(lǐng)域的 國際權(quán)威刊物上，并被國際同行大量引用。這次美國材料研究學(xué)會(huì)的頂級(jí)刊物邀請(qǐng)丁軼教授 就相關(guān)研究撰寫綜述文章，意味著山東大學(xué)的納米多孔金屬材料研究已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水 平。3、“能否改變”更輕的金產(chǎn)品：泡沫金屬材料將金屬發(fā)泡制成更輕的產(chǎn)品是人們長(zhǎng)久以來的設(shè)想?！澳芊窀淖儭卑l(fā)泡處理生產(chǎn)更輕的金屬材料？自1948年第一次提出利用汞在鋁熔體中氣化制取泡沫鋁后，具有高孔隙度(40%98%)的金 屬材料得到了

13、迅速發(fā)展。泡沫金屬是一種新型多功能復(fù)合材料，經(jīng)過發(fā)泡處理在其內(nèi)部形成 大量氣泡，這些氣泡分布在連續(xù)的金屬相中構(gòu)成孔隙結(jié)構(gòu)，所以泡沫金屬具有質(zhì)量輕、透氣 性好，吸附性強(qiáng)、吸音，隔熱，不燃燒、強(qiáng)度高、重復(fù)使用性好等特性，應(yīng)用前景極為廣闊。 泡沫金屬過去用于軍事，今天已由秘密領(lǐng)域走向更為商業(yè)化的應(yīng)用領(lǐng)域。美國、德國、英國、 日本、挪威、加大等國的一些企業(yè)正在進(jìn)行金屬泡沫化的生產(chǎn)和應(yīng)用工作，并取得了新的進(jìn) 展。我國對(duì)泡沫金屬的研制始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過1O多年的探索和研究，東南大學(xué)、 貴州科學(xué)院、大連理工大學(xué)、西南鋁加工廠等一些研究單位已初步掌握了泡沫金屬的生產(chǎn)方 法，其中以東南大學(xué)、貴州科學(xué)院最

14、為領(lǐng)先。特別是貴州科學(xué)院采用直接發(fā)泡法，用廉價(jià)的 發(fā)泡劑成功制取了較大規(guī)格的泡沫鋁型材，經(jīng)中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等單位測(cè)試，其吸音、 屏蔽、減震抗沖擊效果、密度等性能指標(biāo)，均達(dá)到國外同類產(chǎn)品指標(biāo)。目前東南大學(xué)對(duì)泡沫 金屬的制備及性能研究非常活躍，主要側(cè)重于用滲流法制備泡沫鋁，并對(duì)滲流法進(jìn)行模擬試 驗(yàn)，用滲流法制備了泡沫鋁高分子復(fù)合材料。河北工業(yè)大學(xué)采用添加造孔劑的方法，成功地 制備出高熔點(diǎn)泡沫鐵，也取得了可喜的成果。三、結(jié)語法國著名數(shù)學(xué)家勒奈笛卡爾(Rene Descartes)曾說過：“人類歷史上最有價(jià)值的知識(shí)是方法 的知識(shí)”。通過簡(jiǎn)單尋覓美國的創(chuàng)新軌跡，了解美國創(chuàng)新實(shí)踐的成功做法；通過了解國外典 型的技術(shù)創(chuàng)新方法，初步探討金屬材料創(chuàng)新發(fā)展中的技術(shù)創(chuàng)新案例，對(duì)于成長(zhǎng)中的中國戰(zhàn)略 性新材料產(chǎn)業(yè)來說