1技术创新与材料

随着社会的发展，对基于科学技术成果的技术创新要求越来越高。同时希望通过技术创新来激活经济，促进社会的发展。虽然目前先进科学技术的研发重心仍在欧、美、日等国家，但韩国、中国和中国台湾很有可能在未来短时间内就会赶超日本。因此，不断研发创新性科学技术，同时通过技术的有效组合达到技术创新目的，增强产业的竞争力是很重要的。这也印证了达尔文的“物竞天择，适者生存”的名言。企业如果不实施创新，就一定会走向灭亡。

从历史发展进程来看，新材料开发是技术创新的源泉，它经历了石器、陶器、青铜器和铁器时代。从最近100多年的材料研发来看，18世纪后半期的钢铁材料的开发、19世纪初期的高分子和铝合金的开发，以及第二次世界大战后陶瓷、半导体和复合材料的开发，引发了大量运输、大量消费、经济高度发展和IT革命，这种材料的创新的确成为了技术创新的原动力。特别重要的是，掀起大量技术创新的材料无处不在，成为技术创新源泉的材料生生不息，新材料层出不穷。

进入21世纪，随着金属、陶瓷和高分子材料的快速发展，世界开始进入了一个以碳为中心的纳米材料时代。今后社会的发展方向是构建环保和节能的可持续发展的社会。纳米材料的研究是一个意义重大的研究课题。

在日本生产的工业产品中，从出口量来看，工业材料的出口量急剧增长，处于第一位。工业材料的出口量依次为钢铁、有机化合物、有色金属、塑料。钢铁材料仍是重要的出口产品，它是制造业不可替代的结构材料，由此表明，结构材料的重要性。

结构材料由金属、陶瓷、聚合物和复合材料构成，但今后复合材料的重要性会与日俱增。另一方面，自古以来材料本身就是由加工、结构、组织和性能构成。从“能够使用才是材料”的观点来看，材料的使用性能具有重要意义。就结构材料来说，必须达到强度、延性和韧性的平衡，而且材料的焊接、加工工艺、蠕变（随时间推移产生的断裂）、疲劳和腐蚀等现象已成为重要的研究课题。另外，可以说采用无损探伤检查来发现缺陷，采用断裂力学来评价寿命，并将它们与结构设计结合起来是材料科学的创新性课题。

一般来说，提高强度会使延性和韧性下降。因此，在材料产生宏观裂纹前进行了增大裂纹发展阻力的试验，即在发生微观裂纹后，对裂纹前端的应力集中点进行缓和。也就是说，在发生小断裂之后，对裂纹前端的应力集中点进行缓和，可以防止发生更大的断裂。这种例子与TRIP钢的开发有共通之处，它与在复合材料中导入短纤维，利用微观裂纹来提高韧性，并将层状组织和等轴组织组合的不同组织的导入也有关系。这一概念也可以说是断裂安全材料开发的思路，但作为同时提高强度和延性及韧性的手段，还有许多需要研究的地方，可以说它是包括复合材料在内的结构材料研究的发展方向。

2日本结构材料最新研究项目

近来，结构材料研究的趋势发生了明显变化。日本未来发展的重点研究项目是“创新性结构材料”研究项目（下称“NEDO研究项目”）；作为从2014年就开始实施的战略技术创新项目之一的“创新性结构材料”研究项目。这些项目的研发目的就是要保障国家安全和实现低碳节能，而且通过有效利用稀有金属等提高日本的产业竞争力。以下就日本最近的结构材料研究的两个重点项目进行介绍。

2.1创新性结构材料研究项目——高比强度材料的开发

NEDO（创新性结构材料）研究项目以开发高比强度材料为目的，它可应用于输送机械，尤其是可实现汽车的多材质化。镁合金可应用于铁道车辆；铝合金可应用于航空器机身。这也是日本经济产业省10年研究项目之一。它由36家企业、1个独立法人和1所大学共同成立了新结构材料技术研究小组，再委托115所大学和作为独立行政法人等的研究人员参与相关研究。

根据车辆重量与CO₂排放量的关系可知，到2020年，欧美汽车CO₂排放量标准预计将由目前的140g/km下降到95g/km，这就要求汽车必须实现轻量化。以车身减小100kg重量为例，1.3t的汽车可减少CO2排放量为15g/ km。为此，开始进行针对钢铁、铝合金、镁合金、钛合金以及碳纤维强化塑料复合材料（CFRP）的开发。在该研究项目中，进行开发的是热可塑性树脂，而不是航空用热硬化性树脂。纤维是使用短纤维，而不是连续纤维，它可有效应对加工性和降低成本的挑战，在不同的部位使用不同的开发材料就是多材质化的表现。

欧美已经率先进行了一些开发。例如，在2015年巴黎汽车展上，法国雷诺公司推出的多材质模型汽车，在侧梁和前梁使用钢铁材料，车门使用铝合金，车顶部使用镁合金，车底部使用玻璃纤维强化热可塑性树脂。宝马公司已发售使用CFRP制作的电动汽车。世界各大汽车公司都在积极探索汽车多材质化的发展趋势。作为多材质中最重要的技术之一是各种材质的焊接技术。为实现各种材料及1500MPa级高强度钢的焊接，各公司都对摩擦搅拌焊接技术进行了开发。此时，比强度和抗弯刚性是重要的力学特性。如果考虑到比强度和延伸率，就有可能应用于各种金属材料，但如果考虑到抗弯刚性（比刚度），可以说CFRP是最理想的材料。

但是，除了这些特性外，在生产和使用时，总的CO2排放量以及材料的生产成本也是重要的考量因素。根据比强度计算，钢铁材料的成本是CFRP的1/10左右，如果考虑到良好加工性和结构设计的技术积累，可以说钢铁材料的优势并不是轻易就可取代的。

关于高强度、高延性中高碳钢材料开发的现状如下：目前，日本有3家钢铁公司进行了开发。虽然利用轻元素强化晶界、控制奥氏体组织和高精度控制碳量是研究开发的中心，但解析评价技术也是很重要的，因此，可以说利用中子射线或X射线，以及利用原子探针等对纳米组织进行观察的技术已有了很大提高，而且纳米技术本身已应用于钢铁材料。可以预计将来还将对叠加材料的技术和使用激光焊接高强度钢的技术进行开发。

2.2创新性结构材料研究项目——耐热材料的开发和材料集成

日本自内阁府设立综合科学技术与技术创新会议以来，首次由内阁府自身实施的研究开发项目和战略创新研究项目（SIP）从2014年开始启动。旨在提高产业竞争力的10个研究项目中的其中之一是“创新性结构材料研究”项目。与先前的NEDO研究项目一样，它是一个大型研究项目，它以航空器机身和发动机用耐热材料的开发和将材料计算科学、理论及实验统一起来的“材料集成”为目标。该项目由35所大学、20家企业及来自10所公立研究所的130名研究人员共同参与，从基础技术到应用开发，全部采取产学研的形式共同研究开发。

在该研究项目中，除了航空器机身采用CFRP的制作工艺开发外，还开发了采用耐热钛镍锻造技术生产转动叶片的技术，并对在超高温条件下使用的陶瓷涂敷技术进行了集中研发。可以说，该材料的研发将促进日本航空产业的发展。另一方面，材料集成的目的就是要通过理论、计算科学和实验等基础数据的组合，构建预测材料和零部件性能的预测系统，缩短材料的开发时间。可以说，材料计算科学的构建与结构材料的信息学与美国的基因组研究计划是相通的。

3未来的结构材料研究

材料工学由采矿和冶金生产流程构成，物质科学由物理和化学学科派生。近年来，两者的区分已不明显，一般认为可将它们作为材料科学进行研究。尤其是，生物学和材料科学的联系越来越密切，而且为实现材料集成，有必要与数学学科进行结合研究。

电子、原子和分子的纳米级观察与结构控制还包含了纳米工艺学和大数据的处理，引入信息学的材料集成必将成为材料研究的两个重要的基础技术。在这些基础技术的基础上，必须构建提高新材料开发的技术和不同产业出口战略所要求的材料技术。

为实现上述目的，大学里的材料专业系应从技术创新方面进行改革，企业应从自己负担研究费用的困境中走出来，研究开发法人要强化共同研究的桥梁作用，创建产学研共同研究开发的平台。 （廖建国）