材料是现代社会发展的基础保障，在各个领域都有着极为广泛和重要的应用。“一代装备，一代材料”向“一代材料，一代装备”的转变，彰显了材料的战略作用。发展材料技术既可促进我国战略性新兴产业的形成与发展，还将带动传统产业和支柱产业的技术提升和产品的更新换代。近20年来，材料领域围绕国家发展战略目标，紧密结合经济社会发展重大需求，经过不懈努力，在关键技术突破、重大产品与技术系统开发、重大应用与示范工程方面已经取得了一系列可喜的成果。但是在某些涉及重要部件的高端材料上，国内研发仍落后于欧美发达国家，这些“卡脖子”的材料难题亟待解决。材料学科的未来发展将在挑战中迎来新的机遇，在需求牵引下体现出基础研究的重要性。

以金属结构材料为例，一方面对高性能材料的需求不断提升，另一方面传统的材料设计、制备和评估体系逐渐凸显出其局限性。新时期下的金属结构材料发展具有以下几个特点：

一、面向复杂服役环境下的多性能需求。多性能需求对材料选择而言不是增加了自由度，而是增加了制约度。例如航天航空和交通运输领域对所用金属材料的基本需求是轻质高强，进一步的需求是耐热抗蚀；极端服役环境下的金属材料还需要具备特殊的性能，如核能领域用金属材料除了高强、耐热、抗蚀外，抗辐照能力也是其基本的性能要求。多性能需求所带来的不仅仅是选材受限的问题，更多的是在材料性能调控过程中不同性能之间“此消彼长”的权衡困难。典型的如强度与塑性之间的互斥关系，材料强度提高的同时往往塑性会降低，影响了加工变形和服役稳定性；又如轻质与耐热之间的矛盾，交通运输领域“轻量化”的发展趋势增加了低密度金属材料如铝合金和镁合金的使用权重，但是这些轻合金的耐热温度远低于高密度的钢铁、钨钼等金属材料，不可避免地导致速度受限和效率偏低。多性能需求下的材料发展需要新的设计策略和调控手段。

二、基于原子尺度组织优化的可控制备。工程用金属材料由于添加元素多、制备加工工序复杂等原因，通常含有从微米到原子尺度不同层级的特征微观组织。早先的表征设备和表征手段只能精确到纳米量级，因此对组织的认识和调控也只限于到纳米层级。近年来伴随着三维原子探针和球差透射电镜等先进表征手段的逐渐发展和完善，原子尺度的组织信息已经可以大规模和精确地表征，这些科学层面基础内涵的扩展和深化势必会激发新的微观组织优化设计途径，并确保相关制备的可控性。例如，通过溶质原子界面偏聚来改善轻合金的耐热性能，通过原子原子团簇来实现材料强度与塑性的同步提升。

三、辅以计算材料科学的合金集成设计。结构金属材料的高质量、可持续发展除了在微观层面上需要拓展到原子层级的表征和调控以外，还需要在宏观层面上摆脱“炒菜式”的传统研究方法，结合计算材料科学的高通量计算和大数据分析，实现合金材料成分—工艺—组织—性能的集成设计。而集成设计的关键，是以材料不同性能所对应的特征微观组织为基本出发点，将材料制备和加工过程中的组织演变分别与前端的成分设计和后端的宏观性能相关联，通过计算、模拟和有限的实验验证，形成高性能化的成分和组织设计原理与技术原型，并大幅度缩短新材料研发的周期。这也是材料基因组计划的内涵和精髓所在，必将对材料发展产生深远的影响。

在当前材料变革性发展的同时，国家重大需求对材料完全“国有化”的呼声也达到了前所未有的高度。相应地，金属结构材料的学科发展需要重点关注以下几个方面：

一、深耕基础研究，积极面向应用。材料的高性能化进程并非一蹴而就，而是在内在机理透彻掌握基础上的厚积薄发。基础研究始终是技术发展的原动力，只有在基础研究上处于领先地位才能真正在技术上“国有化”，从根本上解决“卡脖子”困境。另一方面，工业需求是技术发展的驱动力，材料科学基础研究的终极目标是工程应用。“精研于理，寓理于材，塑材成器，重器于用”，这是材料学科发展的简要写照。

二、鼓励设备研发，建设高质队伍。材料科学的发展在一定程度上取决于设备的发展。现有的高端材料制备设备和分析设备主要源于欧美先进国家，这极大地限制了关键材料的“国有化”。“工欲善其事，必先利其器”，应该鼓励相关工科多专业融合，共同攻克高端设备自主研发难题。在硬件建设的同时，加强高质量队伍建设，包括科研人员队伍、技术人员队伍和具有大局感的管理人员队伍。给予一定的政策倾斜，让他们乐于定目标于未来而不是眼前。

三、规范校企合作，保障知识产权。材料学科的发展是与应用相互促进的。目前国内材料领域的基础研究多在高校开展，而企业更关注直接的工业应用，校企合作是材料技术发展最有效的途径之一。近年来在各级部门的积极倡导和牵引下，已经开展了广泛的校企合作，也产出了一大批示范性成果。但是校企合作的规范性仍然需要加强，只有建立起完善、合理和透明的政策法规，才能杜绝“店大欺客”或者“客大欺店”的不平等合作模式，保障双方合法权利，增强合作积极主动性，最终促进材料学科的可持续性繁荣发展。

个人简介：刘刚，教授，博士生导师。国家级人才，德国洪堡学者。长期从事金属材料强韧化与变形断裂方面的研究，目前担任Science Bulletin、JMST、Rare Metals等十余个学术期刊的副编辑或编委；担任中国机械工程学会材料分会副主任、中国材料研究学会疲劳分会理事、中国材料研究学会青年委员会理事、中国体视学学会金相与显微分析分会理事等。