航空材料要求具有高性能、高可靠性、高技术成熟度，因此相对于其他工业领域，航空材料研发的周期更长。早在1955年，钱学森就指出，飞机材料要能经受住长期的服役考验，发展航空飞机的困难在材料，而材料问题不是一下子就能解决的，得靠经验积累。自1956年中航工业北京航空材料研究院（以下简称中航工业航材院）建立以来，我国航空材料的发展经历了从无到有，从小到大的发展过程，取得了许多关键性技术的突破和大量研究成果，正在不断创新航空结构材料、发动机材料等关键材料技术。

    材料基因组计划

    2011年，美国提出了 “材料基因组计划”。该计划的首要目标是促进材料行业全体参与者，包括政府部门、工业部门、专业社团以及学术界的大力合作。材料基因组的基础结构包括计算工具、实验工具、数字化数据以及协作网络四大部分。正如生物DNA序列数据的开放共享加速了人类基因组计划的进程、促进了生物信息技术产业的形成壮大，材料基因组计划通过材料数据的私密性和公开性的协调统一，扩大实验仪器、模拟计算工具、材料基础数据的可获取性，把发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高一倍，从而保持美国的全球竞争力。

    图 材料基因组计划的目标

    “基因组”一词在生物学领域代表了遗传信息，在材料基因组计划中，则是指“宏大目标的基本单元”。新材料从原理概念提出到最终投放市场，中间需要经历概念发展、性能优化、系统设计集成、考核验证、加工制造、服役行为考核等一系列阶段。材料基因组计划的“加速”，是针对所有这些阶段的加速。材料基因组计划对我国航空材料的发展具有重要的借鉴意义。

    中航工业航材院材料基因组技术研究中心

    作为国内唯一面向航空，从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究、工程化技术研究、关键件研制交付与小批量生产以及型号应用的综合性科研机构和我国国防科技工业领域高水平材料研究发展中心，中航工业航材院已成为国家科技创新体系和国防科技创新体系的重要组成部分。为积极应对材料研发模式面临的变革、推动信息化和工业化的深度融合、实现“虚拟技术助推材料发展”的战略愿景，中航工业航材院于2013年成立了“材料基因组技术研究中心”。材料基因组技术研究中心是航空材料科学与工程集成计算专业的主要依托部门，同时履行中航工业航空材料数据中心的职能，负责全面推动材料基因组技术在航空材料领域的发展和应用。

    图 材料基因组技术内涵

    从航空材料工业的角度理解，材料基因组技术的内涵是融合材料科学、固体力学、信息科学、软件工程、先进实验方法等学科，采用数值模拟技术、数据库及数据挖掘技术、人工智能技术揭示材料的工艺过程、微/细观结构、材料性能、服役行为之间的关联规律，阐明成分、微结构和工艺对性能的控制机制，引导并支撑实体材料的研发和应用的集成计算工程技术。材料基因组技术特点包括多学科系统集成、以实验支撑计算、材料-工艺-检测-服役的“全流程覆盖”等。

    航空工业材料基因组技术的工作范围包括：基于数据的技术，包括工业级航空材料数据库设计、开发及数据库集成应用；基于计算的技术，包括材料成分设计、材料工艺仿真模拟、材料虚拟服役性能模拟；基于实验的技术，包括极端环境下的模拟考核实验、材料成分和工艺的快速筛选实验等。

    图 面向材料研制和应用的材料基因组技术

    中航工业航材院材料基因组技术研究中心的近期目标是以航材院重点专业或产品的关键技术为典型应用，形成虚拟技术支撑实体材料研究、开发和验证的技术途径，取得提高质量、缩短周期、降低成本的实际成果和示范效应，中长期目标是使材料基因组技术在新材料研发中发挥重要作用，材料成分设计及工艺模拟融入到产品设计中，使虚拟技术成为航空材料产品流程链上的重要一环，从而提升航空材料产品研发、生产的数字化技术水平，推进新材料新工艺的应用，提升产品的生产效率和质量；建立材料数据库及其应用平台，材料数据管理直通性能检测试验室，满足“高通量”材料检测数据自动采集、存储、处理、审核和发布等管理需求，具备面向行业提供材料信息服务能力，形成我国国防级结构材料数据中心和管理平台。

    对材料基因组技术的需求和盼望

    目前中国航空材料研制的主要途径为大规模的工艺、性能实验。通过材料基因组技术，可以在材料研发的初期实验、产品方法、服役行为进行数字化仿真模拟，为实验提供指导，减少实验量，加快产品研发和应用的周期。目前由于大量的数值仿真模拟方面的工作中仿真模型所需的参数不完备，或仅仅关注材料研发的某一中间环节，模拟结果缺乏必要的实验验证，计算工作对实际材料研发和应用的支撑和指导作用有限。实际工程涉及的材料和工艺繁杂，只有通过计算模拟技术和数据库/专家系统的集成应用，才能真正做到“虚拟设计、虚拟制造，虚拟样机”，从而大力推动航空材料工业的发展。

    为使科学研究的成果最终转化为工业部门的能力，发展材料基因组技术需要强调需求引导、学科支撑、产学研的协同合作。新材料的研发应用，涉及成分设计、工艺优化、服役性能考核等多个环节。通过材料基因组技术“设计”出某种新材料，只是整个研发应用周期中的第一步，要真正应用于型号，还需要进行大量的工作。下面着重分析航空工业对材料基因组技术的需求和盼望。

    图  材料基因组技术所涉及的学科领域

    新材料成分设计方面：为了保证我国在航空材料研发方面的持续竞争力，满足未来航空工业对新材料的重大需求，需要采用材料基因组技术设计新的材料。高温合金、高性能钢、铝合金、钛合金的新型成分计算涉及第一原理计算、Calphad相图计算、相场分析等多尺度计算，需要对各种可能组分进行计算筛选，必然带来高通量、高并发、长时间的大规模计算的需求。

    工艺优化方面：目前铸造、焊接、锻压等大型制件和复杂制件的“变形-残余应力-缺陷”的控制水平需要进一步提高。现阶段由于缺乏相关国产材料数据、模型及其参数测定方法和设备，未建立模拟验证手段，因而建模仿真的可靠性不足。现有能力不能满足对航空关键材料的纳观、微观、细观和宏观特性进行多尺度建模和仿真，对不同工艺过程进行多学科仿真与优化，对不同检测试验进行多场耦合分析和性能模拟的需求；现有软件尚未集成，只能应用于材料工艺流程局部，未打通工艺过程数据链。因此，针对工艺仿真需求量大、任务急迫的特点，亟需建设高通量物性测试系统、高并行计算能力的硬件系统和工艺仿真软件系统，提高重要材料制件的工艺控制水平。

    服役性能方面：航空材料制件的服役环境包括高温、高应变率冲击、高载荷等极端工况，实验周期长、费用高；制件在服役过程中存在缺陷的萌生、发展、裂纹扩展、失效等一系列损伤演化过程。在材料设计、制造阶段对服役行为进行研究，利用集成计算技术对含缺陷制件进行完整性分析，提出检测和修理的判定标准，可以降低实验成本、提高飞行的安全性。

    材料数据库方面：材料数据库设计、开发与集成应用是材料基因组技术的重要组成部分。材料研发数据、性能数据和服役数据的整理和集成应用有助于将历史上积累的隐形经验显性化、有助于使服役数据反馈到新材料研制阶段形成闭环，从而加快材料研发流程。建立全流程覆盖的工业级的航空材料数据共享平台，在互利互惠的基础上实现材料数据的分级分类共享，促进航空材料工业的发展。

    协同创新 推动制造业转型升级

    十八届三中全会提出，要建立产学研协同创新机制，强化企业在技术创新中的主体地位，发挥大型企业创新骨干作用，建设国家创新体系。材料基因组技术对材料研发应用的“全流程覆盖”，并不意味着所有的工作都由同一个部门或单位完成。通过材料基因组计划，产业部门可以和从事基础研究的院校或科研单位合作，有所分工、有所侧重、协同创新，从而获得技术创新所需要的持续的学科支持。中航工业航材院将以开放创新的态度，与院校和科研机构合作开展应用基础研究、与工业研究院所和企业合作开展应用和工程化研究、与企业开展联合开发合作或转让技术，提高我国国防工业的材料研发应用水平，推动制造业的转型升级。

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