1958年底姚桐斌所在的材料研究组扩建为材料研究室，姚桐斌任研究室主任。

航天技术是集合近代科学技术成就的一门综合性科学技术和系统工程。研制一枚运载火箭需上百种上千种材料。其中，有些可以在国内订货，有些需在国内试制，有些需在国内研制，有的甚至需在国内探索研究。

姚桐斌组织所内科研人员学校航天技术和运载火箭型号产品的基本知识，研究国外航天材料应用和发展动态，结合我国实际情况，制定航天材料近期试制计划和中长期研制规划。姚桐斌亲自向聂荣臻同志汇报了材料试制计划和中长期研制规划。姚桐斌亲自向聂荣臻同志汇报了材料试制计划和研制规划工作的情况。此后，国家计委、国家科委、国防科委联合召开了一系列材料工作会议。姚桐斌等同志在会上作了报告和交底，受到了与会单位的赞同和支持。在全国一盘棋、大力协同方针指导下，航天材料近期试制计划和中长期研制规划内的项目大部得到了落实。从此，全国规模的材料科研生产协作网形成了。当我国第一枚运载火箭上天的时候，它的结构材料和功能材料已全部为国家材料。姚桐斌致力的国内材料科研生产协作网不仅促进了我国航天技术的发展，而且以促进了国家冶金、化工、建材等工业技术和国家材料科学的发展。

1960年，航天材料研究室扩建为航天材料研究所，姚桐斌任所长。遵循聂帅的有关指示精神，姚桐斌发表了“火箭工艺的研究方向及理论问题”的长篇论文。他写道：“火箭技术的迅速发展，对围绕它的各门科学技术不断提出新的要求，其中除了对与设计有关的学科以外，尤其要求材料、元件和工艺的配合”。“工艺是从设计构思向产品生产的一座必经的桥梁”。“材料和元件的改进，都离不开工艺的研究和更新。1962年，航天材料及工艺研究所已发展成为一个综合性强、模拟性强、实用性强的科研生产联合体，为我国航天事业的发展和国内材料科研生产技术作出了重大的贡献。

在所内材料及工艺应用性研究工作中，姚桐斌力主“远近结合”的方针。他列举了原苏联和美国火箭技术发展的经验后说：“研究与发展所需的周期较长，设计与生产所需的周期较短。如果研究与发展能创造充分的条件，设计与生产所需的周期即可大大缩短。”因此，他要求有计划按比例地安排当前研制与预先研究，要“做到今天、准备明天、想到后天”。他要求材料及工艺工作先行，要走在新型号研制工作的前面，反对“现炒现卖”。要加强预先研究，要留有技术储备。在他领导下，从1960年到1964年，所内共开展研究课题500余项，其中半数为预先研究课题。许多新材料、新工艺的应用性研究工作，都是在姚桐斌极力坚持和支持下才得以开展或完成的。这些课题的成果，有的很快就在当时研制的运载火箭型号中获得了应用，有的在稍后的新型运载火箭和卫星型号研制中获得了应用。其中，许多成果填补了空白，居国内技术领先地位；不少的成功转用于民品，创造了巨大的经济效益和社会效益。

姚桐斌经常深入到所内课题研究工作中去。对重大课题的方案，他一定要与课题承担者反复讨论后才最后敲定。1959年，铜合金棒材断口缺陷问题久攻不克，他指导课题组利用真空吸注法解决了这一难题。他曾亲自主持、指导过几项重大课题的研究、研制工作。1960年至1964年，他担任锰基钎料合金的研制和钎焊工艺研究课题的总负责人。这种钎料合金的钎焊工艺性能和使用性能良好，据说在国外航天结构上已获应用，但当时此类钎料合金在国内却是空白，而原苏联对此种合金的成分也实行严格的技术保密。为此，姚桐斌和课题组人员自力更生，立誓要研制成这种合金。经过他的深入指导，同志们群策群力，刻苦钻研，反复试验，终于解开了这种合金的秘密，确定了合金的成分，制得了成品，实现了转产定型，并使其成功地应用于我国以钎焊结构取代老式焊接结构的液体火箭发动机产品生产中。

鉴于姚桐斌同志在发展我国导弹火箭事业的突出贡献，他成为国家1985年度科学技术进步奖特等奖获得者之一。