化工、冶金與材料工程前沿

全球工程前沿2024薄超寬高性能電磁波吸收材料”來自數(shù)據(jù)挖掘，其篇均被引頻次達(dá)到266.54次。冶金領(lǐng)域的“冶金過程中其論文引用并不高?！盎跈C(jī)器學(xué)習(xí)的新型智能材料設(shè)計(jì)”和“催化降解廢棄塑料定向轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品”也來自專家推薦，從其核心論文的平均出版年和逐年發(fā)表數(shù)趨勢來看，這兩個(gè)前沿的相關(guān)研究受到越來越多的關(guān)注。其他前沿則是基于數(shù)據(jù)由專家研判而來。與能源相關(guān)的氫能(包括儲氫和太陽能光電催化制氫)(1)高容量固態(tài)儲氫材料熱力學(xué)和動力學(xué)性能可控調(diào)變固體儲氫是通過固體材料與氫氣相互作用實(shí)現(xiàn)氫氣的儲存，儲氫材料包括金屬氫化物、復(fù)合氫化物、儲氫合金等。其中，金屬氫化物與復(fù)合氫化物等材料通過化學(xué)鍵將氫限制在體相中，具有儲氫密度高、安全性好、氫氣純度高等優(yōu)勢，使其成為高容量固態(tài)儲氫材料研究的重點(diǎn)。然而，過高的熱力學(xué)與動力學(xué)能壘限制了高容量固體儲氫材料的實(shí)際應(yīng)用，需要通過與其他物質(zhì)復(fù)合、添加催化劑或者改變形貌等方式，合其他元素，改變固體儲氫材料吸/放氫反應(yīng)途徑，以調(diào)變固體儲氫材料熱力學(xué)能壘；②設(shè)計(jì)針對不同儲氫系統(tǒng)的高性能催化劑，降低固體儲氫過程動力學(xué)能壘；③通過改良制備方式，實(shí)現(xiàn)固體儲氫材料微觀形13冶金過程中相似元素深度高效分離45高仿生類腦神經(jīng)元材料與器件6789催化降解廢棄塑料定向轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品14243954405706617708839催化降解廢棄塑料定向轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品41貌與顆粒尺度的改性，實(shí)現(xiàn)固體儲氫材料動力學(xué)和/或熱力學(xué)調(diào)變；④通過引入外場作用(光、微波等),(2)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型智能材料設(shè)計(jì)新型智能材料是能夠?qū)ν獠凯h(huán)境刺激(如溫度、濕度、光照、磁場、電場等)做出智能響應(yīng)，并能適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用需求的材料，其在航空航天、醫(yī)療器械和柔性電子等新興行業(yè)具有重要應(yīng)用價(jià)值?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的新型智能材料設(shè)計(jì)是通過機(jī)器學(xué)習(xí)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)特征提取能力，為材料科學(xué)賦能的全新跨學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。首先需建立起材料的成分、結(jié)構(gòu)、制備工藝等因素與材料性能之間的復(fù)雜關(guān)系模型，然后根據(jù)特定的性能需求，快速、準(zhǔn)確地預(yù)測和設(shè)計(jì)出具有相應(yīng)性能的新型智能材料，可極大地提高材料研發(fā)的效率和成功率。該領(lǐng)域的研究內(nèi)容主要集中在以下方面：①智能材料的響應(yīng)機(jī)制研究，深入探究外部刺激對材料的作用機(jī)理，為材料設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；②豐富準(zhǔn)確的材料數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，通過多尺度模擬配合高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)加速新材料發(fā)現(xiàn)過程，并形成涵蓋各種材料結(jié)構(gòu)、性能、合成條件等信息的數(shù)據(jù)庫；③算法開發(fā)優(yōu)化與材料篩選，探索適合智能材料設(shè)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以更好地挖掘材料的構(gòu)效關(guān)系，篩選滿足物性需求的新型智能材料，實(shí)現(xiàn)材料的逆向設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)正在為智能材料設(shè)計(jì)開發(fā)提供新范式，未來應(yīng)進(jìn)一步提升模型的可解釋性，以及智能材料性質(zhì)定量化描述的一致性和功能設(shè)計(jì)的可遷移性，使智(3)冶金過程中相似元素深度高效分離相似元素的深度高效分離是提升冶金產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著新能源、電子信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對高端金屬材料的需求越來越大。高端金屬材料的制備，除了需要精密的設(shè)備儀器外，更依賴于高純的金屬原材料，使得冶金過程中雜質(zhì)的凈化分離壓力越來越大，特別是相似元素的深度分離問題日益突出。目前，該方向的研究主要集中于以下方面：①發(fā)展相似元素的高選擇性分離及過程調(diào)控新理論，明確主-客體作用與靶向識別機(jī)制；②建立共伴生體系中相似元素的多尺度分離新方法；③開發(fā)相似元素分離過程動力學(xué)原位表征新技術(shù)；④設(shè)計(jì)基于人工智能和分子動力學(xué)模擬的相似元素分離的新萃取劑；⑤揭示相似元素深度分離過程中雜質(zhì)元素遷移規(guī)律，建立痕量雜質(zhì)定量分析新方法與新標(biāo)準(zhǔn)。(4)超低溫鋰離子電池電極材料設(shè)計(jì)及反應(yīng)機(jī)理研究鋰離子電池由于能量密度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)在電源領(lǐng)域占有巨大的市場份額，然而商用的鋰離子全球工程前沿2024電池適用工作溫度是10~35℃,難以滿足寒冷條件下的使用需求，更遑論在深海作業(yè)、國防軍事、太空探索等極端低溫環(huán)境下工作。因此，開發(fā)高比能超低溫鋰離子電池具有重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。針對超低溫鋰離子電池的研究從20世紀(jì)末就已開始，其關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括以下方面：①電極材料的制備，開發(fā)兼具高離子/電子導(dǎo)電性的電極材料至關(guān)重要，通過表面涂層技術(shù)和界面工程改善電極材料的表面性能可提高其在低溫環(huán)境下的電化學(xué)性能；②低溫電解液開發(fā)，降低電解質(zhì)的凍結(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)低溫電池的關(guān)鍵，開發(fā)抗凍溶劑及添加劑組分從而提高電解液低溫下的離子傳導(dǎo)能力；③電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對電池的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以提高其在低溫環(huán)境下的密封性和保溫性，優(yōu)化電池的電極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)以提高其在低溫環(huán)境下的電荷傳輸速率和能量密度；④熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效利用電化學(xué)過程產(chǎn)生的熱量對電池內(nèi)部進(jìn)行(5)高仿生類腦神經(jīng)元材料與器件隨著智能機(jī)器人和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，類似生物神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，高仿生類腦神經(jīng)元材料與器件具備對信息進(jìn)行學(xué)習(xí)記憶、編碼及并行處理的能力，在軍事作戰(zhàn)、野外救災(zāi)、健康監(jiān)測等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力。該領(lǐng)域未來的研究主要集中在以下方面：①高仿生智能材料開發(fā)，利用離子級聯(lián)反應(yīng)和選擇性調(diào)控以實(shí)現(xiàn)更豐富的生物神經(jīng)元功能；②生物神經(jīng)元功能模擬，分析探索生物系統(tǒng)的高級智能行為和功能，開發(fā)具備高階復(fù)雜性的突觸、神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，并實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜信號的處理和分析；③神經(jīng)形態(tài)器件系統(tǒng)集成，發(fā)展整體系統(tǒng)硬件層面上的互聯(lián)集成，實(shí)現(xiàn)信號的穩(wěn)定高效傳輸，使器件具備實(shí)時(shí)響應(yīng)性和穩(wěn)定工作周期等特性；④應(yīng)用演示，提升系統(tǒng)性能的一致性和感知、理解、決策功能的穩(wěn)定性，推動高仿生類(6)超薄超寬高性能電磁波吸收材料超薄超寬高性能電磁波吸收材料兼具超薄的物理形態(tài)與超寬的電磁波吸收特性，可以實(shí)現(xiàn)對寬頻段電磁波的高效吸收，進(jìn)而滿足多頻段電磁環(huán)境的應(yīng)用需求。隨著5G通信、智能交通、航空航天以及國防裝備等領(lǐng)域電磁干擾問題的日益突出，亟須開發(fā)高吸收效率、寬頻帶、輕薄化的新型吸波材料。從材料微觀結(jié)構(gòu)、界面特性以及整體制備層面出發(fā)，目前該領(lǐng)域的研究主要集中在以下方面：①材料微觀磁電結(jié)構(gòu)與材料頻散特性的高通量表征、測試與對應(yīng)關(guān)聯(lián)特性的建立；②材料復(fù)合成型過程中的界面特性精細(xì)化控制技術(shù)；③復(fù)雜多變服役環(huán)境下對應(yīng)材料的電磁演變規(guī)律、性能退化機(jī)理和控制技術(shù)；④超薄超輕吸波材(7)太陽能光(電)催化過程中的關(guān)鍵化學(xué)問題近年來備受世界關(guān)注的太陽燃料的核心是太陽能光(電)催化過程，即利用太陽能將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品，該過程涉及化學(xué)、物理、生物等多學(xué)科交叉。太陽能光(電)催化是一個(gè)涉及多電子轉(zhuǎn)移的能量爬坡過程，跨越飛秒至秒級的多個(gè)時(shí)間尺度；從空間上來看，涉及原子尺度的結(jié)構(gòu)到數(shù)百納米至數(shù)十微米空間電荷層和電荷擴(kuò)散距離，甚至到宏觀尺度的規(guī)?；獯呋凸?電)催化器件。該領(lǐng)域研究未來主要聚焦的物理化學(xué)問題包括：①凝聚態(tài)光催化劑體系中光生電荷的分離以及空間分布問題；②光生電荷的傳輸問題；③光生電荷的高靈敏度、時(shí)空分辨的表征技術(shù)問題；④模擬自然光合作用過程的仿生催化劑設(shè)計(jì)；⑤水氧化微觀機(jī)理、分子層次上水分解過程中化學(xué)鍵如何斷裂和(8)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)生物探針材料研究精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)生物探針材料是一類具有診斷、治療功能的多功能生物醫(yī)學(xué)材料，能夠體內(nèi)的特定目標(biāo)結(jié)構(gòu)或分子發(fā)生相互作用，為重大疾病的早期精準(zhǔn)診治提供支撐。目前該領(lǐng)域的研究主要集中在以下方面：①開發(fā)高靈敏體外診斷探針材料，通過生物標(biāo)志物痕量檢測實(shí)現(xiàn)重大疾病的早期診斷、精準(zhǔn)分期和病理分型；②發(fā)展集成調(diào)控多物理場響應(yīng)探針材料，為疾病的實(shí)時(shí)可視化診療提供新途徑；③建立高特異性智能診療探針材料體系，為疾病的靶向精準(zhǔn)個(gè)性化診療提供新策略。未來，將進(jìn)一步結(jié)合蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、基因組學(xué)等多組學(xué)平臺研究探針材料的生物分子機(jī)制，同時(shí)開展探針材料的標(biāo)準(zhǔn)化(9)催化降解廢棄塑料定向轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品廢棄塑料已經(jīng)造成巨大的環(huán)保壓力和資源浪費(fèi)。開發(fā)塑料的催化降解策略，定向轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品，等長使用周期聚合物，可以催化降解定向轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品。其核心科學(xué)問題是，發(fā)展創(chuàng)制高效、穩(wěn)定的催化劑，選擇性地?cái)嗔丫酆衔镏蠧—C鍵和C—0鍵，定向精準(zhǔn)切割聚合物，生成高附加值小分子化學(xué)品和油品。對于不同的聚合物體系，應(yīng)采用不同的策略。①PE和PP的催化降解：可采用金屬氧化物和分子篩催化體系，將PE和PP轉(zhuǎn)化為油品，和現(xiàn)有的石油煉化系統(tǒng)耦合補(bǔ)充，生產(chǎn)汽/柴油；還可將CO?與廢同時(shí)每噸廢塑料還可消耗約0.2噸CO?。②PS的催化降解：采用催化加氫將PS廢塑料轉(zhuǎn)化為乙苯等單環(huán)芳烴；熱催化和光催化結(jié)合氧化催化降解為苯甲酸等化學(xué)品。③PET的催化降解：在金屬和酸堿雙功能催(10)非常規(guī)資源冶煉過程反應(yīng)機(jī)理及理論隨著傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源的日漸枯竭，城市礦產(chǎn)、工業(yè)廢渣、危險(xiǎn)廢物等非常規(guī)資源將成為未來金屬生產(chǎn)的重要原料。與天然礦物不同，城市礦產(chǎn)、工業(yè)固體廢棄物等原料中多金屬多組分共存、物相伴生關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致回收成本高、金屬損耗大、二次污染嚴(yán)重，如何實(shí)現(xiàn)非常規(guī)二次資源的低碳清潔循環(huán)利用，對破解冶金行業(yè)資源、環(huán)境瓶頸問題具有重要意義，亟須完善非常規(guī)金屬資源冶金過程基礎(chǔ)理論體系。該領(lǐng)域的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①研究多源復(fù)雜原料組分冶煉過程反應(yīng)機(jī)制，揭示多金屬遷移分配規(guī)律及定向調(diào)控原理；②揭示非常規(guī)原料中多金屬與造渣劑的反應(yīng)機(jī)制及調(diào)控原理，形成復(fù)雜原料多金屬選冶富集及高效分離提取方法；③研究非常規(guī)資源冶煉煙氣形成及遷移轉(zhuǎn)化過程，形成高分子氣體、二噁英等特殊冶煉氣態(tài)污染物源頭抑制方法；④優(yōu)化現(xiàn)有冶煉過程多相多場耦合理論與數(shù)值模擬體系，形成搭配4.1.2Top3工程研究前沿重點(diǎn)解讀到2050年，氫與氫基燃料使用量將達(dá)到5億噸/年；而國際氫能委員會預(yù)測，到2050年，氫能將承擔(dān)22%的碳減排量。《國際氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告2023》指出，全球已公布的綠氫項(xiàng)目數(shù)量約為680個(gè)，規(guī)劃的制氫電解槽裝機(jī)量累計(jì)超過460吉瓦。儲氫技術(shù)作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受到了廣泛關(guān)注。固體儲氫材料具有質(zhì)量與體積儲氫密度高、來源豐富、成本低廉等優(yōu)勢，是儲氫材料領(lǐng)域中最具潛力的方向之一。然而，固體儲氫材料的吸/放氫需要跨越其熱/動力學(xué)能壘，導(dǎo)致其吸/放氫過程仍需較高的溫度固體儲氫材料的熱力學(xué)性能調(diào)變需要引入其他成分，改變其吸/放氫的反應(yīng)路徑，最終降低吸/放氫過程的整體焓變。而在向儲氫材料體系中引入其他化合物的同時(shí)，體系的質(zhì)量儲氫密度將隨之改變，因此需要找到含氫量較高的儲氫材料進(jìn)行調(diào)變。固體儲氫材料的動力學(xué)性能調(diào)變則需要引入易于與氫成/斷鍵的催化劑，例如Ti基催化劑，其對于多種固體儲氫材料都具有卓越的催化能力。而在向儲氫體系中引入催化劑的同時(shí)，儲氫體系的質(zhì)量容量密度一般都會相應(yīng)降低，因此需要針對不同的儲氫體系找到輕質(zhì)高效的催化劑。此外，儲氫材料自身的形態(tài)也會對其儲氫性能產(chǎn)生影響，材料的顆粒大小會影響氫擴(kuò)散過程的遷近年來，外場作用逐漸成為儲氫材料的新研究重點(diǎn)，其可在不同階段引入儲氫材料體系中以提升儲氫材料系統(tǒng)的儲氫性能。在制備階段，外場作用可以改變儲氫材料的形貌、顆粒尺寸等形態(tài)特征，進(jìn)而提升儲氫性能。而在吸/放氫階段，外場作用可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能驅(qū)動儲氫系統(tǒng)吸/放氫，例如光轉(zhuǎn)熱或微波轉(zhuǎn)熱驅(qū)動MgH?放氫，利用“熱點(diǎn)效應(yīng)”造成局部高溫，從而顯著降低儲氫系統(tǒng)的宏觀放氫溫度和能耗；部分半導(dǎo)現(xiàn)階段，各國研究者們大都積極探索儲氫材料在實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)上的可行方案，近年來，“高容量固態(tài)儲氫材料熱力學(xué)和動力學(xué)性能可控調(diào)變”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)分別見表4.3和表4.4。其中，61.59%的核心論文來源于中國，主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)為浙江大學(xué)和中國科學(xué)院；其次分別是美國、澳大利亞、德國和日本，占比在5%~15%。圖4.1和圖4.2分別展示了主要國家間和主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)，全球科學(xué)家在該領(lǐng)域建立了廣泛的合作，中國與美國合作最多。從表4.5和表4.6中可以看出，施引核心論文的主要產(chǎn)出國家中，中國占比高達(dá)58.12%,前十名施引核心論文的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)均為中國高?；蜓芯克?，包括中國科學(xué)院、中國科技大學(xué)、鄭州大學(xué)、浙江大學(xué)等，其中中國科學(xué)院的施引核心論文比例高達(dá)面向世界清潔能源系統(tǒng)的急迫需求，需要加快固體儲氫材料的性能調(diào)控、高效合成、規(guī)?；a(chǎn)與示國家1中國2美國34德國5日本6英國7韓國89法國9印度912中國科學(xué)院345868788九州大學(xué)8988日本日本澳大利亞法國中國印度圖4.1“高容量固態(tài)儲氫材料熱力學(xué)和動力學(xué)性能上海大學(xué)上海大學(xué)澳門大學(xué)中國科學(xué)院浙江大學(xué)南開大學(xué)圖4.2“高容量固態(tài)儲氫材料熱力學(xué)和動力學(xué)性能可控調(diào)變”工程研究前沿主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)全球工程前沿2024范性應(yīng)用的研發(fā)步伐，構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲運(yùn)體系，實(shí)現(xiàn)氫能制備端到應(yīng)用端的大規(guī)模和低成本的串聯(lián)(圖4.3)。國家1中國2美國3印度4韓國56德國7日本8英國9沙特阿拉伯伊朗1中國科學(xué)院2中國科技大學(xué)3456天津大學(xué)7哈爾濱工業(yè)大學(xué)8西安交通大學(xué)9中南大學(xué)場景應(yīng)用場景應(yīng)用車載儲氫系統(tǒng)固定式電網(wǎng)并網(wǎng)長距離儲運(yùn)氫系統(tǒng)特種定制儲氫系統(tǒng)金屬氫化物儲氫體系復(fù)合氫化物儲氫體系基礎(chǔ)研究熱力學(xué)性能優(yōu)化動力學(xué)性能優(yōu)化材料尺寸形貌調(diào)控耦合外場作用工業(yè)生產(chǎn)操作條件降低生產(chǎn)工藝優(yōu)化提質(zhì)降本應(yīng)用示范金屬氫化物儲氫體系復(fù)合氫化物儲氫體系復(fù)合氫化物儲氫體系金屬氫化物儲氫體系固體儲氫圖4.3“高容量固態(tài)儲氫材料熱力學(xué)和動力學(xué)性能可控調(diào)變”工程研究前沿的發(fā)展路線智能材料作為一種能夠感知環(huán)境、響應(yīng)刺激并據(jù)此改變其性能或結(jié)構(gòu)的材料，展現(xiàn)出自適應(yīng)、自修復(fù)和自我診斷等智能特性，正逐步成為材料科學(xué)新興研究領(lǐng)域。智能材料的概念起源于20世紀(jì)中期，科學(xué)家們發(fā)展出以記憶合金為代表的一類在多種外界刺激下具有響應(yīng)特性的智能材料，隨后在先進(jìn)制造技術(shù)、納米技術(shù)與信息電子技術(shù)的推動下得到快速發(fā)展，并在航空航天領(lǐng)域可展開部件、自適應(yīng)機(jī)翼材料、醫(yī)用①高強(qiáng)高效響應(yīng)，增強(qiáng)材料對單一或多種環(huán)境變化的響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)多種智能行為適應(yīng)復(fù)雜應(yīng)用場景；模仿自然生物功能特性，開發(fā)具有自我修復(fù)和保護(hù)等特征的材料；④綠色可持續(xù)，改善材料的可降解性和隨著對智能材料功能多樣性、靈活可控性和應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜性的需求增加，對材料設(shè)計(jì)方法也提出了更高的要求。機(jī)器學(xué)習(xí)憑借其強(qiáng)大的復(fù)雜非線性數(shù)據(jù)處理能力，為智能材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了潛在的新范式。通過高通量材料篩選、性質(zhì)預(yù)測和逆向設(shè)計(jì)，在大量數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，機(jī)器學(xué)習(xí)有望加速新型智能材料的設(shè)計(jì)、篩選和優(yōu)化，覆蓋從材料的分子設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)模擬到性能測試的全過程。未來，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新1)材料感知與響應(yīng)內(nèi)在機(jī)制：深入研究材料與各種刺激之間的相互作用機(jī)制，確定能夠有效轉(zhuǎn)化外部刺激為可檢測信號的材料結(jié)構(gòu)和成分；深入研究基于各類物理和化學(xué)變化的響應(yīng)機(jī)制，通過改變材料的成分、結(jié)構(gòu)或外部條件，實(shí)現(xiàn)對響應(yīng)溫度、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)強(qiáng)度等參數(shù)的精確控制，以滿足不同應(yīng)用場景2)模型算法開發(fā)與多尺度模擬優(yōu)化：進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)算法，結(jié)合數(shù)據(jù)的深度挖掘與優(yōu)化，提高預(yù)測精度和泛化能力，開發(fā)更加適用于復(fù)雜材料體系的模型；綜合考慮材料微觀、介觀與宏觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合多尺度模擬技術(shù)，構(gòu)建多尺度的結(jié)構(gòu)和性能分析優(yōu)化途徑，實(shí)現(xiàn)智能材料全面預(yù)測和驗(yàn)證，提高設(shè)計(jì)的可3)數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能材料協(xié)同設(shè)計(jì)創(chuàng)新：充分利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建材料數(shù)據(jù)庫和知識圖譜，滿足智能材料在多種性能上的協(xié)同要求，設(shè)計(jì)出綜合性能優(yōu)異的材料；并根據(jù)不同應(yīng)用場景和需求，實(shí)現(xiàn)近年來，“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型智能材料設(shè)計(jì)”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)分別見表4.7和表4.8。中國發(fā)表核心論文的占比達(dá)到39.58%,位列世界第一，其次分別是美國、英國。中國和美國分別在主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)前十名中占據(jù)四席，其中，中國科學(xué)院和清華大學(xué)分列第一、二名。主要國家間和機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)分別見圖4.4和圖4.5,全球科學(xué)家在該領(lǐng)域存在廣泛的合作與交流，其中頂尖產(chǎn)出機(jī)構(gòu)間呈現(xiàn)出中美和美歐的區(qū)域合作趨勢。由表4.9和表4.10可以看出，中國、美國和英國位列前三，與核心論文產(chǎn)出位次一致，表明中國、美國和英國學(xué)者在該領(lǐng)域保持較高的研究關(guān)注度。其中，中國是施引核心論文數(shù)最多的國家，達(dá)到4424篇，占比達(dá)43.34%。并且施引核心論文產(chǎn)出機(jī)構(gòu)的前十名中有7家是“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型智能材料設(shè)計(jì)”研究在近年來得到了迅猛發(fā)展。構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料感知內(nèi)在機(jī)制發(fā)掘和設(shè)計(jì)范式開發(fā)是新型智能材料進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。如圖4.6所示，未來的研究中，應(yīng)著重全球工程前沿2024表4.7“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型1中國2美國3英國495德國76韓國韓國77西班牙6859印度5法國法國41中國科學(xué)院82635445463728哈佛大學(xué)2922澳大利亞印度圖4.4“基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新型智能材料設(shè)計(jì)”工程研究前沿主要國家間的合作網(wǎng)絡(luò)廣西大學(xué)清華大學(xué)國家1中國2美國3英國4韓國5印度6德國789意大利1中國科學(xué)院23456789復(fù)旦大學(xué)全球工程前沿2024旨標(biāo)多尺度模擬+高料構(gòu)效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)材料逆向設(shè)計(jì)等多功能一體化新機(jī)制結(jié)合數(shù)據(jù)深度挖掘與算法優(yōu)化，提高智能材料預(yù)測精度和泛化能力構(gòu)建智能材料知識圖譜，實(shí)現(xiàn)在多種性能上的協(xié)同設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)匹配特定應(yīng)用需求可應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、柔性電子以及智能傳感等領(lǐng)域應(yīng)用智能材料響應(yīng)機(jī)制的研究，揭示材料結(jié)構(gòu)和成分對外部刺激的有效轉(zhuǎn)化關(guān)系，采用機(jī)器學(xué)習(xí)挖掘材料的多維度特征信息，并以此構(gòu)建智能材料知識圖譜的基本框架。同時(shí)，形成豐富準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)驅(qū)動的重要保障，需要結(jié)合多尺度模擬和高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)形成多信息數(shù)據(jù)庫，提高智能材料預(yù)測精度和泛化能力。在此基礎(chǔ)上，通過算法優(yōu)化提升機(jī)器學(xué)習(xí)對復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理能力，挖掘并解析材料構(gòu)效關(guān)系，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配特定應(yīng)用需求的材料逆向設(shè)計(jì)。新型智能材料的發(fā)展必將通過機(jī)器學(xué)習(xí)賦能，有望實(shí)現(xiàn)智能材料的自我相似金屬元素在富集成礦過程中多存在類質(zhì)同象的現(xiàn)象，形成共伴生礦物資源，給冶金提取過程增加了凈化壓力。隨著優(yōu)質(zhì)礦物資源的不斷消耗，所面臨處理的冶金物料日益復(fù)雜，而冶金產(chǎn)品純度的要求則越來越嚴(yán)格，這種“寬進(jìn)嚴(yán)出”的形勢給冶金過程中相似元素的深度分離帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，用于在復(fù)雜體系中相似元素分離時(shí)，往往采用多種方法結(jié)合才能達(dá)到深度分離的效果；即使處理相同的體系，隨著相似元素含量的變化，所采用的分離手段也有差別。多尺度的分離方法，也對應(yīng)了復(fù)雜的分離過程和新的分離機(jī)制，原位表征技術(shù)則可以為復(fù)雜的分離動力學(xué)過程和元素遷移過程提供有力數(shù)據(jù)。其次，由于化學(xué)性質(zhì)極為相似，相似元素在分離過程中勢必會造成相互損失，開發(fā)高效分離的新體系與試劑來提高分離效率一直是關(guān)注的核心問題?；凇爸?客體”理論，利用人工智能和分子動力學(xué)模擬，則可以節(jié)約大量人力物力，加速新的萃取劑的設(shè)計(jì)合成。另外，分離過程的深度關(guān)系到冶金產(chǎn)品的品質(zhì)，影響后端制備材料的性能。分離過程也是冶金過程中廢水、廢渣、有害鹽的主要面對上述的主要問題，近年來各國研究人員開展了大量的研究，“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家及機(jī)構(gòu)分別見表4.11和表4.12。核心論文的主要產(chǎn)出國家中，中國位居第一，占比超過40%,美國次之；主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)中，中國科學(xué)院位居第一，另外有江西理工大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京科技大學(xué)、清華大學(xué)4所中國的大學(xué)上榜。主要國家間和機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)分別見圖4.7與圖4.8。中國在該領(lǐng)域合作網(wǎng)絡(luò)中處于核心地位，與多個(gè)國家形成合作關(guān)系，特別是與美國的合機(jī)構(gòu)之間的合作主要體現(xiàn)在中國的各個(gè)高校之間的合作，其中中國科學(xué)院在該領(lǐng)域合作網(wǎng)絡(luò)中處于核心地位，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作最為緊密，與其他幾個(gè)中國高校也有著合作關(guān)系。由表4.13和表4.14,中國是施引核心論文數(shù)最多的國家，施引數(shù)為2589篇，占到了總數(shù)的一半左右。美國以施引論文比例11.76%排在第二位。在施引核心論文主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)中，中國科學(xué)院位居第一，其他幾個(gè)擁有冶金專業(yè)的中國高校國家1中國2美國3比利時(shí)45法國687印度7879日本551中國科學(xué)院2374中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)65564738哈利法科技大學(xué)393阿爾托大學(xué)3全球工程前沿2024比利時(shí)中國芬蘭圖4.7“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿主要國家間的合作網(wǎng)絡(luò)哈利法科技大學(xué)魯汶天主教大學(xué)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江西理工大學(xué)圖4.8“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)國家1中國2美國3印度456德國7伊朗8法國9英國如中南大學(xué)、北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、昆明理工大學(xué)、江西理工大學(xué)的施引核心論文均名列前十。中國的核心論文數(shù)和施引核心論文數(shù)均排名第一，說明中國學(xué)者對該領(lǐng)域的研究產(chǎn)出了很多優(yōu)秀的成果，一直對該前沿的動態(tài)保持密切的關(guān)注和跟蹤。為了應(yīng)對資源日益復(fù)雜的嚴(yán)峻形勢、抓住新能源/電子信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展給冶金行業(yè)帶來的新機(jī)遇，落實(shí)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，未來5~10年開發(fā)高效、低碳、高質(zhì)量的相似元素分離技術(shù)是主要的努力方向。通過建立相似元素差異性調(diào)控新理論，形成“靶向識別”新機(jī)制，進(jìn)而開發(fā)出高選擇性分離試劑和新技術(shù)，解析分離過程中各組元的分配遷移規(guī)律，追蹤污染源形成與排放出口，建立多目標(biāo)協(xié)同的“增效-提質(zhì)-低碳”相似元素分離的新技術(shù)模式(圖4.9)?！耙苯疬^程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿中施引核心論文的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)1中國科學(xué)院2中南大學(xué)34中國科技大學(xué)56中國地質(zhì)大學(xué)7東北大學(xué)8昆明理工大學(xué)9建立調(diào)控新理論開發(fā)新分離試劑發(fā)明新分離技術(shù)提出新表征方法保障產(chǎn)品品質(zhì)降低三廢排放全球工程前沿20244.2.1Top10工程開發(fā)前沿發(fā)展態(tài)勢化工、冶金與材料工程領(lǐng)域組研判得到的Top10工程開發(fā)前沿專利公開情況見表4.15和表4.16。其中“高性能多元合金材料的高效定制制備技術(shù)”來自專利地圖挖掘，“數(shù)智化有色金屬冶金流程優(yōu)化與設(shè)計(jì)”和“耐高溫柔性輕質(zhì)隔熱材料設(shè)計(jì)和開發(fā)”來自專家推薦。其與工程研究前沿類似，開發(fā)前沿中與能源相關(guān)的技術(shù)同樣受到認(rèn)可，包括全固態(tài)電池、鈉離子電池、儲氫(1)全固態(tài)電池關(guān)鍵材料開發(fā)及其制備技術(shù)全固態(tài)電池是一種變革性電池技術(shù)，其使用固態(tài)電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰離子電池中的液態(tài)電解液，有望實(shí)1234高容量儲氫材料的規(guī)?；苽渑c系統(tǒng)工藝開發(fā)56高性能多元合金材料的高效定制制備技術(shù)7891234高容量儲氫材料的規(guī)?；苽渑c系統(tǒng)工藝開發(fā)56高性能多元合金材料的高效定制制備技術(shù)789界面特性優(yōu)化以及電芯成型技術(shù)。固態(tài)電解質(zhì)材料是全固態(tài)電池的核心，主要分為硫化物、氧化物和聚合物電解質(zhì)三大類。其中，硫化物電解質(zhì)因其較高的離子電導(dǎo)率和較低的界面阻抗成為全球研發(fā)的重點(diǎn)，而氧化物電解質(zhì)因其化學(xué)穩(wěn)定性較好也受到關(guān)注，聚合物電解質(zhì)則因其柔性和易加工性而具備應(yīng)用潛力。在正極材料方面，仍以氧化物正極及磷酸鐵鋰為主，配合界面改性以消除空間電荷層效應(yīng)，同時(shí)硫基正極也被視為提高能量密度的候選者；在負(fù)極方面，硅負(fù)極和金屬鋰具有高理論比容量，成為提升電池能量密度的關(guān)鍵。全固態(tài)電池關(guān)鍵材料全球研發(fā)趨勢集中在以下方面：①兼具高鋰離子電導(dǎo)率、高化學(xué)/電化學(xué)穩(wěn)定性的固體電解質(zhì)材料；②高強(qiáng)度、高離子導(dǎo)固體電解質(zhì)超薄膜材料；③與電解質(zhì)界面相容的高容量、低應(yīng)變正/負(fù)極材料；④界面改性技術(shù)；⑤關(guān)鍵材料的低成本化和規(guī)?；苽浼夹g(shù)?？傮w來看，全固態(tài)電(2)金屬多工藝一體化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備個(gè)關(guān)鍵方向：①多材料、多工藝協(xié)同金屬增材制造，通過最優(yōu)工藝組合實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件的高性能和多功能；(3)低能耗長壽命海水電解制氫系統(tǒng)構(gòu)建及海水礦產(chǎn)資源開發(fā)電解海水制氫是未來制“綠氫”的重要方向。同時(shí)，海水又是地球上鎂元素最大的存儲礦藏，對海水鎂資源的開發(fā)利用具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。目前，以海水為原料的電解制氫技術(shù)有三大類路徑：化為淡水，將海水淡化系統(tǒng)納入商用電解系統(tǒng)；二是在海水中加堿以沉淀氫氧化物并減少陽極副反應(yīng)；三是直接海水電解技術(shù)，直接對未處理的海水進(jìn)行電解，并通過陰極側(cè)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鎂資源的提取利用。然而，海水成分復(fù)雜，直接電解面臨眾多挑戰(zhàn)(陽極腐蝕，陰極結(jié)垢等)。與純水電解相比，堿性海水電解與直接海水電解的電極與系統(tǒng)往往具有相對更短的服役壽命，急需對其電極材料與系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)以滿足海水工況服役要求。目前，對海水電解的研究主要集中在以下方面：①堿性海水電解陽極腐蝕機(jī)理研究與長壽命防腐蝕電極開發(fā)；②堿性海水電解高活性、抗波動陰極開發(fā)；③直接海水電解結(jié)垢機(jī)理研究與疏固陰極開發(fā)；④大功率海水電解系統(tǒng)制造技術(shù)。(4)高容量儲氫材料的規(guī)?；苽渑c系統(tǒng)工藝開發(fā)固體儲氫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常壓輸送，極大地提升了儲運(yùn)氫過程中的安全系數(shù)，使固體儲氫系統(tǒng)可以補(bǔ)充或部分取代現(xiàn)有的某些場景的高壓/液氫儲運(yùn)氫系統(tǒng)。同時(shí)，有些固體儲氫系統(tǒng)的輸送效率比20MPa拖管車高4倍左右，有效涵蓋半徑亦擴(kuò)大到500km以上。更為重要的是，固體儲氫系統(tǒng)還可應(yīng)用于固定式加氫站和智能建筑等場景，降低儲氫對空間的安全需求，同時(shí)提高整體儲氫安全性。然而，高性能固體儲氫材料的規(guī)?；苽涔に嚿胁怀墒?，這嚴(yán)重阻礙了固體儲氫材料的大規(guī)模應(yīng)用。目前關(guān)于固體儲氫材料的開發(fā)主要全球工程前沿2024聚焦于：①高效合成工藝，調(diào)整反應(yīng)氣氛、反應(yīng)溫度、機(jī)械作用力、催化劑等共同耦合作用為制備固體氫化物的核心控制因素，開發(fā)活性反應(yīng)氣氛下機(jī)械作用力誘導(dǎo)催化的加氫制備工藝，助推固體氫化物儲氫材料的高效低成本快速合成；②高效儲氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)針對不同固體儲氫系統(tǒng)的高效催化劑和添加劑并調(diào)整催化劑和添加劑的量，以獲取高效固體儲氫材料系統(tǒng)；③規(guī)?；苽湎到y(tǒng)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上持續(xù)改進(jìn)催化劑和工藝，最終開發(fā)集成式生產(chǎn)系統(tǒng)，完成百噸/年固體氫化物儲氫材料的產(chǎn)能，大幅降低用氫成本并顯著推進(jìn)氫能的大規(guī)模應(yīng)用；④示范性固體儲氫材料應(yīng)用系統(tǒng)，開發(fā)噸級氫氣儲量的固體儲運(yùn)氫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)(5)數(shù)字孿生鋼鐵制造技術(shù)鋼鐵行業(yè)具有生產(chǎn)流程長、工序間強(qiáng)耦合、生產(chǎn)條件極端、內(nèi)部物理變化和化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜等特性，這使得鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)過程建模、運(yùn)行控制和操作優(yōu)化等極其困難，進(jìn)而影響生產(chǎn)質(zhì)量和效益的提高。工業(yè)場景下數(shù)字孿生的蓬勃發(fā)展為鋼鐵行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了新思路。通過創(chuàng)建物理實(shí)體的數(shù)字副本集成數(shù)據(jù)、模型和知識，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?yàn)樾鹿に囼?yàn)證、新技術(shù)導(dǎo)入提供保真的數(shù)據(jù)、事件和響應(yīng)，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生的構(gòu)建過程主要包括數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)、建模環(huán)節(jié)、服務(wù)環(huán)節(jié)，以及平臺構(gòu)建與軟件化環(huán)節(jié)、安全環(huán)節(jié)等。目前對于鋼鐵行業(yè)數(shù)字孿生的研究主要集中在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集傳輸、存儲以及多維度高保真模型的建立。國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)紛紛開發(fā)了各自的數(shù)字孿生模型和系統(tǒng)，集成了工廠綜合展示、生產(chǎn)過程仿真監(jiān)控、工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、多級配料優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量管理、設(shè)備智能運(yùn)維、智能安全管理等功能。數(shù)字孿生技術(shù)在鋼鐵制造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下方面：①數(shù)據(jù)安全，確保數(shù)據(jù)在采集傳輸、存儲等階段中保持穩(wěn)定且不被泄露；②模型開發(fā)，通過結(jié)合機(jī)理、數(shù)據(jù)、知識進(jìn)行建模，提高模型精度；③標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立，不斷完善數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)體系，幫助數(shù)字孿生規(guī)范有序發(fā)展。(6)高性能多元合金材料的高效定制制備技術(shù)(7)鈉離子電池核心材料設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)化近年來，鈉離子電池因其資源優(yōu)勢、成本效益及環(huán)境友好等特性蓬勃發(fā)展，成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充。核心材料技術(shù)革新與突破是鈉離子電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。鈉離子電池核心材料設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)化的研究主要聚焦在以下領(lǐng)域：①先進(jìn)電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對層狀氧化物、聚陰離子、普魯士藍(lán)類等正極材料，以及循環(huán)和能量性能，同時(shí)積極挖掘新材料與新機(jī)制；②新型電解液研制，篩選/合成新型電解質(zhì)、溶劑及添加劑組合，以滿足寬電壓窗口、長循環(huán)壽命、快速充放電、寬溫域及阻燃安全等多元化需求，解析鈉離子溶劑化結(jié)構(gòu)、正負(fù)極界面與電化學(xué)性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；③固態(tài)電池技術(shù)深耕，開發(fā)安全、高效、廉價(jià)的鈉離子固體電解質(zhì)，提升離子電導(dǎo)率并攻克固-固界面接觸難題。此外，可借鑒鋰離子電池成熟的制造工藝，結(jié)合鈉離子電池的獨(dú)特性，量身打造并優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，為大規(guī)模生產(chǎn)制造奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；推動無模組電池包技術(shù)在鈉離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用，利用鈉離子電池正負(fù)極均可采用鋁箔的優(yōu)勢，最大化電池包成組效(8)使役性多頻電磁隱身材料及部件開發(fā)電磁隱身技術(shù)通過利用電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)來減弱和吸收電磁波的強(qiáng)度，進(jìn)而最大程度地降低相關(guān)目標(biāo)被探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識別的概率。高性能的電磁隱身材料與結(jié)構(gòu)在航空航天、探測、通信等工業(yè)及高端裝備領(lǐng)域的需求日益迫切。隨著當(dāng)前諸如高溫、高鹽霧、高應(yīng)力等電磁環(huán)境的日趨復(fù)雜，亟須開展使役條件下電磁功能材料及部件的研發(fā)。目前，該方向的研究主要集中在以下方面：①先進(jìn)多頻譜基礎(chǔ)電磁功能材料的成分設(shè)計(jì)、開發(fā)與制備；②先進(jìn)使役性基礎(chǔ)電磁材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化；③先進(jìn)電磁仿真系統(tǒng)的功能集成與異形電磁模擬算法的提升；④使役耦合條件下磁電材料的功能優(yōu)化與兼容設(shè)計(jì)、部件制備；⑤多頻電磁隱身材料及部件的使役驗(yàn)證與循環(huán)優(yōu)化；⑥相關(guān)電磁材料與部件的使役耦合機(jī)制研究。(9)數(shù)智化有色金屬冶金流程優(yōu)化與設(shè)計(jì)數(shù)智化有色金屬冶金流程優(yōu)化與設(shè)計(jì)是將人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)與冶金工業(yè)流程控制相結(jié)合，通過基于主/輔模糊控制的多目標(biāo)智能優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工藝參數(shù)、能耗等指標(biāo)的優(yōu)化。有色金屬冶金工業(yè)的數(shù)智化轉(zhuǎn)型，不僅是技術(shù)上的變革，更是提供了高效的信息管理和分析平臺，促進(jìn)了企業(yè)的管理方式變革。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的中心化方法，打通冶金流程中各個(gè)工序的數(shù)據(jù)孤島，來實(shí)現(xiàn)信息的共享和價(jià)值的最大化；并借助數(shù)據(jù)分析和仿真評估，準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)過程中的瓶頸和優(yōu)化空間，從而實(shí)現(xiàn)冶金流程的精益化管理。隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展、大數(shù)據(jù)平臺的建立，未來有色金屬冶金行業(yè)在數(shù)智化方向的研究主要集中于以下方面：①有色冶金工藝流程中物質(zhì)流-能量流-信息流深度耦合機(jī)理；②基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的綠色智能工廠設(shè)計(jì)；③AI機(jī)器視覺技術(shù)在有色冶金工藝流程中的應(yīng)用，提供更直觀、智(10)耐高溫柔性輕質(zhì)隔熱材料設(shè)計(jì)和開發(fā)耐高溫柔性輕質(zhì)隔熱材料憑借其在航空航天、建筑節(jié)能、能源設(shè)備和極端環(huán)境應(yīng)用中的廣泛需求，已成為全球科技和工業(yè)領(lǐng)域的重要研究方向。此類材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)旨在克服傳統(tǒng)隔熱材料(如玻璃纖維、硅酸鹽和氣凝膠等)在極端高溫環(huán)境下表現(xiàn)出的脆性大、耐久性差、機(jī)械強(qiáng)度不高等問題。通過引入多功能復(fù)合材料與優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定隔熱與卓越機(jī)械性能相結(jié)合的材料體系。發(fā)展耐高溫柔性輕質(zhì)隔熱材料不僅要滿足極端環(huán)境下的隔熱需求，還需具備輕質(zhì)、柔性和環(huán)境友好的特性，以應(yīng)對未來復(fù)雜多變的應(yīng)用場景。該領(lǐng)域的重點(diǎn)技術(shù)方向包括：①深入研究材料微觀結(jié)構(gòu)與其熱性能的內(nèi)在關(guān)系，精準(zhǔn)調(diào)控材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)并優(yōu)化界面設(shè)計(jì)，提升材料在極端環(huán)境中隔熱與機(jī)械性能的協(xié)同作用；②研究新型的復(fù)合材料制備工藝，如3D打印、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及氣凝膠改性技術(shù)，在兼具隔熱、輕質(zhì)和機(jī)械穩(wěn)健性的同時(shí)，提升其柔性和可賦形性；③開發(fā)新型智能隔熱材料，通過引入相變材料或熱控薄膜，實(shí)現(xiàn)隔熱性能的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提升能源利用效率；④探索可循環(huán)利用和可降解的隔熱材料，創(chuàng)新綠色、低成本的制造工藝，推全球工程前沿20244.2.2Top3工程開發(fā)前沿重點(diǎn)解讀全固態(tài)電池是當(dāng)今電池技術(shù)領(lǐng)域中的最前沿的技術(shù)之一，被認(rèn)為是下一代儲能技術(shù)的重要方向，它有效克服了液態(tài)電解液在能量密度、安全性和熱穩(wěn)定性等方面的局限性。隨著便攜式電子設(shè)備、電動汽車、儲能系統(tǒng)對高能量密度、安全性和長壽命電池的需求日益增長，全固態(tài)電池的開發(fā)受到了全球科學(xué)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)、美國能源部聯(lián)合儲能研究中心(JCESR/DOE)、歐盟“地平線2020”計(jì)劃、中國科技部都明確布局發(fā)展全固態(tài)電池技術(shù)。全固態(tài)電池技術(shù)的關(guān)鍵在于固態(tài)電解質(zhì)材料的發(fā)展，其要求固態(tài)電解質(zhì)不僅具備較高的離子電導(dǎo)率，還必須在化學(xué)/電化學(xué)方面與電極材料具有良好的穩(wěn)定性，從而減少界面阻抗并防止副反應(yīng)的發(fā)生。雖然全固態(tài)電池的研究可以追溯到20世紀(jì)初期，但真正的快速發(fā)展始于2000年以后，特別是2011年LGPS硫化物固態(tài)電解質(zhì)的推出，其電導(dǎo)率達(dá)到電解液水平，使得越來越多的汽車/電池制造商和初創(chuàng)企業(yè)開始開盡管取得了諸多進(jìn)展，全固態(tài)電池技術(shù)仍然面臨多個(gè)挑戰(zhàn)。首先，固體電解質(zhì)的綜合性指標(biāo)仍未達(dá)到實(shí)用化程度，雖然發(fā)現(xiàn)的一些材料體系具有高鋰離子電導(dǎo)率，但其空氣/溶劑/金屬鋰穩(wěn)定性等亟待提升。其次，固體電解質(zhì)作為非活性物質(zhì)在電芯中占比較高，影響電芯能量密度的提升，降低電解質(zhì)膜的厚度刻不容緩。再次，從力學(xué)角度來看，正負(fù)極材料在充放電過程中的體積膨脹易導(dǎo)致固-固界面接觸失效，與此同時(shí)，固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間的界面穩(wěn)定性問題尚未完全解決，尤其是在多次循環(huán)過程中，界面阻抗的增加會導(dǎo)致電池性能的迅速下降，發(fā)展高容量、低應(yīng)變正負(fù)極材料對于提升全固態(tài)電池綜合性制備尤為重要。最后，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，發(fā)展其關(guān)鍵材料體系的低成本、規(guī)?；苽浼夹g(shù)也是必經(jīng)之路。相信通過關(guān)鍵材料的不斷創(chuàng)新和技術(shù)突破，全固態(tài)電池有望在未來的能源領(lǐng)域占據(jù)重要地位，特別是在電全球在“全固態(tài)電池關(guān)鍵材料開發(fā)及其制備技術(shù)”工程研發(fā)中的專利分布呈現(xiàn)明顯的地區(qū)差異和機(jī)構(gòu)集中趨勢。首先，在國家分布(表4.17和圖4.10)方面，日本占據(jù)主導(dǎo)地位，專利公開量遠(yuǎn)超其他國家，占比達(dá)52.72%,被引頻次也最多，顯示出日本在全固態(tài)電池材料開發(fā)技術(shù)上的顯著領(lǐng)先地位。韓國和中國分別位列第二和第三，專利占比分別為23.89%和21.35%,但與日本相比尚有一定差距。歐美國家如美國、法國、加拿大、德國的專利數(shù)量相對較少，但是歐美國家基礎(chǔ)實(shí)力雄厚，后續(xù)發(fā)展?jié)摿Σ蝗莺鲆暋Ｔ跈C(jī)構(gòu)分布(表4.18和圖4.11)方面，豐田汽車公司是該領(lǐng)域中專利公開量最多的機(jī)構(gòu)，公開專利量為378,占比為23.39%,反映了其在全固態(tài)電池技術(shù)中的主導(dǎo)地位。LG化學(xué)有限公司和現(xiàn)代汽車公司專利公開量分別位列第二和第三，顯示出韓國企業(yè)在該技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)研發(fā)投入。其他大型企業(yè)如松下集團(tuán)、三星電子有限公司等在該領(lǐng)域也有一定的專利積累?？偨Y(jié)來看，全固態(tài)電池關(guān)鍵材料開發(fā)技術(shù)的專利主要集中在日本、韓國和中國，尤其是日本企業(yè)，其在技術(shù)積累和引領(lǐng)能力上表現(xiàn)最為突出。各大機(jī)構(gòu)的專利競爭較為隨著各方政策的大力支持與關(guān)鍵核心材料、技術(shù)的快速發(fā)展，未來5~10年是全固態(tài)電池破壁的關(guān)鍵期(圖4.12),新材料和新工藝讓我們有機(jī)會實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的突破。固態(tài)電解質(zhì)材料的綜合性指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化是核心，同時(shí)采用濕法涂覆實(shí)現(xiàn)超薄膜的連續(xù)化生產(chǎn)是關(guān)鍵。此外，高容量、低應(yīng)變正負(fù)國家1日本2韓國3中國4美國5法國956467德國308比利時(shí)219印度10德國1豐田汽車公司2LG化學(xué)有限公司3現(xiàn)代汽車公司4起亞汽車公司5松下集團(tuán)6昭和電工包裝株式會社7三星電子有限公司8東風(fēng)日產(chǎn)汽車公司9雷諾集團(tuán)全球工程前沿2024松下集團(tuán)松下集團(tuán)LG化學(xué)有限公司豐田汽車公司三星電子有限公司固體電解質(zhì)與電極之間的界面特性提升全固態(tài)電池高安全性和循環(huán)壽命，降低電解質(zhì)/正負(fù)重點(diǎn)發(fā)展方向極材料的研發(fā)與低成本規(guī)?；苽湟矘O為重要，特別是其與電解質(zhì)材料的界面特性優(yōu)化，是全固態(tài)電池安全性與綜合電化學(xué)性能指標(biāo)的保障，從而推動其在電動汽車、便攜式電子設(shè)備、儲能系統(tǒng)、特種領(lǐng)域等實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。4.2.2.2金屬多工藝一體化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備金屬增材制造是增材制造技術(shù)最重要的一個(gè)分支，是以金屬粉末/絲材等為原料，以高能束(激光、電子束、電弧、等離子束等)作為刀具，以三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用離散-堆積的原理，在軟件與數(shù)控系統(tǒng)的控制下將材料熔化逐層堆積，來制造高性能金屬構(gòu)件的新型制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等“減材制造”工藝，以及鑄、鍛、焊等“等材制造”工藝相比，金屬增材制造技術(shù)具有制造設(shè)計(jì)自由度大、可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)周期短、產(chǎn)品性能高、材料利用率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車制造、動力能源等領(lǐng)域，在整個(gè)增材制造市場中的規(guī)模占比超過50%。隨著技術(shù)進(jìn)步帶來的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，金屬增材制造已經(jīng)發(fā)展形成了多種工藝技術(shù)，包括激光熔化沉積(LMD)技術(shù)、電子束加工(EBM)技術(shù)、激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)、定向能量沉積(DED)隨著制造領(lǐng)域?qū)α悴考p量化、性能高端化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的需求不斷提升，以及敏捷制造、高端數(shù)字化制造環(huán)境的改變，金屬多工藝一體化增材制造技術(shù)的開發(fā)日趨重要。這種技術(shù)集激光金屬增材制造、電弧增材制造等)和減材制造(如機(jī)械加工、熱處理等)的協(xié)同應(yīng)用，優(yōu)化制造流程，具有加工精密度高、自動化程度高、結(jié)構(gòu)易構(gòu)性強(qiáng)、工藝鏈縮減等方面的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬構(gòu)件的高效、高質(zhì)量生產(chǎn)。目前，該技術(shù)已在汽車制造、航空航天、國防軍工、軌道交通等領(lǐng)域相繼開展了諸多應(yīng)用和研究。隨著未來技術(shù)的不斷成熟和硬件系統(tǒng)成本的下降，該技術(shù)的市場前景廣闊，預(yù)計(jì)將在多個(gè)領(lǐng)由表4.19可以看出，中國在該領(lǐng)域的專利數(shù)量占有絕對領(lǐng)先優(yōu)勢，占比超過70%,說明中國在該領(lǐng)域保有領(lǐng)先地位；其余專利基本來自歐美日韓等發(fā)達(dá)地區(qū)。表4.20說明，中國的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)主要集中在高校、研究院所等技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)，這也在一定程度上反映出中國在技術(shù)成果轉(zhuǎn)化上仍需加強(qiáng)，尤其是在下游所示，還需要進(jìn)一步擴(kuò)大相關(guān)領(lǐng)域的國際影響力；而國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)間的合作如圖4.14所示，尤其是上下屬多工藝一體化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備”有望拓展并廣泛應(yīng)用于民生領(lǐng)域裝備，全面促進(jìn)裝備的整體性能、減重、散熱、高集成度和敏捷制造周期等方面的優(yōu)化?！敖饘俣喙に囈惑w化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備”工程開發(fā)前沿的發(fā)展路線如圖4.15所示，技術(shù)前沿主要集中以下方面：1)多材料、多工藝協(xié)同金屬增材制造：采用最優(yōu)的增材工藝組合實(shí)現(xiàn)多種類金屬材料制造成型，在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計(jì)與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與2)增減材一體化復(fù)合制造：在同一制造流程中交替使用增材和減材工藝。通過增材制造實(shí)現(xiàn)材料的國家1中國2美國3德國4日本5法國6印度87英國8韓國996全球工程前沿2024表4.20“金屬多工藝一體化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備”工程開發(fā)前沿1234西安交通大學(xué)5中南大學(xué)6中國科學(xué)院金屬研究所7通用電氣公司8天津大學(xué)9吉林大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)中國俄羅斯圖4.13“金屬多工藝一體化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備”工程開發(fā)前沿主要國家間的合作網(wǎng)絡(luò)西安交通大學(xué)西安交通大學(xué)上海交通大學(xué)中國科學(xué)院金屬研究所吉林大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)“金屬多工藝一體化增材制造關(guān)鍵技術(shù)和裝備”工程開功能評價(jià)增減材一方案開發(fā)監(jiān)測和傳感設(shè)備的功能升級和集成整合人工智能驅(qū)動的增材制造數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)2025年2030年2035年3)智能化復(fù)合加工控制系統(tǒng)：結(jié)合多尺度建模和仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，更有效地把信息與物理過程聯(lián)系起來，著重開發(fā)多機(jī)器人開發(fā)合作下的混合增材制造解決方案，改善監(jiān)測和傳感設(shè)電解水制氫被認(rèn)為是一種理想的“綠氫”制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)氫氣“生產(chǎn)-消耗-再