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中國(guó)工程院-?化工、冶金與材料工程領(lǐng)域：2021全球工程開(kāi)發(fā)前沿

2021-12-16 13:40:59 作者：今日新材料來(lái)源：中國(guó)工程院分享至：

化工、冶金與材料工程領(lǐng)域：工程開(kāi)發(fā)前沿

3. 化工、冶金與材料工程領(lǐng)域

1、工程研究前沿（可點(diǎn)擊鏈接）

2、工程開(kāi)發(fā)前沿

2.1 Top11工程開(kāi)發(fā)前沿發(fā)展態(tài)勢(shì)

化工、冶金與材料工程領(lǐng)域研判，得到的Top11工程開(kāi)發(fā)前沿見(jiàn)表2.1.1。其中“工業(yè)廢氣的深度凈化與資源化利用”，“可穿戴柔性智能系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及應(yīng)用”，“新型綠色智能二次電池中關(guān)鍵材料的研發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用”，“生物基可降解聚酯橡膠材料”和“高強(qiáng)度耐腐蝕新型輕合金材料制備及應(yīng)用”是基于科睿唯安提供的核心專(zhuān)利聚類(lèi)得出，另外6個(gè)開(kāi)發(fā)前沿為專(zhuān)家提出。“低成本高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化”作為新興的能源技術(shù)，其專(zhuān)利被引用次數(shù)并不高（表2.1.1），但核心專(zhuān)利數(shù)呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)（表2.1.2）。“新型綠色智能二次電池中關(guān)鍵材料的研發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用”仍然是受到廣泛關(guān)注的方向，其專(zhuān)利篇均引用高，達(dá)到10.3次，近年來(lái)核心專(zhuān)利數(shù)量仍然沒(méi)有減少。“高強(qiáng)度耐腐蝕新型輕合金材料制備及應(yīng)用”平均引用次數(shù)達(dá)到14.19次，但其核心專(zhuān)利數(shù)呈下降趨勢(shì)。

（1）低成本高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化

基于有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化體系的新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具備轉(zhuǎn)換效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是第二代光伏技術(shù)中最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)之一。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以通過(guò)低溫溶液法制備的特性，有效降低生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放，因此鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化對(duì)于進(jìn)一步推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排具有重要意義。目前，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化研究在全球范圍內(nèi)得到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界越來(lái)越多的關(guān)注與投入，中國(guó)、美國(guó)和歐盟等主要光伏產(chǎn)出與消費(fèi)國(guó)家和地區(qū)均將鈣鈦礦列為未來(lái)重點(diǎn)支持的光伏技術(shù)目錄。目前，鈣鈦礦光伏的產(chǎn)業(yè)化前沿方向主要集中在以下兩點(diǎn)：開(kāi)發(fā)適用于大面積、流水線化生產(chǎn)的高效率光伏面板制備技術(shù)、鈣鈦礦光伏組件的封裝技術(shù)與穩(wěn)定性研究；與硅光伏相結(jié)合的硅-鈣鈦礦疊層太陽(yáng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)。

（2）工業(yè)廢氣的深度凈化與資源利用

工業(yè)廢氣主要是指電力、鋼鐵、建材、焦化等行業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過(guò)程中排放的含有多種污染物的氣體總稱(chēng)。工業(yè)廢氣排放會(huì)造成酸雨、霧霾、臭氧層空洞、溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)發(fā)展。開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)、有效的工業(yè)廢氣深度凈化技術(shù)對(duì)緩解環(huán)境與生態(tài)問(wèn)題尤為重要。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，靜電除塵、濕法脫硫、選擇性催化還原脫硝等技術(shù)相對(duì)成熟，并廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)行業(yè)。目前的污染物脫除設(shè)備基本針對(duì)單一污染物，且采用串聯(lián)的布置方式，脫險(xiǎn)系統(tǒng)占地面積大、施工難度、運(yùn)行成本較高。因此，工業(yè)廢氣深度治理技術(shù)已經(jīng)逐漸由針對(duì)單一污染物的控制策略轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的多種污染物協(xié)同脫除技術(shù)。工業(yè)廢氣污染物協(xié)同凈化的前沿技術(shù)包括活性炭法多污染協(xié)同控制技術(shù)、除塵協(xié)同控制技術(shù)和選擇性催化還原脫硝協(xié)同控制技術(shù)等，可在同一設(shè)備系統(tǒng)中消除多種污染物，以上各項(xiàng)技術(shù)的核心均為吸附/催化材料，設(shè)計(jì)與合成效果優(yōu)良、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好、廣譜性強(qiáng)的吸附/催化材料是后續(xù)各技術(shù)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

（3）大尺寸均質(zhì)化高熵合金制備技術(shù)

高熵合金是一類(lèi)由多種元素以等摩爾比或近摩爾比組成的新型多主元金屬材料，具有高強(qiáng)度、耐磨、搞輻照、抗低溫脆化、抗高溫軟化等優(yōu)異性能，在核能、防腐、動(dòng)力等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。但其復(fù)雜的成分和較差的鑄造性使得大尺寸高熵合金難以制備，極大地制約了高熵合金的應(yīng)用。目前，塊體高熵合金的制備方法主要包括粉末冶金法和鑄造法，這兩種方法在制備大尺寸高熵合金上尚存在局限性。進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究主要從以下方面進(jìn)行：1）開(kāi)發(fā)針對(duì)高熵合金鑄造的新型熔煉設(shè)備和技術(shù)（如真空懸浮熔煉法），進(jìn)一步優(yōu)化熔煉制備工藝；2）在復(fù)雜異形構(gòu)件的制備方面需進(jìn)一步發(fā)展高熵合金的增材制造技術(shù)，尤其是構(gòu)件缺陷、質(zhì)量控制工藝，實(shí)現(xiàn)近凈成形；3）為獲得工程上可應(yīng)用的大尺寸高熵合金，需發(fā)展高熵合金構(gòu)筑成形制備技術(shù)、開(kāi)發(fā)針對(duì)不同體系高熵合金構(gòu)筑成形制備的全流程工藝。

（4）綠色低碳冶金關(guān)鍵工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

冶金工業(yè)作為能源密集型行業(yè)，是碳排放大戶(hù)，低碳發(fā)展勢(shì)在必行。研發(fā)創(chuàng)新性、突破性低碳冶金技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)的必然途徑。當(dāng)前歐洲、日本、韓國(guó)、美國(guó)均提出了各自的低碳冶金發(fā)展路線，深度布局低碳冶金前沿工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)。2021年瑞典鋼鐵公司SSAB率先生產(chǎn)了全球首批零碳排放的“無(wú)化石鋼”，邁出了冶金工業(yè)真正實(shí)現(xiàn)碳中和的重要一步。近年來(lái)，中國(guó)也不斷推進(jìn)冶金工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，大力發(fā)展綠色低碳冶金技術(shù)開(kāi)發(fā)，在高爐富氫冶煉、轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉、近終形制造等低碳冶金關(guān)鍵技術(shù)工藝開(kāi)發(fā)上取得了一定的進(jìn)展，但尚未取得重大突破。未來(lái)綠色低碳冶金關(guān)鍵工藝技術(shù)發(fā)展方面包含三個(gè)方面：一是流程減碳，以現(xiàn)有工藝流程優(yōu)化、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、余熱余能利用為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)高爐爐頂煤氣循環(huán)利用技術(shù)、轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉技術(shù)、綠色高效電弧煉鋼技術(shù)、高效連鑄技術(shù)、鑄坯熱裝熱送技術(shù)、近終形無(wú)頭軋制技術(shù)和生物質(zhì)能利用技術(shù)等；二是源頭替換，采用氫替代傳統(tǒng)的碳還原，開(kāi)發(fā)包括富氫高爐還原工藝技術(shù)、氫冶金直接還原工藝技術(shù)和氫冶金熔融還原技術(shù)；三是末端治理，開(kāi)發(fā)冶金尾氣二氧化碳捕集、封裝和資源化利用技術(shù)。

（5）可穿戴柔性智能系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及應(yīng)用

可穿戴柔性智能系統(tǒng)是綜合利用無(wú)線通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、柔性電子、傳感器以及芯片集成等多種技術(shù)，對(duì)可穿戴物進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)形成的系統(tǒng)。在智能化時(shí)代的背景下，可穿戴柔性智能系統(tǒng)因其具有可穿戴性、可持續(xù)性、可交互性、智能化等特征，在健康與健身、醫(yī)療與保健、工業(yè)與軍事、信息娛樂(lè)等領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。各國(guó)為了占領(lǐng)可穿戴柔性智能領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，也紛紛制定研發(fā)計(jì)劃，著力突破技術(shù)難關(guān)。目前，相關(guān)領(lǐng)域主要集中在傳感器技術(shù)、柔性電子技術(shù)、電池技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等方面。近年來(lái)，相關(guān)領(lǐng)域已取得快速進(jìn)展，但仍面臨著續(xù)航能力不足、舒適性差、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低、功能單一、存在安全和隱私隱患等問(wèn)題，未來(lái)，可穿戴柔性智能系統(tǒng)將朝著舒適化、微型化、智能化、自供電、多功能等方向發(fā)展，針對(duì)可穿戴柔性智能產(chǎn)品的功能需求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建，并與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。

（6）新型綠色智能二次電池中關(guān)鍵材料的研發(fā)及系統(tǒng)應(yīng)用

新型可充二次電池的開(kāi)發(fā)是實(shí)現(xiàn)能量高效轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存的關(guān)鍵，在新能源汽車(chē)、航空航天、大規(guī)模儲(chǔ)能、智能電網(wǎng)等國(guó)家重大需求領(lǐng)域均有應(yīng)用。儲(chǔ)能二次電池歷經(jīng)了鉛酸電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池等發(fā)展歷程。隨著資源、成本、安全等因素的影響日益凸顯，在進(jìn)一步提升二次電池等的儲(chǔ)能性能的同時(shí)，尚需發(fā)展綠色環(huán)保、便宜安全的電池體系。電池中關(guān)鍵材料的改進(jìn)和創(chuàng)新研究是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。一方面需要從新材料、新技術(shù)、新工藝入手，重點(diǎn)發(fā)展新型、環(huán)境友好型、低成本的電極和電解質(zhì)材料，開(kāi)展新一代共性技術(shù)如界面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控技術(shù)攻關(guān)。另一方面結(jié)合先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，使二次電池制造朝著數(shù)字化和綠色智能化方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)高能量密度、高安全、長(zhǎng)壽命、綠色智能二次電池的構(gòu)筑和系統(tǒng)應(yīng)用。

（7）生物基可降解聚酯橡膠材料

橡膠因其獨(dú)特的性能，在日常生活和國(guó)防科技中具有不可替代的作用。全球橡膠消耗量在3000噸左右，其中，中國(guó)橡膠消耗量1000尤噸左右。然而，橡膠材料不可降解，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。生物基可降解聚酯橡膠材料是通過(guò)大宗的生物基二元酸和二元醇綜合聚合得到的，具有可生物降解的性能，可從根本上解決橡膠的污染問(wèn)題。其有望用于可降解輪胎、可降解鞋子、聚酯塑料環(huán)境增韌劑增塑劑、耐油橡膠材料等領(lǐng)域，通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配方工藝優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)更寬的應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)在該領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先位置，自從2008年在國(guó)際橡膠會(huì)議上首次提出了生物基橡膠的概念，已經(jīng)完成了千噸中試生產(chǎn)，目前處于產(chǎn)品性能優(yōu)化和市場(chǎng)驗(yàn)證階段。生物基可降解聚酯橡膠材料是中國(guó)原創(chuàng)的橡膠品種，也是世界上第一個(gè)可降解的橡膠材料品種，其合成工藝、催化劑體系、生產(chǎn)裝置等與通用聚酯材料不同。如何獲得高分子量的生物基可降解聚酯橡膠、如何解決生物基可降解聚酯橡膠的配方工藝和加工性能問(wèn)題、如何調(diào)控其降解速度來(lái)適應(yīng)制品要求等，均是該領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，還需要加快解決其連續(xù)化生產(chǎn)和加工問(wèn)題，盡快實(shí)現(xiàn)其市場(chǎng)應(yīng)用。

（8）多尺度功能材料超快激光精密制造技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

功能材料與器件以功能需求為導(dǎo)向，往往具有光、電、聲、磁、熱等單一或組合功能。隨著多材料、多尺度、多功能集成需求的發(fā)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與制造方法在功能材料與器件制造中不再適用，引入新型加工制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)多功能材料由宏觀到介觀的跨尺度精細(xì)加工具有重要應(yīng)用價(jià)值。超快激光精密制造技術(shù)是基于突破晶格熱擴(kuò)散時(shí)間的極短脈沖激光，將能量注入高度空間選擇的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)材料超精細(xì)空間三維加工的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)具有非熱熔性、準(zhǔn)確性和選擇性等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、材料多樣性、尺度跨越性、功能集成性等方面具有獨(dú)特的加工優(yōu)勢(shì)，在功能材料器件制造中極具潛力。開(kāi)發(fā)多尺度功能材料的超快激光精密制造技術(shù)，一方面是從功能材料多尺度“控形”和多材料“控性”的要求出發(fā)，多角度探索激光與材料作用過(guò)程中物理場(chǎng)演化規(guī)律，揭示超快激光與功能材料多尺度構(gòu)筑的作用機(jī)理，進(jìn)一步通過(guò)反映材料性能和形貌等特性的多參數(shù)為指標(biāo)構(gòu)建激光時(shí)域、空域分布的映射關(guān)系，形成完備的加工評(píng)價(jià)體系。另一方面是以功能材料器件應(yīng)用需求為指導(dǎo)，形成功能材料多尺度精密制造的開(kāi)發(fā)策略，并拓展其在工業(yè)、航空航天、軍事、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用前景。

（9）先進(jìn)氨能源燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用

氫能具有清潔、高效的特點(diǎn)，但其儲(chǔ)運(yùn)難和本質(zhì)安全性弱是制約氫能安全高效低成本利用的關(guān)鍵難題。氨具有含氫量高、易于液化存儲(chǔ)運(yùn)輸、本質(zhì)安全性等特點(diǎn)，以其為能源（儲(chǔ)氫）載體，發(fā)展特色氨能源燃料電池技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)高效、安全、經(jīng)濟(jì)的“零碳”能源利用新技術(shù)。美國(guó)、日本、歐洲多國(guó)已部署了“REFUEL”計(jì)劃、“綠色氨（Green Ammonia）”項(xiàng)目和氨儲(chǔ)能示范系統(tǒng)等系列氨能源清潔轉(zhuǎn)化利用項(xiàng)目。中國(guó)合成氨產(chǎn)量居全球第一，依托合成氨的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，可為氨能源燃料電池“零碳”新技術(shù)發(fā)展提供成熟的氨儲(chǔ)運(yùn)和供應(yīng)體系。目前，包括間接NH3燃料電池（NH3分解制氫-氫燃料電池）和直接NH3燃料電池。其面臨的主要挑戰(zhàn)包括：1）高性能低溫氨分解制氫催化劑的設(shè)計(jì)合成、規(guī)模化制備及配套反應(yīng)器工藝；2）安全低溫間接NH3燃料電池系統(tǒng)集成及成套工藝技術(shù)；3）高效氨活化的直接NH3燃料電池陽(yáng)極材料的設(shè)計(jì)制備及膜電極反應(yīng)器開(kāi)發(fā)。

（10）高強(qiáng)度耐腐蝕新型輕合金材料制備及應(yīng)用

新型輕合金主要包括鋁合金、鎂合金和鈦合金，由于密度低、比強(qiáng)度高、易加工回收和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛用于交通運(yùn)輸、船舶及海洋工程、生物醫(yī)學(xué)、電子信息、航空航天和國(guó)防軍工等領(lǐng)域。但是輕合金在實(shí)際應(yīng)用中也存在著耐腐蝕/抗氧化性能差、強(qiáng)度不高等問(wèn)題，制約了其更廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前600MPa以上超高強(qiáng)鋁合金材料、400MPa以上超高強(qiáng)鎂合金材料成為世界各國(guó)結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)的前沿之一。同時(shí)為了擴(kuò)大在海洋、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，不斷提升材料的耐腐蝕性能也是當(dāng)前輕合金材料研究開(kāi)發(fā)的重要課題。未來(lái)高強(qiáng)耐腐蝕新型合金材料制備及應(yīng)用技術(shù)研究方面包括：1）輕合金材料合金化理論研究及合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)；2）新型輕合金材料制備方法、強(qiáng)韌化變形加工成形及熱處理工藝研究；3）輕合金材料表面防腐及改性處理技術(shù)研究；4）輕合金材料腐蝕行為及機(jī)理研究；5）高強(qiáng)度耐腐蝕鋁、鎂、鈦基復(fù)合材料的制備與應(yīng)用技術(shù)研究。

（11）極端服役環(huán)境下關(guān)鍵金屬材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的金屬材料被應(yīng)用在高空、深海、極地和太空等領(lǐng)域，面臨著高溫、低溫、高壓、高濕度、高過(guò)載、長(zhǎng)時(shí)間等極端服役環(huán)境。圍繞國(guó)家重大工程和高端裝備制造，攻克材料強(qiáng)-塑性能、高-低溫性能、長(zhǎng)時(shí)-瞬態(tài)性能之間的矛盾，滿(mǎn)足極端服役條件對(duì)材料性能的極限要求，開(kāi)發(fā)先進(jìn)特殊鋼、高溫與特種金屬、高強(qiáng)度輕合金及其復(fù)合材料等關(guān)鍵金屬材料成為了當(dāng)前研發(fā)的重要課題。一方面是進(jìn)行極端服役環(huán)境下高強(qiáng)韌耐蝕金屬材料組織強(qiáng)韌化及抗疲勞機(jī)理研究，金屬材料損傷及失效機(jī)理研究。另一方面包括，高性能金屬材料及其關(guān)鍵零部件的制備加工技術(shù)研究，服役安全評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究，表面防護(hù)及復(fù)合增強(qiáng)表面工程技術(shù)研究。

關(guān)于報(bào)告

中國(guó)工程院?jiǎn)?dòng)“全球工程前沿”研究。研究圍繞中國(guó)工程院9 個(gè)學(xué)部，依托“1+9+1”系列院刊，凝煉工程研究前沿和工程開(kāi)發(fā)前沿，并重點(diǎn)解讀其中關(guān)鍵的27個(gè)工程研究前沿和27個(gè)工程開(kāi)發(fā)前沿，每年以中英文形式向全球發(fā)布年度報(bào)告，旨在研判未來(lái)科技發(fā)展方向，發(fā)揮學(xué)術(shù)引領(lǐng)作用，引導(dǎo)工程科技創(chuàng)新。全球工程前沿研究以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，以專(zhuān)家研判為依據(jù)，遵從定量研究與定性研究相結(jié)合、數(shù)據(jù)挖掘與專(zhuān)家論證相佐證、工程研究前沿與工程開(kāi)發(fā)前沿并重的原則，尤其注重?cái)?shù)據(jù)與專(zhuān)家的多輪深度交互，綜合集成、逐步迭代，凝練出年度全球工程前沿。在數(shù)據(jù)分析方面，綜合利用期刊論文（SCIE 收錄）、會(huì)議論文和全球?qū)＠麛?shù)據(jù)，獲得了每個(gè)領(lǐng)域工程前沿遴選的基礎(chǔ)素材，供專(zhuān)家參考。在專(zhuān)家研判方面，文獻(xiàn)情報(bào)專(zhuān)家以及領(lǐng)域?qū)＜胰虆⑴c數(shù)據(jù)源的補(bǔ)充、前沿方向的提煉和修訂，以及重點(diǎn)前沿的解讀。

報(bào)告下載列表

全球工程前沿2021中文版（Engineering Fronts 2021 Chinese Version）

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全球工程前沿2021英文版（Engineering Fronts 2021 English Version）

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