2019年工程與材料科學部擬資助6個重大項目。項目申請人申請的直接費用預算不得超過2000萬元/項。

 

 

 

芯片等半導體器件是國家安全、國民經濟極其重要的戰略資源。半導體材料異質結構是芯片的最基本結構單元。全球芯片發展正處于突破亞十納米尺寸極限的關鍵時期，世界各國紛紛加大研發力度，力求在新原理、新效應、新材料半導體異質結構上率先取得突破，引領下一代芯片制造的核心技術。

針對亞十納米二維材料新原理半導體器件的關鍵科學和技術問題，整合材料學、物理學、化學以及微電子學等多學科優勢力量，開展新材料結構設計、界面新效應表征技術、新原理器件研制方法以及新器件基礎理論體系等方面創新性研究，探索有望推動半導體材料與器件突破性發展的新材料與新器件。

一、科學目標

以突破亞十納米尺寸極限的二維材料新原理半導體器件的探索和研制為目標，發展新材料體系的控制合成技術與方法，研制具有突破應用前景的新型亞十納米半導體材料異質結構體系；揭示新型半導體材料異質結構的界面物理新效應，拓展半導體材料物理基礎理論體系；發展新原理半導體器件制造新技術，建立設計構筑結構獨特、功能多樣、性能優異的亞十納米新原理半導體器件的技術方法；開發擁有自主知識產權的亞十納米半導體器件研制的核心技術，建設一支具有國際競爭力的多學科交叉的創新研究團隊。

 

 

二、研究內容

 

 

（一） 亞十納米新型半導體材料及其異質結構的可控制備。

理論模擬預測、設計亞十納米新材料及其異質結構體系，系統研究新材料生長機理、新型異質結構形成機制，實現結晶質量優異、性能均一、結構穩定的新型半導體材料異質結構的控制制備，建立新材料及其異質結構的大面積可控生長與原位組裝新技術。

（二） 新型半導體材料結構設計與性能調控。

研究新型半導體材料結構與性能的構效關系，發展新型半導體材料的原位表征技術，揭示缺陷工程、應變工程和界面工程等對新型半導體材料的電子結構的作用機制與調控規律，完善并建立新型半導體材料性能調控的基礎理論與方法，為研制亞十納米新型半導體器件奠定理論基礎。

 

 

 

（三） 新型異質結構半導體器件的設計與構筑。

研究新型亞十納米半導體材料異質結構及其器件的界面物理新效應，開發新材料異質結器件構筑與性能優化的新方法；設計構筑基于新原理的亞十納米光電、電子晶體管等原型器件。

 

 

 

 

（四） 新型異質結構半導體器件系統集成與應用。

研究新型異質結構半導體器件的系統集成方法，基于應用突破需求，發展多功能耦合的高靈敏度、低功耗、高增益的亞十納米新原理半導體器件系統，研制若干種擁有核心知識產權的高性能亞十納米半導體光電與電子器件系統。

 

 

三、申請要求

申請書的附注說明選擇“亞十納米二維材料新原理半導體材料及器件的基本科學問題”，申請代碼1選擇E0209。

“受限空間高火安全性高分子材料構建原理與方法”重大項目指南

有機高分子材料由于質輕、耐腐蝕等諸多優點在大飛機和高鐵中廣泛應用，而且其用量不斷增加。然而，與金屬材料和無機非金屬材料相比，有機高分子材料具有易燃性的缺點，易被引燃導致火災。因此，在其特定的應用場合必須滿足火安全要求，特別是在大飛機、高鐵等這類特殊的受限空間（人員集中、可燃物密集、空間狹長、空調強制通風等特殊環境）使用的材料，國際上更是制定了極其嚴苛的低熱、煙毒釋放的火安全標準，這導致我國已有技術生產的制造大飛機、高鐵需要的一些關鍵高分子材料無法滿足要求，完全依賴進口。為了解決大飛機、高鐵這類特定受限空間使用的高分子材料需滿足高火安全性要求問題，本重大項目擬研究受限空間典型高分子材料燃燒和阻燃的關鍵科學問題，建立受限空間典型高分子材料燃燒行為和阻燃機理的表征新方法，突破制造大飛機和高鐵受制于國外的火安全高分子材料的制造技術瓶頸，為大飛機和高鐵內關鍵阻燃高分子材料的設計與制造提供理論依據和技術基礎，以滿足我國發展大飛機和高鐵的國家戰略對高性能阻燃高分子材料的需求。

 

 

 

一、科學目標

通過對大飛機、高鐵等使用的典型高分子材料在受限空間的燃燒行為、熱釋放行為、煙氣產生及其阻燃機理、抑煙機制和其他各種性能相互影響規律的系統研究，揭示受限空間的高分子材料結構與火安全性能的構效關系，發展極低熱釋放與煙毒氣體釋放的火安全高分子材料的設計新原理與新方法，構建火安全與高性能兼具的新型火安全高分子材料，形成自有理論及技術體系，支撐火安全高分子材料產業發展。為突破制造大飛機和高鐵所需高火安全性要求的高分子材料的制造技術瓶頸提供科學依據，建立一支有國際影響力的研究隊伍，提升我國在高性能火安全高分子材料設計及阻燃基礎研究領域的整體創新能力和國際地位。

 

 

二、研究內容

 

 

（一）受限空間典型高分子材料燃燒行為和機理的研究。

研究特殊受限空間下典型高分子材料（聚碳酸酯、聚氨酯軟泡、環氧樹脂復合材料等）的燃燒行為；揭示不同運行環境因素對高分子材料燃燒行為的影響規律；研究特殊受限空間不同運行環境因素作用下高分子材料的燃燒尺度效應和理論模型；闡明特殊受限空間不同運行環境因素作用下高分子材料的熱解和燃燒機理。

（二）高分子材料實現低熱釋放的新原理與新方法。

發展高效調控高分子降解和碳化反應的方法，降低易燃氣體的總釋放量，實現低熱量釋放；研究炭層組成和結構參數與阻燃性能的構效關系，揭示降低熱釋放的凝聚相阻燃機理；探索不同高分子材料的阻燃體系與聚合物分子結構的匹配規律，建立低熱釋放體系的設計原則和方法。

（三）高分子材料燃燒過程的自由基捕捉抑煙減毒新原理與新方法。

研究典型高分子材料在受限空間燃燒過程的煙毒氣體釋放機制，揭示高分子燃燒過程中自由基的產生、轉移、終止與自由基捕捉劑的結構和反應活性等要素之間的關系；研究高分子材料燃燒過程的氣相、固相及氣固雙相自由基捕捉機理，追蹤“阻燃”自由基與高活性自由基之間的相互作用，發展高效自由基捕捉新體系與新方法。

（四）高分子材料實現高火安全性的表面阻燃機制與技術。

研究高分子材料表面與界面的阻燃作用機制以及對材料其他性能的影響規律，發展可連續化制備大飛機和高鐵使用的耐火焰燒穿、低火焰蔓延的聚酰亞胺等膜材料和環境友好、高火安全性紡織品、皮革等高分子內飾材料的表面阻燃新方法。

（五）典型高分子材料高效本體阻燃與高性能化原理與技術。

發展高效本體阻燃新原理和新方法，大幅提升大飛機和高鐵等特定受限空間使用的聚碳酸酯、環氧樹脂及其復合材料、聚氨酯軟泡等典型高分子材料低熱、煙毒釋放的火安全性，并同時滿足材料綜合性能的實際要求，構建高分子材料火安全性與其他必要性能的協調機制，實現高分子材料高火安全性（高阻燃、低熱和煙毒釋放）與高性能化。

 

 

三、申請要求

 

 

申請書的附注說明選擇“受限空間高火安全性高分子材料構建原理與方法”，申請代碼1選擇E03。

“南海天然氣水合物鉆采機理與調控”重大項目指南

我國南海海域水合物資源豐富，是重要的潛在高效清潔油氣接替能源。國家高度重視天然氣水合物開采，《十三五規劃綱要》將“推進天然氣水合物資源勘查與商業化試采”列入能源發展重大工程，2017年國務院批準天然氣水合物列為新礦種。南海海域水合物儲層具有水深、埋藏淺、膠結性差、滲透率低等特點，現有鉆采技術遠不能達到天然氣水合物商業化開采的要求，鉆采過程中面臨著井壁失穩、儲層改造困難、流動安全風險高等一系列重大技術難題。因此，開展“南海天然氣水合物鉆采機理與調控”研究，對水合物安全高效鉆采具有重要意義。

 

 

 

一、科學目標

通過深入研究南海海域水合物鉆采過程中多場耦合基礎科學問題，建立水合物鉆采過程動態實驗和數值模擬方法，揭示地層失穩機理、工作液與儲層相互作用機理、相變-滲流動態演化機理、儲層改造與強化機理，創建井筒工作液、儲層骨架強化和滲流能力的調控方法，形成水合物安全高效鉆采理論與方法，搶占水合物鉆采研究國際前沿，為解決水合物商業開采面臨的世界性重大技術難題提供支撐。

二、研究內容

 

 

 

（一）天然氣水合物儲層力學特征及多場耦合工程響應機制。

水合物儲層力學特征，鉆采過程中多場耦合時空演變規律，復雜結構井等井型井下復雜情況誘發機理和工程風險控制方法。

 

 

 

（二）井筒工作液與天然氣水合物儲層作用機理和調控方法。

天然氣水合物儲層與井筒工作液的相互作用機制，適合于水合物復雜結構井鉆井要求的新材料，水合物儲層安全高效井筒工作液理論體系和多功能一體化調控方法。

（三）水合物鉆采井筒多相流動障礙形成機制與安全控制方法。

井筒內水合物生成與分解動力學特征，氣-液-固非穩態多相流動規律，水合物堵塞流動障礙演化機制和井筒多相流動安全控制方法。

（四）天然氣水合物相變和儲層滲流多場時空演化規律。

開采過程中儲層水合物相變-滲流機理及物性參數時空演變規律，水合物儲層多場耦合數學模型及解耦方法和水合物相變-滲流調控方法。

（五）天然氣水合物儲層結構改造理論與高效開發模式。

水合物儲層結構改造基礎理論、改造方法、增效機制，以及水合物高效開發模式和產能預測方法。

三、申請要求

申請書的附注說明選擇“南海天然氣水合物鉆采機理與調控”，申請代碼1選擇E0403。

“芯片制造中納米精度表面加工基礎問題”重大項目指南

7nm以下節點芯片制造的難點之一是在保證裝備質量控制與穩定性的前提下，實現多元異質材料圖形化表面的納米精度均勻化可控去除。為此，需要研究解決納米精度表面加工的共性基礎問題，包括多場耦合作用下納米精度多元異質材料去除機理、裝備加工狀態對納米精度復雜表面制造的影響機制與誤差補償原理、裝備極限加工分辨率與工藝實現能力的提升等方面，以滿足納米精度表面制造裝備高精度、高穩定性及高可靠性的要求，實現關鍵共性技術重大突破，推動基礎研究成果向工業應用轉化。

一、科學目標

面向7nm以下節點芯片制造，探索納米精度表面加工的新原理與新方法。揭示多元異質表面的原子尺度材料去除機理，建立異質表面智能化平坦化理論與工藝方法，形成裝備動力學建模與優化設計的基礎理論；研究納米精度復雜表面制造過程中狀態監測與誤差補償原理，實現加工過程的智能化控制；解決晶圓平坦化、減薄和極紫外光刻物鏡制造中加工原理、裝備和工藝的關鍵基礎科學問題，為納米精度表面制造原理、裝備和工藝提供理論和技術支撐。

二、研究內容

（一）納米精度多元異質表面制造的原子尺度材料去除機理。

建立力、熱、光、電以及化學介質等多場耦合作用下，納米精度多元異質結構的原子尺度材料去除理論，構建多場耦合條件下的材料去除模型和量化控制方法，預測納米精度多元異質表面的結構損傷；分析調控多場協同作用，優化納米精度表面制造裝備的結構與工藝，實現物化特性大跨度異質表面的原子尺度材料可控去除，為納米精度多元異質表面制造和損傷控制提供理論依據。

（二）芯片復雜三維異質表面高均勻性平坦化原理與裝備穩定性。

研究復雜立體異質表面平坦化機理，建立對應的平坦化理論與工藝方法，消除異質表面不同空間結構、不同材質、不同晶體結構間的材料去除性能差異，提高表面平整度；研究納米顆粒清洗機理，提出異質表面平坦化與清洗智能化工藝控制算法，實現平坦化全過程在線監測與實時調控，提升裝備穩定性，滿足7nm以下節點的生產技術需求。

（三）晶圓減薄裝備整機精度生成與損傷理論。

研究晶圓減薄裝備在多因素耦合條件下的精度生成與控制技術，探索晶圓磨削減薄加工損傷的控制原理和工藝方法，實現超薄、異質表面晶圓的高精度、高穩定性、低損傷磨削加工。

（四）光學復雜表面拋光裝備納米精度加工狀態的分析與調控。

探索復雜曲面納米精度拋光裝備動態性能對加工精度的影響規律，優化裝備設計；研究異質材料復雜表面納米精度的生成條件，構建工藝系統狀態與表面加工質量間的映射關系，探索誤差補償策略與算法，提高加工精度。

 

 

三、申請要求

 

 

申請書的附注說明選擇“芯片制造中納米精度表面加工基礎問題”，申請代碼選擇E0512。

“高品質伺服電機系統關鍵科學問題”重大項目指南

伺服電機系統是航空航天、數控機床、機器人、國防軍工等高端裝備的動力來源和核心運動部件，其品質是國家核心競爭力的重要體現。我國伺服電機系統與高端裝備發展的需求存在較大差距，主要體現在：1）強耦合下伺服電機磁場精確調制；2）高動態下伺服電機系統高品質控制；3）多約束下伺服電機系統多目標綜合優化設計。因此，迫切需要開展相關研究，揭示伺服電機的磁場調制機理，提出數學表征方法，建立復雜工況下伺服電機系統多因素耦合分析方法，掌握伺服電機系統電磁參數時變特征與演變規律，提出伺服電機系統綜合設計方法與控制策略，形成高品質伺服電機系統基礎理論與技術體系，為我國高端裝備的發展提供支撐。

一、科學目標

以伺服電機系統基礎理論創新為切入點，揭示時空交互作用下的電機氣隙磁場調制機理，提出氣隙磁場調制數學表征方法，探明磁場調制拓撲演變規律；建立復雜工況下電機系統多因素耦合分析方法，實現伺服電機系統高品質動態控制；提出電機系統層級化理論，構建高品質伺服電機系統綜合設計方法，形成一系列高品質伺服電機系統自主知識產權，突破我國高品質伺服電機系統關鍵技術瓶頸。

二、研究內容

（一）高品質伺服電機磁場調制理論及其表征方法。

電機不均勻氣隙等調制單元對磁場的調制作用，伺服電機氣隙磁場調制理論的數學表征方法，空間諧波與時間諧波交互融合的內在機理，調制行為與電磁轉矩的內在關系，電機氣隙磁場調制統一理論，高品質伺服電機的磁場精確調制。

（二）高品質伺服電機磁場調制拓撲演變規律。

伺服電機拓撲與磁場調制效應之間的耦合機理，磁場調制拓撲與電機運行品質間的映射關系，伺服電機磁場調制拓撲演變的一般規律，高品質伺服電機拓撲理論，滿足高品質需求的伺服電機拓撲。

 

 

（三）高品質伺服電機系統多因素耦合分析方法。

 

 

伺服電機系統渦流與激磁源、損耗與溫升等多因素耦合機理，氣隙磁場調制作用下的電機損耗精確建模方法，考慮渦流附加轉矩、諧波轉矩等因素的精細化轉矩模型，非正弦供電、變負載、高動態等復雜工況下高品質伺服電機系統多因素耦合分析方法。

 

 

（四）高品質伺服電機系統時變特征分析與動態控制。

多物理場作用下伺服電機系統電磁參數時變特征，電磁參數、變流調制參數與控制參數間的動態耦合關系，系統關鍵參數與運行性能間的交互作用機理，系統架構、控制策略與復雜工況間的動態匹配機制，伺服電機系統的高品質動態控制方法。

（五）高品質伺服電機系統層級化理論與綜合設計方法。

電機材料、加工裝配、驅動控制與電機系統品質間的內在關系，高品質伺服電機系統層級化理論，電機系統品質與各層級之間的非線性映射規律，多層級電機系統綜合設計方法，高品質電機系統多層級優化設計平臺。

三、申請要求

申請書的附注說明選擇“高品質伺服電機系統關鍵科學問題”，申請代碼選擇E0707。

“超長跨海隧道的災害規律和施工控制”重大項目指南

黨中央在黨的十八大報告中作出“建設海洋強國”的重大戰略部署，在黨的十九大報告中將“海洋強國”“交通強國”上升為國家戰略。我國已在南部、東部海洋經濟圈修建了港珠澳、廈門、青島等一批海底隧道，正規劃建設一批數十公里乃至上百公里的世界級超長海底隧道工程。超長跨海隧道的建造及運營與普通跨海隧道差別較大，我國在超長跨海隧道建造與運行中重大災害防治與施工控制方面，既缺乏成熟理論與設計規范指導，又沒有國際設計與施工經驗可循，需要克服一系列巨大挑戰。建造期不良地質災害源的精細探測、圍巖注漿加固體和襯砌結構性能長期劣化規律、強震作用下海水-圍巖-襯砌動力響應機制、及建造與運營期災變規律是我國超長跨海隧道工程安全面臨的瓶頸問題。

 

 

一、科學目標

超長海底隧道難以避開不良地質構造、地震與腐蝕環境，面臨重大突涌水災害風險，其原因在于對建造期不良地質體的探測、圍巖長期變形及地震誘發突涌水等規律認識不清，基礎研究落后于工程建設的重大需求。本項目科學目標是：在超長跨海隧道不良地質體超前精細探測成像理論、不良地質體多尺度耦合長期變形理論、非均質介質地震波傳播和非一致地震動作用下圍巖-襯砌相互作用機制方面取得重大進展和關鍵突破。為我國超長跨海隧道建造及運營災害的規律認知和施工控制提供基礎理論與設計方法。

二、研究內容

（一）施工期超長跨海隧道不良地質體的精細超前探測與防災技術。

超長跨海隧道不良地質體探測物理場響應特征，建造期精細超前探測方法、災害源識別成像方法和突水災害主動防控方法。

（二）不良地質段跨海隧道的漸進變形破壞機理與長期性能設計方法。

不良地質段多場耦合條件下，圍巖與結構體漸進變形破壞規律、微-宏觀機理，以及長期性能設計方法。

 

 

 

（三）不良地質段跨海隧道的地震破壞機理與抗震韌性設計方法。

海水-動力耦合作用下斷層動態響應機制，非一致地震作用下圍巖-襯砌相互作用及破壞機理和抗震韌性設計方法。

（四）不良地質段跨海隧道多源信息的智慧感知與性能分析。

不良地質段跨海隧道結構狀態信息源的智慧感知，多源數據動態關聯關系分析方法、結構性能與多源數據之間相互關系。

（五）大數據驅動的不良地質段跨海隧道結構災變預報與控制。

基于大數據驅動的不良地質段跨海隧道結構災變特征挖掘、異常性態辨識及預報方法；結構健康監測、性能評估、災害控制的方法。

三、申請要求

申請書的附注說明選擇“超長跨海隧道的災害規律和施工控制”，申請代碼1選擇E0907。

“亞十納米二維材料新原理半導體材料及器件的基本科學問題”重大項目指南