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中國工程院-?化工、冶金與材料工程領域：2021全球工程開發前沿

2021-12-16 13:40:59 作者：今日新材料來源：中國工程院分享至：

化工、冶金與材料工程領域：工程開發前沿

3. 化工、冶金與材料工程領域

1、工程研究前沿（可點擊鏈接）

2、工程開發前沿

2.1 Top11工程開發前沿發展態勢

化工、冶金與材料工程領域研判，得到的Top11工程開發前沿見表2.1.1。其中“工業廢氣的深度凈化與資源化利用”，“可穿戴柔性智能系統的整體設計及應用”，“新型綠色智能二次電池中關鍵材料的研發及系統應用”，“生物基可降解聚酯橡膠材料”和“高強度耐腐蝕新型輕合金材料制備及應用”是基于科睿唯安提供的核心專利聚類得出，另外6個開發前沿為專家提出。“低成本高效率鈣鈦礦太陽能電池的產業化”作為新興的能源技術，其專利被引用次數并不高（表2.1.1），但核心專利數呈現明顯上升趨勢（表2.1.2）。“新型綠色智能二次電池中關鍵材料的研發及系統應用”仍然是受到廣泛關注的方向，其專利篇均引用高，達到10.3次，近年來核心專利數量仍然沒有減少。“高強度耐腐蝕新型輕合金材料制備及應用”平均引用次數達到14.19次，但其核心專利數呈下降趨勢。

（1）低成本高效率鈣鈦礦太陽能電池的產業化

基于有機-無機雜化體系的新型鈣鈦礦太陽能電池具備轉換效率高、生產成本低等優點，是第二代光伏技術中最有希望實現產業化的技術之一。鈣鈦礦太陽能電池可以通過低溫溶液法制備的特性，有效降低生產過程中的碳排放，因此鈣鈦礦太陽能電池的產業化對于進一步推動光伏產業的節能減排具有重要意義。目前，鈣鈦礦太陽能電池的產業化研究在全球范圍內得到學術界和產業界越來越多的關注與投入，中國、美國和歐盟等主要光伏產出與消費國家和地區均將鈣鈦礦列為未來重點支持的光伏技術目錄。目前，鈣鈦礦光伏的產業化前沿方向主要集中在以下兩點：開發適用于大面積、流水線化生產的高效率光伏面板制備技術、鈣鈦礦光伏組件的封裝技術與穩定性研究；與硅光伏相結合的硅-鈣鈦礦疊層太陽能技術開發。

（2）工業廢氣的深度凈化與資源利用

工業廢氣主要是指電力、鋼鐵、建材、焦化等行業在燃料燃燒和生產工藝過程中排放的含有多種污染物的氣體總稱。工業廢氣排放會造成酸雨、霧霾、臭氧層空洞、溫室效應、光化學煙霧等一系列問題，嚴重威脅生態環境和人類發展。開發經濟、有效的工業廢氣深度凈化技術對緩解環境與生態問題尤為重要。經過數十年的發展，靜電除塵、濕法脫硫、選擇性催化還原脫硝等技術相對成熟，并廣泛應用于電力生產行業。目前的污染物脫除設備基本針對單一污染物，且采用串聯的布置方式，脫險系統占地面積大、施工難度、運行成本較高。因此，工業廢氣深度治理技術已經逐漸由針對單一污染物的控制策略轉向開發高效、經濟的多種污染物協同脫除技術。工業廢氣污染物協同凈化的前沿技術包括活性炭法多污染協同控制技術、除塵協同控制技術和選擇性催化還原脫硝協同控制技術等，可在同一設備系統中消除多種污染物，以上各項技術的核心均為吸附/催化材料，設計與合成效果優良、價格低廉、穩定性好、廣譜性強的吸附/催化材料是后續各技術開發中的關鍵問題。

（3）大尺寸均質化高熵合金制備技術

高熵合金是一類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，具有高強度、耐磨、搞輻照、抗低溫脆化、抗高溫軟化等優異性能，在核能、防腐、動力等領域展現出巨大的應用潛力。但其復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。進一步開發研究主要從以下方面進行：1）開發針對高熵合金鑄造的新型熔煉設備和技術（如真空懸浮熔煉法），進一步優化熔煉制備工藝；2）在復雜異形構件的制備方面需進一步發展高熵合金的增材制造技術，尤其是構件缺陷、質量控制工藝，實現近凈成形；3）為獲得工程上可應用的大尺寸高熵合金，需發展高熵合金構筑成形制備技術、開發針對不同體系高熵合金構筑成形制備的全流程工藝。

（4）綠色低碳冶金關鍵工藝技術開發及應用

冶金工業作為能源密集型行業，是碳排放大戶，低碳發展勢在必行。研發創新性、突破性低碳冶金技術將是實現減碳目標的必然途徑。當前歐洲、日本、韓國、美國均提出了各自的低碳冶金發展路線，深度布局低碳冶金前沿工藝技術開發。2021年瑞典鋼鐵公司SSAB率先生產了全球首批零碳排放的“無化石鋼”，邁出了冶金工業真正實現碳中和的重要一步。近年來，中國也不斷推進冶金工業綠色轉型發展，大力發展綠色低碳冶金技術開發，在高爐富氫冶煉、轉爐高廢鋼比冶煉、近終形制造等低碳冶金關鍵技術工藝開發上取得了一定的進展，但尚未取得重大突破。未來綠色低碳冶金關鍵工藝技術發展方面包含三個方面：一是流程減碳，以現有工藝流程優化、能源結構調整、余熱余能利用為基礎，開發高爐爐頂煤氣循環利用技術、轉爐高廢鋼比冶煉技術、綠色高效電弧煉鋼技術、高效連鑄技術、鑄坯熱裝熱送技術、近終形無頭軋制技術和生物質能利用技術等；二是源頭替換，采用氫替代傳統的碳還原，開發包括富氫高爐還原工藝技術、氫冶金直接還原工藝技術和氫冶金熔融還原技術；三是末端治理，開發冶金尾氣二氧化碳捕集、封裝和資源化利用技術。

（5）可穿戴柔性智能系統的整體設計及應用

可穿戴柔性智能系統是綜合利用無線通信、人工智能、大數據、柔性電子、傳感器以及芯片集成等多種技術，對可穿戴物進行智能化設計形成的系統。在智能化時代的背景下，可穿戴柔性智能系統因其具有可穿戴性、可持續性、可交互性、智能化等特征，在健康與健身、醫療與保健、工業與軍事、信息娛樂等領域表現出重要的研究價值和應用潛力。各國為了占領可穿戴柔性智能領域的技術制高點，也紛紛制定研發計劃，著力突破技術難關。目前，相關領域主要集中在傳感器技術、柔性電子技術、電池技術、無線通信技術、人機交互技術、大數據及云計算等方面。近年來，相關領域已取得快速進展，但仍面臨著續航能力不足、舒適性差、數據準確性低、功能單一、存在安全和隱私隱患等問題，未來，可穿戴柔性智能系統將朝著舒適化、微型化、智能化、自供電、多功能等方向發展，針對可穿戴柔性智能產品的功能需求進行整體設計和系統構建，并與物聯網、移動互聯網等技術相結合，將產生巨大的經濟社會價值。

（6）新型綠色智能二次電池中關鍵材料的研發及系統應用

新型可充二次電池的開發是實現能量高效轉換與儲存的關鍵，在新能源汽車、航空航天、大規模儲能、智能電網等國家重大需求領域均有應用。儲能二次電池歷經了鉛酸電池、鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池等發展歷程。隨著資源、成本、安全等因素的影響日益凸顯，在進一步提升二次電池等的儲能性能的同時，尚需發展綠色環保、便宜安全的電池體系。電池中關鍵材料的改進和創新研究是解決上述問題的關鍵。一方面需要從新材料、新技術、新工藝入手，重點發展新型、環境友好型、低成本的電極和電解質材料，開展新一代共性技術如界面微結構設計調控技術攻關。另一方面結合先進的半導體工藝，使二次電池制造朝著數字化和綠色智能化方向發展，最終實現高能量密度、高安全、長壽命、綠色智能二次電池的構筑和系統應用。

（7）生物基可降解聚酯橡膠材料

橡膠因其獨特的性能，在日常生活和國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，中國橡膠消耗量1000尤噸左右。然而，橡膠材料不可降解，會對環境造成污染。生物基可降解聚酯橡膠材料是通過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題。其有望用于可降解輪胎、可降解鞋子、聚酯塑料環境增韌劑增塑劑、耐油橡膠材料等領域，通過分子結構設計和配方工藝優化，可實現更寬的應用領域。中國在該領域處于世界領先位置，自從2008年在國際橡膠會議上首次提出了生物基橡膠的概念，已經完成了千噸中試生產，目前處于產品性能優化和市場驗證階段。生物基可降解聚酯橡膠材料是中國原創的橡膠品種，也是世界上第一個可降解的橡膠材料品種，其合成工藝、催化劑體系、生產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題、如何調控其降解速度來適應制品要求等，均是該領域需要解決的關鍵技術問題。同時，還需要加快解決其連續化生產和加工問題，盡快實現其市場應用。

（8）多尺度功能材料超快激光精密制造技術開發與應用

功能材料與器件以功能需求為導向，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展，傳統設計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實現多功能材料由宏觀到介觀的跨尺度精細加工具有重要應用價值。超快激光精密制造技術是基于突破晶格熱擴散時間的極短脈沖激光，將能量注入高度空間選擇的區域，實現材料超精細空間三維加工的技術。這項技術具有非熱熔性、準確性和選擇性等優點，在結構復雜性、材料多樣性、尺度跨越性、功能集成性等方面具有獨特的加工優勢，在功能材料器件制造中極具潛力。開發多尺度功能材料的超快激光精密制造技術，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，多角度探索激光與材料作用過程中物理場演化規律，揭示超快激光與功能材料多尺度構筑的作用機理，進一步通過反映材料性能和形貌等特性的多參數為指標構建激光時域、空域分布的映射關系，形成完備的加工評價體系。另一方面是以功能材料器件應用需求為指導，形成功能材料多尺度精密制造的開發策略，并拓展其在工業、航空航天、軍事、醫療和日常生活等領域的研究價值與應用前景。

（9）先進氨能源燃料電池系統的設計開發及其應用

氫能具有清潔、高效的特點，但其儲運難和本質安全性弱是制約氫能安全高效低成本利用的關鍵難題。氨具有含氫量高、易于液化存儲運輸、本質安全性等特點，以其為能源（儲氫）載體，發展特色氨能源燃料電池技術，是實現高效、安全、經濟的“零碳”能源利用新技術。美國、日本、歐洲多國已部署了“REFUEL”計劃、“綠色氨（Green Ammonia）”項目和氨儲能示范系統等系列氨能源清潔轉化利用項目。中國合成氨產量居全球第一，依托合成氨的產業技術，可為氨能源燃料電池“零碳”新技術發展提供成熟的氨儲運和供應體系。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。其面臨的主要挑戰包括：1）高性能低溫氨分解制氫催化劑的設計合成、規模化制備及配套反應器工藝；2）安全低溫間接NH3燃料電池系統集成及成套工藝技術；3）高效氨活化的直接NH3燃料電池陽極材料的設計制備及膜電極反應器開發。

（10）高強度耐腐蝕新型輕合金材料制備及應用

新型輕合金主要包括鋁合金、鎂合金和鈦合金，由于密度低、比強度高、易加工回收和使用壽命長等優點，目前已被廣泛用于交通運輸、船舶及海洋工程、生物醫學、電子信息、航空航天和國防軍工等領域。但是輕合金在實際應用中也存在著耐腐蝕/抗氧化性能差、強度不高等問題，制約了其更廣泛的應用。當前600MPa以上超高強鋁合金材料、400MPa以上超高強鎂合金材料成為世界各國結構材料開發的前沿之一。同時為了擴大在海洋、航空等領域的應用范圍，不斷提升材料的耐腐蝕性能也是當前輕合金材料研究開發的重要課題。未來高強耐腐蝕新型合金材料制備及應用技術研究方面包括：1）輕合金材料合金化理論研究及合金成分優化設計；2）新型輕合金材料制備方法、強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研究；4）輕合金材料腐蝕行為及機理研究；5）高強度耐腐蝕鋁、鎂、鈦基復合材料的制備與應用技術研究。

（11）極端服役環境下關鍵金屬材料的開發與應用

隨著科學技術的發展，越來越多的金屬材料被應用在高空、深海、極地和太空等領域，面臨著高溫、低溫、高壓、高濕度、高過載、長時間等極端服役環境。圍繞國家重大工程和高端裝備制造，攻克材料強-塑性能、高-低溫性能、長時-瞬態性能之間的矛盾，滿足極端服役條件對材料性能的極限要求，開發先進特殊鋼、高溫與特種金屬、高強度輕合金及其復合材料等關鍵金屬材料成為了當前研發的重要課題。一方面是進行極端服役環境下高強韌耐蝕金屬材料組織強韌化及抗疲勞機理研究，金屬材料損傷及失效機理研究。另一方面包括，高性能金屬材料及其關鍵零部件的制備加工技術研究，服役安全評價和壽命預測技術研究，表面防護及復合增強表面工程技術研究。

關于報告

中國工程院啟動“全球工程前沿”研究。研究圍繞中國工程院9 個學部，依托“1+9+1”系列院刊，凝煉工程研究前沿和工程開發前沿，并重點解讀其中關鍵的27個工程研究前沿和27個工程開發前沿，每年以中英文形式向全球發布年度報告，旨在研判未來科技發展方向，發揮學術引領作用，引導工程科技創新。全球工程前沿研究以數據分析為基礎，以專家研判為依據，遵從定量研究與定性研究相結合、數據挖掘與專家論證相佐證、工程研究前沿與工程開發前沿并重的原則，尤其注重數據與專家的多輪深度交互，綜合集成、逐步迭代，凝練出年度全球工程前沿。在數據分析方面，綜合利用期刊論文（SCIE 收錄）、會議論文和全球專利數據，獲得了每個領域工程前沿遴選的基礎素材，供專家參考。在專家研判方面，文獻情報專家以及領域專家全程參與數據源的補充、前沿方向的提煉和修訂，以及重點前沿的解讀。

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

http://devp-service.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/9047b66293bc4326b15ca9145477fd18/file_1639123755899.pdf

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

http://devp-service.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/9047b66293bc4326b15ca9145477fd18/file_1639123738574.pdf

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