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中国工程院最新梳理 | 新质生产力16大重点新材料细分领域

      为了培养新质生产力,各地都在加快布局和发展新兴产业与未来产业。日前,中国工程院院刊《中国工程科学》2024年第1期从全球科技前沿角度,梳理了面向新兴和未来产业的新质生产力16大重点新材料细分领域。

     (一) 面向新兴产业发展的新材料
      1. 集成电路关键材料
      我国集成电路关键材料产业的发展重点是填补国内产业空白,需加大力量补短板,保障集成电路制造产业供应链的安全和稳定。重点布局覆盖130~90 nm、90~28 nm技术节点的先进逻辑产品、先进存储器用晶圆制造成套工艺和先进封装成套工艺的各类关键材料开发,包括193 nm浸没式光刻胶及其配套抗反射材料和特种试剂、高阶逻辑工艺和先进存储用前驱体系列产品、高阶工艺用抛光液和抛光垫、特种合金靶材及先进封装用多种材料。填补国内空白,大力提升规模化产业技术水平,提高产品品种覆盖率,加强产品品质、服务、配套保障能力建设,提升产业综合竞争力,提高产品市场占有率;部署开发20~14 nm、14~7 nm及其以下技术代逻辑产品和先进存储器需求关键产品,为产品进入高端市场奠定基础。加紧布局超越“摩尔定律”相关领域,推动碳基集成电路特色工艺材料开发。在集成电路关键材料领域建设技术先进、安全可靠的产业体系,发挥对集成电路产业的支撑作用。
      2. 信息功能陶瓷材料
      通信技术的发展对新型微波滤波器件提出了高频宽带化、超低功耗的技术要求,对微小型滤波器件的结构与宽频设计原理、超低功耗实现方法和器件加工与测试技术等提出了新的挑战,需要发展新型微波介质滤波器件的高频低功耗设计原理、集成制造与纠偏微调技术及器件测试与评价方法。集中力量开展具有优良介电性能,适合新一代无源集成组件应用的低、中、高介电常数低温共烧陶瓷介质材料开发;解决器件集成中异质材料工艺匹配、外场下的稳定性等关键共性问题,获得材料结构 ‒ 工艺 ‒ 电性能 ‒ 服役特性优化的途径,推动低成本、高性能的无源集成器件用介质材料制备;针对新一代无线通信、可穿戴电子系统应用,探索基于自主介质材料的新型无源器件的设计、制备和集成技术。采用材料基础研究与应用开发相结合的方式,坚持材料 ‒ 器件 ‒ 工艺一体化研究路线,鼓励科研单位与生产企业密切合作,开展协同创新研究工作。
      3. 先进能源材料
      绿色发展、用能成本等问题已成为经济社会发展的核心议题,能源战略与各领域、各行业、各环节及各市场主体联系密切。围绕不同的能源转化、存储方式和原理,先进能源材料需重点发展燃料电池材料、热电材料、超级电容器材料、固体锂电材料、生物质能材料、光电材料和纳米能源材料等方向。加速推进氢燃料电池新材料与部件的产业化,进一步推进锑化铋热电材料体系的产业化进程,研制综合性能优异的正 / 负极材料、功能性电解液及隔膜等超级电容器关键材料,突破固态电池材料在电导率、成本、批量生产等方面的问题,加快推进生物质液体燃料清洁制备与高值化利用技术产业化,解决新型光伏材料批量化生产过程中造成的转换效率下降问题,实现纳米发电机在人机交互、智能医疗和仿生智能器件等重要领域中的应用。
      4. 新型显示材料
      以提高显示核心材料的国产化率,探索新型器件结构,培育新材料、信息系统龙头企业,实现“换道超车”、引领行业发展为目标,攻克一批提升显示性能的关键材料与技术。具体包括:发展有机发光二极管 / 量子点发光二极管(OLED/QLED)印刷显示材料与器件、激光显示材料与器件、微发光二极管(MicroLED)显示材料与器件、光场显示材料与技术;攻克一批便携式移动显示难题,如低功耗、驱动技术,下一代移动通信技术,人工智能系统集合技术;攻克一批大尺寸制造问题,研究柔性制造技术;以新一代高视觉维度的光场显示需求为牵引,以材料、器件、模组、算法、整机全链条总体协调和同步开发为研究发展思路,推进全产业创新;通过开展科学技术研究,突破纳米发光二极管(NanoLED)显示核心材料与关键技术,形成先发优势,抢占未来显示技术与产业制高点。
      5. 生物医用材料
      随着生物医用材料的飞速发展,我国一些高端生物材料及医疗器械产品不断涌现。我国以医用羟基磷灰石陶瓷材料为代表的系列骨诱导人工骨,羟基磷灰石涂层及具有骨肿瘤与骨质疏松治疗功能的羟基磷灰石纳米材料,用于先天性心脏病和冠心病治疗的生物可吸收材料及器械,基于重组人源化胶原蛋白的心血管系统修复,骨科、牙科、皮肤科、妇产科等材料及器械产品,增材制造材料及产品等的研发,位列国际发展前沿。全面推进相关材料的研发及生产,开发系列化医用产品,建立完整的监管体系,开展临床应用技术研发及临床应用推广,保持我国原始创新产品的技术领先优势及发展国际市场,抢占国际标准制高点,推动产品走向国际是面向未来发展的关键。
      6. 生物基材料
      生物基材料作为新兴产业的重要组成部分获得了广泛关注。目前,在生物基材料领域,我国在原料、核心技术和产业发展等方面仍面临诸多挑战,与其他先进国家相比仍处于“跟跑”阶段。生物材料产业面临基础关键技术和产业竞争力略显不足、关键或重要产品的产业化程度不足、市场认可度偏低等挑战。未来的发展重点是实现以淀粉糖等为原料的基础化工产品的生物法生产与应用,推动生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物基聚酯酰胺、生物尼龙、生物基环氧树脂、生物橡胶、生物基 / 质聚合物、生物基介电储能材料、生物基材料助剂等生物基材料产业的链条化、集聚化、规模化发展。
      7. 先进结构与复合材料
      以国家重大需求为导向,以攻克关键核心技术、获取自主知识产权和工程应用为目标,解决材料设计与结构调控的重大科学问题,突破结构与复合材料制备与应用瓶颈技术,实现先进结构与复合材料技术自主发展。发展基于跨尺度多维度结构调控的新型结构材料、高性能高分子及其复合材料、高温耐蚀结构材料、轻质高强新材料、结构陶瓷及其复合材料、重大工程结构材料、增材制造材料并取得重大技术突破,材料微结构调控、超强韧化、极限化制备与服役等一批共性瓶颈技术达到世界先进水平;形成具有国际一流水平的先进结构与复合材料主干新材料研发和产业体系,结构与复合材料创新能力进入国际前列;重大装备用的高端结构与复合材料能够自主保障,战略必争领域关键核心结构材料实现自主可控。
      8. 稀土材料
      紧密围绕国家战略需求,结合未来智能机器人、智慧城市、深空 / 深海开发、大数据和人机交互等应用场景,重点开展工程化及产业化关键技术研究,着力突破稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土催化材料、稀土晶体材料、高纯稀土金属及靶材等先进稀土功能材料的核心制备技术、智能生产装备、专用检测仪器及其应用技术;通过全产业链同步创新,推动先进成果的推广实施,保障战略性新兴产业、国防军工、智能制造等对关键材料的需求,最终实现高端应用稀土功能材料的自主供给;开展前沿基础理论和实验研究,通过科学问题的深入探究和积累,提出更多原创理论和原创发现,获得一批稀土新材料和新应用原创性成果;实现我国从稀土大国向稀土强国的战略性转变,引领未来稀土科技和产业发展。
      9. 超导材料
      超导技术是21世纪具有战略意义的高新技术,在能源、医疗、交通、科学研究及国防军工等领域都有重要的应用价值和应用前景。通过“产学研用”联合攻关,实现我国低温超导材料产业的升级换代,突破高温超导材料批量化制备关键技术,开发出面向电力、能源、医疗和国防应用的超导电工装备,实现超导材料、超导强电和超导弱电产品的协同发展和规模化应用,总体达到国际先进水平,打造并形成基于超导材料及其应用技术的战略性新兴产业。

     (二) 面向未来产业布局的新材料
      1. 原子制造技术
      原子制造技术是以原子水平的量子物理为基础、以原子级功能基元为核心,在物质极限层次开展的材料与器件的制造技术,将在逻辑、存储、传感、超导、催化、储能及光电等领域催生重大应用,显著促进多学科交叉融合和技术发展。未来将重点发展原子基元设计及其材料器件制造、分子基元设计及其微系统组装制造、基元系统及大规模器件制造、原子量子态精确控制及其器件制造、原子制造的前沿新理论与新概念。
      2. 硅基多材料体系融合集成
      硅基集成光电子器件 / 模块的重要研究方向为:搭建硅与先进光电材料(如Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、铌酸锂材料、二维材料、相变材料等)的混合集成工艺平台,充分发挥集成电路工艺的超大规模、超高精度制造特性,结合各类材料的光电特性优势,实现高性能混合光电集成芯片制备技术突破。
      3. 碳纳米管微纳电子材料
      碳纳米管载流子迁移率高,可应用于射频器件的制造,提高射频器件的截止频率和最大振荡频率,有望应用于空间通信、高速无线电链路、车辆雷达和芯片间通信应用领域的耦合纳米振荡器。碳纳米管耐弯曲的特性使其可应用于柔性、透明电子设备的制造,推动显示设备性能提升。随着技术的进步,碳基半导体的应用场景将日益多元化,未来碳纳米管材料在微纳电子领域应用还需聚焦碳纳米管制备、器件稳定性、性能与集成度兼顾等问题,建立纳电子器件用碳纳米管材料标准、表征方法、工艺流程。
      4. 超宽禁带半导体材料
      我国的超宽禁带半导体材料正处于前沿研究阶段,高品质、大尺寸衬底材料的制备是近期技术突破的重点;基于高品质衬底生长的外延材料将成为器件制备的基础,攻克器件制备工艺的技术难点将为超宽禁带半导体的广泛应用提供可能。超宽禁带半导体材料禁带宽度大、单晶制备难度高、高效掺杂难度大、器件接触性能调控难度高等一系列难题成为超宽禁带半导体应用的阻力,为超宽禁带半导体的发展带来了重大的挑战。今后还需重点发展高品质、大尺寸衬底材料制备能力,开发具有自主知识产权、稳定高效的单晶生长和加工技术,形成单晶生长、缺陷控制、衬底加工技术等超宽禁带材料专利池,储备相关技术人才,突破大尺寸、高性能单晶衬底产业化技术。
      5. 超材料
      典型的超材料如左手材料、“隐身斗篷”、完美透镜等,已在光学、通信、国防等领域获得应用;多种电磁超材料、力学超材料、声学超材料、热学超材料及基于超材料与常规材料融合的新型材料相继出现,形成了新材料的重要增长点。面向未来产业发展,还应提前布局光学超透镜技术、超材料电磁隐身技术、超材料天线技术及超材料全光开关技术,推动超材料减震技术研究及其在精密机械和重大工程中的应用,研发用于声呐、噪声抑制及声学信息技术方面的新型超材料,用于热能利用及转换、热管理等领域的新型超材料。
      6. 液态金属
      液态金属的应用基础研究已发展成为当前备受国际广泛关注的重大科技前沿和热点,为众多行业带来了颠覆性解决方案和实现手段,为能源、热控、电子信息、先进制造、国防军事、柔性智能机器人以及生物医疗健康等领域技术的发展带来变革。未来,该领域还需重点发展液态金属电子浆料、液态金属热界面材料、液态金属相变材料、液态金属导电胶、液态金属磁流体、液态金属低温焊料等功能材料;研发液态金属肿瘤血管栓塞制剂及治疗技术、液态金属神经连接与修复技术、液态金属高分辨血管造影术、液态金属内外骨骼技术与注射电子学、液态金属皮肤电子技术、碱金属流体肿瘤消融治疗技术等前沿医疗技术,以及系列创新医疗器械产品。
      7. 高熵合金
      高熵合金打破了传统合金以混合焓为主的设计理念,为新材料的研发打开了一个广阔的成分设计空间。高熵合金可在国防、航空、航天等多个关键领域得到应用,开发并推广具有自主知识产权的高熵合金新材料具有重大战略意义。高熵合金发展的重点包括轻质高熵合金、耐高温难熔高熵合金、耐腐蚀高熵合金、耐辐照高熵合金、生物医用高熵合金、共晶高熵合金、耐磨高熵合金、储氢高熵合金、催化高熵合金、软磁高熵合金等。面向未来应用场景和具有潜力的重点应用方向,开展实际应用验证;针对国防装备应用、航空、航天等极端环境条件下服役需求,研制特种高性能高熵合金;开发用于宽温域工况条件下的综合性能优异的新型装备高熵合金结构材料,实现高熵合金国际战略引领。


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