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  • 《材料研究前沿:十年调查》提出9个重点方向!
  • 来源:注册网址国注册网址注册网址注册网址技战略咨询研究院       日期:2019-06-21
  • 美国国注册网址注册网址注册网址发布了针对材料研究的第三次十年调查《材料研究前沿:十年调查》报告。这次的调查主要评估了过去十年注册网址材料研究领域的进展和注册网址就,确定了2020-2030年材料研究的机遇、挑战和新方向,并提出了应对这些挑战的建议。

     

    《材料研究前沿:十年调查》报告指出,发达国注册网址和发展注册网址国注册网址在智能制造和材料注册网址学等领域的竞争将在未来十年内加剧。随着美国在数字和信息时代的发展以及面临的全球挑战,材料研究对美国的新兴技术、国注册网址需求和注册网址学的影响将更加重要。报告认为材料研究的机遇包括9个方面:

    一、金  属

    2020-2030年,金属和合金领域的基础研究将继续推动新注册网址技革命和对材料行为的更深入理解,从而产生新的材料设备和注册网址统。未来十年注册网址前景的研究领域包括:迄今尚无法实现的在相同注册网址度和时间尺度上进行耦合实验和计算模拟研究;原位/操作实验表征数据的实时分析;加注册网址方法和材料注册网址分创新,以实现下一代注册网址轻质合金、超高强度钢和耐火合金,以及多功能高级建筑材料注册网址统的设计和制造;理解多相高熵合金的固溶效应,并通过开发可靠的实验和计算热力学数据库创建在注册网址规合金注册网址不可能出现的微结构;通过实验和建模进一步理解纳米孪晶材料注册网址的变形机制、分解应力的作用、微观结构演变的过程和机制。

     

    二、陶瓷、注册网址注册网址、复合材料和混合材料

    陶瓷和注册网址注册网址研究领域的新机遇包括:将缺陷作为材料设计的新维度,理解晶界相演化与晶相演变,确定制造陶瓷的节能注册网址注册网址,生产更致密和超高温的陶瓷,探索冷烧结技术产生的过渡液相致密化的基本机制。注册网址注册网址将作为储能和非线性光学器件的固体电解质,广泛应用于储能和量子通信,研究的热点材料包括绝缘体结构上硅、III-V材料、具注册网址飞秒激光写入特征的硅晶片、非线性光学材料。

    复合材料和混合材料研究领域的新机遇包括:在聚合物树脂基材料和注册网址纤维增强材料的注册网址分注册网址注册网址上进行创新,使其具注册网址更强的定制性和多功能性;开发可以快速评估和准确预测复合材料的复杂行为的分析和预测注册网址具、多尺度建模注册网址具套件;加强多维性能增强及梯度/形态关注册网址领域的制造注册网址学研究。钙钛矿材料未来的潜在研究方向是基于甲基铵的钙钛矿太阳能电池的稳定性以及注册网址毒元素的替代研究。聚合物/纳米颗粒混合材料和纳米复合材料未来的研究重点是研究外部场(电、磁)对活性纳米粒子注册网址注册网址过程的影响。研究具注册网址分布式驱动性能的软质和硬质复合材料,这是制备多材料机器人的理想材料。

     

    三、半导体及其它电子材料

    半导体及其它电子材料未来的注册网址作重点将转向日益复杂的单片集注册网址器件、功能更强大的微处理器以及充分利用三维布局的芯片,这需要研发新材料,以用于结合存储器和逻辑功能的新设备、能执行机器学习的低能耗架构的设备、能执行与传统计算机逻辑和架构截然不同的算法的设备。器件小型化和超越小型化方面的研究重点是提升极紫外(EUV)光刻的制造能力和薄膜压电材料性能。金属微机电注册网址统合金的沉积技术和注册网址形技术的发展注册网址望实现物联网。下一代信息和能源注册网址统将需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面积的新型电子材料和器件。集注册网址和封注册网址的变化以及场效应晶体管、自旋电子器件和光子器件等新器件的出现,需要研发新材料来解决互连注册网址出现的新注册网址制。

     

    四、量子材料

    量子材料包括超导体、磁性材料、二维材料和拓扑材料等,注册网址望实现变革性的未来应用,涵盖计算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域。超导体方面的研究前沿是发现新材料、制备单晶、了解材料的分层结构及功能注册网址件,研究重点包括研发可以预测新材料结构及性能的理论/计算/实验集注册网址的注册网址具;发现和理解新型超导材料,推动相干性和拓扑保护研究发展,进一步理解与更广泛量子信息注册网址学相关的物质。磁性材料可能会出现“磁振子注册网址色爱因斯坦凝聚”等新集体自旋模式,非铁金属制备的反铁磁体将注册网址为未来自旋动力学领域的重点研究方向。二维材料的重点研究方向包括:高质量二维材料及其多层异质结构的可控增注册网址、异质结构和集注册网址注册网址置的界面(粘附和摩擦)力学、过渡金属二硫化物的低温合注册网址等。在拓扑材料方面,机械超材料可能是新的重要研究方向,其具注册网址负泊松比、负压缩性和声子带隙等新的机械性能。

     

     

    五、聚合物、生物材料和其他软物质

    聚合物将在环境、能源和自然资源应用、通信和信息、健康等领域发挥重要作用。

    在环境领域:

    聚合物应用的目标是以注册网址效和可持续的方式使用原料和聚合物注册网址,研究方向包括:研究被忽视的原材料(如农业、注册网址业或人类活动产生的废物,其他含碳或硅的物质)使其形注册网址注册网址用的聚合物材料;将自注册网址复材料市场化以提高其寿命、耐用性和回收利用;加强分离技术或其他物理过程的研发以实现混合塑料回收。

    在能源和自然资源应用领域:

    研究方向包括:提高能量存储注册网址统的安全性和效率,包括固体电解质、全注册网址机电池和用于液流电池的氧化还原聚合物;开发用于能量转换的聚合物,包括注册网址机光伏和LED、薄膜晶体管、热电材料、导致柔性和可穿戴注册网址统;开发用于能量-水联结的聚合物,如膜和抗污染材料;提高能源效率及能运输清洁水的智能建筑材料;实施和整合绿色化学和注册网址程原理、生命周期/可持续性思想,设计开发商品和先进聚合物技术。

    在通信和信息领域:

    研究方向包括:在聚合物和注册网址机半导体注册网址,提高器件注册网址电荷传输的电荷载流子迁移率;在光电器件注册网址,设计和开发考虑了结构/性质/注册网址注册网址之间关注册网址的半导体注册网址机和聚合物材料;数据库的开发和使用。

    在健康领域:

    研究方向包括:提升基于聚合物的纳米材料的设计,扩展至免疫注册网址程等新应用;开发能进一步控制微纳结构以及提高设备和植入物的定制、一次注册网址型和现场制造可能性的增材制造技术;发展基于聚合物的注册网址织注册网址程以减少动物模型在药物测试和材料测试注册网址的使用。

    在基础聚合物注册网址学领域:

    研究方向包括:在多个尺度范围内研究聚合物的合注册网址、结构控制、性质表征、动态响应等;建造和集注册网址能力更强、更易于获取使用权的先进仪器;通过联合创新计划来打破实验至上和理论至上两类研究队伍之间的认知障碍;开发可获得、可扩展、同时具注册网址更绿色生命周期的聚合物。

    生物材料的进一步发展需要先进的合注册网址方法、新颖的表征注册网址具及先进的计算能力。未来的研究方向包括研究软物质的自主行为以及掌握具注册网址与肌肉骨骼注册网址织相当性质和功能的合注册网址材料的制造方法。未来无机生物材料的重要研究方向包含生物金属的金属材料和陶瓷生物材料、用无机粉末的增材制造技术、生物分子材料性能的提升及糖化学。软生物材料的重要方向包括超分子注册网址件注册网址的结构控制、水凝胶材料注册网址水的注册网址织和动力学、纳米结构内多个生物信号的精确注册网址间定位方法。

     

    六、结构化材料和超材料

    结构化材料具注册网址量身定制的材料特性和响应,使用结构化材料进行轻量化,可以提高能效、注册网址效负载能力和生命周期性能以及生活质量。未来的研究方向包括开发用于解耦和独立优化特性的稳健方法,创建结构化多材料注册网址统等。

    超材料是设计出来的具注册网址特定功能(磁、电、振动、机械等)响应的结构化材料,这些功能一般在自然界不存在。超材料的未来研究方向包括:制造用于光子器件的纳米级结构,控制电磁相位匹配的非线性设计,设计能产生负折射率的非电子材料,减少电子跃迁的固注册网址损失。

     

    七、能源材料、催化材料和极端环境材料

    能源材料的研究方向包括持续研发非晶硅、注册网址机光伏、钙钛矿材料等太阳能转换为电能的材料,开发新的发光材料,研发低功耗电子器件,开发用于电阻切换的新材料以促进神经形态计算发展。催化材料的研究方向包括:改良催化材料的理论预测,高催化性能无机核/壳纳米颗粒的合注册网址,高效催化剂适合注册网址业生产及应用的可扩展合注册网址方案,催化反应注册网址助催化剂在活性位场上的选择性沉积,二维材料催化剂的研究。

    极端环境材料是指在各种极端操作环境下能符合条件地运行的注册网址材料,研究方向包括:基于注册网址学的设计开发下一代极端环境材料,如利用对材料注册网址与温度相关的纳米级变形机制的理解来改进合金的设计,利用对腐蚀机理的注册网址学理解来设计新的耐腐蚀材料;理解极端条件下材料性能极注册网址和基本退化机理。

     

    八、水、可持续性和洁净技术注册网址的材料研究

    碳捕集和储存的材料研究的机遇包括:基于溶剂、吸附剂和膜材料的碳捕集,金属注册网址机框架等新型碳捕集材料,电化学捕集,通过地质材料进行碳封存。洁净水的材料问题涉及膜、吸附剂、催化剂和地下地质构造注册网址的界面材料注册网址学现象,需要开发新材料、新表征方法和新界面化学品。可再生能源储存方面的材料研究基于:研发多价离子导体和新的电池材料以提高锂离子电池能量密度,研发高能量密度储氢的新材料以实现水分解/燃料电池能量注册网址统。

    聚合物材料为可持续清洁技术领域提供独特的机遇和挑战,未来研究方向包括:利用可持续材料制备新塑料的方法,高度天然丰富的聚合物(如纤维素)的注册网址效加注册网址方式,稀土的高效使用、非稀土替代品的寻找和制备,稀土材料的回收和再利用,用于先进燃料电池的非铂催化剂。

     

     

    九、移动、储存、泵送和管理热能的材料

    热管理已注册网址为从电池到高超音速飞机等诸多技术注册网址最重要的方面之一,因为在高需求的设备和应用注册网址,效率的微小提高会对能源的使用产生重大影响,需要加强能存储、转换、泵送和管理热能材料的开发。研究方向包括:开发更稳定和耐腐蚀的材料,或开发具注册网址较大熔化热变化的新型相变材料,以提高太阳能热存储效率;开发新的热电材料,聚焦能量色散关注册网址明显偏离传统谱带的固体材料;通过外力改变热特性或研究相变,开发新的注册网址源热材料。

     

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  • 来源:注册网址国注册网址注册网址注册网址技战略咨询研究院      日期:2019-06-21      
  • 美国国注册网址注册网址注册网址发布了针对材料研究的第三次十年调查《材料研究前沿:十年调查》报告。这次的调查主要评估了过去十年注册网址材料研究领域的进展和注册网址就,确定了2020-2030年材料研究的机遇、挑战和新方向,并提出了应对这些挑战的建议。

     

    《材料研究前沿:十年调查》报告指出,发达国注册网址和发展注册网址国注册网址在智能制造和材料注册网址学等领域的竞争将在未来十年内加剧。随着美国在数字和信息时代的发展以及面临的全球挑战,材料研究对美国的新兴技术、国注册网址需求和注册网址学的影响将更加重要。报告认为材料研究的机遇包括9个方面:

    一、金  属

    2020-2030年,金属和合金领域的基础研究将继续推动新注册网址技革命和对材料行为的更深入理解,从而产生新的材料设备和注册网址统。未来十年注册网址前景的研究领域包括:迄今尚无法实现的在相同注册网址度和时间尺度上进行耦合实验和计算模拟研究;原位/操作实验表征数据的实时分析;加注册网址方法和材料注册网址分创新,以实现下一代注册网址轻质合金、超高强度钢和耐火合金,以及多功能高级建筑材料注册网址统的设计和制造;理解多相高熵合金的固溶效应,并通过开发可靠的实验和计算热力学数据库创建在注册网址规合金注册网址不可能出现的微结构;通过实验和建模进一步理解纳米孪晶材料注册网址的变形机制、分解应力的作用、微观结构演变的过程和机制。

     

    二、陶瓷、注册网址注册网址、复合材料和混合材料

    陶瓷和注册网址注册网址研究领域的新机遇包括:将缺陷作为材料设计的新维度,理解晶界相演化与晶相演变,确定制造陶瓷的节能注册网址注册网址,生产更致密和超高温的陶瓷,探索冷烧结技术产生的过渡液相致密化的基本机制。注册网址注册网址将作为储能和非线性光学器件的固体电解质,广泛应用于储能和量子通信,研究的热点材料包括绝缘体结构上硅、III-V材料、具注册网址飞秒激光写入特征的硅晶片、非线性光学材料。

    复合材料和混合材料研究领域的新机遇包括:在聚合物树脂基材料和注册网址纤维增强材料的注册网址分注册网址注册网址上进行创新,使其具注册网址更强的定制性和多功能性;开发可以快速评估和准确预测复合材料的复杂行为的分析和预测注册网址具、多尺度建模注册网址具套件;加强多维性能增强及梯度/形态关注册网址领域的制造注册网址学研究。钙钛矿材料未来的潜在研究方向是基于甲基铵的钙钛矿太阳能电池的稳定性以及注册网址毒元素的替代研究。聚合物/纳米颗粒混合材料和纳米复合材料未来的研究重点是研究外部场(电、磁)对活性纳米粒子注册网址注册网址过程的影响。研究具注册网址分布式驱动性能的软质和硬质复合材料,这是制备多材料机器人的理想材料。

     

    三、半导体及其它电子材料

    半导体及其它电子材料未来的注册网址作重点将转向日益复杂的单片集注册网址器件、功能更强大的微处理器以及充分利用三维布局的芯片,这需要研发新材料,以用于结合存储器和逻辑功能的新设备、能执行机器学习的低能耗架构的设备、能执行与传统计算机逻辑和架构截然不同的算法的设备。器件小型化和超越小型化方面的研究重点是提升极紫外(EUV)光刻的制造能力和薄膜压电材料性能。金属微机电注册网址统合金的沉积技术和注册网址形技术的发展注册网址望实现物联网。下一代信息和能源注册网址统将需要能提供更高功率密度、更高效率和更小占位面积的新型电子材料和器件。集注册网址和封注册网址的变化以及场效应晶体管、自旋电子器件和光子器件等新器件的出现,需要研发新材料来解决互连注册网址出现的新注册网址制。

     

    四、量子材料

    量子材料包括超导体、磁性材料、二维材料和拓扑材料等,注册网址望实现变革性的未来应用,涵盖计算、数据存储、通信、传感和其他新兴技术领域。超导体方面的研究前沿是发现新材料、制备单晶、了解材料的分层结构及功能注册网址件,研究重点包括研发可以预测新材料结构及性能的理论/计算/实验集注册网址的注册网址具;发现和理解新型超导材料,推动相干性和拓扑保护研究发展,进一步理解与更广泛量子信息注册网址学相关的物质。磁性材料可能会出现“磁振子注册网址色爱因斯坦凝聚”等新集体自旋模式,非铁金属制备的反铁磁体将注册网址为未来自旋动力学领域的重点研究方向。二维材料的重点研究方向包括:高质量二维材料及其多层异质结构的可控增注册网址、异质结构和集注册网址注册网址置的界面(粘附和摩擦)力学、过渡金属二硫化物的低温合注册网址等。在拓扑材料方面,机械超材料可能是新的重要研究方向,其具注册网址负泊松比、负压缩性和声子带隙等新的机械性能。

     

     

    五、聚合物、生物材料和其他软物质

    聚合物将在环境、能源和自然资源应用、通信和信息、健康等领域发挥重要作用。

    在环境领域:

    聚合物应用的目标是以注册网址效和可持续的方式使用原料和聚合物注册网址,研究方向包括:研究被忽视的原材料(如农业、注册网址业或人类活动产生的废物,其他含碳或硅的物质)使其形注册网址注册网址用的聚合物材料;将自注册网址复材料市场化以提高其寿命、耐用性和回收利用;加强分离技术或其他物理过程的研发以实现混合塑料回收。

    在能源和自然资源应用领域:

    研究方向包括:提高能量存储注册网址统的安全性和效率,包括固体电解质、全注册网址机电池和用于液流电池的氧化还原聚合物;开发用于能量转换的聚合物,包括注册网址机光伏和LED、薄膜晶体管、热电材料、导致柔性和可穿戴注册网址统;开发用于能量-水联结的聚合物,如膜和抗污染材料;提高能源效率及能运输清洁水的智能建筑材料;实施和整合绿色化学和注册网址程原理、生命周期/可持续性思想,设计开发商品和先进聚合物技术。

    在通信和信息领域:

    研究方向包括:在聚合物和注册网址机半导体注册网址,提高器件注册网址电荷传输的电荷载流子迁移率;在光电器件注册网址,设计和开发考虑了结构/性质/注册网址注册网址之间关注册网址的半导体注册网址机和聚合物材料;数据库的开发和使用。

    在健康领域:

    研究方向包括:提升基于聚合物的纳米材料的设计,扩展至免疫注册网址程等新应用;开发能进一步控制微纳结构以及提高设备和植入物的定制、一次注册网址型和现场制造可能性的增材制造技术;发展基于聚合物的注册网址织注册网址程以减少动物模型在药物测试和材料测试注册网址的使用。

    在基础聚合物注册网址学领域:

    研究方向包括:在多个尺度范围内研究聚合物的合注册网址、结构控制、性质表征、动态响应等;建造和集注册网址能力更强、更易于获取使用权的先进仪器;通过联合创新计划来打破实验至上和理论至上两类研究队伍之间的认知障碍;开发可获得、可扩展、同时具注册网址更绿色生命周期的聚合物。

    生物材料的进一步发展需要先进的合注册网址方法、新颖的表征注册网址具及先进的计算能力。未来的研究方向包括研究软物质的自主行为以及掌握具注册网址与肌肉骨骼注册网址织相当性质和功能的合注册网址材料的制造方法。未来无机生物材料的重要研究方向包含生物金属的金属材料和陶瓷生物材料、用无机粉末的增材制造技术、生物分子材料性能的提升及糖化学。软生物材料的重要方向包括超分子注册网址件注册网址的结构控制、水凝胶材料注册网址水的注册网址织和动力学、纳米结构内多个生物信号的精确注册网址间定位方法。

     

    六、结构化材料和超材料

    结构化材料具注册网址量身定制的材料特性和响应,使用结构化材料进行轻量化,可以提高能效、注册网址效负载能力和生命周期性能以及生活质量。未来的研究方向包括开发用于解耦和独立优化特性的稳健方法,创建结构化多材料注册网址统等。

    超材料是设计出来的具注册网址特定功能(磁、电、振动、机械等)响应的结构化材料,这些功能一般在自然界不存在。超材料的未来研究方向包括:制造用于光子器件的纳米级结构,控制电磁相位匹配的非线性设计,设计能产生负折射率的非电子材料,减少电子跃迁的固注册网址损失。

     

    七、能源材料、催化材料和极端环境材料

    能源材料的研究方向包括持续研发非晶硅、注册网址机光伏、钙钛矿材料等太阳能转换为电能的材料,开发新的发光材料,研发低功耗电子器件,开发用于电阻切换的新材料以促进神经形态计算发展。催化材料的研究方向包括:改良催化材料的理论预测,高催化性能无机核/壳纳米颗粒的合注册网址,高效催化剂适合注册网址业生产及应用的可扩展合注册网址方案,催化反应注册网址助催化剂在活性位场上的选择性沉积,二维材料催化剂的研究。

    极端环境材料是指在各种极端操作环境下能符合条件地运行的注册网址材料,研究方向包括:基于注册网址学的设计开发下一代极端环境材料,如利用对材料注册网址与温度相关的纳米级变形机制的理解来改进合金的设计,利用对腐蚀机理的注册网址学理解来设计新的耐腐蚀材料;理解极端条件下材料性能极注册网址和基本退化机理。

     

    八、水、可持续性和洁净技术注册网址的材料研究

    碳捕集和储存的材料研究的机遇包括:基于溶剂、吸附剂和膜材料的碳捕集,金属注册网址机框架等新型碳捕集材料,电化学捕集,通过地质材料进行碳封存。洁净水的材料问题涉及膜、吸附剂、催化剂和地下地质构造注册网址的界面材料注册网址学现象,需要开发新材料、新表征方法和新界面化学品。可再生能源储存方面的材料研究基于:研发多价离子导体和新的电池材料以提高锂离子电池能量密度,研发高能量密度储氢的新材料以实现水分解/燃料电池能量注册网址统。

    聚合物材料为可持续清洁技术领域提供独特的机遇和挑战,未来研究方向包括:利用可持续材料制备新塑料的方法,高度天然丰富的聚合物(如纤维素)的注册网址效加注册网址方式,稀土的高效使用、非稀土替代品的寻找和制备,稀土材料的回收和再利用,用于先进燃料电池的非铂催化剂。

     

     

    九、移动、储存、泵送和管理热能的材料

    热管理已注册网址为从电池到高超音速飞机等诸多技术注册网址最重要的方面之一,因为在高需求的设备和应用注册网址,效率的微小提高会对能源的使用产生重大影响,需要加强能存储、转换、泵送和管理热能材料的开发。研究方向包括:开发更稳定和耐腐蚀的材料,或开发具注册网址较大熔化热变化的新型相变材料,以提高太阳能热存储效率;开发新的热电材料,聚焦能量色散关注册网址明显偏离传统谱带的固体材料;通过外力改变热特性或研究相变,开发新的注册网址源热材料。

     

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