中国工程院-化工、冶金与材料工程领域：2021全球工程开发前沿

2021-12-16 13:40:59 作者：今日新材料来源：中国工程院分享至：

化工、冶金与材料工程领域：工程开发前沿

3. 化工、冶金与材料工程领域

1、工程研究前沿（可点击链接）

2、工程开发前沿

2.1 Top11工程开发前沿发展态势

化工、冶金与材料工程领域研判，得到的Top11工程开发前沿见表2.1.1。其中“工业废气的深度净化与资源化利用”，“可穿戴柔性智能系统的整体设计及应用”，“新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用”，“生物基可降解聚酯橡胶材料”和“高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用”是基于科睿唯安提供的核心专利聚类得出，另外6个开发前沿为专家提出。“低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化”作为新兴的能源技术，其专利被引用次数并不高（表2.1.1），但核心专利数呈现明显上升趋势（表2.1.2）。“新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用”仍然是受到广泛关注的方向，其专利篇均引用高，达到10.3次，近年来核心专利数量仍然没有减少。“高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用”平均引用次数达到14.19次，但其核心专利数呈下降趋势。

（1）低成本高效率钙钛矿太阳能电池的产业化

基于有机-无机杂化体系的新型钙钛矿太阳能电池具备转换效率高、生产成本低等优点，是第二代光伏技术中最有希望实现产业化的技术之一。钙钛矿太阳能电池可以通过低温溶液法制备的特性，有效降低生产过程中的碳排放，因此钙钛矿太阳能电池的产业化对于进一步推动光伏产业的节能减排具有重要意义。目前，钙钛矿太阳能电池的产业化研究在全球范围内得到学术界和产业界越来越多的关注与投入，中国、美国和欧盟等主要光伏产出与消费国家和地区均将钙钛矿列为未来重点支持的光伏技术目录。目前，钙钛矿光伏的产业化前沿方向主要集中在以下两点：开发适用于大面积、流水线化生产的高效率光伏面板制备技术、钙钛矿光伏组件的封装技术与稳定性研究；与硅光伏相结合的硅-钙钛矿叠层太阳能技术开发。

（2）工业废气的深度净化与资源利用

工业废气主要是指电力、钢铁、建材、焦化等行业在燃料燃烧和生产工艺过程中排放的含有多种污染物的气体总称。工业废气排放会造成酸雨、雾霾、臭氧层空洞、温室效应、光化学烟雾等一系列问题，严重威胁生态环境和人类发展。开发经济、有效的工业废气深度净化技术对缓解环境与生态问题尤为重要。经过数十年的发展，静电除尘、湿法脱硫、选择性催化还原脱硝等技术相对成熟，并广泛应用于电力生产行业。目前的污染物脱除设备基本针对单一污染物，且采用串联的布置方式，脱险系统占地面积大、施工难度、运行成本较高。因此，工业废气深度治理技术已经逐渐由针对单一污染物的控制策略转向开发高效、经济的多种污染物协同脱除技术。工业废气污染物协同净化的前沿技术包括活性炭法多污染协同控制技术、除尘协同控制技术和选择性催化还原脱硝协同控制技术等，可在同一设备系统中消除多种污染物，以上各项技术的核心均为吸附/催化材料，设计与合成效果优良、价格低廉、稳定性好、广谱性强的吸附/催化材料是后续各技术开发中的关键问题。

（3）大尺寸均质化高熵合金制备技术

高熵合金是一类由多种元素以等摩尔比或近摩尔比组成的新型多主元金属材料，具有高强度、耐磨、搞辐照、抗低温脆化、抗高温软化等优异性能，在核能、防腐、动力等领域展现出巨大的应用潜力。但其复杂的成分和较差的铸造性使得大尺寸高熵合金难以制备，极大地制约了高熵合金的应用。目前，块体高熵合金的制备方法主要包括粉末冶金法和铸造法，这两种方法在制备大尺寸高熵合金上尚存在局限性。进一步开发研究主要从以下方面进行：1）开发针对高熵合金铸造的新型熔炼设备和技术（如真空悬浮熔炼法），进一步优化熔炼制备工艺；2）在复杂异形构件的制备方面需进一步发展高熵合金的增材制造技术，尤其是构件缺陷、质量控制工艺，实现近净成形；3）为获得工程上可应用的大尺寸高熵合金，需发展高熵合金构筑成形制备技术、开发针对不同体系高熵合金构筑成形制备的全流程工艺。

（4）绿色低碳冶金关键工艺技术开发及应用

冶金工业作为能源密集型行业，是碳排放大户，低碳发展势在必行。研发创新性、突破性低碳冶金技术将是实现减碳目标的必然途径。当前欧洲、日本、韩国、美国均提出了各自的低碳冶金发展路线，深度布局低碳冶金前沿工艺技术开发。2021年瑞典钢铁公司SSAB率先生产了全球首批零碳排放的“无化石钢”，迈出了冶金工业真正实现碳中和的重要一步。近年来，中国也不断推进冶金工业绿色转型发展，大力发展绿色低碳冶金技术开发，在高炉富氢冶炼、转炉高废钢比冶炼、近终形制造等低碳冶金关键技术工艺开发上取得了一定的进展，但尚未取得重大突破。未来绿色低碳冶金关键工艺技术发展方面包含三个方面：一是流程减碳，以现有工艺流程优化、能源结构调整、余热余能利用为基础，开发高炉炉顶煤气循环利用技术、转炉高废钢比冶炼技术、绿色高效电弧炼钢技术、高效连铸技术、铸坯热装热送技术、近终形无头轧制技术和生物质能利用技术等；二是源头替换，采用氢替代传统的碳还原，开发包括富氢高炉还原工艺技术、氢冶金直接还原工艺技术和氢冶金熔融还原技术；三是末端治理，开发冶金尾气二氧化碳捕集、封装和资源化利用技术。

（5）可穿戴柔性智能系统的整体设计及应用

可穿戴柔性智能系统是综合利用无线通信、人工智能、大数据、柔性电子、传感器以及芯片集成等多种技术，对可穿戴物进行智能化设计形成的系统。在智能化时代的背景下，可穿戴柔性智能系统因其具有可穿戴性、可持续性、可交互性、智能化等特征，在健康与健身、医疗与保健、工业与军事、信息娱乐等领域表现出重要的研究价值和应用潜力。各国为了占领可穿戴柔性智能领域的技术制高点，也纷纷制定研发计划，着力突破技术难关。目前，相关领域主要集中在传感器技术、柔性电子技术、电池技术、无线通信技术、人机交互技术、大数据及云计算等方面。近年来，相关领域已取得快速进展，但仍面临着续航能力不足、舒适性差、数据准确性低、功能单一、存在安全和隐私隐患等问题，未来，可穿戴柔性智能系统将朝着舒适化、微型化、智能化、自供电、多功能等方向发展，针对可穿戴柔性智能产品的功能需求进行整体设计和系统构建，并与物联网、移动互联网等技术相结合，将产生巨大的经济社会价值。

（6）新型绿色智能二次电池中关键材料的研发及系统应用

新型可充二次电池的开发是实现能量高效转换与储存的关键，在新能源汽车、航空航天、大规模储能、智能电网等国家重大需求领域均有应用。储能二次电池历经了铅酸电池、锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池等发展历程。随着资源、成本、安全等因素的影响日益凸显，在进一步提升二次电池等的储能性能的同时，尚需发展绿色环保、便宜安全的电池体系。电池中关键材料的改进和创新研究是解决上述问题的关键。一方面需要从新材料、新技术、新工艺入手，重点发展新型、环境友好型、低成本的电极和电解质材料，开展新一代共性技术如界面微结构设计调控技术攻关。另一方面结合先进的半导体工艺，使二次电池制造朝着数字化和绿色智能化方向发展，最终实现高能量密度、高安全、长寿命、绿色智能二次电池的构筑和系统应用。

（7）生物基可降解聚酯橡胶材料

橡胶因其独特的性能，在日常生活和国防科技中具有不可替代的作用。全球橡胶消耗量在3000吨左右，其中，中国橡胶消耗量1000尤吨左右。然而，橡胶材料不可降解，会对环境造成污染。生物基可降解聚酯橡胶材料是通过大宗的生物基二元酸和二元醇综合聚合得到的，具有可生物降解的性能，可从根本上解决橡胶的污染问题。其有望用于可降解轮胎、可降解鞋子、聚酯塑料环境增韧剂增塑剂、耐油橡胶材料等领域，通过分子结构设计和配方工艺优化，可实现更宽的应用领域。中国在该领域处于世界领先位置，自从2008年在国际橡胶会议上首次提出了生物基橡胶的概念，已经完成了千吨中试生产，目前处于产品性能优化和市场验证阶段。生物基可降解聚酯橡胶材料是中国原创的橡胶品种，也是世界上第一个可降解的橡胶材料品种，其合成工艺、催化剂体系、生产装置等与通用聚酯材料不同。如何获得高分子量的生物基可降解聚酯橡胶、如何解决生物基可降解聚酯橡胶的配方工艺和加工性能问题、如何调控其降解速度来适应制品要求等，均是该领域需要解决的关键技术问题。同时，还需要加快解决其连续化生产和加工问题，尽快实现其市场应用。

（8）多尺度功能材料超快激光精密制造技术开发与应用

功能材料与器件以功能需求为导向，往往具有光、电、声、磁、热等单一或组合功能。随着多材料、多尺度、多功能集成需求的发展，传统设计理论与制造方法在功能材料与器件制造中不再适用，引入新型加工制造技术实现多功能材料由宏观到介观的跨尺度精细加工具有重要应用价值。超快激光精密制造技术是基于突破晶格热扩散时间的极短脉冲激光，将能量注入高度空间选择的区域，实现材料超精细空间三维加工的技术。这项技术具有非热熔性、准确性和选择性等优点，在结构复杂性、材料多样性、尺度跨越性、功能集成性等方面具有独特的加工优势，在功能材料器件制造中极具潜力。开发多尺度功能材料的超快激光精密制造技术，一方面是从功能材料多尺度“控形”和多材料“控性”的要求出发，多角度探索激光与材料作用过程中物理场演化规律，揭示超快激光与功能材料多尺度构筑的作用机理，进一步通过反映材料性能和形貌等特性的多参数为指标构建激光时域、空域分布的映射关系，形成完备的加工评价体系。另一方面是以功能材料器件应用需求为指导，形成功能材料多尺度精密制造的开发策略，并拓展其在工业、航空航天、军事、医疗和日常生活等领域的研究价值与应用前景。

（9）先进氨能源燃料电池系统的设计开发及其应用

氢能具有清洁、高效的特点，但其储运难和本质安全性弱是制约氢能安全高效低成本利用的关键难题。氨具有含氢量高、易于液化存储运输、本质安全性等特点，以其为能源（储氢）载体，发展特色氨能源燃料电池技术，是实现高效、安全、经济的“零碳”能源利用新技术。美国、日本、欧洲多国已部署了“REFUEL”计划、“绿色氨（Green Ammonia）”项目和氨储能示范系统等系列氨能源清洁转化利用项目。中国合成氨产量居全球第一，依托合成氨的产业技术，可为氨能源燃料电池“零碳”新技术发展提供成熟的氨储运和供应体系。目前，包括间接NH3燃料电池（NH3分解制氢-氢燃料电池）和直接NH3燃料电池。其面临的主要挑战包括：1）高性能低温氨分解制氢催化剂的设计合成、规模化制备及配套反应器工艺；2）安全低温间接NH3燃料电池系统集成及成套工艺技术；3）高效氨活化的直接NH3燃料电池阳极材料的设计制备及膜电极反应器开发。

（10）高强度耐腐蚀新型轻合金材料制备及应用

新型轻合金主要包括铝合金、镁合金和钛合金，由于密度低、比强度高、易加工回收和使用寿命长等优点，目前已被广泛用于交通运输、船舶及海洋工程、生物医学、电子信息、航空航天和国防军工等领域。但是轻合金在实际应用中也存在着耐腐蚀/抗氧化性能差、强度不高等问题，制约了其更广泛的应用。当前600MPa以上超高强铝合金材料、400MPa以上超高强镁合金材料成为世界各国结构材料开发的前沿之一。同时为了扩大在海洋、航空等领域的应用范围，不断提升材料的耐腐蚀性能也是当前轻合金材料研究开发的重要课题。未来高强耐腐蚀新型合金材料制备及应用技术研究方面包括：1）轻合金材料合金化理论研究及合金成分优化设计；2）新型轻合金材料制备方法、强韧化变形加工成形及热处理工艺研究；3）轻合金材料表面防腐及改性处理技术研究；4）轻合金材料腐蚀行为及机理研究；5）高强度耐腐蚀铝、镁、钛基复合材料的制备与应用技术研究。

（11）极端服役环境下关键金属材料的开发与应用

随着科学技术的发展，越来越多的金属材料被应用在高空、深海、极地和太空等领域，面临着高温、低温、高压、高湿度、高过载、长时间等极端服役环境。围绕国家重大工程和高端装备制造，攻克材料强-塑性能、高-低温性能、长时-瞬态性能之间的矛盾，满足极端服役条件对材料性能的极限要求，开发先进特殊钢、高温与特种金属、高强度轻合金及其复合材料等关键金属材料成为了当前研发的重要课题。一方面是进行极端服役环境下高强韧耐蚀金属材料组织强韧化及抗疲劳机理研究，金属材料损伤及失效机理研究。另一方面包括，高性能金属材料及其关键零部件的制备加工技术研究，服役安全评价和寿命预测技术研究，表面防护及复合增强表面工程技术研究。

关于报告

中国工程院启动“全球工程前沿”研究。研究围绕中国工程院9 个学部，依托“1+9+1”系列院刊，凝炼工程研究前沿和工程开发前沿，并重点解读其中关键的27个工程研究前沿和27个工程开发前沿，每年以中英文形式向全球发布年度报告，旨在研判未来科技发展方向，发挥学术引领作用，引导工程科技创新。全球工程前沿研究以数据分析为基础，以专家研判为依据，遵从定量研究与定性研究相结合、数据挖掘与专家论证相佐证、工程研究前沿与工程开发前沿并重的原则，尤其注重数据与专家的多轮深度交互，综合集成、逐步迭代，凝练出年度全球工程前沿。在数据分析方面，综合利用期刊论文（SCIE 收录）、会议论文和全球专利数据，获得了每个领域工程前沿遴选的基础素材，供专家参考。在专家研判方面，文献情报专家以及领域专家全程参与数据源的补充、前沿方向的提炼和修订，以及重点前沿的解读。

报告下载列表

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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