材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺

1、附件8材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點(diǎn)專項(xiàng) 2018年度項(xiàng)目申報(bào)指南建議為落實(shí)國務(wù)院中國制造 2025、«十三五”國家科技 創(chuàng)新規(guī)劃等提由的任務(wù)，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施 材料 基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺 ”重點(diǎn)專項(xiàng)。根據(jù)本重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí) 施方案的部署，現(xiàn)提由 2018年度項(xiàng)目申報(bào)指南建議。本重點(diǎn)專項(xiàng)總體目標(biāo)是：圍繞新材料冊發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半”的戰(zhàn)略目標(biāo)，融合高通量計(jì)算（理論） /高通量實(shí)驗(yàn)（制備和表征）/專用數(shù)據(jù)庫等關(guān)鍵技術(shù)，變革 材料研發(fā)理念和模式，實(shí)現(xiàn)新材料研發(fā)由經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)”的傳統(tǒng)模式向 理論預(yù)測、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的新模式轉(zhuǎn)變，顯著提高 新材料的研發(fā)效率，增強(qiáng)我國在新

2、材料領(lǐng)域的知識和技術(shù)儲 備，提升應(yīng)對高性能新材料需求的快速反應(yīng)和生產(chǎn)能力；培 養(yǎng)一批具有材料研發(fā)新思想和新理念，掌握新模式和新方 法，富有創(chuàng)新精神和協(xié)同創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才隊(duì)伍；促進(jìn) 高端制造業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn) 中國制造2025”的目標(biāo)做由貢獻(xiàn)。本重點(diǎn)專項(xiàng)的主要研究內(nèi)容是：構(gòu)建高通量計(jì)算、高通 量制備與表征和專用數(shù)據(jù)庫等三大協(xié)同創(chuàng)新平臺；研發(fā)多尺 度集成化高通量計(jì)算方法與計(jì)算軟件、高通量材料制備技 術(shù)、高通量表征與服役行為評價(jià)技術(shù)，以及面向材料基因工程的材料大數(shù)據(jù)技術(shù)等四大關(guān)鍵技術(shù)；在能源材料、生物醫(yī) 用材料、稀土功能材料、催化材料和特種合金等支撐高端制 造業(yè)和高新技術(shù)發(fā)展的典型材料上

3、開展驗(yàn)證性示范應(yīng)用。共 部署40個(gè)研究任務(wù)。2018年，擬啟動(dòng)11個(gè)研究任務(wù)11個(gè) 項(xiàng)目。專項(xiàng)實(shí)施周期為 5年（2016-2020年）。1 .高通量材料制備新原理與新方法研究研究內(nèi)容：以提升材料成分-工藝-組織-性能間關(guān)聯(lián)關(guān)系 的研究效率為目標(biāo)，研發(fā)基于物理法、化學(xué)法、生物法或多 種方法相融合的材料高通量制備新原理和新方法；發(fā)展面向 無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子、金屬與合金、生物質(zhì)等材料體系， 或兩者以上的復(fù)合材料體系的多組元材料成分與組織結(jié)構(gòu) 高通量可控制備新技術(shù)，研發(fā)高通量制備新技術(shù)的裝置原 型，并進(jìn)行示范應(yīng)用?？己酥笜?biāo)：開發(fā)由2種以上、國內(nèi)外文獻(xiàn)未見報(bào)道的高 通量制備新技術(shù)（物理法、化學(xué)法、生

4、物法或多種方法相融 合）；樣品成分控制精度優(yōu)于1%;與相應(yīng)的已有高通量制備方法相比，效率改善一個(gè)數(shù)量級以上；組合芯片類高通量 制備技術(shù)一次制備樣品數(shù) > 1000個(gè)，塊體和粉體類材料一次 制備樣品數(shù)A10g；開發(fā)生相應(yīng)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高通 量材料制備裝置，可控化學(xué)組分3種以上，在3種以上典型材料體系中獲得驗(yàn)證性示范應(yīng)用；申請發(fā)明專利10項(xiàng)以上。2 .高通量材料表征新理論、新技術(shù)和新裝備研究內(nèi)容：研發(fā)與高通量材料制備技術(shù)有機(jī)融合的高通 量表征新理論和新技術(shù)， 重點(diǎn)解決熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、 力學(xué)等物理性能高通量表征的關(guān)鍵技術(shù)，研制相應(yīng)的新裝 備；探索材料基本物理化學(xué)參數(shù)及微觀、介觀組

5、織結(jié)構(gòu)表征 的新原理，開發(fā)材料成分與組織結(jié)構(gòu)跨尺度的高通量表征新 技術(shù)，高效構(gòu)建材料成分-結(jié)構(gòu)-性能間的關(guān)聯(lián)關(guān)系?？己酥笜?biāo)：開發(fā)由2種以上、國內(nèi)外文獻(xiàn)未見報(bào)道的高 通量表征新方法，研制由表征物理參數(shù)5種以上、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高通量表征新裝備；通過基本物理化學(xué)性質(zhì)的表 征，構(gòu)建成分-結(jié)構(gòu)-性能間關(guān)聯(lián)關(guān)系模型 3種以上；薄膜及 陣列類樣品一次表征樣品數(shù) >1004",單點(diǎn)表征區(qū)域<200ip 單點(diǎn)表征時(shí)間w 1§塊體材料樣品一次表征樣品數(shù) 10個(gè)以上； 申請發(fā)明專利10項(xiàng)。3 .新型高性能熱電能量轉(zhuǎn)換材料高通量設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用 示范研究內(nèi)容：發(fā)展熱電材料載流子和晶格

6、熱輸運(yùn)性質(zhì)的高 通量計(jì)算方法，建立基于數(shù)據(jù)分析與機(jī)器學(xué)習(xí)的熱電材料構(gòu) 效關(guān)系預(yù)測方法，并應(yīng)用于新熱電材料體系的設(shè)計(jì)、篩選與 性能優(yōu)化；研究適用于熱電材料的高通量制備以及多參數(shù)快 速微區(qū)測量方法與技術(shù)；研究新型環(huán)境友好、低成本的高效 熱電材料，研制熱電器件，并開展示范性實(shí)證系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 研究；建立熱電材料物理化學(xué)性質(zhì)和服役行為關(guān)鍵參數(shù)的數(shù) 據(jù)庫?？己酥笜?biāo)：實(shí)現(xiàn)A 10級的并發(fā)式高通量計(jì)算，計(jì)算的樣品數(shù)ni6；實(shí)現(xiàn)樣品數(shù)1004-/批次的高通量制備；單點(diǎn)表征 區(qū)域w200m,單參數(shù)表征時(shí)間1s/樣品，篩選由3種以上新 型熱電材料，在 2種以上新材料中實(shí)現(xiàn)熱電優(yōu)值 2.0熱電 器件轉(zhuǎn)換效率n 15.

7、0%完成n 1000瓦發(fā)電示范；建立熱電材 料與器件設(shè)計(jì)方法、軟件平臺及數(shù)據(jù)庫。4 .基于材料基因工程技術(shù)的前沿性新材料探索與發(fā)現(xiàn)研究內(nèi)容：利用材料基因工程的先進(jìn)理念、方法和技術(shù)，開展具有新組分、新結(jié)構(gòu)和新特性的前沿性、顛覆性新材料 的探索與發(fā)現(xiàn)研究；開展材料成分、微觀結(jié)構(gòu)、物性和服役 行為的相關(guān)性和預(yù)測方法研究，融合材料基因工程高通量計(jì) 算、高通量實(shí)驗(yàn)和材料數(shù)據(jù)技術(shù)，采用納觀、微觀、介觀和 宏觀尺度等材料集成設(shè)計(jì)方法，探索材料新特性、新機(jī)制， 實(shí)現(xiàn)新材料的設(shè)計(jì)與性能預(yù)測，新器件/構(gòu)件的設(shè)計(jì)；豉勵(lì)與有明確前沿新材料需求的單位或部門開展合作研究?？己酥笜?biāo)：探索和發(fā)現(xiàn) 23種具有新組分、新結(jié)構(gòu)和新

8、 特性的前沿性或顛覆性新材料；突破3項(xiàng)以上前沿新材料設(shè)計(jì)和制備的新原理、新方法和新技術(shù)；開發(fā)的新材料在23個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)典型示范應(yīng)用，或在權(quán)威學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表 原創(chuàng)性研究論文10篇以上；申請發(fā)明專利或著作權(quán)登記10項(xiàng)以上。5 .材料基因工程關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題協(xié)同創(chuàng)新研究研究內(nèi)容：選擇12種高端制造業(yè)或戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)有重 大需求的典型材料，利用材料基因工程的先進(jìn)理念、方法和技術(shù)，開展高通量計(jì)算/高通量制備、表征與評價(jià) /材料數(shù)據(jù) 庫和數(shù)據(jù)技術(shù)等協(xié)同融合技術(shù)研究，提由開展協(xié)同創(chuàng)新研究 的新理念、方法和途徑，重點(diǎn)解決材料基因工程計(jì)算、實(shí)驗(yàn) 和數(shù)據(jù)等技術(shù)和平臺高效協(xié)同的機(jī)制問題，開展示范應(yīng)用， 大幅度提

9、高研發(fā)效率、降低研發(fā)成本?？己酥笜?biāo)：開展材料基因工程關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題協(xié)同創(chuàng)新研究，提由協(xié)同創(chuàng)新的新理論、新方法，建立1個(gè)以上協(xié)同創(chuàng)新平臺，建立 23條協(xié)同創(chuàng)新的技術(shù)路線，大幅度提 開2種或2種以上現(xiàn)有材料的品質(zhì)和性能，綜合性能提高 30%以上，研發(fā)成本降低 20%以上。6 .高通量材料計(jì)算應(yīng)用服務(wù)平臺研究內(nèi)容：依托國家高性能計(jì)算資源， 建設(shè)支持大規(guī)模、 高通量材料計(jì)算的硬件系統(tǒng)和運(yùn)行環(huán)境；集成材料計(jì)算軟 件、前后處理和數(shù)據(jù)可視化模塊，研發(fā)面向材料計(jì)算的全鏈 條算法工具集成和統(tǒng)一接口技術(shù)，支持多組元材料體系從微 觀、介觀到宏觀的結(jié)構(gòu)、物性和服役行為的多尺度計(jì)算仿真 技術(shù)；開發(fā)高效率任務(wù)調(diào)度和工

10、作流的軟件系統(tǒng)，滿足多用 戶、多任務(wù)的高通量計(jì)算需求，實(shí)現(xiàn)材料計(jì)算設(shè)計(jì)的全流程 自動(dòng)控制，以及海量數(shù)據(jù)的高效傳輸和積累，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的 建設(shè)?？己酥笜?biāo)：集成材料計(jì)算軟件50個(gè)以上，軟件功能覆蓋材料成分、結(jié)構(gòu)、性能和服役行為等全流程多尺度計(jì)算； 平臺計(jì)算能力大于 3000萬億次/秒，支持云服務(wù)模式和10PB級以上數(shù)據(jù)存儲管理，支持多用戶（100以上）和多任務(wù)（103 104量級）的并發(fā)式計(jì)算任務(wù)；申請軟件著作權(quán)5項(xiàng)以上，獲得10個(gè)以上單位用戶的應(yīng)用驗(yàn)證。7 .高通量多尺度材料模擬與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺研究內(nèi)容：依托區(qū)域高性能計(jì)算資源，建設(shè)具有強(qiáng)大高 通量計(jì)算和高效計(jì)算結(jié)果分析能力的材料模擬計(jì)算與性能

11、優(yōu)化平臺；集成材料計(jì)算模擬軟件和高通量自動(dòng)流程軟件， 研發(fā)任務(wù)調(diào)度軟件，支持多個(gè)高性能計(jì)算系統(tǒng)間的大規(guī)模資 源管理、負(fù)載均衡與任務(wù)調(diào)度；發(fā)展計(jì)算數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、分 析和積累技術(shù)，支持多尺度全流程材料計(jì)算設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫建 設(shè)；研究適用于材料基因工程發(fā)展的計(jì)算平臺運(yùn)營模式，針 對典型材料，開發(fā)材料設(shè)計(jì)、計(jì)算和篩選全流程的工作系統(tǒng)?？己酥笜?biāo)：建立2個(gè)以上區(qū)域級高通量材料計(jì)算平臺， 各平臺具備500萬億次/秒以上計(jì)算能力，支持云服務(wù)模式和 PB級以上材料計(jì)算數(shù)據(jù)的存儲管理；集成材料計(jì)算軟件20種以上，支持103級以上并發(fā)式高通量計(jì)算；申請軟件著作 權(quán)5項(xiàng)以上，獲得35類材料的應(yīng)用驗(yàn)證。8 .高通量材料制備

12、技術(shù)研發(fā)平臺研究內(nèi)容：圍繞薄膜、纖維、粉體、流體、塊體等典型 材料的制備，構(gòu)建覆蓋模板選控、化學(xué)前驅(qū)物噴射、擴(kuò)散多 元節(jié)及梯度結(jié)構(gòu)、凝固控制等方法、技術(shù)和裝置的高通量材 料制備平臺；建立高通量制備平臺數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、海量數(shù) 據(jù)傳輸與存儲體系與數(shù)據(jù)庫平臺；建立開放共享的國家級高通量材料制備技術(shù)研發(fā)平臺，支撐多組分新材料體系的發(fā) 現(xiàn)、快速篩選和性能優(yōu)化；開展示范應(yīng)用研究，形成新材料 快速研發(fā)能力，滿足高端制造業(yè)與高新技術(shù)發(fā)展的需求?？己酥笜?biāo)：擁有45種高通量材料制備技術(shù)和相應(yīng)的裝 置，組合芯片材料樣品單元密度A200個(gè)/mm2,粉體/流體樣品單元數(shù)n 10g,塊體材料制備方法與傳統(tǒng)技術(shù)相比速度提

13、高倍數(shù)與費(fèi)用降低倍數(shù)比值 >50高通量材料制備裝置的可 控化學(xué)組分不少于 3種；樣品單元適用于表征檢測的性能 >3 個(gè)，樣品單元性能穩(wěn)定性誤差 W 1重；形成高通量材料制備 技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)能力。9 .基于先進(jìn)光源的高通量材料表征平臺研究內(nèi)容：研究材料高效綜合表征方法，依托國家先進(jìn) 光源資源，研發(fā)覆蓋先進(jìn)光源衍射、散射、成像及譜學(xué)等研 究手段的高通量材料表征技術(shù)和與之配套的試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn) 材料的原位實(shí)時(shí)表征；建立面向薄膜、纖維、粉體或塊體等 材料合成-加工-服役過程的高通量表征平臺，實(shí)現(xiàn)材料微結(jié) 構(gòu)、缺陷和應(yīng)力等的多層次、多維度、多尺度演化的原位無 損分析和表征；高通量獲取材料成分、

14、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì) 及動(dòng)力學(xué)規(guī)律，建立材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)據(jù)庫?？己酥笜?biāo)：研制由34個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的原位、實(shí) 時(shí)、無損的高通量綜合表征技術(shù)和與之配套的實(shí)驗(yàn)裝備；表 征技術(shù)涵蓋先進(jìn)光源衍射、散射、成像和譜學(xué)的研究手段， 表征參量涵蓋材料成分、 結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)等 9種以上，并滿足服役環(huán)境下材料表征的需求；實(shí)現(xiàn)表征區(qū)域A200以萬空間分辨率w 100以耳時(shí)間分辨率 W15s的原位無損表征；形 成9個(gè)以上材料體系數(shù)據(jù)庫；申請發(fā)明專利35項(xiàng)，軟件著作登記權(quán)35項(xiàng)。10 .國家材料基因工程數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)平臺研究內(nèi)容：面向材料基因工程發(fā)展的需求，建設(shè)多源異 構(gòu)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、匯交管理、分析挖掘和

15、應(yīng)用服務(wù)等的標(biāo)準(zhǔn) 化描述方法和技術(shù)；研發(fā)大規(guī)模材料基因工程數(shù)據(jù)存儲、管 理的關(guān)鍵技術(shù)，以及高效運(yùn)行服務(wù)和開放共享的運(yùn)行環(huán)境； 研發(fā)材料基因工程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、集成、檢索和推送方法，融合 機(jī)器學(xué)習(xí)、挖掘分析等材料數(shù)據(jù)技術(shù)，建成開放共享的材料 基因工程數(shù)據(jù)匯交、管理和應(yīng)用技術(shù)平臺。考核指標(biāo)：提由多源異構(gòu)材料基因工程數(shù)據(jù)的匯交管 理、分析挖掘、應(yīng)用服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化描述方法，建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 5項(xiàng)以上；建成大規(guī)模材料基因工程數(shù)據(jù)高效存儲、管理的 運(yùn)行環(huán)境，支持億條數(shù)據(jù)資源的管理和服務(wù)，實(shí)現(xiàn) 40家以 上材料基因工程數(shù)據(jù)的規(guī)范化匯交，支持面向新數(shù)據(jù)資源的 動(dòng)態(tài)匯交和發(fā)展，并開放共享；申請發(fā)明專利或著作權(quán)登記 10項(xiàng)以上。11 .材料基因工程專用數(shù)據(jù)庫平臺研究內(nèi)容：針對新材料發(fā)現(xiàn)、高端裝備先進(jìn)材料研發(fā)以 及國防關(guān)鍵材料性能提升的需求，研發(fā)典型材料數(shù)據(jù)積累、 整合的專用技術(shù)，建設(shè)專用數(shù)據(jù)庫；面向材料設(shè)計(jì)、制備、表征及服役等全鏈條應(yīng)用，研發(fā)滿足一站式、批量化數(shù)據(jù)積 累的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以及與數(shù)據(jù)管理平臺的接口技術(shù)；在材料 基因工程數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一架構(gòu)的基礎(chǔ)上，融合材料數(shù)據(jù)挖掘和機(jī) 器學(xué)習(xí)