中國工程院最新梳理 | 新質(zhì)生產(chǎn)力16大重點新材料細(xì)分領(lǐng)域
為了培養(yǎng)新質(zhì)生產(chǎn)力，各地都在加快布局和發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)與未來產(chǎn)業(yè)。日前，中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2024年第1期從全球科技前沿角度，梳理了面向新興和未來產(chǎn)業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力16大重點新材料細(xì)分領(lǐng)域。
（一） 面向新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新材料
1. 集成電路關(guān)鍵材料
我國集成電路關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點是填補(bǔ)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)空白，需加大力量補(bǔ)短板，保障集成電路制造產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的安全和穩(wěn)定。重點布局覆蓋130~90 nm、90~28 nm技術(shù)節(jié)點的先進(jìn)邏輯產(chǎn)品、先進(jìn)存儲器用晶圓制造成套工藝和先進(jìn)封裝成套工藝的各類關(guān)鍵材料開發(fā)，包括193 nm浸沒式光刻膠及其配套抗反射材料和特種試劑、高階邏輯工藝和先進(jìn)存儲用前驅(qū)體系列產(chǎn)品、高階工藝用拋光液和拋光墊、特種合金靶材及先進(jìn)封裝用多種材料。填補(bǔ)國內(nèi)空白，大力提升規(guī)模化產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，提高產(chǎn)品品種覆蓋率，加強(qiáng)產(chǎn)品品質(zhì)、服務(wù)、配套保障能力建設(shè)，提升產(chǎn)業(yè)綜合競爭力，提高產(chǎn)品市場占有率；部署開發(fā)20~14 nm、14~7 nm及其以下技術(shù)代邏輯產(chǎn)品和先進(jìn)存儲器需求關(guān)鍵產(chǎn)品，為產(chǎn)品進(jìn)入高端市場奠定基礎(chǔ)。加緊布局超越“摩爾定律”相關(guān)領(lǐng)域，推動碳基集成電路特色工藝材料開發(fā)。在集成電路關(guān)鍵材料領(lǐng)域建設(shè)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的產(chǎn)業(yè)體系，發(fā)揮對集成電路產(chǎn)業(yè)的支撐作用。
2. 信息功能陶瓷材料
通信技術(shù)的發(fā)展對新型微波濾波器件提出了高頻寬帶化、超低功耗的技術(shù)要求，對微小型濾波器件的結(jié)構(gòu)與寬頻設(shè)計原理、超低功耗實現(xiàn)方法和器件加工與測試技術(shù)等提出了新的挑戰(zhàn)，需要發(fā)展新型微波介質(zhì)濾波器件的高頻低功耗設(shè)計原理、集成制造與糾偏微調(diào)技術(shù)及器件測試與評價方法。集中力量開展具有優(yōu)良介電性能，適合新一代無源集成組件應(yīng)用的低、中、高介電常數(shù)低溫共燒陶瓷介質(zhì)材料開發(fā)；解決器件集成中異質(zhì)材料工藝匹配、外場下的穩(wěn)定性等關(guān)鍵共性問題，獲得材料結(jié)構(gòu) ? 工藝 ? 電性能 ? 服役特性優(yōu)化的途徑，推動低成本、高性能的無源集成器件用介質(zhì)材料制備；針對新一代無線通信、可穿戴電子系統(tǒng)應(yīng)用，探索基于自主介質(zhì)材料的新型無源器件的設(shè)計、制備和集成技術(shù)。采用材料基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)相結(jié)合的方式，堅持材料 ? 器件 ? 工藝一體化研究路線，鼓勵科研單位與生產(chǎn)企業(yè)密切合作，開展協(xié)同創(chuàng)新研究工作。
3. 先進(jìn)能源材料
綠色發(fā)展、用能成本等問題已成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的核心議題，能源戰(zhàn)略與各領(lǐng)域、各行業(yè)、各環(huán)節(jié)及各市場主體聯(lián)系密切。圍繞不同的能源轉(zhuǎn)化、存儲方式和原理，先進(jìn)能源材料需重點發(fā)展燃料電池材料、熱電材料、超級電容器材料、固體鋰電材料、生物質(zhì)能材料、光電材料和納米能源材料等方向。加速推進(jìn)氫燃料電池新材料與部件的產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)一步推進(jìn)銻化鉍熱電材料體系的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，研制綜合性能優(yōu)異的正 / 負(fù)極材料、功能性電解液及隔膜等超級電容器關(guān)鍵材料，突破固態(tài)電池材料在電導(dǎo)率、成本、批量生產(chǎn)等方面的問題，加快推進(jìn)生物質(zhì)液體燃料清潔制備與高值化利用技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，解決新型光伏材料批量化生產(chǎn)過程中造成的轉(zhuǎn)換效率下降問題，實現(xiàn)納米發(fā)電機(jī)在人機(jī)交互、智能醫(yī)療和仿生智能器件等重要領(lǐng)域中的應(yīng)用。
4. 新型顯示材料
以提高顯示核心材料的國產(chǎn)化率，探索新型器件結(jié)構(gòu)，培育新材料、信息系統(tǒng)龍頭企業(yè)，實現(xiàn)“換道超車”、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展為目標(biāo)，攻克一批提升顯示性能的關(guān)鍵材料與技術(shù)。具體包括：發(fā)展有機(jī)發(fā)光二極管 / 量子點發(fā)光二極管（OLED/QLED）印刷顯示材料與器件、激光顯示材料與器件、微發(fā)光二極管（MicroLED）顯示材料與器件、光場顯示材料與技術(shù)；攻克一批便攜式移動顯示難題，如低功耗、驅(qū)動技術(shù)，下一代移動通信技術(shù)，人工智能系統(tǒng)集合技術(shù)；攻克一批大尺寸制造問題，研究柔性制造技術(shù)；以新一代高視覺維度的光場顯示需求為牽引，以材料、器件、模組、算法、整機(jī)全鏈條總體協(xié)調(diào)和同步開發(fā)為研究發(fā)展思路，推進(jìn)全產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新；通過開展科學(xué)技術(shù)研究，突破納米發(fā)光二極管（NanoLED）顯示核心材料與關(guān)鍵技術(shù)，形成先發(fā)優(yōu)勢，搶占未來顯示技術(shù)與產(chǎn)業(yè)制高點。
5. 生物醫(yī)用材料
隨著生物醫(yī)用材料的飛速發(fā)展，我國一些高端生物材料及醫(yī)療器械產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。我國以醫(yī)用羥基磷灰石陶瓷材料為代表的系列骨誘導(dǎo)人工骨，羥基磷灰石涂層及具有骨腫瘤與骨質(zhì)疏松治療功能的羥基磷灰石納米材料，用于先天性心臟病和冠心病治療的生物可吸收材料及器械，基于重組人源化膠原蛋白的心血管系統(tǒng)修復(fù)，骨科、牙科、皮膚科、婦產(chǎn)科等材料及器械產(chǎn)品，增材制造材料及產(chǎn)品等的研發(fā)，位列國際發(fā)展前沿。全面推進(jìn)相關(guān)材料的研發(fā)及生產(chǎn)，開發(fā)系列化醫(yī)用產(chǎn)品，建立完整的監(jiān)管體系，開展臨床應(yīng)用技術(shù)研發(fā)及臨床應(yīng)用推廣，保持我國原始創(chuàng)新產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢及發(fā)展國際市場，搶占國際標(biāo)準(zhǔn)制高點，推動產(chǎn)品走向國際是面向未來發(fā)展的關(guān)鍵。
6. 生物基材料
生物基材料作為新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分獲得了廣泛關(guān)注。目前，在生物基材料領(lǐng)域，我國在原料、核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，與其他先進(jìn)國家相比仍處于“跟跑”階段。生物材料產(chǎn)業(yè)面臨基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭力略顯不足、關(guān)鍵或重要產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化程度不足、市場認(rèn)可度偏低等挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展重點是實現(xiàn)以淀粉糖等為原料的基礎(chǔ)化工產(chǎn)品的生物法生產(chǎn)與應(yīng)用，推動生物基聚酯、生物基聚氨酯、生物基聚酯酰胺、生物尼龍、生物基環(huán)氧樹脂、生物橡膠、生物基 / 質(zhì)聚合物、生物基介電儲能材料、生物基材料助劑等生物基材料產(chǎn)業(yè)的鏈條化、集聚化、規(guī)模化發(fā)展。
7. 先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料
以國家重大需求為導(dǎo)向，以攻克關(guān)鍵核心技術(shù)、獲取自主知識產(chǎn)權(quán)和工程應(yīng)用為目標(biāo)，解決材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)調(diào)控的重大科學(xué)問題，突破結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料制備與應(yīng)用瓶頸技術(shù)，實現(xiàn)先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料技術(shù)自主發(fā)展。發(fā)展基于跨尺度多維度結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型結(jié)構(gòu)材料、高性能高分子及其復(fù)合材料、高溫耐蝕結(jié)構(gòu)材料、輕質(zhì)高強(qiáng)新材料、結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料、重大工程結(jié)構(gòu)材料、增材制造材料并取得重大技術(shù)突破，材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控、超強(qiáng)韌化、極限化制備與服役等一批共性瓶頸技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平；形成具有國際一流水平的先進(jìn)結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料主干新材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)體系，結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料創(chuàng)新能力進(jìn)入國際前列；重大裝備用的高端結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料能夠自主保障，戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域關(guān)鍵核心結(jié)構(gòu)材料實現(xiàn)自主可控。
8. 稀土材料
緊密圍繞國家戰(zhàn)略需求，結(jié)合未來智能機(jī)器人、智慧城市、深空 / 深海開發(fā)、大數(shù)據(jù)和人機(jī)交互等應(yīng)用場景，重點開展工程化及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究，著力突破稀土永磁材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化材料、稀土晶體材料、高純稀土金屬及靶材等先進(jìn)稀土功能材料的核心制備技術(shù)、智能生產(chǎn)裝備、專用檢測儀器及其應(yīng)用技術(shù)；通過全產(chǎn)業(yè)鏈同步創(chuàng)新，推動先進(jìn)成果的推廣實施，保障戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、國防軍工、智能制造等對關(guān)鍵材料的需求，最終實現(xiàn)高端應(yīng)用稀土功能材料的自主供給；開展前沿基礎(chǔ)理論和實驗研究，通過科學(xué)問題的深入探究和積累，提出更多原創(chuàng)理論和原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)，獲得一批稀土新材料和新應(yīng)用原創(chuàng)性成果；實現(xiàn)我國從稀土大國向稀土強(qiáng)國的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變，引領(lǐng)未來稀土科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
9. 超導(dǎo)材料
超導(dǎo)技術(shù)是21世紀(jì)具有戰(zhàn)略意義的高新技術(shù)，在能源、醫(yī)療、交通、科學(xué)研究及國防軍工等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。通過“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合攻關(guān)，實現(xiàn)我國低溫超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)的升級換代，突破高溫超導(dǎo)材料批量化制備關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出面向電力、能源、醫(yī)療和國防應(yīng)用的超導(dǎo)電工裝備，實現(xiàn)超導(dǎo)材料、超導(dǎo)強(qiáng)電和超導(dǎo)弱電產(chǎn)品的協(xié)同發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，打造并形成基于超導(dǎo)材料及其應(yīng)用技術(shù)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。
（二） 面向未來產(chǎn)業(yè)布局的新材料
1. 原子制造技術(shù)
原子制造技術(shù)是以原子水平的量子物理為基礎(chǔ)、以原子級功能基元為核心，在物質(zhì)極限層次開展的材料與器件的制造技術(shù)，將在邏輯、存儲、傳感、超導(dǎo)、催化、儲能及光電等領(lǐng)域催生重大應(yīng)用，顯著促進(jìn)多學(xué)科交叉融合和技術(shù)發(fā)展。未來將重點發(fā)展原子基元設(shè)計及其材料器件制造、分子基元設(shè)計及其微系統(tǒng)組裝制造、基元系統(tǒng)及大規(guī)模器件制造、原子量子態(tài)精確控制及其器件制造、原子制造的前沿新理論與新概念。
2. 硅基多材料體系融合集成
硅基集成光電子器件 / 模塊的重要研究方向為：搭建硅與先進(jìn)光電材料（如Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料、鈮酸鋰材料、二維材料、相變材料等）的混合集成工藝平臺，充分發(fā)揮集成電路工藝的超大規(guī)模、超高精度制造特性，結(jié)合各類材料的光電特性優(yōu)勢，實現(xiàn)高性能混合光電集成芯片制備技術(shù)突破。
3. 碳納米管微納電子材料
碳納米管載流子遷移率高，可應(yīng)用于射頻器件的制造，提高射頻器件的截止頻率和最大振蕩頻率，有望應(yīng)用于空間通信、高速無線電鏈路、車輛雷達(dá)和芯片間通信應(yīng)用領(lǐng)域的耦合納米振蕩器。碳納米管耐彎曲的特性使其可應(yīng)用于柔性、透明電子設(shè)備的制造，推動顯示設(shè)備性能提升。隨著技術(shù)的進(jìn)步，碳基半導(dǎo)體的應(yīng)用場景將日益多元化，未來碳納米管材料在微納電子領(lǐng)域應(yīng)用還需聚焦碳納米管制備、器件穩(wěn)定性、性能與集成度兼顧等問題，建立納電子器件用碳納米管材料標(biāo)準(zhǔn)、表征方法、工藝流程。
4. 超寬禁帶半導(dǎo)體材料
我國的超寬禁帶半導(dǎo)體材料正處于前沿研究階段，高品質(zhì)、大尺寸襯底材料的制備是近期技術(shù)突破的重點；基于高品質(zhì)襯底生長的外延材料將成為器件制備的基礎(chǔ)，攻克器件制備工藝的技術(shù)難點將為超寬禁帶半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用提供可能。超寬禁帶半導(dǎo)體材料禁帶寬度大、單晶制備難度高、高效摻雜難度大、器件接觸性能調(diào)控難度高等一系列難題成為超寬禁帶半導(dǎo)體應(yīng)用的阻力，為超寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展帶來了重大的挑戰(zhàn)。今后還需重點發(fā)展高品質(zhì)、大尺寸襯底材料制備能力，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、穩(wěn)定高效的單晶生長和加工技術(shù)，形成單晶生長、缺陷控制、襯底加工技術(shù)等超寬禁帶材料專利池，儲備相關(guān)技術(shù)人才，突破大尺寸、高性能單晶襯底產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。
5. 超材料
典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等，已在光學(xué)、通信、國防等領(lǐng)域獲得應(yīng)用；多種電磁超材料、力學(xué)超材料、聲學(xué)超材料、熱學(xué)超材料及基于超材料與常規(guī)材料融合的新型材料相繼出現(xiàn)，形成了新材料的重要增長點。面向未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還應(yīng)提前布局光學(xué)超透鏡技術(shù)、超材料電磁隱身技術(shù)、超材料天線技術(shù)及超材料全光開關(guān)技術(shù)，推動超材料減震技術(shù)研究及其在精密機(jī)械和重大工程中的應(yīng)用，研發(fā)用于聲吶、噪聲抑制及聲學(xué)信息技術(shù)方面的新型超材料，用于熱能利用及轉(zhuǎn)換、熱管理等領(lǐng)域的新型超材料。
6. 液態(tài)金屬
液態(tài)金屬的應(yīng)用基礎(chǔ)研究已發(fā)展成為當(dāng)前備受國際廣泛關(guān)注的重大科技前沿和熱點，為眾多行業(yè)帶來了顛覆性解決方案和實現(xiàn)手段，為能源、熱控、電子信息、先進(jìn)制造、國防軍事、柔性智能機(jī)器人以及生物醫(yī)療健康等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展帶來變革。未來，該領(lǐng)域還需重點發(fā)展液態(tài)金屬電子漿料、液態(tài)金屬熱界面材料、液態(tài)金屬相變材料、液態(tài)金屬導(dǎo)電膠、液態(tài)金屬磁流體、液態(tài)金屬低溫焊料等功能材料；研發(fā)液態(tài)金屬腫瘤血管栓塞制劑及治療技術(shù)、液態(tài)金屬神經(jīng)連接與修復(fù)技術(shù)、液態(tài)金屬高分辨血管造影術(shù)、液態(tài)金屬內(nèi)外骨骼技術(shù)與注射電子學(xué)、液態(tài)金屬皮膚電子技術(shù)、堿金屬流體腫瘤消融治療技術(shù)等前沿醫(yī)療技術(shù)，以及系列創(chuàng)新醫(yī)療器械產(chǎn)品。
7. 高熵合金
高熵合金打破了傳統(tǒng)合金以混合焓為主的設(shè)計理念，為新材料的研發(fā)打開了一個廣闊的成分設(shè)計空間。高熵合金可在國防、航空、航天等多個關(guān)鍵領(lǐng)域得到應(yīng)用，開發(fā)并推廣具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高熵合金新材料具有重大戰(zhàn)略意義。高熵合金發(fā)展的重點包括輕質(zhì)高熵合金、耐高溫難熔高熵合金、耐腐蝕高熵合金、耐輻照高熵合金、生物醫(yī)用高熵合金、共晶高熵合金、耐磨高熵合金、儲氫高熵合金、催化高熵合金、軟磁高熵合金等。面向未來應(yīng)用場景和具有潛力的重點應(yīng)用方向，開展實際應(yīng)用驗證；針對國防裝備應(yīng)用、航空、航天等極端環(huán)境條件下服役需求，研制特種高性能高熵合金；開發(fā)用于寬溫域工況條件下的綜合性能優(yōu)異的新型裝備高熵合金結(jié)構(gòu)材料，實現(xiàn)高熵合金國際戰(zhàn)略引領(lǐng)。
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