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2018年全球新材料技术发展动向与趋势

供稿人:温一村  供稿时间:2019-12-2   关键字:新材料  发达国家  研究方法  合成方法  

新材料是现代高新产业的先导和基础,也是众多高新技术的突破基础,近年来,众多国家和地区不断制定并发布与材料相关的战略计划:美国于2018年发布《美国先进制造业领导力战略》,进一步加大对材料科技创新的扶持力度,同年发布的《2020财年行政机构研发预算优先事项》备忘录提出要开发先进材料和相关加工技术,包括高性能材料、关键材料和增材制造;欧盟委员会确定了第九框架计划中新的六大关键使能技术,其中先进材料和纳米技术被列为一类关键使能技术,涉及高性能材料、智能材料、可持续材料、纳米材料、生物材料和二维材料等;韩国未来创造科学部于2018年4月发布《创新增长引擎》计划,目标是从战略上培育基于研发的新产业,其中将智能半导体和航空及汽车用先进材料列为产业基础类创新增长引擎,在智能半导体领域,计划在2022年之前掌握AI半导体核心技术,包括超低能耗纳米级器件和神经形态运算芯片,占据全球7%的市场份额,在航空及汽车用先进材料领域,开发交通设备用强量化材料,实现加工系统的本地化运营(本地化比例超过50%),计划至2022年成为世界第四大先进材料出口国,出口份额升至全球第五。

就近期新材料领域的研究进展来看:

在研究方法上,人工智能在材料领域的应用愈发深入,以美国为例,其正全力推进材料自主研发研究,2016年美空军研究实验室研制出世界首套可自主进行材料试验的样机——“自主研究系统”(ARES),该系统能在材料制备迭代试验过程中,自主学习并优化试验设计,确定最佳制备参数,2017年美国防部将材料自主试验系统纳入“行家”(Maven)项目,推动工业界、学术界和国家实验室合作,开发和部署基于人工智能的算法,2018年“行家”项目首批算法投入应用。此外,美国麻省理工大学、加州大学伯克利分校、西北大学等也正在开展人工智能相关算法在材料成分设计、工艺参数选取、性能预测等方面的研究,2017年11月,美国麻省理工大学开发出了一套机器学习系统,采用谷歌“word2vec”深度学习人工智能算法,可从大量论文中提取数据进行分析学习,针对特定材料需求,定制性给出材料配方方案,对比试验数据,该系统可以给出99%准确率的材料方案,2018年4月,美国西北大学成功利用人工智能算法从数据库中设计出了新的高强超轻金属玻璃材料,比传统试验方法快200倍。

在合成方法上,材料合成新方法层出,尤其是纳米颗粒领域,其目前一般需要在金属离子浓度稀薄的溶液内合成,并大量排放废液,给环境造成巨大负担。日本山形大学设计并合成了适用于合成纳米颗粒、由有机配体和金属离子构成的金属络合物,还尝试开发了环境负荷较低的纳米颗粒合成法。日本京都大学、筑波大学、东海大学和产业技术综合研究所组成的研究小组发现,相变材料GeSbTe化合物(GST)照射高强度太赫兹脉冲后,该材料会以纳米尺寸从非晶状态生长出晶体。日本理化学研究所新开发了“原子混合法”,能在极微小的纳米颗粒中,以不同的比例和组合混合多种金属元素,利用这种方法,首次成功合成了分别混合5种和6种金属的多元合金纳米颗粒,该方法有助形成新的物质群和开拓新领域,开发出目前尚未发现的新型功能材料。


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