第一情报 ---材料工业

美国主要部门推进先进材料研究的具体行动

供稿人:姚恒美  供稿时间:2012-12-24   关键字:美国  先进材料  推进行动  
美国负责推进先进材料研究的政府机构有能源部(DOE)、国家科学基金会(NSF)、国家标准与技术研究院(NIST)和国防部(DOD)等。

一、能源部(DOE)

能源部主要通过下属的科学办公室(SC)、高级能源研究计划署(ARPA-E)和能量效率与可再生能源办公室(EERE)来实施和管理先进材料研究项目。
 
作为 “材料基因组计划”配套组成,能源部2012年将启动1200万美元的基础能源科学研究项目,主要关注新型的、用户友好的软件工具和数据标准,以加强用于先进材料创新的基础设施;同时也强调可加速新材料发现并揭示其基本物理结构和性质的、实验论证的建模示范。主要资助材料或化学软件创新中心、小团队或单一机构,以及“胶资金”(glue funding,整合现有研究活动以开创跨学科的研究)。此外,该项目也征集能将自由电子激光、高级显微镜等现有研究技术最大化利用的研究计划。
 
美国能源部(DOE)能量效率与可再生能源办公室(EERE)新近实施了“下一代材料”计划,致力于使新材料与相关产品技术帮助制造业降低开销、节约能耗、减少污染、提高产品质量以及增强竞争力。下设耐热和降解材料、高性能高表现材料以及能源系统低耗材料三个方向(具体支持项目见表一)。
 
能源部(DOE)2012年在材料领域的投资举措还包括:投入1420万美元用于加速发展和部署用于先进车辆的更强、更轻的材料,支持发展高强度、轻量化的碳纤维复合材料和先进的钢材和合金,同时保持和改善安全和性能。具体的研究领域包括:碳纤维复合材料预测模型、先进钢材料预测模型以及为汽车和重型发动机开发高级合金;投资2840万美元开发和扩大锂生产和加工设施,主要生产锂离子电池所用材料氢氧化锂和碳酸锂,使美国有望重新领导锂材料的生产。

二、国家科学基金会(NSF)

美国国家科学基金会(NSF)在其数学与物质科学部(MPS)下设专门的材料研究部(DMR),该部门2013年的研发预算达到3.02亿美元,计划在2013年重点加强对前沿研究的支持,培养具有数学与计算能力的多样化研究队伍,对促进跨学科研究活动的有效机制予以支持,并在先进材料领域增设个人研究者奖(individual investigator awards)。
 
为支持响应材料基因组计划, NSF启动了“材料革命与塑造我们的未来”(DMREF)计划,参与的部门包括数学与物质部下属材料研究部,以及工程部下属土木、机械、制造业创新部(CMMI)与化学、生物工程、环境与交通系统部(CBET)。支持项目主题涵盖材料研究部所有领域,资助强度在25万-50万美元。NSF的“面向21世纪网络基础设施计划”与“推进大数据科学与工程的核心技术计划”等也将配套支持材料基因组计划。
 
“计算与数据驱动材料研究”(CDMR)是NSF材料研究部开展的另一项重要计划,关注新材料设计与制备、结构发展、演变与控制、纳米尺度材料、多尺度性与局部优化。相较于材料研究部其他的支持研究与教育的活动,该计划更侧重于模拟,同时配合实验,加强数据挖掘,而弱化算法开发与理论。

三、国家标准与技术研究院(NIST)

“材料科学”是国家标准与技术研究院(NIST)关注的重点领域之一,NIST目前正资助120多个材料科学有关的计划和项目。譬如,2010年NIST启动 “制造和生物制造:先进材料与关键工艺”的高风险、高回报研究项目,当年资助额约为2500万美元,目标是激励先进材料生产具有先进的、改进功能和特性的新产品,并快速进入市场;为配合材料基因组计划,NIST主导的“先进材料设计”计划将针对标准基础设施,参考数据库和卓越中心的发展,使材料的发现和优化计算建模和仿真更可靠。
 
材料测量实验室(MML)是NIST下属的重要机构。作为国家化学、生物和材料科学测量的参考实验室,MML通过基础和应用研究,开发与推广标准材料认证、严格评估数据,以确保测量结果的质量。该实验室还负责协调整个研究院的标准参考材料和标准数据计划等。
 
nSoft是NIST发起的汇聚产业界、政府和学术界成员的联盟,致力于发展重要性日益增长的软材料,优化选定的软材料性能和最大限度地提高产量。nSoft联盟帮助材料制造商解决测量问题,培养专业技能,并用工具来解决特殊需求。成员机构将能够利用NIST的中子研究中心(NCNR)和材料测量实验室,以及特拉华大学中子科学中心的功能和设施。nSoft联盟会议于2012年8月在马里兰州盖士堡NIST主区举行,探讨了软材料制造商之间的合作,涉及塑料、蛋白质、食物和复合材料等领域方向。

四、国防部(DOD)

美国国防部和国防实验室都在先进材料研究投入巨资,且更关注轻质保护材料、电子材料、储能材料、生物替代材料等,军方希望使用先进材料来保护和武装军事力量。
 
为配合材料基因组计划,DOD将重点投资计算材料的基础研究和应用研究,提高材料性能满足广泛的国家安全需求,在材料防御系统保持技术优势。陆军研究实验室、海军研究办公室和空军研究实验室将共同参与该项目研究。
 
此外,2011年美国防部(DOD)通过多学科大学研究计划,投入经费700万美元,为期五年资助3D材料研究,目标是用于各种用途的新材料、从高效率电池、超级电容器、燃料电池、氢存储设备到用于超音速喷气机的轻质热涂层和用于航空航天的多功能材料等。
 
表一:美国能源部“下一代材料”计划支持项目一览
 
耐热和降解材料
氧化铝形成奥氏体不锈钢;
部署CF8C-加铸造不锈钢;
抗腐蚀纳米涂层提高燃气涡轮发动机的能源利用率;
稳健的聚合物膜在高温下的二氧化碳捕获和氢气净化;
超硬热稳定聚晶金刚石/碳化硅纳米复合材料钻头
高性能高表现材料
纳米和微观尺度表征的制造表面的先进技术;
大规模制造以纳米颗粒为基础的润滑添加剂;
先进电池材料和工艺;
用于柴油机排污整治的纳米催化剂;
用于非食物来源的生物炼制的纳米颗粒技术;
纳米结构的超疏水性涂层;
能源储存与水处理的自组装纳米结构碳;
铁基非晶粉生产耐磨纳米复合涂层
能源系统低耗材料
替代碳纤维原丝与转化技术的开发和商业化;
低成本微通道热转换器;
用于锂电池的纳米复合材料;
用于能源应用的基于可持续发展资源的新碳纤维材料;
纳米光伏工艺开发

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