“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點專項2016年度項目申報指南

1、附件7材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”重點專項2016年度項目申報指南依據(jù)國務(wù)院中國制造 2025、科技部國家關(guān)鍵技術(shù)研究 報告（初稿）、工程院材料系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究一中國版材 料基因組計劃咨詢報告、中科院實施材料基因組計劃，推進(jìn)我 國高端制造業(yè)材料發(fā)展、發(fā)展改革委、教育部、工業(yè)和信息化部、 中科院、工程院、食品藥品監(jiān)管總局材料基因工程重點專項建議書等，科技部會同相關(guān)部門組織開展了國家重點研發(fā)計劃 材 料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺重點專項實施方案編制工作， 在此基礎(chǔ)上啟動“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺重點專項”2016年度項目，并發(fā)布本指南。本專項總體目標(biāo)是：融合高通量計算（理論）/高通量

2、實驗（制 備和表征）/專用數(shù)據(jù)庫三大技術(shù)，變革材料研發(fā)理念和模式， 實 現(xiàn)新材料研發(fā)由“經(jīng)驗指導(dǎo)實驗”的傳統(tǒng)模式向“理論預(yù)測、實驗驗證”的新模式轉(zhuǎn)變，顯著提高新材料的研發(fā)效率，實現(xiàn)新材料“研發(fā)周期縮短一半、研發(fā)成本降低一半”的目標(biāo)；增強我國 在新材料領(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 才隊伍；促進(jìn)高端制造業(yè)和高新技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)“中國制造2025”的目標(biāo)做由貢獻(xiàn)。本專項的主要研究內(nèi)容是，構(gòu)建高通量計算、高通量制備與 表征和專用數(shù)據(jù)庫等三大示范平臺；研發(fā)多尺度集成化

3、高通量計 算方法與計算軟件、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)展的典型材料上開展 應(yīng)用示范。專項共部署40個重點研究任務(wù)，實施周期為 5年。按照分步實施、重點突破的原則，2016年度在材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)和驗證性示范應(yīng)用中啟動 13個研究任務(wù)所有項目均應(yīng)整體申報，須覆蓋全部考核指標(biāo)。各項目所列考核指標(biāo)，除發(fā)明專利和軟件為預(yù)期性指標(biāo)外，其余指標(biāo)均為約 束性指標(biāo)。所有任務(wù)研究均必須突由高通量計算 /高通量制備/高 通量表征與評價的特點，其中

4、任務(wù) 613的研究還必須體現(xiàn)從應(yīng) 用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)到規(guī)模制備的全鏈條、協(xié)同創(chuàng)新研究 的特點。所有研究項目結(jié)題驗收前，均須進(jìn)行數(shù)據(jù)匯交。每個項目設(shè)1名項目負(fù)責(zé)人，項目下設(shè)課題數(shù)原則上不超過5個，每個課題設(shè)1名課題負(fù)責(zé)人，課題承擔(dān)單位原則上不超過 5 個。對于企業(yè)牽頭的應(yīng)用示范類任務(wù)，其他經(jīng)費（包括地方財政 經(jīng)費、單位由資及社會渠道資金等）與中央財政經(jīng)費比例不低于1: 1。1 .多尺度集成化高通量計算模型、算法和軟件研究內(nèi)容：研究高通量多尺度材料模擬的建模方法，開發(fā)適用于高通量計算的高置信和協(xié)同式多尺度模擬算法，包括大尺度3體系電子結(jié)構(gòu)算法，多尺度動力學(xué)算法，電子一聲子一離子協(xié)同輸運算法，

5、微觀一介觀一宏觀耦合算法等，發(fā)展以第一性原理為基礎(chǔ)的量子力學(xué)一熱力學(xué)一動力學(xué)一宏觀力學(xué)高通量集成算法理論和軟件，在并發(fā)式作業(yè)間“關(guān)聯(lián)”技術(shù)上取得突破，在熱電材料、核材料和單晶高溫合金等方面開展驗證性應(yīng)用。考核指標(biāo)：研制由具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、集成作業(yè)數(shù)達(dá)到103量級的高通量并發(fā)式集成計算軟件系統(tǒng)（對應(yīng)于相等數(shù)量級的化學(xué)組分、結(jié)構(gòu)及其工藝條件的變化），部署于超級計算中心，實現(xiàn)對所開發(fā)/建設(shè)高通量計算軟件系統(tǒng)的開放、共享；針對 23種典型材料實現(xiàn)大規(guī)模、多尺度、集成化的高通量計算，提由組合優(yōu)化設(shè)計方案；申請軟件著作權(quán) 5項以上。實施年限：不超過5年擬支持項目數(shù)：12項2 .大尺寸組合芯片材料制備新裝

6、備、快速篩選新方法與關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容：開展面向?qū)嶋H應(yīng)用的大尺寸、高密度材料陣列高 通量制備新方法、關(guān)鍵技術(shù)和新裝備研究，闡明化學(xué)組分與結(jié)構(gòu) 連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)分布薄膜或分立陣列高通量制備的科學(xué)原理，建立 面向復(fù)雜體系材料高通量制備的成分與組織結(jié)構(gòu)控制方法，研發(fā) 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大尺寸薄膜或分立陣列高通量制備新技術(shù)與 新裝備，實現(xiàn)材料高通量可控制備和優(yōu)化篩選，在典型材料中開 展驗證性應(yīng)用。考核指標(biāo)：組合芯片材料樣品單元密度 A200/mm （物理法） 或樣品單元數(shù)n 10階（化學(xué)法）；開發(fā)由具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高通 量材料制備樣機2臺套以上，樣機的可控化學(xué)組分不少于 3種， 并在3種以上典型材料中獲得

7、驗證；申請核心發(fā)明專利10項以上。實施年限：不超過5年擬支持項目數(shù)：12項3 .高通量塊體材料制備新方法、新技術(shù)與新裝備研究內(nèi)容：開展成分和組織結(jié)構(gòu)可控的高通量塊體材料制備5新方法及其科學(xué)原理的研究，開發(fā)高效制備具有不同微區(qū)成分、相結(jié)構(gòu)和組織的塊體材料新技術(shù)，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新裝備，在典型的高性能材料中獲得應(yīng)用，驗證其高效性、經(jīng)濟性、可靠性和加速獲得材料成分一相一組織一性能關(guān)系的能力，顯著提高新材料研究開發(fā)和應(yīng)用的效率?？己酥笜?biāo)：同步合成的多組分（A3種）塊體材料樣品單元>100個，樣品單元適用于表征檢測的性能 A3個；與傳統(tǒng)塊體材料制備方法相比，速度提高倍數(shù)與費用降低倍數(shù)比值&g

8、t;10樣品單元性能誤差W1%;開發(fā)2臺套以上高通量制備裝備或樣機，并在 3種以上典型材料中獲得驗證應(yīng)用；申請核心發(fā)明專利5項以上。實施年限：不超過5年擬支持項目數(shù)：12項4 .材料成分一組織結(jié)構(gòu)一性能的高通量表征技術(shù)研究內(nèi)容：研究材料微觀基本單元、介觀材料、宏觀材料與實際材料的高通量表征與篩查的新原理和新方法，發(fā)展材料在合 成與相變過程中的高通量表征技術(shù)，突破材料高通量表征以及材 料空間位置統(tǒng)計映射表征等關(guān)鍵技術(shù)，建立材料成分、組織、性 能與工藝間的相關(guān)性，開發(fā)基于離散三維成像、高通量原位統(tǒng)計 表征、局域原子序或分子織態(tài)和同步輻射衍射原位實驗的表征新 技術(shù)和新裝備?？己酥笜?biāo)：高通量表征尺度從

9、微觀的nm到宏觀的cm級；每 批次表征樣品數(shù)/數(shù)據(jù)點大于100;建立成分一組織結(jié)構(gòu)一性能映 射相關(guān)性模型，模型維度不少于3維，可表征成分及相不少于10 種；結(jié)合同步輻射的高通量表征技術(shù)的表征時間v 5s/W品；開發(fā) 2種以上具有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料高通量表征新裝置，申請核心 發(fā)明專利10項以上。實施年限：不超過5年擬支持項目數(shù)：12項5 .材料基因工程專用數(shù)據(jù)庫和材料大數(shù)據(jù)技術(shù)研究內(nèi)容：以支撐材料基因工程研究為目標(biāo)，開展多層次跨7尺度材料設(shè)計、高通量實驗驗證與表征專用數(shù)據(jù)庫架構(gòu)研究；開 展材料復(fù)雜異構(gòu)數(shù)據(jù)整合、管理與共享技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)， 研發(fā)高通量計算、高通量實驗與表征數(shù)據(jù)的高效處理與加

10、工技術(shù)； 運用云計算、大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，開展多尺度材料計 算與實驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、材料組織結(jié)構(gòu)的高精度圖像處理、非 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)挖掘等研究；建成有效支撐材料基因工程研究的專用 數(shù)據(jù)庫?？己酥笜?biāo)：建成材料計算、實驗與表征等復(fù)雜異構(gòu)數(shù)據(jù)有機 融合的材料基因工程專用數(shù)據(jù)庫，可存儲專題數(shù)據(jù)100萬條以上， 主要操作平均響應(yīng)時間3秒以內(nèi)，整合材料基因工程相關(guān)數(shù)據(jù)10 萬條以上，實現(xiàn)開放共享；形成 6項以上材料數(shù)據(jù)管理與服務(wù)標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)范；突破4項以上材料高通量計算、實驗與表征數(shù)據(jù)的高效 處理與加工技術(shù)，3項以上材料數(shù)據(jù)分析與挖掘技術(shù)，并獲得應(yīng) 用；申請核心發(fā)明專利或著作權(quán)登記 10項以上。實施年限：

11、不超過5年擬支持項目數(shù)：12項6 .基于材料基因工程的新型固態(tài)二次電池材料研究研究內(nèi)容：針對下一代固態(tài)電池關(guān)鍵材料開發(fā)，建立描述電 子一聲子一離子輸運及儲存的理論和計算方法，發(fā)展高通量計算 方法及軟件平臺；計算篩選優(yōu)化適用于固態(tài)電池的高能量新型正 極材料、二維電極材料、高離子電導(dǎo)率固態(tài)電解質(zhì)等備選材料， 通過大數(shù)據(jù)分析獲得構(gòu)效關(guān)系；發(fā)展高通量制備、表征、測試平 臺，對備選材料進(jìn)行原理驗證；基于優(yōu)化材料，研制高性能固態(tài) 原理電池，完成綜合測試；開發(fā)由新一代高性能固態(tài)二次電池樣 機，通過樣機考核，推動電動汽車或者相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？己酥笜?biāo)：實現(xiàn)A 10級的并發(fā)式高通量計算，計算樣品量A 10, 篩選

12、由3種以上材料體系；實現(xiàn)A 64個/批次的規(guī)模組合式制備及 測試；采用新材料體系研制一種以上10Ah級固體電池，能量密度 高于800Wh/L,實現(xiàn)0.5C以上倍率充放電，充放電循環(huán)次數(shù)大于 2000次，容量衰減不高于20%;申請核心發(fā)明專利5項以上。實施年限：不超過4年擬支持項目數(shù)：12項7 .環(huán)境友好型高穩(wěn)定性太陽能電池材料研究內(nèi)容：利用材料基因工程思想，篩選元素及原材料，研 發(fā)一類組成元素儲量豐富、毒性低、穩(wěn)定性高、具備優(yōu)異半導(dǎo)體 性質(zhì)、效率更高的新型薄膜太陽能電池吸收層材料，設(shè)計由長電 子一空穴擴散長度的無機非鉛鈣鈦礦材料；采用高通量技術(shù)合成 篩選的新材料，并研究其理化性質(zhì)(吸收光譜/帶

13、隙/電子一空穴擴散長度)及在光照下的溫濕度穩(wěn)定性，研發(fā)由新一代太陽能電 池材料，降低太陽能發(fā)電成本并具備推廣應(yīng)用潛力?？己酥笜?biāo)：選擇3種以上材料體系，實現(xiàn)A 10級的并發(fā)式高 通量計算，計算的樣品量A 1。實現(xiàn)A 12階/批次的規(guī)模組合式制 備；在-30C溫度70C、5%濕度90%的環(huán)境中，實現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn) 太陽光(AM1.5 100mW/cm2)照射下，面積為1.0cm 4.0cm太陽 能電池器件轉(zhuǎn)化效率15%;加速試驗下連續(xù)光照1000小時，保 持80%效率；申請核心發(fā)明專利5項以上。實施年限：不超過4年擬支持項目數(shù)：12項8 .基于材料基因工程的組織誘導(dǎo)性骨和軟骨修復(fù)材料研制研究內(nèi)容：研究適用

14、于可誘導(dǎo)組織再生的骨和軟骨修復(fù)材料 及其服役環(huán)境的理論模型、計算方法和設(shè)計軟件，發(fā)展高通量制 備、表征和評價技術(shù)；利用高通量計算和實驗方法，研究材料誘 導(dǎo)組織再生的分子機制和材料的成分一結(jié)構(gòu)一功能之間的構(gòu)效關(guān) 系，建立生物材料計算設(shè)計可靠性的驗證評價體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)； 構(gòu)建較為完備的骨和軟骨修復(fù)材料的結(jié)構(gòu)、性能和服役參數(shù)數(shù)據(jù) 庫，研發(fā)高性能新型骨和軟骨誘導(dǎo)性材料及產(chǎn)品，應(yīng)用于臨床?？己酥笜?biāo)：實現(xiàn)A10級的并發(fā)式高通量計算，計算篩選候選 材料數(shù)A04,材料制備和表征實現(xiàn)A100羊品數(shù)/批次，申請核心發(fā) 明專利和軟件著作權(quán)10項以上；建立骨和軟骨修復(fù)材料專用數(shù)據(jù) 庫。研發(fā)2種以上具有自主知識產(chǎn)權(quán)的骨

15、和軟骨修復(fù)材料，完成臨床研究，申請產(chǎn)品注冊證；骨誘導(dǎo)人工骨植入骨缺損部位1月內(nèi)新骨開始形成，半年達(dá)到自然骨強度的 80%左右；軟骨誘導(dǎo)性 支架材料可原位誘導(dǎo)形成軟骨組織，修復(fù)缺損部位直徑大于 10mm,術(shù)后半年修復(fù)缺損。實施年限：不超過5年擬支持項目數(shù)：12項9 .基于材料基因工程的高豐度稀土永磁材料研究研究內(nèi)容：開展高豐度稀土永磁材料的微磁學(xué)、相場模擬和 熱力學(xué)計算等高通量計算和實驗研究，研制由新型多主相稀土金 屬間化合物永磁材料，闡明相關(guān)系和成相規(guī)律，建立多主相稀土 永磁材料成分、組織結(jié)構(gòu)與性能的數(shù)據(jù)庫；研究多主相稀土永磁 材料的內(nèi)稟磁性設(shè)計與可控制備，以及與高豐度混合稀土元素組 合和分布

16、的關(guān)系，優(yōu)化材料的永磁性能，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在減少對 環(huán)境污染的同時實現(xiàn)稀土資源的高效、平衡和高值利用。考核指標(biāo)：選擇3類以上有重大應(yīng)用需求的高豐度稀土永磁材料，微磁學(xué)、相場模擬和熱力學(xué)計算通量 >12),樣品量>14);實現(xiàn)> 10g/批次的規(guī)模組合式制備；開發(fā) 3類以上具有自主知 識產(chǎn)權(quán)的高豐度稀土永磁材料，實現(xiàn)磁能積在 5MGOev (BH) max <50MGOe范圍可調(diào)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；申請核心發(fā)明專利10項以上。實施年限：不超過4年擬支持項目數(shù)量：12項10 .基于高通量結(jié)構(gòu)設(shè)計的稀土光功能材料研制研究內(nèi)容：構(gòu)筑從材料結(jié)構(gòu)組成計算預(yù)測稀土光功能材料發(fā)光效率的理論建

17、模和算法，建立稀土光功能材料高通量結(jié)構(gòu)設(shè)計 和性能預(yù)測新方法，通過理論計算和實驗驗證，研究材料的微觀、 介觀結(jié)構(gòu)對稀土光功能材料發(fā)光效率的影響規(guī)律，高通量篩選滿 足應(yīng)用新要求的稀土光功能新材料體系。在此基礎(chǔ)上，通過全鏈 條的材料制備、性能表征優(yōu)化及器件設(shè)計，重點研發(fā)適合半導(dǎo)體 激光直接泵浦的新波段固體激光材料、高功率密度透明熒光塊體 13材料和大尺寸優(yōu)質(zhì)稀土閃爍晶體探測模塊?？己酥笜?biāo)：實現(xiàn) A 10級的并發(fā)式高通量計算，計算樣品量 >13）；新波段固體激光材料：利用半導(dǎo)體激光直接泵浦，室溫工 作下連續(xù)激光輸由斜率效率達(dá)到該波長激光運轉(zhuǎn)機制理論極限效 率的60%以上，輸由能量或功率高于現(xiàn)有

18、材料水平或填補固體激 光應(yīng)用空白；透明熒光塊體材料LED光源光效高于 180lm/W1W/mm2;大尺寸優(yōu)質(zhì)稀土閃爍晶體探測模塊： 光產(chǎn)額 >50000ph/MeV、能量分辨率v 4%662keV、時間衰減v 50ns； 申請發(fā)明專利10項以上。實施年限：不超過4年擬支持項目數(shù)：12項11 .高效催化材料的高通量設(shè)計制備及應(yīng)用示范研究內(nèi)容：針對涉及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要領(lǐng)域（如石油化工、新能源和環(huán)境治理等）的高效催化材料，通過高通量計 算和實驗?zāi)M驗證，研究催化材料成分結(jié)構(gòu)及共性基元反應(yīng)催化機理，構(gòu)筑從微觀到宏觀、從單元到多元的多尺度、多維度的理 論建模和算法，研究成分一結(jié)構(gòu)一性能構(gòu)效

19、關(guān)系，在宏觀尺度上 建立從工藝到壽命的預(yù)測性理論，并構(gòu)建專用數(shù)據(jù)庫；在此基礎(chǔ) 上發(fā)展由具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型高效催化材料，并實現(xiàn)工業(yè)化 應(yīng)用示范。考核指標(biāo)：選擇35類有重大應(yīng)用需求的催化材料，實現(xiàn)A 10級的并發(fā)式高通量計算，催化劑模型計算的樣品量 >10;實現(xiàn)A 128個/批次的規(guī)模組合式制備；建立催化劑專用數(shù)據(jù)庫；開發(fā)3類以上具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效催化材料，催化性能全面達(dá) 到同期同領(lǐng)域的國際先進(jìn)水平，并實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模裝置上的應(yīng)用示 范；申請核心發(fā)明專利或軟件著作權(quán) 10項以上。實施年限：不超過4年擬支持項目數(shù)量：12項12 .輕質(zhì)高強合金集成計算與制備研究內(nèi)容：構(gòu)建鎂、鈦等輕質(zhì)合金專用高通量計算平臺，實15 現(xiàn)自動流程并發(fā)式計算，建立合金基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，發(fā)展基于固 溶、團(tuán)簇、析生相、界面和晶體缺陷等基本單元強韌性