全球工程前沿2024薄超寬高性能電磁波吸收材料”來自數據挖掘，其篇均被引頻次達到266.54次。冶金領域的“冶金過程中其論文引用并不高。“基于機器學習的新型智能材料設計”和“催化降解廢棄塑料定向轉化制高值化學品”也來自專家推薦，從其核心論文的平均出版年和逐年發表數趨勢來看，這兩個前沿的相關研究受到越來越多的關注。其他前沿則是基于數據由專家研判而來。與能源相關的氫能(包括儲氫和太陽能光電催化制氫)(1)高容量固態儲氫材料熱力學和動力學性能可控調變固體儲氫是通過固體材料與氫氣相互作用實現氫氣的儲存，儲氫材料包括金屬氫化物、復合氫化物、儲氫合金等。其中，金屬氫化物與復合氫化物等材料通過化學鍵將氫限制在體相中，具有儲氫密度高、安全性好、氫氣純度高等優勢，使其成為高容量固態儲氫材料研究的重點。然而，過高的熱力學與動力學能壘限制了高容量固體儲氫材料的實際應用，需要通過與其他物質復合、添加催化劑或者改變形貌等方式，合其他元素，改變固體儲氫材料吸/放氫反應途徑，以調變固體儲氫材料熱力學能壘；②設計針對不同儲氫系統的高性能催化劑，降低固體儲氫過程動力學能壘；③通過改良制備方式，實現固體儲氫材料微觀形13冶金過程中相似元素深度高效分離45高仿生類腦神經元材料與器件6789催化降解廢棄塑料定向轉化制高值化學品14243954405706617708839催化降解廢棄塑料定向轉化制高值化學品41貌與顆粒尺度的改性，實現固體儲氫材料動力學和/或熱力學調變；④通過引入外場作用(光、微波等),(2)基于機器學習的新型智能材料設計新型智能材料是能夠對外部環境刺激(如溫度、濕度、光照、磁場、電場等)做出智能響應，并能適應復雜應用需求的材料，其在航空航天、醫療器械和柔性電子等新興行業具有重要應用價值。基于機器學習的新型智能材料設計是通過機器學習的強大數據特征提取能力，為材料科學賦能的全新跨學科交叉研究領域。首先需建立起材料的成分、結構、制備工藝等因素與材料性能之間的復雜關系模型，然后根據特定的性能需求，快速、準確地預測和設計出具有相應性能的新型智能材料，可極大地提高材料研發的效率和成功率。該領域的研究內容主要集中在以下方面：①智能材料的響應機制研究，深入探究外部刺激對材料的作用機理，為材料設計提供理論基礎；②豐富準確的材料數據庫構建，通過多尺度模擬配合高通量實驗技術加速新材料發現過程，并形成涵蓋各種材料結構、性能、合成條件等信息的數據庫；③算法開發優化與材料篩選，探索適合智能材料設計的機器學習算法，以更好地挖掘材料的構效關系，篩選滿足物性需求的新型智能材料，實現材料的逆向設計。數據驅動的機器學習技術正在為智能材料設計開發提供新范式，未來應進一步提升模型的可解釋性，以及智能材料性質定量化描述的一致性和功能設計的可遷移性，使智(3)冶金過程中相似元素深度高效分離相似元素的深度高效分離是提升冶金產品質量的關鍵。隨著新能源、電子信息等戰略性新興產業的快速發展，對高端金屬材料的需求越來越大。高端金屬材料的制備，除了需要精密的設備儀器外，更依賴于高純的金屬原材料，使得冶金過程中雜質的凈化分離壓力越來越大，特別是相似元素的深度分離問題日益突出。目前，該方向的研究主要集中于以下方面：①發展相似元素的高選擇性分離及過程調控新理論，明確主-客體作用與靶向識別機制；②建立共伴生體系中相似元素的多尺度分離新方法；③開發相似元素分離過程動力學原位表征新技術；④設計基于人工智能和分子動力學模擬的相似元素分離的新萃取劑；⑤揭示相似元素深度分離過程中雜質元素遷移規律，建立痕量雜質定量分析新方法與新標準。(4)超低溫鋰離子電池電極材料設計及反應機理研究鋰離子電池由于能量密度高、使用壽命長等優點在電源領域占有巨大的市場份額，然而商用的鋰離子全球工程前沿2024電池適用工作溫度是10~35℃,難以滿足寒冷條件下的使用需求，更遑論在深海作業、國防軍事、太空探索等極端低溫環境下工作。因此，開發高比能超低溫鋰離子電池具有重大的實際應用價值。針對超低溫鋰離子電池的研究從20世紀末就已開始，其關鍵技術研究主要包括以下方面：①電極材料的制備，開發兼具高離子/電子導電性的電極材料至關重要，通過表面涂層技術和界面工程改善電極材料的表面性能可提高其在低溫環境下的電化學性能；②低溫電解液開發，降低電解質的凍結點是設計低溫電池的關鍵，開發抗凍溶劑及添加劑組分從而提高電解液低溫下的離子傳導能力；③電池結構優化，對電池的封裝結構進行改進以提高其在低溫環境下的密封性和保溫性，優化電池的電極結構和電解質的循環系統以提高其在低溫環境下的電荷傳輸速率和能量密度；④熱管理系統設計，有效利用電化學過程產生的熱量對電池內部進行(5)高仿生類腦神經元材料與器件隨著智能機器人和人工智能技術的快速發展，類似生物神經元結構，高仿生類腦神經元材料與器件具備對信息進行學習記憶、編碼及并行處理的能力，在軍事作戰、野外救災、健康監測等領域表現出巨大的潛力。該領域未來的研究主要集中在以下方面：①高仿生智能材料開發，利用離子級聯反應和選擇性調控以實現更豐富的生物神經元功能；②生物神經元功能模擬，分析探索生物系統的高級智能行為和功能，開發具備高階復雜性的突觸、神經元和神經網絡功能，并實現對復雜信號的處理和分析；③神經形態器件系統集成，發展整體系統硬件層面上的互聯集成，實現信號的穩定高效傳輸，使器件具備實時響應性和穩定工作周期等特性；④應用演示，提升系統性能的一致性和感知、理解、決策功能的穩定性，推動高仿生類(6)超薄超寬高性能電磁波吸收材料超薄超寬高性能電磁波吸收材料兼具超薄的物理形態與超寬的電磁波吸收特性，可以實現對寬頻段電磁波的高效吸收，進而滿足多頻段電磁環境的應用需求。隨著5G通信、智能交通、航空航天以及國防裝備等領域電磁干擾問題的日益突出，亟須開發高吸收效率、寬頻帶、輕薄化的新型吸波材料。從材料微觀結構、界面特性以及整體制備層面出發，目前該領域的研究主要集中在以下方面：①材料微觀磁電結構與材料頻散特性的高通量表征、測試與對應關聯特性的建立；②材料復合成型過程中的界面特性精細化控制技術；③復雜多變服役環境下對應材料的電磁演變規律、性能退化機理和控制技術；④超薄超輕吸波材(7)太陽能光(電)催化過程中的關鍵化學問題近年來備受世界關注的太陽燃料的核心是太陽能光(電)催化過程，即利用太陽能將水和二氧化碳轉化為高附加值燃料和化學品，該過程涉及化學、物理、生物等多學科交叉。太陽能光(電)催化是一個涉及多電子轉移的能量爬坡過程，跨越飛秒至秒級的多個時間尺度；從空間上來看，涉及原子尺度的結構到數百納米至數十微米空間電荷層和電荷擴散距離，甚至到宏觀尺度的規模化光催化和光(電)催化器件。該領域研究未來主要聚焦的物理化學問題包括：①凝聚態光催化劑體系中光生電荷的分離以及空間分布問題；②光生電荷的傳輸問題；③光生電荷的高靈敏度、時空分辨的表征技術問題；④模擬自然光合作用過程的仿生催化劑設計；⑤水氧化微觀機理、分子層次上水分解過程中化學鍵如何斷裂和(8)精準醫學生物探針材料研究精準醫學生物探針材料是一類具有診斷、治療功能的多功能生物醫學材料，能夠體內的特定目標結構或分子發生相互作用，為重大疾病的早期精準診治提供支撐。目前該領域的研究主要集中在以下方面：①開發高靈敏體外診斷探針材料，通過生物標志物痕量檢測實現重大疾病的早期診斷、精準分期和病理分型；②發展集成調控多物理場響應探針材料，為疾病的實時可視化診療提供新途徑；③建立高特異性智能診療探針材料體系，為疾病的靶向精準個性化診療提供新策略。未來，將進一步結合蛋白組學、代謝組學、基因組學等多組學平臺研究探針材料的生物分子機制，同時開展探針材料的標準化(9)催化降解廢棄塑料定向轉化制高值化學品廢棄塑料已經造成巨大的環保壓力和資源浪費。開發塑料的催化降解策略，定向轉化制高值化學品，等長使用周期聚合物，可以催化降解定向轉化制高值化學品。其核心科學問題是，發展創制高效、穩定的催化劑，選擇性地斷裂聚合物中C—C鍵和C—0鍵，定向精準切割聚合物，生成高附加值小分子化學品和油品。對于不同的聚合物體系，應采用不同的策略。①PE和PP的催化降解：可采用金屬氧化物和分子篩催化體系，將PE和PP轉化為油品，和現有的石油煉化系統耦合補充，生產汽/柴油；還可將CO?與廢同時每噸廢塑料還可消耗約0.2噸CO?。②PS的催化降解：采用催化加氫將PS廢塑料轉化為乙苯等單環芳烴；熱催化和光催化結合氧化催化降解為苯甲酸等化學品。③PET的催化降解：在金屬和酸堿雙功能催(10)非常規資源冶煉過程反應機理及理論隨著傳統優質礦產資源的日漸枯竭，城市礦產、工業廢渣、危險廢物等非常規資源將成為未來金屬生產的重要原料。與天然礦物不同，城市礦產、工業固體廢棄物等原料中多金屬多組分共存、物相伴生關系復雜，導致回收成本高、金屬損耗大、二次污染嚴重，如何實現非常規二次資源的低碳清潔循環利用，對破解冶金行業資源、環境瓶頸問題具有重要意義，亟須完善非常規金屬資源冶金過程基礎理論體系。該領域的研究主要集中在以下幾個方面：①研究多源復雜原料組分冶煉過程反應機制，揭示多金屬遷移分配規律及定向調控原理；②揭示非常規原料中多金屬與造渣劑的反應機制及調控原理，形成復雜原料多金屬選冶富集及高效分離提取方法；③研究非常規資源冶煉煙氣形成及遷移轉化過程，形成高分子氣體、二噁英等特殊冶煉氣態污染物源頭抑制方法；④優化現有冶煉過程多相多場耦合理論與數值模擬體系，形成搭配4.1.2Top3工程研究前沿重點解讀到2050年，氫與氫基燃料使用量將達到5億噸/年；而國際氫能委員會預測，到2050年，氫能將承擔22%的碳減排量。《國際氫能技術與產業發展研究報告2023》指出，全球已公布的綠氫項目數量約為680個，規劃的制氫電解槽裝機量累計超過460吉瓦。儲氫技術作為氫能產業鏈的關鍵環節，受到了廣泛關注。固體儲氫材料具有質量與體積儲氫密度高、來源豐富、成本低廉等優勢，是儲氫材料領域中最具潛力的方向之一。然而，固體儲氫材料的吸/放氫需要跨越其熱/動力學能壘，導致其吸/放氫過程仍需較高的溫度固體儲氫材料的熱力學性能調變需要引入其他成分，改變其吸/放氫的反應路徑，最終降低吸/放氫過程的整體焓變。而在向儲氫材料體系中引入其他化合物的同時，體系的質量儲氫密度將隨之改變，因此需要找到含氫量較高的儲氫材料進行調變。固體儲氫材料的動力學性能調變則需要引入易于與氫成/斷鍵的催化劑，例如Ti基催化劑，其對于多種固體儲氫材料都具有卓越的催化能力。而在向儲氫體系中引入催化劑的同時，儲氫體系的質量容量密度一般都會相應降低，因此需要針對不同的儲氫體系找到輕質高效的催化劑。此外，儲氫材料自身的形態也會對其儲氫性能產生影響，材料的顆粒大小會影響氫擴散過程的遷近年來，外場作用逐漸成為儲氫材料的新研究重點，其可在不同階段引入儲氫材料體系中以提升儲氫材料系統的儲氫性能。在制備階段，外場作用可以改變儲氫材料的形貌、顆粒尺寸等形態特征，進而提升儲氫性能。而在吸/放氫階段，外場作用可以轉化為內能驅動儲氫系統吸/放氫，例如光轉熱或微波轉熱驅動MgH?放氫，利用“熱點效應”造成局部高溫，從而顯著降低儲氫系統的宏觀放氫溫度和能耗；部分半導現階段，各國研究者們大都積極探索儲氫材料在實驗室與工業上的可行方案，近年來，“高容量固態儲氫材料熱力學和動力學性能可控調變”工程研究前沿中核心論文的主要產出國家和機構分別見表4.3和表4.4。其中，61.59%的核心論文來源于中國，主要產出機構為浙江大學和中國科學院；其次分別是美國、澳大利亞、德國和日本，占比在5%~15%。圖4.1和圖4.2分別展示了主要國家間和主要機構間的合作網絡，全球科學家在該領域建立了廣泛的合作，中國與美國合作最多。從表4.5和表4.6中可以看出，施引核心論文的主要產出國家中，中國占比高達58.12%,前十名施引核心論文的主要產出機構均為中國高校或研究所，包括中國科學院、中國科技大學、鄭州大學、浙江大學等，其中中國科學院的施引核心論文比例高達面向世界清潔能源系統的急迫需求，需要加快固體儲氫材料的性能調控、高效合成、規模化生產與示國家1中國2美國34德國5日本6英國7韓國89法國9印度912中國科學院345868788九州大學8988日本日本澳大利亞法國中國印度圖4.1“高容量固態儲氫材料熱力學和動力學性能上海大學上海大學澳門大學中國科學院浙江大學南開大學圖4.2“高容量固態儲氫材料熱力學和動力學性能可控調變”工程研究前沿主要機構間的合作網絡全球工程前沿2024范性應用的研發步伐，構建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲運體系，實現氫能制備端到應用端的大規模和低成本的串聯(圖4.3)。國家1中國2美國3印度4韓國56德國7日本8英國9沙特阿拉伯伊朗1中國科學院2中國科技大學3456天津大學7哈爾濱工業大學8西安交通大學9中南大學場景應用場景應用車載儲氫系統固定式電網并網長距離儲運氫系統特種定制儲氫系統金屬氫化物儲氫體系復合氫化物儲氫體系基礎研究熱力學性能優化動力學性能優化材料尺寸形貌調控耦合外場作用工業生產操作條件降低生產工藝優化提質降本應用示范金屬氫化物儲氫體系復合氫化物儲氫體系復合氫化物儲氫體系金屬氫化物儲氫體系固體儲氫圖4.3“高容量固態儲氫材料熱力學和動力學性能可控調變”工程研究前沿的發展路線智能材料作為一種能夠感知環境、響應刺激并據此改變其性能或結構的材料，展現出自適應、自修復和自我診斷等智能特性，正逐步成為材料科學新興研究領域。智能材料的概念起源于20世紀中期，科學家們發展出以記憶合金為代表的一類在多種外界刺激下具有響應特性的智能材料，隨后在先進制造技術、納米技術與信息電子技術的推動下得到快速發展，并在航空航天領域可展開部件、自適應機翼材料、醫用①高強高效響應，增強材料對單一或多種環境變化的響應能力，實現多種智能行為適應復雜應用場景；模仿自然生物功能特性，開發具有自我修復和保護等特征的材料；④綠色可持續，改善材料的可降解性和隨著對智能材料功能多樣性、靈活可控性和應用環境復雜性的需求增加，對材料設計方法也提出了更高的要求。機器學習憑借其強大的復雜非線性數據處理能力，為智能材料的設計和開發提供了潛在的新范式。通過高通量材料篩選、性質預測和逆向設計，在大量數據的驅動下，機器學習有望加速新型智能材料的設計、篩選和優化，覆蓋從材料的分子設計、結構模擬到性能測試的全過程。未來，基于機器學習的新1)材料感知與響應內在機制：深入研究材料與各種刺激之間的相互作用機制，確定能夠有效轉化外部刺激為可檢測信號的材料結構和成分；深入研究基于各類物理和化學變化的響應機制，通過改變材料的成分、結構或外部條件，實現對響應溫度、響應時間、響應強度等參數的精確控制，以滿足不同應用場景2)模型算法開發與多尺度模擬優化：進一步優化機器學習算法，結合數據的深度挖掘與優化，提高預測精度和泛化能力，開發更加適用于復雜材料體系的模型；綜合考慮材料微觀、介觀與宏觀結構，結合多尺度模擬技術，構建多尺度的結構和性能分析優化途徑，實現智能材料全面預測和驗證，提高設計的可3)數據驅動的智能材料協同設計創新：充分利用大數據和云計算技術，構建材料數據庫和知識圖譜，滿足智能材料在多種性能上的協同要求，設計出綜合性能優異的材料；并根據不同應用場景和需求，實現近年來，“基于機器學習的新型智能材料設計”工程研究前沿中核心論文的主要產出國家和機構分別見表4.7和表4.8。中國發表核心論文的占比達到39.58%,位列世界第一，其次分別是美國、英國。中國和美國分別在主要產出機構前十名中占據四席，其中，中國科學院和清華大學分列第一、二名。主要國家間和機構間的合作網絡分別見圖4.4和圖4.5,全球科學家在該領域存在廣泛的合作與交流，其中頂尖產出機構間呈現出中美和美歐的區域合作趨勢。由表4.9和表4.10可以看出，中國、美國和英國位列前三，與核心論文產出位次一致，表明中國、美國和英國學者在該領域保持較高的研究關注度。其中，中國是施引核心論文數最多的國家，達到4424篇，占比達43.34%。并且施引核心論文產出機構的前十名中有7家是“基于機器學習的新型智能材料設計”研究在近年來得到了迅猛發展。構建數據驅動的材料感知內在機制發掘和設計范式開發是新型智能材料進一步發展的關鍵問題。如圖4.6所示，未來的研究中，應著重全球工程前沿2024表4.7“基于機器學習的新型1中國2美國3英國495德國76韓國韓國77西班牙6859印度5法國法國41中國科學院82635445463728哈佛大學2922澳大利亞印度圖4.4“基于機器學習的新型智能材料設計”工程研究前沿主要國家間的合作網絡廣西大學清華大學國家1中國2美國3英國4韓國5印度6德國789意大利1中國科學院23456789復旦大學全球工程前沿2024旨標多尺度模擬+高料構效關系，實現材料逆向設計等多功能一體化新機制結合數據深度挖掘與算法優化，提高智能材料預測精度和泛化能力構建智能材料知識圖譜，實現在多種性能上的協同設計，精準匹配特定應用需求可應用于航空航天、醫療器械、柔性電子以及智能傳感等領域應用智能材料響應機制的研究，揭示材料結構和成分對外部刺激的有效轉化關系，采用機器學習挖掘材料的多維度特征信息，并以此構建智能材料知識圖譜的基本框架。同時，形成豐富準確的數據庫是數據驅動的重要保障，需要結合多尺度模擬和高通量實驗技術形成多信息數據庫，提高智能材料預測精度和泛化能力。在此基礎上，通過算法優化提升機器學習對復雜數據的處理能力，挖掘并解析材料構效關系，實現精準匹配特定應用需求的材料逆向設計。新型智能材料的發展必將通過機器學習賦能，有望實現智能材料的自我相似金屬元素在富集成礦過程中多存在類質同象的現象，形成共伴生礦物資源，給冶金提取過程增加了凈化壓力。隨著優質礦物資源的不斷消耗，所面臨處理的冶金物料日益復雜，而冶金產品純度的要求則越來越嚴格，這種“寬進嚴出”的形勢給冶金過程中相似元素的深度分離帶來了極大的挑戰。目前，用于在復雜體系中相似元素分離時，往往采用多種方法結合才能達到深度分離的效果；即使處理相同的體系，隨著相似元素含量的變化，所采用的分離手段也有差別。多尺度的分離方法，也對應了復雜的分離過程和新的分離機制，原位表征技術則可以為復雜的分離動力學過程和元素遷移過程提供有力數據。其次，由于化學性質極為相似，相似元素在分離過程中勢必會造成相互損失，開發高效分離的新體系與試劑來提高分離效率一直是關注的核心問題。基于“主-客體”理論，利用人工智能和分子動力學模擬，則可以節約大量人力物力，加速新的萃取劑的設計合成。另外，分離過程的深度關系到冶金產品的品質，影響后端制備材料的性能。分離過程也是冶金過程中廢水、廢渣、有害鹽的主要面對上述的主要問題，近年來各國研究人員開展了大量的研究，“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿中核心論文的主要產出國家及機構分別見表4.11和表4.12。核心論文的主要產出國家中，中國位居第一，占比超過40%,美國次之；主要產出機構中，中國科學院位居第一，另外有江西理工大學、中國科學技術大學、北京科技大學、清華大學4所中國的大學上榜。主要國家間和機構間的合作網絡分別見圖4.7與圖4.8。中國在該領域合作網絡中處于核心地位，與多個國家形成合作關系，特別是與美國的合機構之間的合作主要體現在中國的各個高校之間的合作，其中中國科學院在該領域合作網絡中處于核心地位，與中國科學技術大學合作最為緊密，與其他幾個中國高校也有著合作關系。由表4.13和表4.14,中國是施引核心論文數最多的國家，施引數為2589篇，占到了總數的一半左右。美國以施引論文比例11.76%排在第二位。在施引核心論文主要產出機構中，中國科學院位居第一，其他幾個擁有冶金專業的中國高校國家1中國2美國3比利時45法國687印度7879日本551中國科學院2374中國科學技術大學65564738哈利法科技大學393阿爾托大學3全球工程前沿2024比利時中國芬蘭圖4.7“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿主要國家間的合作網絡哈利法科技大學魯汶天主教大學中國科學技術大學江西理工大學圖4.8“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿主要機構間的合作網絡國家1中國2美國3印度456德國7伊朗8法國9英國如中南大學、北京科技大學、東北大學、昆明理工大學、江西理工大學的施引核心論文均名列前十。中國的核心論文數和施引核心論文數均排名第一，說明中國學者對該領域的研究產出了很多優秀的成果，一直對該前沿的動態保持密切的關注和跟蹤。為了應對資源日益復雜的嚴峻形勢、抓住新能源/電子信息等戰略性新興產業快速發展給冶金行業帶來的新機遇，落實“雙碳”戰略目標，未來5~10年開發高效、低碳、高質量的相似元素分離技術是主要的努力方向。通過建立相似元素差異性調控新理論，形成“靶向識別”新機制，進而開發出高選擇性分離試劑和新技術，解析分離過程中各組元的分配遷移規律，追蹤污染源形成與排放出口，建立多目標協同的“增效-提質-低碳”相似元素分離的新技術模式(圖4.9)。“冶金過程中相似元素深度高效分離”工程研究前沿中施引核心論文的主要產出機構1中國科學院2中南大學34中國科技大學56中國地質大學7東北大學8昆明理工大學9建立調控新理論開發新分離試劑發明新分離技術提出新表征方法保障產品品質降低三廢排放全球工程前沿20244.2.1Top10工程開發前沿發展態勢化工、冶金與材料工程領域組研判得到的Top10工程開發前沿專利公開情況見表4.15和表4.16。其中“高性能多元合金材料的高效定制制備技術”來自專利地圖挖掘，“數智化有色金屬冶金流程優化與設計”和“耐高溫柔性輕質隔熱材料設計和開發”來自專家推薦。其與工程研究前沿類似，開發前沿中與能源相關的技術同樣受到認可，包括全固態電池、鈉離子電池、儲氫(1)全固態電池關鍵材料開發及其制備技術全固態電池是一種變革性電池技術，其使用固態電解質代替傳統鋰離子電池中的液態電解液，有望實1234高容量儲氫材料的規模化制備與系統工藝開發56高性能多元合金材料的高效定制制備技術7891234高容量儲氫材料的規模化制備與系統工藝開發56高性能多元合金材料的高效定制制備技術789界面特性優化以及電芯成型技術。固態電解質材料是全固態電池的核心，主要分為硫化物、氧化物和聚合物電解質三大類。其中，硫化物電解質因其較高的離子電導率和較低的界面阻抗成為全球研發的重點，而氧化物電解質因其化學穩定性較好也受到關注，聚合物電解質則因其柔性和易加工性而具備應用潛力。在正極材料方面，仍以氧化物正極及磷酸鐵鋰為主，配合界面改性以消除空間電荷層效應，同時硫基正極也被視為提高能量密度的候選者；在負極方面，硅負極和金屬鋰具有高理論比容量，成為提升電池能量密度的關鍵。全固態電池關鍵材料全球研發趨勢集中在以下方面：①兼具高鋰離子電導率、高化學/電化學穩定性的固體電解質材料；②高強度、高離子導固體電解質超薄膜材料；③與電解質界面相容的高容量、低應變正/負極材料；④界面改性技術；⑤關鍵材料的低成本化和規模化制備技術。總體來看，全固態電(2)金屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備個關鍵方向：①多材料、多工藝協同金屬增材制造，通過最優工藝組合實現金屬構件的高性能和多功能；(3)低能耗長壽命海水電解制氫系統構建及海水礦產資源開發電解海水制氫是未來制“綠氫”的重要方向。同時，海水又是地球上鎂元素最大的存儲礦藏，對海水鎂資源的開發利用具有較高的經濟效益。目前，以海水為原料的電解制氫技術有三大類路徑：化為淡水，將海水淡化系統納入商用電解系統；二是在海水中加堿以沉淀氫氧化物并減少陽極副反應；三是直接海水電解技術，直接對未處理的海水進行電解，并通過陰極側反應實現鎂資源的提取利用。然而，海水成分復雜，直接電解面臨眾多挑戰(陽極腐蝕，陰極結垢等)。與純水電解相比，堿性海水電解與直接海水電解的電極與系統往往具有相對更短的服役壽命，急需對其電極材料與系統進行重新設計以滿足海水工況服役要求。目前，對海水電解的研究主要集中在以下方面：①堿性海水電解陽極腐蝕機理研究與長壽命防腐蝕電極開發；②堿性海水電解高活性、抗波動陰極開發；③直接海水電解結垢機理研究與疏固陰極開發；④大功率海水電解系統制造技術。(4)高容量儲氫材料的規模化制備與系統工藝開發固體儲氫系統可以實現常壓輸送，極大地提升了儲運氫過程中的安全系數，使固體儲氫系統可以補充或部分取代現有的某些場景的高壓/液氫儲運氫系統。同時，有些固體儲氫系統的輸送效率比20MPa拖管車高4倍左右，有效涵蓋半徑亦擴大到500km以上。更為重要的是，固體儲氫系統還可應用于固定式加氫站和智能建筑等場景，降低儲氫對空間的安全需求，同時提高整體儲氫安全性。然而，高性能固體儲氫材料的規模化制備工藝尚不成熟，這嚴重阻礙了固體儲氫材料的大規模應用。目前關于固體儲氫材料的開發主要全球工程前沿2024聚焦于：①高效合成工藝，調整反應氣氛、反應溫度、機械作用力、催化劑等共同耦合作用為制備固體氫化物的核心控制因素，開發活性反應氣氛下機械作用力誘導催化的加氫制備工藝，助推固體氫化物儲氫材料的高效低成本快速合成；②高效儲氫系統設計，設計針對不同固體儲氫系統的高效催化劑和添加劑并調整催化劑和添加劑的量，以獲取高效固體儲氫材料系統；③規模化制備系統，在現有基礎上持續改進催化劑和工藝，最終開發集成式生產系統，完成百噸/年固體氫化物儲氫材料的產能，大幅降低用氫成本并顯著推進氫能的大規模應用；④示范性固體儲氫材料應用系統，開發噸級氫氣儲量的固體儲運氫系統，實現(5)數字孿生鋼鐵制造技術鋼鐵行業具有生產流程長、工序間強耦合、生產條件極端、內部物理變化和化學反應復雜等特性，這使得鋼鐵行業的生產過程建模、運行控制和操作優化等極其困難，進而影響生產質量和效益的提高。工業場景下數字孿生的蓬勃發展為鋼鐵行業轉型升級提供了新思路。通過創建物理實體的數字副本集成數據、模型和知識，數字孿生技術能夠為新工藝驗證、新技術導入提供保真的數據、事件和響應，從而提高生產效率和產品質量。鋼鐵行業數字孿生的構建過程主要包括數據環節、建模環節、服務環節，以及平臺構建與軟件化環節、安全環節等。目前對于鋼鐵行業數字孿生的研究主要集中在多源異構數據的采集傳輸、存儲以及多維度高保真模型的建立。國內外鋼鐵企業紛紛開發了各自的數字孿生模型和系統，集成了工廠綜合展示、生產過程仿真監控、工藝參數優化設計、多級配料優化、產品質量管理、設備智能運維、智能安全管理等功能。數字孿生技術在鋼鐵制造領域的發展趨勢主要表現在以下方面：①數據安全，確保數據在采集傳輸、存儲等階段中保持穩定且不被泄露；②模型開發，通過結合機理、數據、知識進行建模，提高模型精度；③標準設立，不斷完善數字孿生的標準體系，幫助數字孿生規范有序發展。(6)高性能多元合金材料的高效定制制備技術(7)鈉離子電池核心材料設計與產業化近年來，鈉離子電池因其資源優勢、成本效益及環境友好等特性蓬勃發展，成為鋰離子電池的重要補充。核心材料技術革新與突破是鈉離子電池產業應用的關鍵。鈉離子電池核心材料設計與產業化的研究主要聚焦在以下領域：①先進電極材料結構設計，對層狀氧化物、聚陰離子、普魯士藍類等正極材料，以及循環和能量性能，同時積極挖掘新材料與新機制；②新型電解液研制，篩選/合成新型電解質、溶劑及添加劑組合，以滿足寬電壓窗口、長循環壽命、快速充放電、寬溫域及阻燃安全等多元化需求，解析鈉離子溶劑化結構、正負極界面與電化學性能的內在關聯；③固態電池技術深耕，開發安全、高效、廉價的鈉離子固體電解質，提升離子電導率并攻克固-固界面接觸難題。此外，可借鑒鋰離子電池成熟的制造工藝，結合鈉離子電池的獨特性，量身打造并優化生產工藝流程，為大規模生產制造奠定堅實基礎；推動無模組電池包技術在鈉離子電池領域的應用，利用鈉離子電池正負極均可采用鋁箔的優勢，最大化電池包成組效(8)使役性多頻電磁隱身材料及部件開發電磁隱身技術通過利用電磁隱身材料與結構來減弱和吸收電磁波的強度，進而最大程度地降低相關目標被探測系統發現和識別的概率。高性能的電磁隱身材料與結構在航空航天、探測、通信等工業及高端裝備領域的需求日益迫切。隨著當前諸如高溫、高鹽霧、高應力等電磁環境的日趨復雜，亟須開展使役條件下電磁功能材料及部件的研發。目前，該方向的研究主要集中在以下方面：①先進多頻譜基礎電磁功能材料的成分設計、開發與制備；②先進使役性基礎電磁材料的設計與優化；③先進電磁仿真系統的功能集成與異形電磁模擬算法的提升；④使役耦合條件下磁電材料的功能優化與兼容設計、部件制備；⑤多頻電磁隱身材料及部件的使役驗證與循環優化；⑥相關電磁材料與部件的使役耦合機制研究。(9)數智化有色金屬冶金流程優化與設計數智化有色金屬冶金流程優化與設計是將人工智能、工業互聯網等信息技術與冶金工業流程控制相結合，通過基于主/輔模糊控制的多目標智能優化控制，實現關鍵工藝參數、能耗等指標的優化。有色金屬冶金工業的數智化轉型，不僅是技術上的變革，更是提供了高效的信息管理和分析平臺，促進了企業的管理方式變革。通過數據驅動決策的中心化方法，打通冶金流程中各個工序的數據孤島，來實現信息的共享和價值的最大化；并借助數據分析和仿真評估，準確地了解生產過程中的瓶頸和優化空間，從而實現冶金流程的精益化管理。隨著AI技術的快速發展、大數據平臺的建立，未來有色金屬冶金行業在數智化方向的研究主要集中于以下方面：①有色冶金工藝流程中物質流-能量流-信息流深度耦合機理；②基于5G和工業互聯網的綠色智能工廠設計；③AI機器視覺技術在有色冶金工藝流程中的應用，提供更直觀、智(10)耐高溫柔性輕質隔熱材料設計和開發耐高溫柔性輕質隔熱材料憑借其在航空航天、建筑節能、能源設備和極端環境應用中的廣泛需求，已成為全球科技和工業領域的重要研究方向。此類材料的設計與開發旨在克服傳統隔熱材料(如玻璃纖維、硅酸鹽和氣凝膠等)在極端高溫環境下表現出的脆性大、耐久性差、機械強度不高等問題。通過引入多功能復合材料與優化微觀結構，實現高效穩定隔熱與卓越機械性能相結合的材料體系。發展耐高溫柔性輕質隔熱材料不僅要滿足極端環境下的隔熱需求，還需具備輕質、柔性和環境友好的特性，以應對未來復雜多變的應用場景。該領域的重點技術方向包括：①深入研究材料微觀結構與其熱性能的內在關系，精準調控材料內部微結構并優化界面設計，提升材料在極端環境中隔熱與機械性能的協同作用；②研究新型的復合材料制備工藝，如3D打印、納米結構設計及氣凝膠改性技術，在兼具隔熱、輕質和機械穩健性的同時，提升其柔性和可賦形性；③開發新型智能隔熱材料，通過引入相變材料或熱控薄膜，實現隔熱性能的自適應調節，提升能源利用效率；④探索可循環利用和可降解的隔熱材料，創新綠色、低成本的制造工藝，推全球工程前沿20244.2.2Top3工程開發前沿重點解讀全固態電池是當今電池技術領域中的最前沿的技術之一，被認為是下一代儲能技術的重要方向，它有效克服了液態電解液在能量密度、安全性和熱穩定性等方面的局限性。隨著便攜式電子設備、電動汽車、儲能系統對高能量密度、安全性和長壽命電池的需求日益增長，全固態電池的開發受到了全球科學界和工業界的高度關注，日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)、美國能源部聯合儲能研究中心(JCESR/DOE)、歐盟“地平線2020”計劃、中國科技部都明確布局發展全固態電池技術。全固態電池技術的關鍵在于固態電解質材料的發展，其要求固態電解質不僅具備較高的離子電導率，還必須在化學/電化學方面與電極材料具有良好的穩定性，從而減少界面阻抗并防止副反應的發生。雖然全固態電池的研究可以追溯到20世紀初期，但真正的快速發展始于2000年以后，特別是2011年LGPS硫化物固態電解質的推出，其電導率達到電解液水平，使得越來越多的汽車/電池制造商和初創企業開始開盡管取得了諸多進展，全固態電池技術仍然面臨多個挑戰。首先，固體電解質的綜合性指標仍未達到實用化程度，雖然發現的一些材料體系具有高鋰離子電導率，但其空氣/溶劑/金屬鋰穩定性等亟待提升。其次，固體電解質作為非活性物質在電芯中占比較高，影響電芯能量密度的提升，降低電解質膜的厚度刻不容緩。再次，從力學角度來看，正負極材料在充放電過程中的體積膨脹易導致固-固界面接觸失效，與此同時，固態電解質與電極材料之間的界面穩定性問題尚未完全解決，尤其是在多次循環過程中，界面阻抗的增加會導致電池性能的迅速下降，發展高容量、低應變正負極材料對于提升全固態電池綜合性制備尤為重要。最后，實現全固態電池商業化，發展其關鍵材料體系的低成本、規模化制備技術也是必經之路。相信通過關鍵材料的不斷創新和技術突破，全固態電池有望在未來的能源領域占據重要地位，特別是在電全球在“全固態電池關鍵材料開發及其制備技術”工程研發中的專利分布呈現明顯的地區差異和機構集中趨勢。首先，在國家分布(表4.17和圖4.10)方面，日本占據主導地位，專利公開量遠超其他國家，占比達52.72%,被引頻次也最多，顯示出日本在全固態電池材料開發技術上的顯著領先地位。韓國和中國分別位列第二和第三，專利占比分別為23.89%和21.35%,但與日本相比尚有一定差距。歐美國家如美國、法國、加拿大、德國的專利數量相對較少，但是歐美國家基礎實力雄厚，后續發展潛力不容忽視。在機構分布(表4.18和圖4.11)方面，豐田汽車公司是該領域中專利公開量最多的機構，公開專利量為378,占比為23.39%,反映了其在全固態電池技術中的主導地位。LG化學有限公司和現代汽車公司專利公開量分別位列第二和第三，顯示出韓國企業在該技術領域的持續研發投入。其他大型企業如松下集團、三星電子有限公司等在該領域也有一定的專利積累。總結來看，全固態電池關鍵材料開發技術的專利主要集中在日本、韓國和中國，尤其是日本企業，其在技術積累和引領能力上表現最為突出。各大機構的專利競爭較為隨著各方政策的大力支持與關鍵核心材料、技術的快速發展，未來5~10年是全固態電池破壁的關鍵期(圖4.12),新材料和新工藝讓我們有機會實現全固態電池產業技術的突破。固態電解質材料的綜合性指標進一步優化是核心，同時采用濕法涂覆實現超薄膜的連續化生產是關鍵。此外，高容量、低應變正負國家1日本2韓國3中國4美國5法國956467德國308比利時219印度10德國1豐田汽車公司2LG化學有限公司3現代汽車公司4起亞汽車公司5松下集團6昭和電工包裝株式會社7三星電子有限公司8東風日產汽車公司9雷諾集團全球工程前沿2024松下集團松下集團LG化學有限公司豐田汽車公司三星電子有限公司固體電解質與電極之間的界面特性提升全固態電池高安全性和循環壽命，降低電解質/正負重點發展方向極材料的研發與低成本規模化制備也極為重要，特別是其與電解質材料的界面特性優化，是全固態電池安全性與綜合電化學性能指標的保障，從而推動其在電動汽車、便攜式電子設備、儲能系統、特種領域等實現廣泛應用。4.2.2.2金屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備金屬增材制造是增材制造技術最重要的一個分支，是以金屬粉末/絲材等為原料，以高能束(激光、電子束、電弧、等離子束等)作為刀具，以三維計算機輔助設計(CAD)數據模型為基礎，運用離散-堆積的原理，在軟件與數控系統的控制下將材料熔化逐層堆積，來制造高性能金屬構件的新型制造技術。與傳統的車、銑、刨、磨等“減材制造”工藝，以及鑄、鍛、焊等“等材制造”工藝相比，金屬增材制造技術具有制造設計自由度大、可成形復雜結構、產品實現周期短、產品性能高、材料利用率高等特點，被廣泛應用于航空航天、生物醫療、汽車制造、動力能源等領域，在整個增材制造市場中的規模占比超過50%。隨著技術進步帶來的應用領域不斷拓展，金屬增材制造已經發展形成了多種工藝技術，包括激光熔化沉積(LMD)技術、電子束加工(EBM)技術、激光選區熔化(SLM)技術、定向能量沉積(DED)隨著制造領域對零部件輕量化、性能高端化、結構復雜化的需求不斷提升，以及敏捷制造、高端數字化制造環境的改變，金屬多工藝一體化增材制造技術的開發日趨重要。這種技術集激光金屬增材制造、電弧增材制造等)和減材制造(如機械加工、熱處理等)的協同應用，優化制造流程，具有加工精密度高、自動化程度高、結構易構性強、工藝鏈縮減等方面的優勢，可以實現復雜金屬構件的高效、高質量生產。目前，該技術已在汽車制造、航空航天、國防軍工、軌道交通等領域相繼開展了諸多應用和研究。隨著未來技術的不斷成熟和硬件系統成本的下降，該技術的市場前景廣闊，預計將在多個領由表4.19可以看出，中國在該領域的專利數量占有絕對領先優勢，占比超過70%,說明中國在該領域保有領先地位；其余專利基本來自歐美日韓等發達地區。表4.20說明，中國的主要產出機構主要集中在高校、研究院所等技術研發機構，這也在一定程度上反映出中國在技術成果轉化上仍需加強，尤其是在下游所示，還需要進一步擴大相關領域的國際影響力；而國內各研究機構間的合作如圖4.14所示，尤其是上下屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備”有望拓展并廣泛應用于民生領域裝備，全面促進裝備的整體性能、減重、散熱、高集成度和敏捷制造周期等方面的優化。“金屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備”工程開發前沿的發展路線如圖4.15所示，技術前沿主要集中以下方面：1)多材料、多工藝協同金屬增材制造：采用最優的增材工藝組合實現多種類金屬材料制造成型，在復雜整體構件內部同步實現多材料設計與布局、多層級結構創新與2)增減材一體化復合制造：在同一制造流程中交替使用增材和減材工藝。通過增材制造實現材料的國家1中國2美國3德國4日本5法國6印度87英國8韓國996全球工程前沿2024表4.20“金屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備”工程開發前沿1234西安交通大學5中南大學6中國科學院金屬研究所7通用電氣公司8天津大學9吉林大學哈爾濱工業大學中國俄羅斯圖4.13“金屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備”工程開發前沿主要國家間的合作網絡西安交通大學西安交通大學上海交通大學中國科學院金屬研究所吉林大學哈爾濱工業大學“金屬多工藝一體化增材制造關鍵技術和裝備”工程開功能評價增減材一方案開發監測和傳感設備的功能升級和集成整合人工智能驅動的增材制造數字生態系統2025年2030年2035年3)智能化復合加工控制系統：結合多尺度建模和仿真、機器學習、人工智能等先進技術，更有效地把信息與物理過程聯系起來，著重開發多機器人開發合作下的混合增材制造解決方案，改善監測和傳感設電解水制氫被認為是一種理想的“綠氫”制備技術，實現氫氣“生產-消耗-再