“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项
2016年度项目申报指南
项目申报全流程指导单位：北京智博睿投资咨询有限公司
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依据国务院《中国制造2025》、科技部《国家关键技术研究报告》（初稿）、工程院《材料系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划咨询报告》、中科院《实施材料基因组计划，推进我国高端制造业材料发展》、发展改革委、教育部、工业和信息化部、中科院、工程院、食品药品监管总局《材料基因工程重点专项建议书》等，科技部会同相关部门组织开展了国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项实施方案》编制工作，在此基础上启动“材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项”2016年度项目，并发布本指南。
本专项总体目标是：融合高通量计算（理论）/高通量实验（制备和表征）/专用数据库三大技术，变革材料研发理念和模式，实现新材料研发由“经验指导实验”的传统模式向“理论预测、实验验证”的新模式转变，显著提高新材料的研发效率，实现新材料 “研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的目标；增强我国在新材料领域的知识和技术储备，提升应对高性能新材料需求的 — 2 —
快速反应和生产能力；培养一批具有材料研发新思想和新理念，掌握新模式和新方法，富有创新精神和协同创新能力的高素质人才队伍；促进高端制造业和高新技术的发展，为实现“中国制造2025”的目标做出贡献。
本专项的主要研究内容是，构建高通量计算、高通量制备与表征和专用数据库等三大示范平台；研发多尺度集成化高通量计算方法与计算软件、高通量材料制备技术、高通量表征与服役行为评价技术，以及面向材料基因工程的材料大数据技术等四大关键技术；在能源材料、生物医用材料、稀土功能材料、催化材料和特种合金等支撑高端制造业和高新技术发展的典型材料上开展应用示范。专项共部署40个重点研究任务，实施周期为5年。
按照分步实施、重点突破的原则，2016年度在材料基因工程关键技术和验证性示范应用中启动13个研究任务。
所有项目均应整体申报，须覆盖全部考核指标。各项目所列考核指标，除发明专利和软件为预期性指标外，其余指标均为约
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束性指标。所有任务研究均必须突出高通量计算/高通量制备/高通量表征与评价的特点，其中任务6～13的研究还必须体现从应用基础研究、关键技术研发到规模制备的全链条、协同创新研究的特点。所有研究项目结题验收前，均须进行数据汇交。
每个项目设1名项目负责人，项目下设课题数原则上不超过5个，每个课题设1名课题负责人，课题承担单位原则上不超过5个。对于企业牵头的应用示范类任务，其他经费（包括地方财政经费、单位出资及社会渠道资金等）与中央财政经费比例不低于1：1。
1.多尺度集成化高通量计算模型、算法和软件
研究内容：研究高通量多尺度材料模拟的建模方法，开发适用于高通量计算的高置信和协同式多尺度模拟算法，包括大尺度体系电子结构算法，多尺度动力学算法，电子—声子—离子协同输运算法，微观—介观—宏观耦合算法等，发展以第一性原理为基础的量子力学—热力学—动力学—宏观力学高通量集成算法理 — 4 —
论和软件，在并发式作业间“关联”技术上取得突破，在热电材料、核材料和单晶高温合金等方面开展验证性应用。
考核指标：研制出具有自主知识产权的、集成作业数达到103量级的高通量并发式集成计算软件系统（对应于相等数量级的化学组分、结构及其工艺条件的变化），部署于超级计算中心，实现对所开发/建设高通量计算软件系统的开放、共享；针对2～3种典型材料实现大规模、多尺度、集成化的高通量计算，提出组合优化设计方案；申请软件著作权5项以上。
实施年限：不超过5年 拟支持项目数：1—2项
2.大尺寸组合芯片材料制备新装备、快速筛选新方法与关键技术
研究内容：开展面向实际应用的大尺寸、高密度材料阵列高通量制备新方法、关键技术和新装备研究，阐明化学组分与结构连续或准连续分布薄膜或分立阵列高通量制备的科学原理，建立
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面向复杂体系材料高通量制备的成分与组织结构控制方法，研发具有自主知识产权的大尺寸薄膜或分立阵列高通量制备新技术与新装备，实现材料高通量可控制备和优化筛选，在典型材料中开展验证性应用。
考核指标：组合芯片材料样品单元密度≥200/mm2（物理法）或样品单元数≥100个（化学法）；开发出具有自主知识产权的高通量材料制备样机2台套以上，样机的可控化学组分不少于3种，并在3种以上典型材料中获得验证；申请核心发明专利10项以上。
实施年限：不超过5年 拟支持项目数：1—2项
3.高通量块体材料制备新方法、新技术与新装备
研究内容：开展成分和组织结构可控的高通量块体材料制备新方法及其科学原理的研究，开发高效制备具有不同微区成分、相结构和组织的块体材料新技术，研制具有自主知识产权的新装备，在典型的高性能材料中获得应用，验证其高效性、经济性、— 6 —
可靠性和加速获得材料成分—相—组织—性能关系的能力，显著提高新材料研究开发和应用的效率。
考核指标：同步合成的多组分（≥3种）块体材料样品单元≥100个，样品单元适用于表征检测的性能≥3个；与传统块体材料制备方法相比，速度提高倍数与费用降低倍数比值≥10，样品单元性能误差≤10%；开发2台套以上高通量制备装备或样机，并在3种以上典型材料中获得验证应用；申请核心发明专利5项以上。
实施年限：不超过5年 拟支持项目数：1—2项
4.材料成分—组织结构—性能的高通量表征技术
研究内容：研究材料微观基本单元、介观材料、宏观材料与实际材料的高通量表征与筛查的新原理和新方法，发展材料在合成与相变过程中的高通量表征技术，突破材料高通量表征以及材料空间位置统计映射表征等关键技术，建立材料成分、组织、性能与工艺间的相关性，开发基于离散三维成像、高通量原位统计
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表征、局域原子序或分子织态和同步辐射衍射原位实验的表征新技术和新装备。
考核指标：高通量表征尺度从微观的nm到宏观的cm级；每批次表征样品数/数据点大于100；建立成分—组织结构—性能映射相关性模型，模型维度不少于3维，可表征成分及相不少于10种；结合同步辐射的高通量表征技术的表征时间＜5s/样品；开发2种以上具有自主知识产权的材料高通量表征新装置，申请核心发明专利10项以上。
实施年限：不超过5年 拟支持项目数：1—2项
5.材料基因工程专用数据库和材料大数据技术
研究内容：以支撑材料基因工程研究为目标，开展多层次跨尺度材料设计、高通量实验验证与表征专用数据库架构研究；开展材料复杂异构数据整合、管理与共享技术研究和标准规范建设，研发高通量计算、高通量实验与表征数据的高效处理与加工技术； — 8 —
运用云计算、大数据和机器学习等先进技术，开展多尺度材料计算与实验数据的关联分析、材料组织结构的高精度图像处理、非结构化数据挖掘等研究；建成有效支撑材料基因工程研究的专用数据库。
考核指标：建成材料计算、实验与表征等复杂异构数据有机融合的材料基因工程专用数据库，可存储专题数据100万条以上，主要操作平均响应时间3秒以内，整合材料基因工程相关数据10万条以上，实现开放共享；形成6项以上材料数据管理与服务标准规范；突破4项以上材料高通量计算、实验与表征数据的高效处理与加工技术，3项以上材料数据分析与挖掘技术，并获得应用；申请核心发明专利或著作权登记10项以上。
实施年限：不超过5年 拟支持项目数：1—2项
6.基于材料基因工程的新型固态二次电池材料研究 研究内容：针对下一代固态电池关键材料开发，建立描述电
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子—声子—离子输运及储存的理论和计算方法，发展高通量计算方法及软件平台；计算筛选优化适用于固态电池的高能量新型正极材料、二维电极材料、高离子电导率固态电解质等备选材料，通过大数据分析获得构效关系；发展高通量制备、表征、测试平台，对备选材料进行原理验证；基于优化材料，研制高性能固态原理电池，完成综合测试；开发出新一代高性能固态二次电池样机，通过样机考核，推动电动汽车或者相关产业的发展。
考核指标：实现≥102级的并发式高通量计算，计算样品量≥104， 筛选出3种以上材料体系；实现≥64个/批次的规模组合式制备及测试；采用新材料体系研制一种以上10Ah级固体电池，能量密度高于800Wh/L，实现0.5C以上倍率充放电，充放电循环次数大于2000次，容量衰减不高于20%；申请核心发明专利5项以上。
实施年限：不超过4年 拟支持项目数：1—2项
7.环境友好型高稳定性太阳能电池材料
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研究内容：利用材料基因工程思想，筛选元素及原材料，研发一类组成元素储量丰富、毒性低、稳定性高、具备优异半导体性质、效率更高的新型薄膜太阳能电池吸收层材料，设计出长电子—空穴扩散长度的无机非铅钙钛矿材料；采用高通量技术合成筛选的新材料，并研究其理化性质（吸收光谱/带隙/电子—空穴扩散长度）及在光照下的温湿度稳定性，研发出新一代太阳能电池材料，降低太阳能发电成本并具备推广应用潜力。
考核指标：选择3种以上材料体系，实现≥102级的并发式高通量计算，计算的样品量≥104；实现≥128个/批次的规模组合式制备；在-30℃15%；加速试验下连续光照1000小时，保持80%效率；申请核心发明专利5项以上。
实施年限：不超过4年 拟支持项目数：1—2项
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8.基于材料基因工程的组织诱导性骨和软骨修复材料研制 研究内容：研究适用于可诱导组织再生的骨和软骨修复材料及其服役环境的理论模型、计算方法和设计软件，发展高通量制备、表征和评价技术；利用高通量计算和实验方法，研究材料诱导组织再生的分子机制和材料的成分—结构—功能之间的构效关系，建立生物材料计算设计可靠性的验证评价体系和相关标准；构建较为完备的骨和软骨修复材料的结构、性能和服役参数数据库，研发高性能新型骨和软骨诱导性材料及产品，应用于临床。
考核指标：实现≥102级的并发式高通量计算，计算筛选候选材料数≥104，材料制备和表征实现≥100样品数/批次，申请核心发明专利和软件著作权10项以上；建立骨和软骨修复材料专用数据库。研发2种以上具有自主知识产权的骨和软骨修复材料，完成临床研究，申请产品注册证；骨诱导人工骨植入骨缺损部位1月内新骨开始形成，半年达到自然骨强度的80%左右；软骨诱导性支架材料可原位诱导形成软骨组织，修复缺损部位直径大于 — 12 —
10mm，术后半年修复缺损。
实施年限：不超过5年 拟支持项目数：1—2项
9.基于材料基因工程的高丰度稀土永磁材料研究
研究内容：开展高丰度稀土永磁材料的微磁学、相场模拟和热力学计算等高通量计算和实验研究，研制出新型多主相稀土金属间化合物永磁材料，阐明相关系和成相规律，建立多主相稀土永磁材料成分、组织结构与性能的数据库；研究多主相稀土永磁材料的内禀磁性设计与可控制备，以及与高丰度混合稀土元素组合和分布的关系，优化材料的永磁性能，实现产业化，在减少对环境污染的同时实现稀土资源的高效、平衡和高值利用。
考核指标：选择3类以上有重大应用需求的高丰度稀土永磁材料，微磁学、相场模拟和热力学计算通量≥102，样品量≥104；实现≥100个/批次的规模组合式制备；开发3类以上具有自主知识产权的高丰度稀土永磁材料，实现磁能积在5MGOe＜（BH）
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max ＜50MGOe范围可调，并实现产业化；申请核心发明专利10项以上。
实施年限：不超过4年 拟支持项目数量：1—2项
10.基于高通量结构设计的稀土光功能材料研制
研究内容：构筑从材料结构组成计算预测稀土光功能材料发光效率的理论建模和算法，建立稀土光功能材料高通量结构设计和性能预测新方法，通过理论计算和实验验证，研究材料的微观、介观结构对稀土光功能材料发光效率的影响规律，高通量筛选满足应用新要求的稀土光功能新材料体系。在此基础上，通过全链条的材料制备、性能表征优化及器件设计，重点研发适合半导体激光直接泵浦的新波段固体激光材料、高功率密度透明荧光块体材料和大尺寸优质稀土闪烁晶体探测模块。
考核指标：实现≥102级的并发式高通量计算，计算样品量≥103；新波段固体激光材料：利用半导体激光直接泵浦，室温工 — 14 —
作下连续激光输出斜率效率达到该波长激光运转机制理论极限效率的60％以上，输出能量或功率高于现有材料水平或填补固体激光应用空白；透明荧光块体材料LED光源光效高于180lm/W@1W/mm2；大尺寸优质稀土闪烁晶体探测模块：光产额＞50000ph/MeV、能量分辨率＜4%@662keV、时间衰减＜50ns；申请发明专利10项以上。
实施年限：不超过4年 拟支持项目数：1—2项
11.高效催化材料的高通量设计制备及应用示范
研究内容：针对涉及国家可持续发展战略的重要领域（如石油化工、新能源和环境治理等）的高效催化材料，通过高通量计算和实验模拟验证，研究催化材料成分结构及共性基元反应催化机理，构筑从微观到宏观、从单元到多元的多尺度、多维度的理论建模和算法，研究成分—结构—性能构效关系，在宏观尺度上建立从工艺到寿命的预测性理论，并构建专用数据库；在此基础
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上发展出具有自主知识产权的新型高效催化材料，并实现工业化应用示范。
考核指标：选择3—5类有重大应用需求的催化材料，实现≥102级的并发式高通量计算，催化剂模型计算的样品量≥105；实现≥128个/批次的规模组合式制备；建立催化剂专用数据库；开发3类以上具有自主知识产权的高效催化材料，催化性能全面达到同期同领域的国际先进水平，并实现工业规模装置上的应用示范；申请核心发明专利或软件著作权10项以上。
实施年限：不超过4年 拟支持项目数量：1—2项 12.轻质高强合金集成计算与制备
研究内容：构建镁、钛等轻质合金专用高通量计算平台，实现自动流程并发式计算，建立合金基础参数数据库，发展基于固溶、团簇、析出相、界面和晶体缺陷等基本单元强韧性设计的数据挖掘技术和材料设计方法，开发加工过程多场耦合条件下微观 — 16 —
组织和工艺缺陷模拟技术，并建立性能预测模型，实现典型构件成分设计、组织设计、工艺优化和使役性能评价的跨尺度集成计算，研制出几种高性能合金。
考核指标：实现≥102级的并发式高通量计算，计算筛选候选材料样品数≥104；发展3种以上新型高性能合金，相比同类合金强度和伸长率提高20%，开发成本和周期降低20%；实现2种以上典型构件从“设计—合金—工艺—组织—性能”的全流程集成计算与仿真，并实现应用示范；申请核心发明专利或软件著作权10项以上。
实施年限：不超过4年
拟支持项目数：2项（针对镁或钛等不同种类的合金） 13.新型镍基高温合金组合设计与全流程集成制备 研究内容：综合利用新材料集成计算和制备方法，预测和验证关键高温合金元素组合、合金相和晶体缺陷的形成和演变规律，揭示复杂成分高温合金提高承温能力和综合性能的成分和组织结
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构因素；开发组织—应力—温度等多物理场耦合计算模型，建立缺陷、变形控制与组织结构优化的集成控制系统；运用高通量计算和实验方法，研制未来先进航空发动机及燃气轮机等航空航天和能源领域需要的新一代高温合金。
考核指标：开发出104级的高通量多通道并发式计算模型，构建出高温合金高通量计算和评价的基本方法和数据库，建立典型结构件制备的多场耦合模型和全流程控制系统，新型镍基高温合金的承温能力比第二代高温合金提高50 ℃以上。
实施年限：不超过4年 拟支持项目数：1—2项
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核心竞争力重点领域关键技术产业化实施方案项目申报公共服务平台建设项目资金申请报告(编制大纲)
增强制造业核心竞争力重点领域关键技术产业化无人机项目资金申请报告(编制大纲)
