“十三五”第四批重大项目指南——工程与材料科学部

2019年工程与材料科学部拟资助6个重大项目。项目申请人申请的直接费用预算不得超过2000万元/项。

芯片等半导体器件是国家安全、国民经济极其重要的战略资源。半导体材料异质结构是芯片的最基本结构单元。全球芯片发展正处于突破亚十纳米尺寸极限的关键时期，世界各国纷纷加大研发力度，力求在新原理、新效应、新材料半导体异质结构上率先取得突破，引领下一代芯片制造的核心技术。

针对亚十纳米二维材料新原理半导体器件的关键科学和技术问题，整合材料学、物理学、化学以及微电子学等多学科优势力量，开展新材料结构设计、界面新效应表征技术、新原理器件研制方法以及新器件基础理论体系等方面创新性研究，探索有望推动半导体材料与器件突破性发展的新材料与新器件。

以突破亚十纳米尺寸极限的二维材料新原理半导体器件的探索和研制为目标，发展新材料体系的控制合成技术与方法，研制具有突破应用前景的新型亚十纳米半导体材料异质结构体系；揭示新型半导体材料异质结构的界面物理新效应，拓展半导体材料物理基础理论体系；发展新原理半导体器件制造新技术，建立设计构筑结构独特、功能多样、性能优异的亚十纳米新原理半导体器件的技术方法；开发拥有自主知识产权的亚十纳米半导体器件研制的核心技术，建设一支具有国际竞争力的多学科交叉的创新研究团队。

(一) 亚十纳米新型半导体材料及其异质结构的可控制备。

理论模拟预测、设计亚十纳米新材料及其异质结构体系，系统研究新材料生长机理、新型异质结构形成机制，实现结晶质量优异、性能均一、结构稳定的新型半导体材料异质结构的控制制备，建立新材料及其异质结构的大面积可控生长与原位组装新技术。

(二) 新型半导体材料结构设计与性能调控。

研究新型半导体材料结构与性能的构效关系，发展新型半导体材料的原位表征技术，揭示缺陷工程、应变工程和界面工程等对新型半导体材料的电子结构的作用机制与调控规律，完善并建立新型半导体材料性能调控的基础理论与方法，为研制亚十纳米新型半导体器件奠定理论基础。

(三) 新型异质结构半导体器件的设计与构筑。

研究新型亚十纳米半导体材料异质结构及其器件的界面物理新效应，开发新材料异质结器件构筑与性能优化的新方法；设计构筑基于新原理的亚十纳米光电、电子晶体管等原型器件。

(四) 新型异质结构半导体器件系统集成与应用。

研究新型异质结构半导体器件的系统集成方法，基于应用突破需求，发展多功能耦合的高灵敏度、低功耗、高增益的亚十纳米新原理半导体器件系统，研制若干种拥有核心知识产权的高性能亚十纳米半导体光电与电子器件系统。

申请书的附注说明选择“亚十纳米二维材料新原理半导体材料及器件的基本科学问题”，申请代码1选择E0209。

有机高分子材料由于质轻、耐腐蚀等诸多优点在大飞机和高铁中广泛应用，而且其用量不断增加。然而，与金属材料和无机非金属材料相比，有机高分子材料具有易燃性的缺点，易被引燃导致火灾。因此，在其特定的应用场合必须满足火安全要求，特别是在大飞机、高铁等这类特殊的受限空间（人员集中、可燃物密集、空间狭长、空调强制通风等特殊环境）使用的材料，国际上更是制定了极其严苛的低热、烟毒释放的火安全标准，这导致我国已有技术生产的制造大飞机、高铁需要的一些关键高分子材料无法满足要求，完全依赖进口。为了解决大飞机、高铁这类特定受限空间使用的高分子材料需满足高火安全性要求问题，本重大项目拟研究受限空间典型高分子材料燃烧和阻燃的关键科学问题，建立受限空间典型高分子材料燃烧行为和阻燃机理的表征新方法，突破制造大飞机和高铁受制于国外的火安全高分子材料的制造技术瓶颈，为大飞机和高铁内关键阻燃高分子材料的设计与制造提供理论依据和技术基础，以满足我国发展大飞机和高铁的国家战略对高性能阻燃高分子材料的需求。

通过对大飞机、高铁等使用的典型高分子材料在受限空间的燃烧行为、热释放行为、烟气产生及其阻燃机理、抑烟机制和其他各种性能相互影响规律的系统研究，揭示受限空间的高分子材料结构与火安全性能的构效关系，发展极低热释放与烟毒气体释放的火安全高分子材料的设计新原理与新方法，构建火安全与高性能兼具的新型火安全高分子材料，形成自有理论及技术体系，支撑火安全高分子材料产业发展。为突破制造大飞机和高铁所需高火安全性要求的高分子材料的制造技术瓶颈提供科学依据，建立一支有国际影响力的研究队伍，提升我国在高性能火安全高分子材料设计及阻燃基础研究领域的整体创新能力和国际地位。

（一）受限空间典型高分子材料燃烧行为和机理的研究。

研究特殊受限空间下典型高分子材料（聚碳酸酯、聚氨酯软泡、环氧树脂复合材料等）的燃烧行为；揭示不同运行环境因素对高分子材料燃烧行为的影响规律；研究特殊受限空间不同运行环境因素作用下高分子材料的燃烧尺度效应和理论模型；阐明特殊受限空间不同运行环境因素作用下高分子材料的热解和燃烧机理。

（二）高分子材料实现低热释放的新原理与新方法。

发展高效调控高分子降解和碳化反应的方法，降低易燃气体的总释放量，实现低热量释放；研究炭层组成和结构参数与阻燃性能的构效关系，揭示降低热释放的凝聚相阻燃机理；探索不同高分子材料的阻燃体系与聚合物分子结构的匹配规律，建立低热释放体系的设计原则和方法。

（三）高分子材料燃烧过程的自由基捕捉抑烟减毒新原理与新方法。

研究典型高分子材料在受限空间燃烧过程的烟毒气体释放机制，揭示高分子燃烧过程中自由基的产生、转移、终止与自由基捕捉剂的结构和反应活性等要素之间的关系；研究高分子材料燃烧过程的气相、固相及气固双相自由基捕捉机理，追踪“阻燃”自由基与高活性自由基之间的相互作用，发展高效自由基捕捉新体系与新方法。

（四）高分子材料实现高火安全性的表面阻燃机制与技术。

研究高分子材料表面与界面的阻燃作用机制以及对材料其他性能的影响规律，发展可连续化制备大飞机和高铁使用的耐火焰烧穿、低火焰蔓延的聚酰亚胺等膜材料和环境友好、高火安全性纺织品、皮革等高分子内饰材料的表面阻燃新方法。

（五）典型高分子材料高效本体阻燃与高性能化原理与技术。

发展高效本体阻燃新原理和新方法，大幅提升大飞机和高铁等特定受限空间使用的聚碳酸酯、环氧树脂及其复合材料、聚氨酯软泡等典型高分子材料低热、烟毒释放的火安全性，并同时满足材料综合性能的实际要求，构建高分子材料火安全性与其他必要性能的协调机制，实现高分子材料高火安全性(高阻燃、低热和烟毒释放)与高性能化。

申请书的附注说明选择“受限空间高火安全性高分子材料构建原理与方法”，申请代码1选择E03。

我国南海海域水合物资源丰富，是重要的潜在高效清洁油气接替能源。国家高度重视天然气水合物开采，《十三五规划纲要》将“推进天然气水合物资源勘查与商业化试采”列入能源发展重大工程，2017年国务院批准天然气水合物列为新矿种。南海海域水合物储层具有水深、埋藏浅、胶结性差、渗透率低等特点，现有钻采技术远不能达到天然气水合物商业化开采的要求，钻采过程中面临着井壁失稳、储层改造困难、流动安全风险高等一系列重大技术难题。因此，开展“南海天然气水合物钻采机理与调控”研究，对水合物安全高效钻采具有重要意义。

通过深入研究南海海域水合物钻采过程中多场耦合基础科学问题，建立水合物钻采过程动态实验和数值模拟方法，揭示地层失稳机理、工作液与储层相互作用机理、相变-渗流动态演化机理、储层改造与强化机理，创建井筒工作液、储层骨架强化和渗流能力的调控方法，形成水合物安全高效钻采理论与方法，抢占水合物钻采研究国际前沿，为解决水合物商业开采面临的世界性重大技术难题提供支撑。

（一）天然气水合物储层力学特征及多场耦合工程响应机制。

水合物储层力学特征，钻采过程中多场耦合时空演变规律，复杂结构井等井型井下复杂情况诱发机理和工程风险控制方法。

（二）井筒工作液与天然气水合物储层作用机理和调控方法。

天然气水合物储层与井筒工作液的相互作用机制，适合于水合物复杂结构井钻井要求的新材料，水合物储层安全高效井筒工作液理论体系和多功能一体化调控方法。

（三）水合物钻采井筒多相流动障碍形成机制与安全控制方法。

井筒内水合物生成与分解动力学特征，气-液-固非稳态多相流动规律，水合物堵塞流动障碍演化机制和井筒多相流动安全控制方法。

（四）天然气水合物相变和储层渗流多场时空演化规律。

开采过程中储层水合物相变-渗流机理及物性参数时空演变规律，水合物储层多场耦合数学模型及解耦方法和水合物相变-渗流调控方法。

（五）天然气水合物储层结构改造理论与高效开发模式。

水合物储层结构改造基础理论、改造方法、增效机制，以及水合物高效开发模式和产能预测方法。

申请书的附注说明选择“南海天然气水合物钻采机理与调控”，申请代码1选择E0403。

7nm以下节点芯片制造的难点之一是在保证装备质量控制与稳定性的前提下，实现多元异质材料图形化表面的纳米精度均匀化可控去除。为此，需要研究解决纳米精度表面加工的共性基础问题，包括多场耦合作用下纳米精度多元异质材料去除机理、装备加工状态对纳米精度复杂表面制造的影响机制与误差补偿原理、装备极限加工分辨率与工艺实现能力的提升等方面，以满足纳米精度表面制造装备高精度、高稳定性及高可靠性的要求，实现关键共性技术重大突破，推动基础研究成果向工业应用转化。

面向7nm以下节点芯片制造，探索纳米精度表面加工的新原理与新方法。揭示多元异质表面的原子尺度材料去除机理，建立异质表面智能化平坦化理论与工艺方法，形成装备动力学建模与优化设计的基础理论；研究纳米精度复杂表面制造过程中状态监测与误差补偿原理，实现加工过程的智能化控制；解决晶圆平坦化、减薄和极紫外光刻物镜制造中加工原理、装备和工艺的关键基础科学问题，为纳米精度表面制造原理、装备和工艺提供理论和技术支撑。

（一）纳米精度多元异质表面制造的原子尺度材料去除机理。

建立力、热、光、电以及化学介质等多场耦合作用下，纳米精度多元异质结构的原子尺度材料去除理论，构建多场耦合条件下的材料去除模型和量化控制方法，预测纳米精度多元异质表面的结构损伤；分析调控多场协同作用，优化纳米精度表面制造装备的结构与工艺，实现物化特性大跨度异质表面的原子尺度材料可控去除，为纳米精度多元异质表面制造和损伤控制提供理论依据。

（二）芯片复杂三维异质表面高均匀性平坦化原理与装备稳定性。

研究复杂立体异质表面平坦化机理，建立对应的平坦化理论与工艺方法，消除异质表面不同空间结构、不同材质、不同晶体结构间的材料去除性能差异，提高表面平整度；研究纳米颗粒清洗机理，提出异质表面平坦化与清洗智能化工艺控制算法，实现平坦化全过程在线监测与实时调控，提升装备稳定性，满足7nm以下节点的生产技术需求。

（三）晶圆减薄装备整机精度生成与损伤理论。

研究晶圆减薄装备在多因素耦合条件下的精度生成与控制技术，探索晶圆磨削减薄加工损伤的控制原理和工艺方法，实现超薄、异质表面晶圆的高精度、高稳定性、低损伤磨削加工。

（四）光学复杂表面抛光装备纳米精度加工状态的分析与调控。

探索复杂曲面纳米精度抛光装备动态性能对加工精度的影响规律，优化装备设计；研究异质材料复杂表面纳米精度的生成条件，构建工艺系统状态与表面加工质量间的映射关系，探索误差补偿策略与算法，提高加工精度。

申请书的附注说明选择“芯片制造中纳米精度表面加工基础问题”，申请代码选择E0512。

伺服电机系统是航空航天、数控机床、机器人、国防军工等高端装备的动力来源和核心运动部件，其品质是国家核心竞争力的重要体现。我国伺服电机系统与高端装备发展的需求存在较大差距，主要体现在：1）强耦合下伺服电机磁场精确调制；2）高动态下伺服电机系统高品质控制；3）多约束下伺服电机系统多目标综合优化设计。因此，迫切需要开展相关研究，揭示伺服电机的磁场调制机理，提出数学表征方法，建立复杂工况下伺服电机系统多因素耦合分析方法，掌握伺服电机系统电磁参数时变特征与演变规律，提出伺服电机系统综合设计方法与控制策略，形成高品质伺服电机系统基础理论与技术体系，为我国高端装备的发展提供支撑。

以伺服电机系统基础理论创新为切入点，揭示时空交互作用下的电机气隙磁场调制机理，提出气隙磁场调制数学表征方法，探明磁场调制拓扑演变规律；建立复杂工况下电机系统多因素耦合分析方法，实现伺服电机系统高品质动态控制；提出电机系统层级化理论，构建高品质伺服电机系统综合设计方法，形成一系列高品质伺服电机系统自主知识产权，突破我国高品质伺服电机系统关键技术瓶颈。

（一）高品质伺服电机磁场调制理论及其表征方法。

电机不均匀气隙等调制单元对磁场的调制作用，伺服电机气隙磁场调制理论的数学表征方法，空间谐波与时间谐波交互融合的内在机理，调制行为与电磁转矩的内在关系，电机气隙磁场调制统一理论，高品质伺服电机的磁场精确调制。

（二）高品质伺服电机磁场调制拓扑演变规律。

伺服电机拓扑与磁场调制效应之间的耦合机理，磁场调制拓扑与电机运行品质间的映射关系，伺服电机磁场调制拓扑演变的一般规律，高品质伺服电机拓扑理论，满足高品质需求的伺服电机拓扑。

（三）高品质伺服电机系统多因素耦合分析方法。

伺服电机系统涡流与激磁源、损耗与温升等多因素耦合机理，气隙磁场调制作用下的电机损耗精确建模方法，考虑涡流附加转矩、谐波转矩等因素的精细化转矩模型，非正弦供电、变负载、高动态等复杂工况下高品质伺服电机系统多因素耦合分析方法。

（四）高品质伺服电机系统时变特征分析与动态控制。

多物理场作用下伺服电机系统电磁参数时变特征，电磁参数、变流调制参数与控制参数间的动态耦合关系，系统关键参数与运行性能间的交互作用机理，系统架构、控制策略与复杂工况间的动态匹配机制，伺服电机系统的高品质动态控制方法。

（五）高品质伺服电机系统层级化理论与综合设计方法。

电机材料、加工装配、驱动控制与电机系统品质间的内在关系，高品质伺服电机系统层级化理论，电机系统品质与各层级之间的非线性映射规律，多层级电机系统综合设计方法，高品质电机系统多层级优化设计平台。

申请书的附注说明选择“高品质伺服电机系统关键科学问题”，申请代码选择E0707。

党中央在党的十八大报告中作出“建设海洋强国”的重大战略部署，在党的十九大报告中将“海洋强国”“交通强国”上升为国家战略。我国已在南部、东部海洋经济圈修建了港珠澳、厦门、青岛等一批海底隧道，正规划建设一批数十公里乃至上百公里的世界级超长海底隧道工程。超长跨海隧道的建造及运营与普通跨海隧道差别较大，我国在超长跨海隧道建造与运行中重大灾害防治与施工控制方面，既缺乏成熟理论与设计规范指导，又没有国际设计与施工经验可循，需要克服一系列巨大挑战。建造期不良地质灾害源的精细探测、围岩注浆加固体和衬砌结构性能长期劣化规律、强震作用下海水-围岩-衬砌动力响应机制、及建造与运营期灾变规律是我国超长跨海隧道工程安全面临的瓶颈问题。

超长海底隧道难以避开不良地质构造、地震与腐蚀环境，面临重大突涌水灾害风险，其原因在于对建造期不良地质体的探测、围岩长期变形及地震诱发突涌水等规律认识不清，基础研究落后于工程建设的重大需求。本项目科学目标是：在超长跨海隧道不良地质体超前精细探测成像理论、不良地质体多尺度耦合长期变形理论、非均质介质地震波传播和非一致地震动作用下围岩-衬砌相互作用机制方面取得重大进展和关键突破。为我国超长跨海隧道建造及运营灾害的规律认知和施工控制提供基础理论与设计方法。

（一）施工期超长跨海隧道不良地质体的精细超前探测与防灾技术。

超长跨海隧道不良地质体探测物理场响应特征，建造期精细超前探测方法、灾害源识别成像方法和突水灾害主动防控方法。

（二）不良地质段跨海隧道的渐进变形破坏机理与长期性能设计方法。

不良地质段多场耦合条件下，围岩与结构体渐进变形破坏规律、微-宏观机理，以及长期性能设计方法。

（三）不良地质段跨海隧道的地震破坏机理与抗震韧性设计方法。

海水-动力耦合作用下断层动态响应机制，非一致地震作用下围岩-衬砌相互作用及破坏机理和抗震韧性设计方法。

（四）不良地质段跨海隧道多源信息的智慧感知与性能分析。

不良地质段跨海隧道结构状态信息源的智慧感知，多源数据动态关联关系分析方法、结构性能与多源数据之间相互关系。

（五）大数据驱动的不良地质段跨海隧道结构灾变预报与控制。

基于大数据驱动的不良地质段跨海隧道结构灾变特征挖掘、异常性态辨识及预报方法；结构健康监测、性能评估、灾害控制的方法。

申请书的附注说明选择“超长跨海隧道的灾害规律和施工控制”，申请代码1选择E0907。

本文材料来源于国家自然科学基金委员会。

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/7/428429.shtm

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