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全球工程前沿2019报告发布:智能仿生自修复涂层技术入选

2020-01-15 责任编辑:未填 浏览数:428 智能中国网

核心提示:  近期,中国工程院战略咨询中心等单位联合发布《全球工程前沿2019》报告,遴选出年度全球工程研究前沿93项和全球工程开发前沿94项,化工与材料工程领域的工程研究前沿和工程开发前沿中呈现出与信息、生物等多学科融合趋势。  报告显示,化工与材料工程研究前沿包括:可再生能源系统、材料生命周期工程、人工智能设计催

   近期,中国工程院战略咨询中心等单位联合发布《全球工程前沿2019》报告,遴选出年度全球工程研究前沿93项和全球工程开发前沿94项,化工与材料工程领域的工程研究前沿和工程开发前沿中呈现出与信息、生物等多学科融合趋势。
  报告显示,化工与材料工程研究前沿包括:可再生能源系统、材料生命周期工程、人工智能设计催化剂、航天航空用高性能C/C复合材料、膜生物反应器及膜污染防控技术、生物质催化转化、化学生物技术、多孔有机材料在CO2捕集中的应用、高性能分离净化吸附-催化材料开发、化学固氮。
  化工与材料工程开发前沿包括:人工智能与化工过程深度结合、高分子材料的生物基替代、微反应系统开发、可穿戴柔性电子器件、煤转化制化学品、计算机辅助的材料“靶向”功能设计、极端服役环境下性能与服役行为检测与表征技术、生物质炼制化学品及材料、国防重大需求先进结构功能一体化陶瓷材料关键制备技术、智能仿生自修复涂层技术、可反复循环生物降解高分子材料。
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  涂界记者注意到,“航天航空用高性能C/C复合材料”技术入选报告。报告指出,C/C复合材料是指以连续碳纤维为增强相,以碳材料为基体组成的复合材料,具有低比重、高比强、高比模、低热膨胀系数、耐烧蚀、抗热冲击等一系列优异性能,作为火箭机翼前缘、前锥、火箭喷嘴和再入飞行器及空天飞行器热防护材料具有其他材料难以比拟的优势。近年来随着航空航天领域的快速发展,对长时间耐高温抗氧化C/C复合材料提出迫切需求。提高C/C复合材料抗氧化的方法主要有材料改性和涂层防护两种,其中发展高温长寿命抗氧化涂层是C/C复合材料主要研究热点之一。C/C复合材料由于生产周期长、制备成本高、批量生产困难等因素,使得C/C复合材料的应用限制在航空航天和军事等特殊领域。研发新的制备工艺进而缩短制备周期和降低生产成本是新型C/C复合材料发展的紧迫需求。
  此外,“高分子材料的生物基替代''技术也入选。报告称,以塑料、橡胶、纤维等为代表的高分子材料使用量巨大,其发展速度与应用范围已超过传统的金属材料和无机材料,成为工业、农业、国防、科技和日常生活等领域不可或缺的重要材料。然而,目前绝大多数高分子材料的原料源于不可再生的石化资源(石油、煤炭和天然气),其可持续发展面临严峻的挑战。如何从高分子材料的原料可持续性出发,发展符合可持续发展目标的新型高分子材料是目前世界各国学者和工业界普遍关注的问题。
  报告指出,高分子材料的生物基替代就是以源于自然界动植物等可再生资源为合成原料,替代原有的石油基原料。目前主要研究热点集中在以下几个方面:①从价格低廉的生物基单体出发,开发可适应于高分子材料工业化规模生产的新型绿色聚合反应体系,合成结构可控、性能优异的生物基高分子材料;②由微生物通过各种碳源发酵制备不同结构和性能的聚羟基烷酸酯类聚合物;③直接以淀粉、纤维素、甲壳素以及各种农林废弃物为原料,通过化学物理改性制备生物基高分子材料。未来的发展重点是如何降低生物基高分子材料的价格、提升其综合性能,使更多的生物基高分子材料获得大规模工业应用。
  报告称,进入21世纪以来,高分子材料广泛使用带来的环境污染、资源浪费以及对石化资源依赖性强等问题引起了国内外研究者和工业界的广泛关注。利用源于自然界动植物等可再生生物质制备生物基高分子材料不仅可以有效解决资源与能源安全问题,同时还可以缓解由碳排放快速增加带来的环境与气候问题。高分子材料的生物基替代的关键问题是生物质来源单体的大规模制备、高效聚合反应、生物基高分子性能的提升、降低生物合成高分子材料的成本等。当前已经有包括聚乳酸、聚羟基烷酸酯聚合物等在内的生物基高分子材料工业化产品,但是存在产量低、价格高、某些性能无法和石油基高分子相媲美的问题,因此研发具有高性价比、性能达到或部分超过石油基产品的生物基高分子材料是未来生物基高分子的重要发展方向。
  报告指出,智能仿生自修复涂层技术是泛指将源于医学和生物学的自愈合能力用于材料科学领域,即一般指涂层在产生裂缝后能够自动修复。自修复涂料的原理有很多,比如在聚合物基体中引入微胶囊形成愈合剂与引发剂,当在外力条件下产生裂缝后,嵌在其中的微胶囊被撕裂,之后引发聚合反应,将裂缝处重新黏合修补好。同时杂化的有机-无机纳米组成可作为细胞壁来组装形成微型管路,涂层一旦受损便能自发修复愈合。目前研究内容的重点主要集中于PET涂层,汽车漆面涂层,手机后盖涂层以及一些橡胶材料。
  报告聚焦工程科技领域具有前瞻性、先导性和探索性,对工程科技未来发展有重大影响和引领作用的主要研究和技术方向,围绕机械与运载工程、信息与电子工程、化工冶金与材料工程、能源与矿业工程、土木水利与建筑工程、环境与轻纺工程、农业、医药卫生、工程管理9个领域,遴选出年度全球工程研究前沿93项和全球工程开发前沿94项,并对其中关键的28项工程研究前沿和28项工程开发前沿从国家布局、合作态势以及发展趋势等角度进行详细剖析。
  中国工程院自2017年组织开展全球工程前沿研究以来,尝试在宏观战略层面将定量分析与定性研究深度结合,促进文献数据分析专家与领域技术专家深度交互,既关注工程科技的研究动向,也关注工程科技的开发趋势。工程前沿研究规模庞大,先后动员了高校、科研院所、企业、行业协会等上百家机构以及上千名科技工作者,以后将每年发布一次报告。(涂界)
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