- 中国科协重大科学问题和工程技术难题征集评选系统

实现氨氢融合燃料零碳大功率内燃机高效燃烧与近零排放控制

碳中和高效内燃机氨氢融合燃料近零排放

碳中和背景下，内燃机如何实现高效零碳无污染？随着我国“碳达峰”与“碳中和”目标的提出，内燃机低碳化、零碳化势在必行。氢和氨都是未来的碳中和燃料。“氨氢融合”有利于应对单一氢能利用在运输、存储、车载、安全、成本等方面的挑战，氨作为氢能载体的燃料利用是当前和未来国际前沿科技创新。但氨存在点火难与燃烧慢的问题。相比于传统碳氢燃料，氨的反应活性低、自燃温度高，其需求的最小点火能量为汽油的60倍以上，层流火焰速度约为汽油的1/5，这大大提高了氨内燃机的开发难度。如何克服氨燃烧反应惰活性、提高氨发动机循环热效率是开发高效氨氢内燃机机的两大难题。为了实现氨、氢燃料供给，需要开发专用的氨喷嘴和氢喷嘴，现有的柴油、汽油机及天然气喷嘴均不适用氨、氢喷射。氨喷嘴需要解决的最大难题是腐蚀性问题，氢喷嘴需要解决的最大难题是密封问题。在排放方面，氨基燃料排放与传统汽柴油相比有较大差异，有NOx、N2O和未燃氨排放问题。氨气具有刺激性气味，国6法规要求氨浓度不超过10ppm。而且，氨燃料发动机排放随工况变化较大。因此，如何保证瞬变工况下，氮基排放对环境无污染，是氨氢融合内燃机的第三个难题。

推荐机构：中国汽车工程学会

2024年度

非线性效应会随尺度变化吗？

微纳器件微纳尺度非线性效应尺度效应

非线性效应是前沿科学和工程技术中广泛存在的现象，在各学科都得到了深入的研究。然而，随着更小尺寸的人造体系不断涌现，人们对于非线性效应的已有认识，到微米纳米甚至更小的尺度是否仍然适用？非线性效应是否会出现新的体现形式，带来新的非线性现象？

推荐机构：中国微米纳米技术学会

2023年度

能否实现材料表面原子尺度可控去除？

微观磨损原子级去除微机电系统超精密制造

微观磨损研究是在原子、分子尺度上揭示摩擦过程中表面相互作用、物理化学变化及损伤，旨在实现原子级材料的可控去除甚至无磨损的摩擦。目前，信息、生物、先进制造、航空航天等高新技术领域的微型化趋势极大地促进了微纳系统的发展，催生出一批高性能微/纳机电系统的出现。然而，由于表面和尺寸效应，微观磨损已成为微/纳机电系统长期可靠服役的巨大障碍。另外，随着核心零部件的持续微型化以及关键功能的高度集成化，先进制造对功能结构或表面的加工质量与精度要求变得越来越苛刻。例如，超精密光学元件和半导体芯片制造需要实现纳米级甚至亚纳米级的表面精度加工，高端装备以及尖端武器装备中核心金属零部件的加工精度和表面完整性直接影响其服役性能和使用寿命。超精密表面加工的实质是实现表面原子级材料的可控去除。因此，微观磨损/去除不仅是微/纳机电系统应用中的关键问题，更已成为纳米制造的共性基础问题。纳米摩擦学发展至今20余年，已有的微观磨损研究注重材料磨损性能的表征，缺乏对原子级材料去除机理的深刻认识。针对这一问题，一方面需要研发相应的摩擦能量耗散测试仪器，以精确地探测微观磨损过程中的能量耗散途径和规律，构建微观磨损过程中各变量与原子级材料去除的量化模型，实现材料磨损/去除的准确预测；另一方面需结合先进的数值模拟方法，揭示量子摩擦等对微观磨损的影响机制，基于量子力学研究磨损机理，开展量子磨损研究；最后，还需要通过多能场协同作用精确地调控材料的微观去除过程，实现材料表面的极限精度加工，如单层原子甚至单个原子的可控去除。当以微米精度为代表的传统制造转向纳米/亚纳米精度制造时，相关理论基础将以分子物理、量子力学和表面/界面科学为主导，许多纳米加工的机理不明，如原子/分子迁移机制、能量传递机制、表面/界面效应等。由于亚纳米精度表面制造的基础科学问题（如磨损起源、能量耗散、原子可控去除等）没有得到解决，极大地制约了超精密制造水平的进一步提升。微观磨损研究是在原子、分子尺度上揭示摩擦过程中表面相互作用、物理化学变化及损伤，旨在实现原子级材料的可控去除甚至无磨损的摩擦。

推荐机构：中国机械工程学会

2022年度

铝合金超低温变形双增效应的物理机制是什么？

铝合金超低温成形双增效应物理机制

铝合金是火箭、飞机等运载装备的主体结构材料。但是，高强铝合金常温塑性差、硬化能力低，难以成形整体薄壁曲面件，一直是制造领域的国际难题。通过实验发现铝合金在超低温条件下出现延伸率与硬化指数同时提高的双增效应，分别增加至40%和0.5以上、提高1倍多。利用这一反常现象，发展出一类与现有冷成形和热成形完全不同的超低温成形技术。作为一类全新的变革性技术，超低温成形的核心是利用双增效应。为什么铝合金在超低温下不仅没有冷脆，还大幅提高塑性和硬化能力？急需从原子及微观层面阐明双增效应的物理机制。

推荐机构：中国机械工程学会

2021年度