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全部 前沿科学问题 工程技术难题 产业与技术问题
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征集年度
全部 2024 2023 2022 2021 2020 2019 2018
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
工业母机 精度保持性 快速测试 加速退化试验
工业母机是国家的基础性、战略性装备，具有超越经济价值的重要作用。目前，国产高端工业母机的精度保持性较国际先进水平仍有显著差距，已成为国产工业母机的核心技术瓶颈。尽管近些年国内开展了一定的精度保持性研究，国产工业母机精度保持性的提升却依旧缓慢。快速测试手段的缺乏是造成精度保持性提升缓慢的根本原因。传统现场跟踪测试的方法时间过长，无法快速测得精度保持性水平与短板，致使国产工业母机精度保持能力难以在短期内取得飞跃式提升。因此，突破“一周十年”式的工业母机精度保持性快速测评难题，建设工业母机整机精度保持性快速测试的重大科研基础设施，加速国产工业母机迭代以在短期内达到国际先进水平，已迫在眉睫。
推荐机构： 中国机械工程学会
芯片制程 高速大容量光传输 光电元器件 自主可控
当前，以AI、云计算、大数据与5G等为代表的新一代信息技术正加速创新与突破，这些新技术的发展往往需要海量数据的支持。以高速率、大容量、低时延与高可靠为代表的全光传输系统作为信息交互的基石，将助力打造算力时代海量数据的“运力网络”。 然而，当前我国高速大容量光传输设备的部分高端芯片仍由国外厂商主导。若继续依赖进口，则面临着被断供、被制裁与被控制的风险。因此，我国迫切需要在高端制程芯片受限的现实下，联合高速大容量传输体制进行系统级优化与创新，寻找新的技术发展路径，提升高速大容量传输技术的产业化能力及其可持续发展，满足业务未来增长的需求，跟上世界先进水平，支持并推动国家与全社会的数字化转型和数字经济的高质量发展。
推荐机构： 中国电信科学技术协会
铁路 超高速列车 碳纤维复合材料
根据国家“双碳”发展战略部署，时速600公里高速磁浮、时速400公里及以上动车组及双层动车组为代表的超高速列车凭借高速高效、轻量智能、节能环保的优势，必将成为未来主流产品，而解决其存在的高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷突出矛盾是今后发展最主要问题。因此，寻求综合性能优良的新材料、新结构，突破传统金属材料的局限 ，形成更轻、更强的材料-结构-工艺一体化核心技术解决方案，是确保高速列车领域技术引领地位、扩展国际话语权的基础，也将为国家战略新型材料在高端装备领域应用提供产业牵引。 以碳纤维为代表的国家战略新型材料，具有高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强等优异性能，是解决高速-能耗-低碳、轻量-安全-大载荷矛盾问题、实现高速列车轻量化的绝佳选择。 1. 技术问题： （1）如何借鉴高速动车组研发流程，结合复材积木式验证方法，形成顶层设计、层层分解、仿真-试验对比分析、循环迭代的科学高效的研发流程？ （2）如何建立轨道车辆行业复合材料专有数据库，打造涵盖试样-元件-组件-大部件的多层次仿真试验平台，形成完善的研发能力？ （3）如何结合仿真分析指导试验策划，验证整车及各系统部件强度、刚度、防火及电磁兼容等综合性能？ （4）如何基于材料-结构-工艺一体化及力学、防火、噪声、电磁兼容等功能一体化理念，开发高效低成本的材料选型技术？ （5）如何基于柔性理念，兼顾产品的力学、功能性、工艺性，建立高速列车专属的铺层设计技术？ （7）如何解决高速列车车体、转向架等大型部件的损伤容限、检测效率、原位检测能力及开发大型件内缺陷检测方法等问题？ （8）如何基于前期积累的试验数据，持续完成复合材料工程基础数据库，形成高速列车用复合材料系统系统标准体系？ （9）如何建立高速列车车体、转向架等厚大复杂部件的修复相关技术，包括修复检测、评估、工艺、体系及标准等？ 2. 工艺问题： （1）如何开发基于拉挤、编织、缠绕等核心工艺及相关辅助工艺的高速列车专属成型工艺体系？ （2）如何提升复合材料拉挤工艺的自动化水平，如原材料的自动化识别和上料、自动送丝及位置在线矫正、自动化浸胶以及产品在线自动检测？ （3）如何解决编织工艺中轴向纤维比例低、张力不均、纤维角度偏差、编织条纹混乱等问题，保证大曲率大厚度复杂承载部件成型及高效率制造？ （4）如何解决缠绕工艺中质量不均、空隙率大、树脂分布、气泡含量多等问题，提供纤维准确率高、连续性好的一体化解决方案？ 3. 产线问题： （1）如何建立适合复合材料产品生产的智能化生产线，包括智能视觉识别系统、机器学习、大数据处理等配套技术？ （2）如何开发针对复合材料列车总装中自动化定位、自动化钻孔铆接、自动化涂胶、自动化尺寸测量和检测的复合材料产品组装生产线？ （3）如何开发薄壁多腔、低成本自动化的型材高精度拉挤与高效低成本RTM等工艺技术与配套系统装备生产线？ （4）如何建立适合高速列车转向架产品的编织、缠绕工艺生产线，包括自动化模具预处理、自动化在线线型设计、自动化打磨和加工？
推荐机构： 詹天佑科学技术发展基金会
2023年度
氢能 质子交换膜燃料电池 运输 低铂 低成本
当前质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术水平（包括功率密度、寿命、能量转换效率、低温启动性能等）均已满足车用要求，然而其成本居高不下，成为限制车用燃料电池动力系统商业化与规模化应用瓶颈。为了降低燃料电池成本，关键是大幅降低电极中铂基催化剂用量，然而催化剂载量的不断降低会牺牲电池性能与寿命。因此，如何突破低铂、低成本车用燃料电池电堆关键技术，解决成性能、寿命与成本之间的矛盾是当务之急。此外，燃料电池催化剂、碳纸、气体扩散层等关键材料主要依赖进口，进一步推高了我国燃料电池系统的成本，如何突破低铂、低成本车用燃料电池关键材料批量化制备技术，实现完全自主的国产化替代，构建完整的燃料电池产业链，对于我国燃料电池技术发展至关重要。
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
曲面电路 随形制造 复杂曲面 高精密
随着半导体技术和印刷电子技术的发展，传统电子电路制造技术已到达瓶颈，为了使电子产品更加微型化、轻量化，曲面电路技术已经成为热点方向，目前的柔性电子及转印技术无法达到在复杂曲面的高精密随形要求。在复杂硬曲面上直接成型高精密随形电路，为电子电路制造带来了颠覆式技术革新和应用解决方案。
推荐机构： 中国电子学会
2022年度
信息技术 工业设计 软件
工业软件是指在工业领域里应用的软件，包括系统、应用、中间件、嵌入式几大类，主要作用是提高工业研发设计、业务管理、生产调度和过程控制水平。无论是中国的“智能制造”、还是德国的“工业4.0”，或是美国的“工业互联网”，背后都离不开工业软件的支撑。 我国的工业设计软件，特别是与产品创新相关度最高的产品研发设计软件，包括计算机辅助设计(CAD)软件、计算机辅助工程(CAE)软件、计算机辅助制造(CAM)软件、产品全生命周期管理(PLM)软件、产品数据管理(PDM)软件、计算机辅助过程设计(CAPP)软件等，主要使用国外软件，缺少自主研发的性能优越的工业设计软件。造成我国的工业发展在研发设计环节即受制于人，在向制造强国、工业强国发展过程中面临基础性瓶颈。 如何发展自主可控的工业设计软件？是我国制造业发展面临的重大、紧迫现实问题。
推荐机构： 中国科学学与科技政策研究会
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。
三维半导体芯片 极大深宽比 定量检测
半导体芯片制程已经从二维向三维发展。随着新一代芯片垂直方向堆叠层数的增多，工艺难度呈指数上升，必须对芯片三维结构参数进行精确测量，才能指导优化工艺并保证芯片功能。当前，即使采用现有最先进的技术仍无法定量检测极大深宽比芯片结构。因此，攻克极大深宽比三维芯片结构测量难题刻不容缓。
推荐机构： 中国计量测试学会
2021年度
