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材料基因工程技术在分子筛领域中的应用

高等学校化学学报 2021年第1期42卷 179-187页

作者：陈思琦李莉李乙于吉红吉林大学化学学院无机合成与制备化学国家重点实验室长春130012 吉林大学化学学院未来科学国际合作联合实验室长春130012

材料基因工程是近年来材料领域兴起的前沿技术,其基本理念是融合材料高通量计算、高通量实验和数据技术加速新材料的设计和研发.分子筛作为一种重要的化工材料,因其良好的热稳定性、较高的比表面积、独特的孔道结构及可调变的元素组成... 详细信息

材料基因工程是近年来材料领域兴起的前沿技术,其基本理念是融合材料高通量计算、高通量实验和数据技术加速新材料的设计和研发.分子筛作为一种重要的化工材料,因其良好的热稳定性、较高的比表面积、独特的孔道结构及可调变的元素组成和酸性,在气体吸附、分离、异相催化和离子交换等工业领域应用广泛.近年来,融合高通量计算、高通量实验和数据库技术的材料基因工程技术正逐步应用于分子筛研发等领域:高通量计算能够从理论上预测并筛选出具有优异性能的分子筛合成目标、高通量实验显著提升了分子筛材料合成与表征的效率、数据库技术则为未来挖掘分子筛材料的合成规律与构效关系奠定了数据基础.本文主要从这3个方面阐述材料基因工程技术在分子筛材料研发领域的应用及进展,总结以功能为导向、定向设计和构筑分子筛材料所面临的机遇与挑战,并对材料基因工程技术在分子筛领域的前景进行了展望.

关键词：分子筛高通量计算高通量实验数据库材料基因工程

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材料基因工程与核燃料元件材料

中国材料进展 2017年第6期36卷 414-419页

作者：卢勇王翠萍李林阳贾建平刘兴军厦门大学材料学院福建厦门361005 表面物理与化学重点实验室四川绵阳621907

核能由于其高能量密度和低污染排放等优点,已经成为未来能源的重要组成部分。然而,民用核燃料材料因其特殊的放射性,实验研究的安全防护成本极高,尤其是经过辐照后的核燃料材料,分析和表征手段极其有限,如果采用传统的"试错法"材料研发... 详细信息

核能由于其高能量密度和低污染排放等优点,已经成为未来能源的重要组成部分。然而,民用核燃料材料因其特殊的放射性,实验研究的安全防护成本极高,尤其是经过辐照后的核燃料材料,分析和表征手段极其有限,如果采用传统的"试错法"材料研发方法,将会使材料的研发成本大幅提高,因此,材料基因工程的研究思路正是适合于新型民用核燃料材料研究的技术路线。本研究组多年来以开发新型民用核燃料元件材料为目标,通过第一性原理和CALPHAD技术的结合,先后建立了U、Pu等锕系元素的多组元热力学数据库,并建立了辐照场作用下的热力学模型,对辐照场作用下核燃料材料的相变热力学和动力学进行了深入研究,在热力学数据库的基础上,运用相场动力学模型对核燃料元件材料的凝固和时效过程组织演化规律进行了系统的研究。这种基于材料基因工程的多尺度、多组元的材料设计研发思路为我国新一代具有自主知识产权的民用核燃料元件材料的成分设计、组织控制、工艺优化、性能改善及服役时间预测提供了重要的理论基础,同时对材料基因工程方法在材料开发中的广泛应用具有重要意义。

关键词：材料基因工程核燃料元件材料材料设计 CALPHAD 相场法

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材料基因工程及其在海洋工程用钢中的应用

有色金属科学与工程 2021年第6期12卷 50-56页

作者：李嘉欣王香董卉羚韩建兴哈尔滨工程大学超轻材料与表面技术教育部重点实验室哈尔滨150001 中国航发贵州黎阳航空动力有限公司贵阳550014

近年来,随着我国海洋资源开发不断走向深水,海洋工程装备对材料的性能要求不断提高,设计和开发高性能钢铁材料已经成为海洋工程材料的主要发展趋势之一。应用传统的“试错法”开发新材料虽然能避开物理机制不明的制约,但研发周期长、成... 详细信息

近年来,随着我国海洋资源开发不断走向深水,海洋工程装备对材料的性能要求不断提高,设计和开发高性能钢铁材料已经成为海洋工程材料的主要发展趋势之一。应用传统的“试错法”开发新材料虽然能避开物理机制不明的制约,但研发周期长、成本高、效率低。“材料基因组”思想应运而生,材料的设计逐渐由“炒菜式”向理性设计改变。而材料基因工程以“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”为目标,为新材料的研发提供了新的方向。文中在对材料基因工程的基础理论与方法、关键技术、发展现状等方面总结分析的基础上,提出了海洋工程用钢材料基因化的设计思路。短期来看可以缩短研发周期同时降低成本,长期来看还可以实现海洋工程用钢的按需设计,充实钢铁材料数据库,为后续的材料计算与开发提供依据。

关键词：材料基因工程海洋工程用钢高通量计算高通量实验材料数据库

从全球气候变化、制造业产业升级、国家安全及材料基因工程维度探讨材料科学发展趋势

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中国科学院院刊 2022年第3期37卷 336-342页

作者：林伟坚张博文汪卫华松山湖材料实验室东莞523808 中国科学院物理研究所北京100190

新材料被视为新技术革命的基础和先导,新材料的发展及趋势将深刻影响时代的变化、人类生活和社会发展。当今全球气候变化带来的风险日趋紧迫,新一轮技术革命带来的制造业升级压力空前巨大,世界政治格局发生深刻变化,国家间的竞争与摩擦... 详细信息

新材料被视为新技术革命的基础和先导,新材料的发展及趋势将深刻影响时代的变化、人类生活和社会发展。当今全球气候变化带来的风险日趋紧迫,新一轮技术革命带来的制造业升级压力空前巨大,世界政治格局发生深刻变化,国家间的竞争与摩擦愈演愈烈,关键材料的快速迭代正日渐成为主流,新材料研发模式本身也亟待变革。文章通过大量调研和梳理,从全球气候变化、制造业产业升级、国家安全及材料基因工程4个维度分析与预测材料科学和技术的发展趋势。

关键词：材料科学材料基因工程发展趋势

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贵金属材料基因工程数据库建设策略

稀有金属 2023年第2期47卷 281-291页

作者：张爱敏王卓刘艺琴路勇超种晓宇陈力云南省贵金属新材料控股集团有限公司云南昆明650221 成都材智科技有限公司四川成都610041 中南大学轻合金研究院湖南长沙410083 昆明贵研催化剂有限责任公司云南昆明650106 昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650500 云南开放大学人工智能研究中心web前端开发研究中心云南昆明650500 上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 昆明理工大学材料科学与工程学院云南昆明650093 昆明贵研新材料科技有限公司云南昆明650221

贵金属,尤其是其中的铂族金属因极度稀缺、价格昂贵,又具有难以替代的物理化学性能,被称为“第一高技术金属”和“工业维他命”,是国防军工高精尖领域不可替代、高新技术领域不可或缺的重要原材料。新材料研发主要采用传统的“试错法”... 详细信息

贵金属,尤其是其中的铂族金属因极度稀缺、价格昂贵,又具有难以替代的物理化学性能,被称为“第一高技术金属”和“工业维他命”,是国防军工高精尖领域不可替代、高新技术领域不可或缺的重要原材料。新材料研发主要采用传统的“试错法”依靠经验累积,存在贵金属消耗大、价格太高而“用不起”,应用性能要求太高、研发周期长而“效率低”两难问题。数据驱动的材料基因工程研究方法通过“大数据+人工智能”技术预测材料性能和设计新材料,再通过实验验证和开发新材料,可大幅缩短研发周期、降低研发成本,为有效解决贵金属新材料研发的两难问题提供了新思路。

关键词：贵金属材料基因工程数据库建设策略

JAMIP:面向材料基因工程研究的功能材料设计开源软件

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Science Bulletin 2021年第19期66卷 1973-1985,M0003页

作者：赵信刚周琨邢邦昱赵若廷罗树林李天姝孙远慧那广仁颉家豪杨晓雨王新江王啸宇贺欣吕健付钰豪张立军 State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics College of Materials Science and EngineeringJilin UniversityChangchun 130012China State Key Laboratory of Superhard Materials College of PhysicsJilin UniversityChangchun 130012China

材料信息学或材料基因工程作为新兴的材料研究与设计范式,通过深度结合材料大数据与人工智能机器学习算法,正在加速新材料、新功能和新原则的创新发现.如何高效产生、收集、管理、学习和挖掘大规模材料数据是开展材料信息学或材料基因... 详细信息

材料信息学或材料基因工程作为新兴的材料研究与设计范式,通过深度结合材料大数据与人工智能机器学习算法,正在加速新材料、新功能和新原则的创新发现.如何高效产生、收集、管理、学习和挖掘大规模材料数据是开展材料信息学或材料基因工程研究的关键.JAMIP(Jilin Artificial-intelligence-aided Materials-design Integrated Package)材料设计软件为满足这方面的研究需求而设计,涵盖半导体材料、介电材料、金属材料等材料体系,为基于功能材料大数据与机器学习算法结合的新材料发现和设计提供工具支撑.软件基于Python语言开发,代码开源,既可以基于结构原型数据库高效开展大规模高通量材料计算,也可以实现对计算任务更精细的控制及新任务流程的灵活定制.软件包主体框架包含以高通量材料计算为核心的数据产生、数据收集、管理工具及数据存储、机器学习/数据挖掘等功能模块.机器学习模块集成了数据预处理、数据特征工程,以及常用机器学习算法的模型构建和性能评估子模块.软件各模块之间高度融合,能够高效产生、分析、管理和学习计算材料大数据,为开展材料信息学或材料基因工程研究、实现新材料设计提供专业化的操作软件平台.

关键词： Python语言机器学习算法大数据数据挖掘开源软件材料基因工程材料数据主体框架

基于材料基因工程的AP/Al/HTPB推进剂单轴拉伸性能及脱湿过程计算

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火炸药学报 2021年第3期44卷 295-300页

作者：董戈张炜周星邓蕾国防科技大学空天科学学院湖南长沙410072

为克服传统“经验型”材料研发模式和“唯象法”构建材料计算模型的不足,构建了一种基于材料基因工程的复合固体推进剂单轴拉伸性能预估方法;以高氯酸铵/铝/端羟基聚丁二烯(AP/Al/HTPB)推进剂为例,将填料堆积微结构定义为材料基因之一,... 详细信息

为克服传统“经验型”材料研发模式和“唯象法”构建材料计算模型的不足,构建了一种基于材料基因工程的复合固体推进剂单轴拉伸性能预估方法;以高氯酸铵/铝/端羟基聚丁二烯(AP/Al/HTPB)推进剂为例,将填料堆积微结构定义为材料基因之一,建立了可反映推进剂配方的填料微结构最小代表性单元,分别确定了决定填料、基体、填料-基体界面力学性能的材料基因,并建立了材料基因与推进剂单轴拉伸性能之间的构效关系,获得了单轴拉伸条件下推进剂内部的损伤演变规律及应力—应变响应。结果表明,AP/Al/HTPB推进剂的应力—应变曲线可分为弹性段、黏弹性段和损伤段3个阶段;基体的黏弹性形变和填料脱湿会导致推进剂黏弹性模量下降;应变大于15.37%时,脱湿首先发生在粗粒径颗粒上方,随后以先快速、后平稳的趋势沿粗颗粒周向扩展;应变大于21.19%时,中等粒径颗粒开始脱湿;在0~25%的应变范围内细颗粒与基体始终黏接完好。

关键词：材料基因工程复合固体推进剂单轴拉伸脱湿跨尺度计算

基于材料基因工程设计筛选耐高温易加工聚酰亚胺

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高分子材料科学与工程 2021年第1期37卷 51-58,66页

作者：张宋奇朱峻立王立权林嘉平华东理工大学材料科学与工程学院上海市先进聚合物重点实验室上海200237

聚酰亚胺(PI)树脂在航天航空工业领域具有重要应用,被要求其兼具热稳定性和良好的加工性。但是,在耐热性能提高的同时,PI的加工性能通常会变差,这种矛盾加大了树脂设计与研发的难度。文中提出了一种基于材料基因工程的两步法筛选策略,... 详细信息

聚酰亚胺(PI)树脂在航天航空工业领域具有重要应用,被要求其兼具热稳定性和良好的加工性。但是,在耐热性能提高的同时,PI的加工性能通常会变差,这种矛盾加大了树脂设计与研发的难度。文中提出了一种基于材料基因工程的两步法筛选策略,这种新方法能加速设计兼具热稳定性和加工性的PI结构。第1步,从聚合物数据库中的化学结构提取出各种化学基元,以化学键解离能和键级作为热稳定性指标,以旋转松弛时间和零切黏度作为加工指标对化学基元进行第1次筛选,获得候选基元。第2步,通过候选基元的组合获得候选PI结构,以50%热分解温度作为热稳定性指标,以LUMO-HOMO和零切黏度作为加工性指标,筛选得到主链含二甲基硅和炔基的新型耐高温易加工的PI树脂。这一策略为快速设计兼具多种性能的新型聚合物提供了一种新方法。

关键词：聚酰亚胺材料基因工程耐热性加工性能理论模拟

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中国材料基因工程研究进展

金属学报 2020年第10期56卷 1313-1323页

作者：宿彦京付华栋白洋姜雪谢建新北京科技大学新材料技术研究院北京材料基因工程高精尖创新中心北京100083

材料基因工程是材料领域的颠覆性前沿技术,将对材料研发模式产生革命性的变革,全面加速材料从设计到工程化应用的进程,大幅度提升新材料的研发效率,缩短研发周期,降低研发成本,促进工程化应用。本文从基础理论与方法、关键技术与装备、... 详细信息

材料基因工程是材料领域的颠覆性前沿技术,将对材料研发模式产生革命性的变革,全面加速材料从设计到工程化应用的进程,大幅度提升新材料的研发效率,缩短研发周期,降低研发成本,促进工程化应用。本文从基础理论与方法、关键技术与装备、新材料研发与工程化应用、人才培养以及材料基因工程新理念的形成和推广等方面,综述了中国材料基因工程的研究进展,并提出了未来发展方向建议。

关键词：材料基因工程高通量计算高通量实验大数据技术