2021工程与材料科学部重大项目指南发布，拟资助9个重大项目

8月5日，国家自然科学基金委员会发布“十四五”第一批重大项目指南及申请注意事项。其中，2021年工程与材料科学部共发布12个重大项目指南，拟资助9个重大项目，项目申请的直接费用预算不得超过1500万元/项。 

2021年工程与材料科学部12个重大项目指南如下：

1、“基于能量耗散的金属基复合材料强-韧性关联重构”重大项目指南

2、“高频高效电机用新型非晶软磁材料”重大项目指南

3、“第三代半导体中压电-电/光耦合新效应、材料与器件研究”重大项目指南

4、“干热岩地热资源开采机理与方法”重大项目指南

5、“瞬态折展变形机构设计理论与关键技术基础”重大项目指南

6、“规模化多能协同存储与能质调控”重大项目指南

7、“高压电缆聚烯烃绝缘性能强化”重大项目指南

8、“重大基础设施服役安全智能诊断”重大项目指南

9、“梯级水电枢纽群巨灾风险评估与防控”重大项目指南

10、“城市污水资源化与安全利用”重大项目指南

11、“极地环境载荷及其与海洋结构物的耦合特性”重大项目指南

12、“内禀功能耦合MA2Z4材料”重大项目指南

12个重大项目指南关键内容如下：

“基于能量耗散的金属基复合材料强-韧性关联重构”重大项目指南

一、科学目标

针对构型化复合面临的强韧化机理不清、设计调控难等瓶颈问题，研究能量耗散及变形非局域化的新原理和新技术，阐明复合构型的能量耗散机理，提出力学性能和使役行为的能量学判据，建立复合构型跨尺度设计准则，突破强-韧性倒置关系并实现关联重构，为制备高强韧金属基复合材料奠定理论基础。

二、研究内容

（一）金属基复合材料强-韧性关联的能耗机理。

研究复合结构基元和界面的能量耗散行为，探究能耗方式对变形、断裂等力学行为的影响规律，揭示复合构型能量耗散的新机理，构建“复合构型-能量耗散-力学性能”的构效关系。

（二）构型化金属基复合材料跨尺度设计原理。

构建能量守恒与构型化复合相结合的跨尺度力学拟实模型，研究复合构型对能量-应力-应变的分配规律和影响机制，提出相对应的能量学判据，指导高强韧金属基复合材料的反向设计。

（三）金属基复合材料构型化复合制备技术。

发展跨尺度、精准调控复合构型的制备新技术，研究多相多尺度复合结构基元之间的限域作用规律，揭示复合构型和界面的形成与演化机制，实现高强韧金属基复合材料的可控制备。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“基于能量耗散的金属基复合材料强-韧性关联重构”，申请代码1选择E0105。

（二）咨询电话：010-62327144。

“高频高效电机用新型非晶软磁材料”重大项目指南

一、科学目标

以高频高效电机铁芯为应用导向，研发出兼具高非晶形成能力、高饱和磁感强度和低磁致伸缩系数的新一代软磁非晶合金材料，形成软磁非晶材料高效研发的新技术，获得非晶铁芯低成本加工成型新工艺，突破非晶铁芯制造难题，为高频高效非晶电机在高端装备中的广泛应用提供科学依据和技术支撑。

二、研究内容

（一）软磁非晶合金的形成机理及其性能调控规律。

研究软磁非晶合金形成过程中熔体结构的演化规律，揭示软磁非晶合金的形成机理；探明软磁非晶合金的微观结构和宏观磁性能、力学性能的关联性及其调控规律。

（二）新型高性能软磁非晶合金的高效开发技术。

建立软磁非晶合金的高效制备和集成化性能表征的新方法，获得兼具高非晶形成能力、高饱和磁感强度（1.8T以上）和低磁致伸缩系数的新一代软磁非晶合金。

（三）新型软磁非晶合金的加工性能优化。

探明非晶铁芯加工过程中结构和力学性能的演化规律，发展非晶合金塑性调控的新方法，探索软磁非晶铁芯塑性加工的新工艺，实现非晶铁芯的低成本和高效率加工。

（四）基于新型软磁非晶合金的高频高效电机开发。

发展高速非晶电机的损耗精细计算、分离理论及效率准确测试的方法和关键技术，优化非晶铁芯和高频高效非晶电机的结构，研制新一代高频高效非晶电机示范性样机。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“高频高效电机用非晶软磁材料基础问题研究”，申请代码1选择E0106。

（二）咨询电话：010-62327144。

“第三代半导体中压电-电/光耦合新效应、材料与器件研究”重大项目指南 

一、科学目标

针对第三代半导体器件中压电极化制约大功率晶体管和发光二极管性能的瓶颈问题，研究压电-电/光多场耦合新效应，建立三维精准局域应力调控的新方法，为实现大功率晶体管和发光二极管性能的变革性突破提供理论和技术支撑。

二、研究内容

（一）压电-电/光耦合新效应。

研究第三代半导体异质结处载流子的产生、分离、弛豫、复合的超快过程及其与压电-电/光多场耦合的关联，从原子层面揭示压电-电/光多场耦合新效应，构建完整的理论体系。

（二）第三代半导体材料的精准构筑、应力固化与性能调控。

精准构筑低维第三代半导体材料，揭示材料组分、微结构、缺陷行为与压电-电/光特性的内在关联；研究第三代半导体中应力固化的新机制，发展原子级三维应力调控和外延应力固化的新方法。

（三）压电-电耦合增强的大功率晶体管的研制与应用。

研究第三代半导体压电-电耦合器件新设计方法，发展压电异质结生长、器件构筑和应力调控等关键技术；面向雷达、通讯领域的需求，研制突破当前功率瓶颈的大功率晶体管。

（四）压电-光耦合调制的发光二极管的研制与应用。

研究第三代半导体大失配外延引入的压电场对光电器件性能的影响及作用机制，开拓压电-光耦合大幅提高光电转换量子效率的新方案，开发高能效的发光二极管，推动照明领域的节能减排。

三、申请要求

(一) 申请书的附注说明选择“第三代半导体中压电-电/光耦合新效应、材料与器件研究”，申请代码1选择E0207。

(二) 咨询电话：010-62328234。

“干热岩地热资源开采机理与方法”重大项目指南

一、科学目标

针对干热岩地热开采面临的钻井完井难、压裂造缝难、流动取热难等瓶颈问题，研究高效建井、造储与采热的新原理与新技术，揭示高温储层动态力学响应机制及缝网连通机理，阐明注采井干扰下地应力场演化规律，建立多场时空演化下强化取热与调控方法，为形成干热岩地热高效开发技术奠定理论基础。

二、研究内容

（一）高温储层岩体物理力学变化规律与表征方法。

研究高温下干热岩天然裂缝形态、渗透率等物理、力学特性的演变规律；建立非连续性岩体孔隙/裂隙精细化表征方法和本构表征模型。

（二）高温岩石动态损伤机理与高效破碎方法。

研究高温环境钻头在轴-扭耦合冲击下的力学动态响应特征，及其与干热岩的作用机理；评价高温岩石的可钻性，并建立高温固井和提高井眼清洁度新方法。

（三）高温岩体复杂缝网造储理论与技术。

研究高温岩体地应力场、温度场重构特征，揭示天然裂缝对人工裂缝扩展干扰的作用机制，阐明多场耦合作用下缝网起裂、演化、渗流的影响规律，形成干热岩压裂造储理论与方法。

（四）复杂缝网内取热工质渗流与传热规律。

研究不同工质在干热岩储层缝网内的渗流特征、传质传热规律、水化/溶蚀反应特征，及其对缝网渗流场的影响规律，厘清注入流体参数对采出流体温度-压力-相态等的作用机制。

（五）开采过程多场时空演变规律与流动调控方法。

进行地质建模，构建宏观尺度的数字化“透明”干热岩体，研究多场耦合下地应力场、缝网形态、渗流场、温度场等时空演变规律，建立取热效率和干热岩开采寿命预测模型。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“干热岩地热资源开采机理与方法”，申请代码1选择E0401。

（二）咨询电话：010-62327136。

“瞬态折展变形机构设计理论与关键技术基础”重大项目指南

一、科学目标

针对瞬态折展变形机构创成、机构-结构协同变形、与服役环境强耦合等理论问题，研究瞬态机构创成新原理与机构-结构多构态协同变形新机制，揭示机构-结构-环境交互作用机理，突破瞬态折展变形机构与服役环境融合设计及验证的新技术，构建瞬态机构-变形结构-环境融合的机构学理论与技术新体系。

二、研究内容

（一）瞬态可重复折展变形机构创成原理。

研究多构态折展变形机构创成原理及构态间重复变换与锁定机制，阐明机构瞬态响应效应与损伤失效机理，发展瞬态机构高效驱动与“型-性-度”一体化设计方法。

（二）机构-结构刚柔复合系统连续光滑协同变形机制。

建立变形结构宏-细-微多尺度力学模型，揭示机构多构态运动与结构大变形全域协调机理，发展连续光滑大变形与承载功能一体化的机构-结构复合系统设计新理论与方法。

（三）瞬态机构-结构复合系统与多场环境耦合作用机理。

研究力-热-噪等多场环境下瞬态机构-结构复合系统动力学建模方法，揭示瞬态机构-变形结构-复杂环境耦合作用机理，阐明瞬态系统驱动模式与瞬变流场的力-热-噪-变形相互适应机制。

（四）瞬态折展变形机构与服役环境融合设计及验证方法。

研究瞬态机构-变形结构-复杂环境融合设计新方法，发展极端环境下瞬态折展变形机构服役性能评价方法与模拟试验测试新技术，对机构服役性能进行预示、反演和验证。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“瞬态折展变形机构设计理论与关键技术基础”，申请代码1选择E0501。

（二）咨询电话：010-62327084。

“规模化多能协同存储与能质调控”重大项目指南

一、科学目标

针对规模化多能存储面临储电安全管控、储热传递强化与调控、电制燃料热-电协同等瓶颈问题，研究基于热物理/热化学储能、电化学储能及电-燃料转化储能的多能协同存储新原理与新技术，揭示电/热/化学多能协同转换存储与能质调控机制，构建可再生能源规模化多能协同存储的理论和技术体系。

二、研究内容

（一）大容量电能存储与安全管控。

研究大容量电能存储中储能电池多参数耦合在线状态诊断、故障预警及安全管控，发展化学电池本质安全理论和再生修复新技术，探索规模化电能物理转换与协同存储新方法。 

（二）高功率密度热物理储能。

研究高功率密度热物理储能的传热传质强化与智能管控，建立储热材料-装置的多相多尺度传热传质耦合模型，发展高导热储热材料及规模化高功率密度储热装置的热设计新方法。

（三）高能量/功率密度热化学储能。

研究高能量/功率密度热化学储能及能质调控新原理，揭示热化学储热材料传热传质强化与活性维持机理，提出规模化高密度热化学储能能质传输与化学反应耦合协同强化新方法。

（四）高效率/能量密度电化学燃料储能。

研究规模化电化学燃料储能的“可再生能源-电能-热能-燃料”有序对口转化，揭示电化学-热物理耦合转换过程中热/质/电/离子传递规律，形成热-电协同制取化学燃料的新技术。

（五）规模化多能协同存储与能质调控。

研究规模化多能协同存储的能量传递、存储及调控，构建 “源-储-荷”耦合匹配的多能协同存储与能质调控新理论，形成基于电网/热网/气网融合的多能协同存储和输配新方案。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“规模化多能协同存储与能质调控”，申请代码1选择E0607。

（二）咨询电话：010-62327131

“高压电缆聚烯烃绝缘性能强化”重大项目指南

一、科学目标

针对高压电缆聚烯烃绝缘的强绝缘、高可靠、长寿命的瓶颈技术问题，从解耦电荷、电场与微观结构/宏观界面之间的多尺度复杂关联着手，研究高压电缆聚烯烃绝缘电荷输运抑制，高压电缆聚烯烃绝缘电场调控，高压电缆聚烯烃绝缘耐电寿命提升，为解决高压电缆国家重大需求提供理论支撑。

二、研究内容

（一）高压电缆聚烯烃绝缘电荷输运抑制理论与方法。

研究聚烯烃绝缘多级结构和杂质（缺陷）对电荷输运的影响机制及其调控。

（二）高压电缆聚烯烃绝缘交流电场调控理论和方法。

研究聚烯烃交流绝缘的宏观/介观界面设计、交流电场-热场耦合机制与设计、交流电场调控理论与方法。

（三）高压电缆聚烯烃绝缘直流电场调控理论和方法。

研究聚烯烃直流绝缘的宏观/介观界面设计、直流电场-空间电荷-热场耦合机制与设计、电场-空间电荷调控理论与方法。

（四）高压电缆聚烯烃交流绝缘耐电寿命提升。

研究聚烯烃电缆绝缘状态原位表征识别、多级结构与界面协同减缓聚烯烃绝缘交流电老化机制、聚烯烃交流绝缘剩余寿命理论。

（五）高压电缆聚烯烃直流绝缘耐电寿命提升。

研究聚烯烃绝缘直流电热老化机制、空间电荷和热场调控协同减缓聚烯烃绝缘直流电老化机制、聚烯烃直流绝缘剩余寿命理论。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“高压电缆聚烯烃绝缘性能强化”，申请代码1选择E0702。

（二）电话：010-6232830。

“重大基础设施服役安全智能诊断”重大项目指南

一、科学目标

针对服役性态感知识别不完备、安全风险预警不及时、性能演化和寿命预测不精准等瓶颈问题，研究重大基础设施结构服役安全智能诊断的基础理论和关键技术，突破结构服役性态多元感知与智能识别、服役性能多维评价和时变演化预测等基础科学问题，为构建重大基础设施服役安全智能诊断新方法奠定理论基础。

二、研究内容

（一）重大基础设施结构服役安全智能诊断多维表征性态指标及其体系。

利用深度学习等智能方法，解析结构服役性能与性态指标的偶联机理，确定智能诊断服役性能关键表征性态指标，建立材料-构件-连接-结构的服役性能多维表征性态指标及其体系。

（二）重大基础设施结构服役性态多元感知与智能识别。

研究服役性态多元智能感知新技术，建立数字信号诊断信息的高效提取理论和识别方法；研究缺陷损伤识别的深度神经网络结构，挖掘关键识别特征，提出典型缺陷损伤的智能识别方法。

（三）重大基础设施结构服役性能智能评价理论与方法。

研究数据-物理耦合驱动的结构服役性能与多维表征性态指标映射机理的解析方法，建立基于关键表征指标体系的结构服役性能智能评价理论，提出结构服役安全高效智能量化评价方法。

（四）重大基础设施结构服役性能演化机理与寿命预测方法。

解析和挖掘结构服役性能与关键表征性态指标的全寿期时变演化机理，考虑可靠度水准、荷载与作用、服役环境、材料物理与化学等特征，建立基于深度学习的结构服役寿命预测方法。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“重大基础设施服役安全智能诊断”，申请代码1选择E0806。

（二）咨询电话：010-62328359

“梯级水电枢纽群巨灾风险评估与防控”重大项目指南

一、科学目标

针对梯级水电枢纽群区域地震活跃、地质灾害高发、高水头大流量、地震-地质-洪水灾害连锁效应等特点，探明极端荷载发生与作用的时空特性，建立溃坝及洪水演进数值模拟方法，揭示枢纽群灾害链形成和演化机制，提出枢纽群巨灾风险评估与防控理论，为梯级水电枢纽群安全保障提供科学支撑。

二、研究内容

（一）区域尺度巨灾因子识别与表征。

研究强震、巨型滑坡、特大洪水等极端自然灾害事件的数值仿真方法，揭示极端荷载时空分布特性，建立区域尺度的巨灾因子识别方法，提出潜在灾害源表征指标体系。

（二）水电枢纽系统的潜在失效模式与灾变机理。

研究极端荷载作用机制，揭示枢纽系统的功能失效机制、潜在破坏模式与灾变机理，提出水电枢纽系统的溃坝致灾判别方法与评价指标体系。

（三）梯级水电枢纽群灾害链的形成与演化机制。

研究梯级水电枢纽群超标洪水的演进过程，灾害形成机制与链式放大效应，建立枢纽群灾害链数值模拟方法，揭示灾害链演化机制，建立梯级水电枢纽群灾害链形成条件判别的指标体系。

（四）巨灾风险评估与减灾方法。

研究梯级水电枢纽群的巨灾损失估算模型，建立巨灾风险分析方法与安全管理原则，提出梯级水电枢纽群巨灾风险评估与防控方法。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“梯级水电枢纽群巨灾风险评估与防控”，申请代码1选择E0906。

（二）咨询电话：010-62328362。

“城市污水资源化与安全利用”重大项目指南

一、科学目标

针对城市污水资源化过程中由病原微生物、有毒化学品残留导致的生态健康风险、由水质复杂而导致的高能耗高药耗等瓶颈问题，研究水质安全与减碳降耗的污水再生新原理和新技术，突破关键污染物定向转化与无害化新方法，构建适应我国污水特征和资源化需求的污水再生与安全利用理论和技术体系。

二、研究内容

（一）污水资源化关键毒害因子识别与风险评估。

研究污水资源化利用过程中的潜在系统风险，建立水中关键风险物质高通量筛查及快速检测新技术，发展基于不同污水再生利用途径和暴露终点的生态健康风险评估新方法。

（二）污水中病原微生物健康风险控制理论和技术。

研究污水再生与利用过程中病原微生物与消杀副产物的作用关系，阐明病原微生物及消毒副产物的协同转化与调控机制，发展保障污水资源化生物与化学安全的新理论、新技术。

（三）污水中有毒化学污染物的迁移转化与无害化机制。

研究城市污水资源化过程中关键化学物质的迁移、转化及毒性变化规律，突破污水中微量有毒化学污染物的高效削减新原理，发展高风险污染物的解毒减害理论与技术。

（四）污水碳氮磷协同转化新技术原理。

研究水质风险防控与高值资源回收过程，阐明污水中物质转化、能量代谢机制，突破污染物定向回收新技术，建立集资源绿色回收与安全利用为一体的污水资源化原理方法体系。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“城市污水资源化与安全利用”，申请代码1选择E1002。

（二）咨询电话：010-62327092

“极地环境载荷及其与海洋结构物的耦合特性”重大项目指南

一、科学目标

针对海冰力学行为的跨尺度递进关系、冰与波流的动态耦合机理、冰与结构物的能量互馈机制等科学问题及相关联的水面重型破冰船和水下战略航行体破冰能力预报技术问题，研究极地环境载荷及其与海洋结构物的耦合特性，提出水面和水下两大重要装备破冰能力精确预报新方法，构建我国极地装备研发设计的关键理论和核心技术。

二、研究内容

（一）海冰力学行为的跨尺度演变规律。

主要研究海冰在晶体、亚米、工程等不同尺度上的力学行为、揭示海冰力学行为随尺度的变化规律与内在机制、建立能够解释海冰力学行为的多尺度分析理论和协调尺度差异的本构关系。

（二）极区风、浪、流与海冰相互作用机理。

主要研究冰水混合区浪流传播的能量衰减理论、冰水混合区多冰块动态耦合机理、风浪流作用下的海冰破碎与漂移堆积机制。

(三) 结构与海冰的相互作用与能量互馈机制。

主要研究海冰分布及海冰与结构碰撞过程的随机性表征、结构与海冰之间的能量互馈机制、海冰破坏演化规律的建模与重构。

（四）重型破冰船破冰能力预报方法。

主要研究重型破冰船艏向、艉向、旋回三种破冰模式下冰-水-船-桨相互作用的破冰过程与碎冰运动、破冰载荷与船体结构响应特性、破冰能力预报方法。

（五）水下航行体垂直破冰能力预报方法。

主要研究水下航行体准静态向上和高速向上两种破冰场景下的近冰面效应与航行特性、垂直破冰载荷与航行体结构响应特性、垂直破冰能力预报方法。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“极地环境载荷及其与海洋结构物的耦合特性”，申请代码1选择E11。

（二）咨询电话：010-62327137。

“内禀功能耦合MA2Z4材料”重大项目指南

一、科学目标

针对传统材料中一些独特但矛盾的功能特性难以耦合或耦合效应弱的重大难题，建立内禀功能耦合MA2Z4材料的设计原理，发展制备理论和方法，革新材料创制范式，揭示功能结构单元耦合诱导的新物性和新效应，并开发新应用，为电子信息和可再生能源技术的发展奠定理论和技术基础。

二、研究内容

（一）MA2Z4材料的设计与性能预测。

高通量计算与预测MA2Z4材料及其电学、磁学、光学、声学和超导等基本物性，阐明其功能单元耦合对MA2Z4物理性质的调控规律，实现内禀功能耦合特性目标导向的MA2Z4材料设计。

（二）MA2Z4材料的制备理论与方法。

开展MA2Z4材料的制备方法和生长机制研究，阐明其功能单元的结构特征，研究其生长热力学和动力学行为，建立MA2Z4材料的制备理论和方法，实现高质量材料的控制制备。

（三）MA2Z4材料的物理性质与新效应。

开展MA2Z4材料中磁性、超导、拓扑等性质的实验研究，阐明MA2Z4材料中多种内禀功能物态的耦合机制，并揭示多种内禀功能物态强耦合下MA2Z4材料中的新物性与新效应。

（四）MA2Z4材料在新原理器件与新能源中的应用探索。

   针对MA2Z4材料的独特性能，研究新原理器件的构建和新能源的高效转化，阐明内禀功能耦合MA2Z4材料在电子信息和可再生能源领域的作用机制及应用优势。

三、申请要求

（一）申请书的附注说明选择“内禀功能耦合MA2Z4材料”，申请代码1选择E13。

（二）咨询电话：010-62327138。