研究系統
材料基因組工程聯合研發中心

   依托材料數據庫與數字化模擬研究中心,聯合煙臺京師材料基因組工程研究院共同建設材料基因組工程聯合研發中心。目前我國材料行業處在從模仿向原創跨越的新階段,面對制造業用戶提出的仿無可仿的全新技術需求,必然需要應用“基礎原理+數據分析”的方法論,“材料基因組工程”就是其最新代表。材料基因組工程聯合研發中心主要開展材料基因組工程基礎研究與應用研究?;A研究方面主要開展材料信息化技術與材料計算模擬技術,包含材料數據標準化、材料數據挖掘技術研究和開發、材料數據可視化技術、構建多尺度材料計算模擬方法、發展和應用高精度的電子結構計算和電子組態優選方案、材料的計算機設計;應用方面主要集中在“卡脖子”材料領域的應用研究,比如顯示材料、聚酰亞胺材料的研究等。具體的研發內容包括:

 (1)材料信息化技術

   ①數據標準化

   開發新的分子組裝模型和化學空間搜索算法,同時借鑒人工智能中的小樣本學習和自學習理論,建立一個與當前材料搜索引擎完全不同的、自下而上的材料數據庫范式。采用高精度的電子結構計算作為檢驗手段,同時利用神經網絡、自適應算法、貝葉斯分析和自助法等一系列人工智能技術,開發一個適用于材料數據庫的置信度模型來評估新數據的可靠性,并與舊數據實現有效的整合。利用產學研結合,直接到工業生產一線收集成功的實驗數據和海量的失敗結果并進行交叉檢驗,同時結合支持向量機、主成分分析、決策樹模型和有效描述符等機器學習機制,開發一套適用于發光材料數據庫的儲存方式和檢索方案,為其他類型的材料數據庫探索新標準,最終為材料基因組工程打造一個具有強大數據管理能力和原創技術標準的平臺

   ②材料數據挖掘技術

   材料大數據的清洗,是對各種臟數據進行對應方式的處理,得到標準的、干凈的、連續的數據,提供給數據統計、數據挖掘等使用。材料數據的清洗,需要借助理論計算模擬的技術,對數據進行填補、一致性和唯一性矯正。材料性質的數據挖掘,主要是建立在對材料性能和服役的理解基礎之上的模式識別和模式預測。模式識別是從分散的數據中發現相關性、趨勢、簇類、軌跡和異?,F象的基礎,模式預測的本質則是對材料物理與化學的理解。如何將這些數據挖掘技術應用到具體的細化領域的材料研究將是未來數據挖掘的重要方向。

 (2)材料計算模擬技術

   從新材料產業的實際需求出發,發展和應用新的計算方法,實現對材料性能的精準調控和高效模擬,主要從以下三個方面開展:

   ①構建多尺度材料計算模擬方法

   主要以第一性原理和分子動力學等多尺度手段,在小分子、大分子、高分子(聚合物)、半導體、復合材料等各種體系的多個尺度與層次的建模,包括:基于第一性原理方法的材料最微觀的原子與電子結構尺度;基于經典分子動力學模擬等方法的納米尺度;基于有限元、凝固模擬等方法的材料宏觀尺度研究。

   ②發展和應用高精度的電子結構計算和電子組態優選方案

   與眾多經驗性、輔助性的計算模型相比,當前工業界對于高精度的量子化學計算方法和程序的接受程度比較低,亟需引入高精度的計算工具和策略,針對研究的具體材料,不斷開發相應的高精度的電子結構計算方法和電子組態優選方案,準確預測材料的主要性能指標,同時結合多尺度模擬技術,充分考慮材料的復雜環境影響。

   ③材料的計算機設計

   根據不同材料的構造原理,可以制訂一套規則,通過計算機生成豐富的材料候選庫,對數據庫中的材料進行充分的材料計算模擬,篩選出潛在的優秀材料;也可以通過遺傳和突變算法,在已有的高性能材料基礎上進行進一步的改造和升級,構建更多更優秀的候選材料。

 (3)材料基因組工程應用研究

   ①有機電致發光研究

   光提取材料:具有高折射率的光提取材料可以大幅提升器件的外量子效率。應對下一代材料需求,需要將材料在紅光區折射率提升到2.0以上,藍光區折射率>2.2。

   電荷傳輸材料:電荷傳輸材料包括空穴傳輸材料和電子傳輸材料,提升材料的遷移率是電荷遷移材料的核心,遷移率水平要達到10-3 cm2V-1s-1量級。

   發光材料:發光材料是OLED器件的核心,突破重金屬磷光材料和藍色熒光材料依然是材料的難點。紅光材料發光主;峰在630nm左右,器件效率達到55cd/A;藍光熒光材料的發光主峰在460nm左右,器件藍光指數>160。

   聚酰亞胺材料:聚酰亞胺(PI)薄膜目前最大的應用領域是柔性印制電路板。含有精致導線、采用薄薄的、柔順的聚合物薄膜制造的撓性電路(柔性電路)可以制造的很薄、很精巧,絕緣厚度小于25μm。近年來撓性電路的使用已經擴展到了無線電通信、計算機和汽車電子設備等領域。但是聚酰亞胺材料仍然被日本和歐美壟斷。

   ②PI樹脂熱膨脹系數研究

   PI用于柔性電路最大的問題在于其熱膨脹系數遠大于電子元器件,由于這種熱膨脹系數的差異,容易出現電路剝離或者裂紋產生,嚴重時會產生斷裂。將針對不同的PI材料,采用量子力學研究PI單體和寡聚體的電子結構性質,構建熱膨脹系數與構效關系模型,通過分子動力學模擬技術分析PI不同溫度下的熱膨脹過程,為設計新的PI單體提供理論支持。

   上述研究的兩類材料,分別代表了有機小分子材料和有機高分子材料。對以上兩類材料的應用研究,對于材料基因組工程技術在這兩個材料領域的推廣應用具有重要的示范意義。


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