大科学装置推动新材料技术研发的模式和路径——以中国散裂中子源为例

段 飞，龙云凤，2，孟 鸿

（1.广东省科技创新监测研究中心，广东广州 510040；2.北京大学材料科学与工程学院，北京 100084；3.北京大学深圳研究生院，广东深圳 518000）

1 研究背景

新材料是指通过新设计、新技术、新装备等的综合开发应用，制备出具有先进性能或特殊功能的关键材料。超材料、纳米材料、石墨烯等新材料为我国制造业创新提供了巨大的发展空间，新材料成为新兴产业下一步创新发展的重要推动力，关系着国民经济发展与国家重大需求。我国对新材料产业高度重视，在“十四五”规划中明确将新材料列入战略性新兴产业［1］。目前我国新材料产业虽已初具规模，但仍面临先进基础材料参差不齐，关键战略材料受制于人，前沿新材料技术有待突破等问题，难以为中国制造强国战略提供坚实的支撑［2］，因此推动新材料技术突破是当前我国产业发展的重要任务。

要推动新材料技术研发，必先提升新材料相关科技基础设施水平。我国在推动诸多关键领域技术突破所布局的百余台大科学装置中，中国散裂中子源（CSNS）是我国迄今为止已建成单项投资规模最大且与新材料相关的科研设施平台［3］，是研究物质微观结构的理想探针，是材料研究的利器，能为国家急需的许多高性能结构材料攻关提供关键技术平台，有利于大力推动新材料技术研发上的突破［4］，能够促进能源材料、纳米材料、量子材料、合金材料、信息材料、高分子材料等材料相关产业的发展，具有广阔的应用前景和巨大的产业集群效应［5］。因此，本文以中国散裂中子源（CSNS）为例，通过对CSNS 装置及关联机构的建设运行情况进行研究，探讨大科学装置在新材料技术研发中所发挥的作用，梳理大科学装置推动新材料技术研发的模式及路径，分析其问题及不足，从而为更进一步发挥大科学装置在技术研发上的推动作用提供参考及建议。

2 中国散裂中子源（CSNS）的发展概况

中国散裂中子源（CSNS）是国家“十一五”期间立项、“十二五”重点建设的大科学装置，是国际前沿的高科技、多学科应用的大型综合性研究平台，为来自基础与应用基础研究、工程技术开发和工业应用方面的广泛领域的大量用户提供不可替代的关键实验平台和研究手段［6］。CSNS 是各种高精尖设备组成的复杂整体，建有多台不同类型的中子谱仪装置，谱仪所观测对象的尺度能达到分子和原子层级，由中国科学院和广东省人民政府共同建设，落户于广东省东莞市松山湖，于2018 年8 月建成并正式对国内外用户开放，和世界上正在运行的美国散裂中子源、日本散裂中子源与英国散裂中子源一起构成世界四大脉冲式散裂中子源。

目前CSNS 已建或在建的谱仪共有11 台，其中部分谱仪由CSNS 与南方科技大学、北京大学深圳研究生院、中山大学、东莞材料基因高等理工研究院、广东省科技厅等机构合作建设，CSNS 也将启动二期建设，继续建设一批更具特色与先进性的谱仪，这些谱仪将为材料科学等多个领域的基础与应用基础研究、技术开发等提供功能更加强大、领域更加广泛的关键研究平台［7］。CSNS 除谱仪建设以外，还设立了博士后科研工作站推动人才团队建设，培养了一批中子谱仪技术人才与关联学科人才，并通过与高校院所与企业等用户共建新材料领域的实验室及研究中心，进一步培育中子与新材料复合学科人才，推动谱仪技术开发及应用，如中国散裂中子源先进材料联合实验室。此外，CSNS 发挥大科学装置磁极效应［8］，在政府进一步推动下聚集新材料关联企业与高校院所，逐步建立以大科学装置为牵引、新型研发机构与产学研园区协调建设的创新体系，打造综合性国家科学中心——松山湖科学城。

3 CSNS 推动新材料技术研发的模式和路径

通过分析CSNS 大科学装置及关联单位等机构的发展情况，可发现CSNS 具有三大优势，即先进的中子谱仪装置、一流的谱仪技术及人才、大科学装置的磁极效应，三大优势推动CSNS 支持新材料技术研发的三种模式形成，即支持用户自主研发模式、联合多主体协同研发模式、全链条布局创新体系模式。

3.1 支持用户自主研发模式

CSNS 拥有一系列世界一流的谱仪，能够为学者及企业科技人员在新材料技术研发上提供更先进的实验平台和研究手段，可用于研究晶体结构、合金材料、磁性材料、纳米材料等相关结构和性能研究［9］。因此CSNS 装置面向公共用户开放使用申请，形成了由用户发起并主导课题、由CSNS 提供实验平台支持的用户自主研发模式［10］。具体过程为：用户通过CSNS 用户服务系统发起申请并阐明实验计划与机时需求，经装置方专家审核通过后，即可依照计划自主开展实验。为满足用户研发需求，装置方设立用户办公室专门负责用户自主研发课题的征集、评审、实施等全流程管理，其技术人员也积极为用户提供实验方法指导，并提供样品表征实验室、固态材料合成实验室、高精度加工中心、样品环境实验室等辅助装备和配套服务设施，为用户利用CSNS装置开展新材料研究进一步赋能［11］。该模式的优点在于直接面向学者及企业需求，充分发挥用户自主性，通过用户在实验环节实际使用装置所产生的创新成果，为推进新材料技术研发提供支持；局限性在于CSNS 实验机时有限，每年的实验申请者中只有约30%的用户能获得实验机时，且装置仅能支持用户研发过程中的小部分实验环节。

目前CSNS 已有五台中子谱仪投入开放运行并接收高校院所、企业等用户申请，超4 000 名注册用户在磁性材料、纳米功能材料、高效催化剂、有机太阳能薄膜电池等领域开展材料研发［12］，完成实验课题超1 000 项［13］，大多来自科研院所和高校，企业课题数量不足10%；在Science 等期刊发表的用户成果文章170 余篇。如香港大学黄明欣团队利用CSNS 通用粉末衍射仪发现了效能创世界纪录的“超级钢”并发表于Science 期刊［14］。具备强大研发能力的龙头企业向CSNS 提交课题实验申请，在谱仪上进行课题研究及技术研发实验，如华为、紫光同创等高科技企业利用CSNS 中子束流开展芯片单粒子效应实验［15］。

3.2 联合多主体协同研发模式

CSNS 的依托单位是散裂中子源科学中心，隶属于中国科学院高能物理研究所，旧名为东莞中子科学中心。该中心拥有超500 名专业的谱仪技术人员与关联学科研究人才［16］，为进一步发挥技术及人才优势，中心与相关高校院所及企业等创新主体合作，形成了以建立联合实验室及研究中心、联合培养人才、课题合作、学术交流等为合作方式、以促进中子散射实验技术在新材料研发中的应用及实践为目的的联合多主体协同研发模式［17］。该模式提升了依托单位在新材料学科技术研发中的参与度，使CSNS 谱仪人才能与需求方进行合作，双方各自发挥在谱仪实验技术与新材料领域的优势，有利于减少外界学者在研究上使用中子散射谱仪的阻碍，推动中子散射科学技术在新材料中多方面的应用及实践，联合实验室建设以及人才培养也有助于为新材料领域需要长期合力的技术攻关以及材料测试提供平台并持续注入活力。

CSNS 与高校院所及企业已建成一系列涉及材料领域的联合实验室及研究中心（如表1 所示），负责结合新材料学科及产业需求开展散裂中子源相关技术的研究以及中子散射实验技术开发，开展更具需求针对性的谱仪应用研究与人才培养，如与东莞理工学院合建中国散裂中子源先进材料联合实验室，专门围绕中子散射谱仪在先进材料研究中的应用展开研究［17］；与中国科学院、深圳大学合作推进中子斩波仪研制，提升测量精度，满足更多实验需求［18］；中心通过召开应用研讨会积极推动谱仪专家与新材料学者的合作，促进CSNS 中子技术在新材料研究的应用，例如中子科学与技术在电池领域中的应用前沿研讨会［19］；中心还通过设立大科学装置开放课题，积极鼓励学者们与大装置依托单位科研人员合作利用散裂中子源装置开展中子散射多学科交叉研究以及应用研究。在中心联合多主体协同研发模式下，CSNS 谱仪学者与各机构学者的合作更加顺畅，在新材料领域共同寻求创新突破，例如CSNS 通用粉末衍射仪负责人何伦华与北京化工大学宋宇飞团队合作在谱仪上围绕纳米材料研究展开中子粉末衍射测量实验并共同发表论文［21］。

表1 共建材料领域实验室及研究中心

3.3 全链条布局创新体系模式

作为大科学装置，CSNS 具有强大的磁极效应，能够吸引多方科技创新资源，因此形成了以CSNS 为核心的全链条布局创新体系模式，该模式由政府统一规划及指导，以引入创新平台及科研机构、聚集新材料关联企业为手段，以打造集科学研究、实验开发、成果转化的创新链为目的；具体表现为地方政府以CSNS 大科学装置为核心，“以点带面”打造综合性国家科学中心松山湖科学城，推动新材料实验室体系、新型研发机构、成果转化平台、中试基地、产学研园区建设并吸引新材料关联企业，为CSNS 推动新材料技术研发中的各个环节提供全方位技术支持和服务［22］。该模式有助于连接政府、高校、科研院所、企业等创新主体，形成与当地产业实际需求相融合的组织机制和创新模式，推进CSNS 仪器共享，最大化发挥效用，推动CSNS 围绕新材料产业需求开展课题研究，加速企业与CSNS 研究成果对接，促进CSNS 成果转化以及产业化，长远来看在政策长期支持与配套设施建设下将推动区域新材料产业的整体升级［23］。

在松山湖科学城中，各类创新主体为新材料技术研发各环节发挥着不同支持作用，发挥科学研究与产业发展的协同效应［24］。企业布局于CSNS 周边有利于促进产业需求与CSNS 研发课题的对接，松山湖科学城聚集了华为终端、歌尔智能等一大批电子信息、高端装备制造关联企业，这些企业根据各自需求，利用CSNS 为电子电路基材、光学材料、电池材料等电子材料的技术研发实验与性能测试提供支持［25］。新型研发机构有助于促进CSNS 科技成果的基础及应用研究、转化和产业化，例如材料基因高等理工研究院致力于推动CSNS 工程材料中子谱仪的建设与应用研究，与广东韶钢松山股份有限公司等企业开展合作，推动我国产业领域中存在广泛需求的材料与装备制造应力工程技术研发及其产业化应用［26］；松山湖材料实验室利用CSNS 装置推进材料实验进程，并致力于为科技成果打造“前沿基础研究—应用基础研究—产业技术研究—产业转化”的全链条创新模式，设置创新工场与产业育成中心，与产业界密切合作并将相关核心关键材料和器件转化成产品［27］，以推动材料科学领域关键技术突破与重大成果转移转化，其科研团队利用CSNS谱仪开展锂电池材料研究实验［28］，成功改进电池材料并实现了高稳定长循环的镍锰酸锂材料批量化生产，便是成功案例之一［29］。新材料产学研园区有助于全面贯通企业在材料科技创新、科技成果转化、中试试验、市场应用等全链条资源，如光大We谷·溥彦科技园吸纳共享研发实验室、材料产业引导基金等多方科创资源及服务配套并建成产学研科技成果转化中心与先进制造业服务平台［25］。

3.4 CSNS 推动新材料技术研发的路径

结合CSNS 推动新材料技术研发的三种模式，通过梳理新材料技术研发的环节以及CSNS 关联的创新主体，可以归纳出CSNS 推动新材料技术研发的路径，该路径包含CSNS 谱仪、各类创新主体以及新材料领域的“基础研究—应用研究—中试孵化—产业应用”研发链。

各类创新主体中，CSNS 谱仪负责为研发链各环节提供材料研究与性能测试的平台支持；中国科学院高能物理研究所与散裂中子源科学中心作为依托主体负责推动谱仪建设，并依照学科及产业需求，与多家高校院所及企业合作建设联合实验室，从而推动中子谱仪在新材料领域研究的应用，开发用于中子散射实验的方法学、实验技术、样品环境等；新型研发机构、产学研园区等主体，则全方位支持研发链各环节，为CSNS 成果研发、转化及企业对接提供服务。研发链各创新环节环环相扣推进创新活动。基础研究是研发链的源头和基础，学者及企业用户依托CSNS 谱仪开展新材料基础研究，一般涉及材料结构内部研究、材料性能研究、材料合成等；应用研究是在前序研究基础上探索知识和技术的应用途径，学者及企业用户依托CSNS 谱仪开展应用研究实验，涉及电池研发、半导体器件研发等；中试孵化则是研究成果产业化之前的试验环节，材料实验室中试线、溥彦科技园中试研发区等可以为CSNS 成果提供中试孵化平台，对成果进行快速量产性论证与转化；产业化则是让研究成果成为大规模应用的产品，材料实验室创新样板工厂、产业育成中心与产学研园区能够助力CSNS 科技成果对接企业应用需求，推动成果产业化，发挥科研与社会经济效益。CSNS 谱仪与各创新主体围绕研发链各环节共同发挥作用，形成了CSNS 推动新材料技术研发的路径，构成大科学装置创新体系，如图1 所示。

图1 CSNS 推动新材料技术研发的路径

4 问题与建议

CSNS 大科学装置所带来的对新材料领域中科学与产业的促进作用是巨大的，松山湖科学城也依托其为核心逐渐形成新材料领域的创新高地、人才高地及产业高地，但在分析发展现状以及研发模式和路径过程中，本文发现CSNS 依然存在一些问题仍待解决，并围绕这些问题提出相关对策建议。

4.1 存在的问题

CSNS 在新材料领域的研究成果数量和水平有待进一步提升。与世界发达国家相比，CSNS 在新材料上的研究工作、科学产出数量及水平依然与之存在一定差距。一方面受限于依托CSNS 装置的科研团队及企业水平，产出能力相对有限；一方面是受限于CSNS 现有的中子谱仪数量，所能覆盖的研究领域有限，无法满足某些领域用户的十分迫切的需求；再者，我国中子散射学科的发展与国外相比起步较晚，很多材料领域的研究学者对中子散射在其研究领域的作用尚不清楚，需要不断加强高水平用户的培养，提升材料相关学者用户以及企业用户对于中子技术的了解，同时也需要提升谱仪实验技术人员的水平和能力［30］。

第二，CSNS 企业研发用户占比偏低，企业创新能力有待提升。企业作为科技创新的主体，是我国实现高水平科技自立自强的重要依托和支撑［31］，但自从2018 年CSNS 投入运行以来已实施的800 多项开放课题中，多来自于科研院所和高校，企业课题数量不足10%，且大部分实验来自于华为系企业。主要由于CSNS 作为集众多复杂技术于一身的大科学装置，其对用户研究水平要求非常高，只有具有强大研发能力且达到相当高水平的企业才可能用到中子散射作为研究和表征手段，以锂电池为例，东莞本地及周边企业能力和水平有限，缺乏运用的意识，只有宁德时代、比亚迪这类大企业才有运用及分析需求。企业对CSNS 的了解以及企业自身创新能力仍有待提升，CSNS 需要加大对于企业类用户的宣传和培训。另外，大企业往往将CSNS 中子谱仪当作普通的产品测试设备，仅关注产品性能，缺乏利用大科学装置深入研究以及在技术领域提前布局的意愿及动力，例如中子中心提议芯片企业可以利用中子建立芯片存储辐照标准，有助于掌握该领域话语权，但企业并未加以重视。

第三，新材料研发模式缺乏系统化支持，CSNS成果产业化程度有待提升。随着关联研发机构为CSNS 研究成果的转化及产业化应用提供全方位技术与服务支持，逐渐形成新材料领域的研发链，但各创新主体之间缺乏串联，功能类似的机构存在重复性建设问题，且与CSNS 装置未形成有效的联系，CSNS 谱仪科学家熟悉中子技术但对新材料产业了解有限，而企业专家及工程师则主要关注产品性能层面分析，缺乏对新材料研究的原理、机制及技术层面的探究，因此CSNS 技术对接到企业应用上依然存在壁垒。目前未建立一个能够串联政府、科研机构及企业、打通CSNS 科学家与企业用户壁垒并对新材料研发链进行全方位支持维护、推进CSNS 成果在新材料领域产业化的部门，也未有系统的政策对该研发链各节点机构任务进行明确定位以及提供针对性的资金支持。

4.2 思考和建议

第一，加强推进谱仪建设与人才建设，吸引更多高端用户。一方面推动谱仪建设，扩大用户容量，加强中子散射人才的学科复合知识培养，提升用户对接效率；一方面面向高校院所及企业加强散裂中子源应用及产业化宣传，例如定期举办高水准的国际、国内用户会议或与世界一流高校院所开办CSNS科普讲座，邀请国际、国内散裂中子源相关技术及新材料学科的专家学者、现有用户和潜在用户参与，尤其是邀请对CSNS 相关技术有需求的大企业以及具有强大研发能力的科研团队参与，吸引散裂中子源的现有用户，开发潜在用户，推动CSNS 的产出成果的提升并推动研究成果的产业化应用。

第二，依据新材料研发链加强政策布局，抓住政策发力节点。CSNS 技术前沿复杂，在新材料领域内的研发链涉及主体较多，研发机构也在持续建设但缺乏系统性。因此应当系统梳理现有支持政策，围绕研发链进行合理布局，在科技研发、推广应用、成果转化、产业发展等重点环节加强部署，灵活采用机制建设、资金奖补、项目支持、服务配套等多元化的支持手段，形成系统成型的政策支持体系。例如在研发链的前端，应当加大原始创新资金投入，成立相关科研基金、合理规划平台布局，引入创新人才，加强知识产权保护以促进CSNS 成果产出。在研发链的中后端，以市场需求为导向引入社会资本，推动成果应用和产业化，推动CSNS 围绕市场需求进行成果产业化应用，还可以实行企业研发费加计扣除以及税收减免或返补等优惠政策，引导材料企业加大对CSNS 中子技术的使用。

第三，建立新材料研发链支持部门，全方位维护研发链。以日本茨城县建立的中子产业利用促进会为例，该组织使地方政府、高校及科研机构、锂电等关联企业形成联盟共同支持及维护中子相关的产业链。同样，围绕CSNS 的新材料研发链也涉及较多环节及主体，CSNS 若要发挥创新主导作用，应当引入学科复合背景人才以及对市场需求敏感的技术经理人，学习日本经验建立研发链支持部门，并与政府部门进行对接。该支持部门能够结合CSNS相关技术的应用领域聚焦新材料产业，深度剖析和诊断产业发展的困境，绘制新材料产业链图谱，罗列研发机构、行业龙头企业、企业主要需求、关键核心技术攻关、重点项目、重点产业区域布局等清单，根据产业链图谱和各项清单与CSNS 进行对接，并统筹政府内部各部门的资源，协调企业、研究机构、资金、领军人才、科技中介服务等外部资源，共同推进重点产业发展，从而增强研发链中各主体之间的沟通和互动。