大科學裝置推動新材料技術研發的模式和路徑
——以中國散裂中子源為例

段 飛，龍云鳳，2，孟 鴻

（1.廣東省科技創新監測研究中心，廣東廣州 510040；2.北京大學材料科學與工程學院，北京 100084；3.北京大學深圳研究生院，廣東深圳 518000）

1 研究背景

新材料是指通過新設計、新技術、新裝備等的綜合開發應用，制備出具有先進性能或特殊功能的關鍵材料。超材料、納米材料、石墨烯等新材料為我國制造業創新提供了巨大的發展空間，新材料成為新興產業下一步創新發展的重要推動力，關系著國民經濟發展與國家重大需求。我國對新材料產業高度重視，在“十四五”規劃中明確將新材料列入戰略性新興產業［1］。目前我國新材料產業雖已初具規模，但仍面臨先進基礎材料參差不齊，關鍵戰略材料受制于人，前沿新材料技術有待突破等問題，難以為中國制造強國戰略提供堅實的支撐［2］，因此推動新材料技術突破是當前我國產業發展的重要任務。

要推動新材料技術研發，必先提升新材料相關科技基礎設施水平。我國在推動諸多關鍵領域技術突破所布局的百余臺大科學裝置中，中國散裂中子源（CSNS）是我國迄今為止已建成單項投資規模最大且與新材料相關的科研設施平臺［3］，是研究物質微觀結構的理想探針，是材料研究的利器，能為國家急需的許多高性能結構材料攻關提供關鍵技術平臺，有利于大力推動新材料技術研發上的突破［4］，能夠促進能源材料、納米材料、量子材料、合金材料、信息材料、高分子材料等材料相關產業的發展，具有廣闊的應用前景和巨大的產業集群效應［5］。因此，本文以中國散裂中子源（CSNS）為例，通過對CSNS 裝置及關聯機構的建設運行情況進行研究，探討大科學裝置在新材料技術研發中所發揮的作用，梳理大科學裝置推動新材料技術研發的模式及路徑，分析其問題及不足，從而為更進一步發揮大科學裝置在技術研發上的推動作用提供參考及建議。

2 中國散裂中子源（CSNS）的發展概況

中國散裂中子源（CSNS）是國家“十一五”期間立項、“十二五”重點建設的大科學裝置，是國際前沿的高科技、多學科應用的大型綜合性研究平臺，為來自基礎與應用基礎研究、工程技術開發和工業應用方面的廣泛領域的大量用戶提供不可替代的關鍵實驗平臺和研究手段［6］。CSNS 是各種高精尖設備組成的復雜整體，建有多臺不同類型的中子譜儀裝置，譜儀所觀測對象的尺度能達到分子和原子層級，由中國科學院和廣東省人民政府共同建設，落戶于廣東省東莞市松山湖，于2018 年8 月建成并正式對國內外用戶開放，和世界上正在運行的美國散裂中子源、日本散裂中子源與英國散裂中子源一起構成世界四大脈沖式散裂中子源。

目前CSNS 已建或在建的譜儀共有11 臺，其中部分譜儀由CSNS 與南方科技大學、北京大學深圳研究生院、中山大學、東莞材料基因高等理工研究院、廣東省科技廳等機構合作建設，CSNS 也將啟動二期建設，繼續建設一批更具特色與先進性的譜儀，這些譜儀將為材料科學等多個領域的基礎與應用基礎研究、技術開發等提供功能更加強大、領域更加廣泛的關鍵研究平臺［7］。CSNS 除譜儀建設以外，還設立了博士后科研工作站推動人才團隊建設，培養了一批中子譜儀技術人才與關聯學科人才，并通過與高校院所與企業等用戶共建新材料領域的實驗室及研究中心，進一步培育中子與新材料復合學科人才，推動譜儀技術開發及應用，如中國散裂中子源先進材料聯合實驗室。此外，CSNS 發揮大科學裝置磁極效應［8］，在政府進一步推動下聚集新材料關聯企業與高校院所，逐步建立以大科學裝置為牽引、新型研發機構與產學研園區協調建設的創新體系，打造綜合性國家科學中心——松山湖科學城。

3 CSNS 推動新材料技術研發的模式和路徑

通過分析CSNS 大科學裝置及關聯單位等機構的發展情況，可發現CSNS 具有三大優勢，即先進的中子譜儀裝置、一流的譜儀技術及人才、大科學裝置的磁極效應，三大優勢推動CSNS 支持新材料技術研發的三種模式形成，即支持用戶自主研發模式、聯合多主體協同研發模式、全鏈條布局創新體系模式。

3.1 支持用戶自主研發模式

CSNS 擁有一系列世界一流的譜儀，能夠為學者及企業科技人員在新材料技術研發上提供更先進的實驗平臺和研究手段，可用于研究晶體結構、合金材料、磁性材料、納米材料等相關結構和性能研究［9］。因此CSNS 裝置面向公共用戶開放使用申請，形成了由用戶發起并主導課題、由CSNS 提供實驗平臺支持的用戶自主研發模式［10］。具體過程為：用戶通過CSNS 用戶服務系統發起申請并闡明實驗計劃與機時需求，經裝置方專家審核通過后，即可依照計劃自主開展實驗。為滿足用戶研發需求，裝置方設立用戶辦公室專門負責用戶自主研發課題的征集、評審、實施等全流程管理，其技術人員也積極為用戶提供實驗方法指導，并提供樣品表征實驗室、固態材料合成實驗室、高精度加工中心、樣品環境實驗室等輔助裝備和配套服務設施，為用戶利用CSNS裝置開展新材料研究進一步賦能［11］。該模式的優點在于直接面向學者及企業需求，充分發揮用戶自主性，通過用戶在實驗環節實際使用裝置所產生的創新成果，為推進新材料技術研發提供支持；局限性在于CSNS 實驗機時有限，每年的實驗申請者中只有約30%的用戶能獲得實驗機時，且裝置僅能支持用戶研發過程中的小部分實驗環節。

目前CSNS 已有五臺中子譜儀投入開放運行并接收高校院所、企業等用戶申請，超4 000 名注冊用戶在磁性材料、納米功能材料、高效催化劑、有機太陽能薄膜電池等領域開展材料研發［12］，完成實驗課題超1 000 項［13］，大多來自科研院所和高校，企業課題數量不足10%；在Science 等期刊發表的用戶成果文章170 余篇。如香港大學黃明欣團隊利用CSNS 通用粉末衍射儀發現了效能創世界紀錄的“超級鋼”并發表于Science 期刊［14］。具備強大研發能力的龍頭企業向CSNS 提交課題實驗申請，在譜儀上進行課題研究及技術研發實驗，如華為、紫光同創等高科技企業利用CSNS 中子束流開展芯片單粒子效應實驗［15］。

3.2 聯合多主體協同研發模式

CSNS 的依托單位是散裂中子源科學中心，隸屬于中國科學院高能物理研究所，舊名為東莞中子科學中心。該中心擁有超500 名專業的譜儀技術人員與關聯學科研究人才［16］，為進一步發揮技術及人才優勢，中心與相關高校院所及企業等創新主體合作，形成了以建立聯合實驗室及研究中心、聯合培養人才、課題合作、學術交流等為合作方式、以促進中子散射實驗技術在新材料研發中的應用及實踐為目的的聯合多主體協同研發模式［17］。該模式提升了依托單位在新材料學科技術研發中的參與度，使CSNS 譜儀人才能與需求方進行合作，雙方各自發揮在譜儀實驗技術與新材料領域的優勢，有利于減少外界學者在研究上使用中子散射譜儀的阻礙，推動中子散射科學技術在新材料中多方面的應用及實踐，聯合實驗室建設以及人才培養也有助于為新材料領域需要長期合力的技術攻關以及材料測試提供平臺并持續注入活力。

CSNS 與高校院所及企業已建成一系列涉及材料領域的聯合實驗室及研究中心（如表1 所示），負責結合新材料學科及產業需求開展散裂中子源相關技術的研究以及中子散射實驗技術開發，開展更具需求針對性的譜儀應用研究與人才培養，如與東莞理工學院合建中國散裂中子源先進材料聯合實驗室，專門圍繞中子散射譜儀在先進材料研究中的應用展開研究［17］；與中國科學院、深圳大學合作推進中子斬波儀研制，提升測量精度，滿足更多實驗需求［18］；中心通過召開應用研討會積極推動譜儀專家與新材料學者的合作，促進CSNS 中子技術在新材料研究的應用，例如中子科學與技術在電池領域中的應用前沿研討會［19］；中心還通過設立大科學裝置開放課題，積極鼓勵學者們與大裝置依托單位科研人員合作利用散裂中子源裝置開展中子散射多學科交叉研究以及應用研究。在中心聯合多主體協同研發模式下，CSNS 譜儀學者與各機構學者的合作更加順暢，在新材料領域共同尋求創新突破，例如CSNS 通用粉末衍射儀負責人何倫華與北京化工大學宋宇飛團隊合作在譜儀上圍繞納米材料研究展開中子粉末衍射測量實驗并共同發表論文［21］。

表1 共建材料領域實驗室及研究中心

3.3 全鏈條布局創新體系模式

作為大科學裝置，CSNS 具有強大的磁極效應，能夠吸引多方科技創新資源，因此形成了以CSNS 為核心的全鏈條布局創新體系模式，該模式由政府統一規劃及指導，以引入創新平臺及科研機構、聚集新材料關聯企業為手段，以打造集科學研究、實驗開發、成果轉化的創新鏈為目的；具體表現為地方政府以CSNS 大科學裝置為核心，“以點帶面”打造綜合性國家科學中心松山湖科學城，推動新材料實驗室體系、新型研發機構、成果轉化平臺、中試基地、產學研園區建設并吸引新材料關聯企業，為CSNS 推動新材料技術研發中的各個環節提供全方位技術支持和服務［22］。該模式有助于連接政府、高校、科研院所、企業等創新主體，形成與當地產業實際需求相融合的組織機制和創新模式，推進CSNS 儀器共享，最大化發揮效用，推動CSNS 圍繞新材料產業需求開展課題研究，加速企業與CSNS 研究成果對接，促進CSNS 成果轉化以及產業化，長遠來看在政策長期支持與配套設施建設下將推動區域新材料產業的整體升級［23］。

在松山湖科學城中，各類創新主體為新材料技術研發各環節發揮著不同支持作用，發揮科學研究與產業發展的協同效應［24］。企業布局于CSNS 周邊有利于促進產業需求與CSNS 研發課題的對接，松山湖科學城聚集了華為終端、歌爾智能等一大批電子信息、高端裝備制造關聯企業，這些企業根據各自需求，利用CSNS 為電子電路基材、光學材料、電池材料等電子材料的技術研發實驗與性能測試提供支持［25］。新型研發機構有助于促進CSNS 科技成果的基礎及應用研究、轉化和產業化，例如材料基因高等理工研究院致力于推動CSNS 工程材料中子譜儀的建設與應用研究，與廣東韶鋼松山股份有限公司等企業開展合作，推動我國產業領域中存在廣泛需求的材料與裝備制造應力工程技術研發及其產業化應用［26］；松山湖材料實驗室利用CSNS 裝置推進材料實驗進程，并致力于為科技成果打造“前沿基礎研究—應用基礎研究—產業技術研究—產業轉化”的全鏈條創新模式，設置創新工場與產業育成中心，與產業界密切合作并將相關核心關鍵材料和器件轉化成產品［27］，以推動材料科學領域關鍵技術突破與重大成果轉移轉化，其科研團隊利用CSNS譜儀開展鋰電池材料研究實驗［28］，成功改進電池材料并實現了高穩定長循環的鎳錳酸鋰材料批量化生產，便是成功案例之一［29］。新材料產學研園區有助于全面貫通企業在材料科技創新、科技成果轉化、中試試驗、市場應用等全鏈條資源，如光大We谷·溥彥科技園吸納共享研發實驗室、材料產業引導基金等多方科創資源及服務配套并建成產學研科技成果轉化中心與先進制造業服務平臺［25］。

3.4 CSNS 推動新材料技術研發的路徑

結合CSNS 推動新材料技術研發的三種模式，通過梳理新材料技術研發的環節以及CSNS 關聯的創新主體，可以歸納出CSNS 推動新材料技術研發的路徑，該路徑包含CSNS 譜儀、各類創新主體以及新材料領域的“基礎研究—應用研究—中試孵化—產業應用”研發鏈。

各類創新主體中，CSNS 譜儀負責為研發鏈各環節提供材料研究與性能測試的平臺支持；中國科學院高能物理研究所與散裂中子源科學中心作為依托主體負責推動譜儀建設，并依照學科及產業需求，與多家高校院所及企業合作建設聯合實驗室，從而推動中子譜儀在新材料領域研究的應用，開發用于中子散射實驗的方法學、實驗技術、樣品環境等；新型研發機構、產學研園區等主體，則全方位支持研發鏈各環節，為CSNS 成果研發、轉化及企業對接提供服務。研發鏈各創新環節環環相扣推進創新活動?；A研究是研發鏈的源頭和基礎，學者及企業用戶依托CSNS 譜儀開展新材料基礎研究，一般涉及材料結構內部研究、材料性能研究、材料合成等；應用研究是在前序研究基礎上探索知識和技術的應用途徑，學者及企業用戶依托CSNS 譜儀開展應用研究實驗，涉及電池研發、半導體器件研發等；中試孵化則是研究成果產業化之前的試驗環節，材料實驗室中試線、溥彥科技園中試研發區等可以為CSNS 成果提供中試孵化平臺，對成果進行快速量產性論證與轉化；產業化則是讓研究成果成為大規模應用的產品，材料實驗室創新樣板工廠、產業育成中心與產學研園區能夠助力CSNS 科技成果對接企業應用需求，推動成果產業化，發揮科研與社會經濟效益。CSNS 譜儀與各創新主體圍繞研發鏈各環節共同發揮作用，形成了CSNS 推動新材料技術研發的路徑，構成大科學裝置創新體系，如圖1 所示。

圖1 CSNS 推動新材料技術研發的路徑

4 問題與建議

CSNS 大科學裝置所帶來的對新材料領域中科學與產業的促進作用是巨大的，松山湖科學城也依托其為核心逐漸形成新材料領域的創新高地、人才高地及產業高地，但在分析發展現狀以及研發模式和路徑過程中，本文發現CSNS 依然存在一些問題仍待解決，并圍繞這些問題提出相關對策建議。

4.1 存在的問題

CSNS 在新材料領域的研究成果數量和水平有待進一步提升。與世界發達國家相比，CSNS 在新材料上的研究工作、科學產出數量及水平依然與之存在一定差距。一方面受限于依托CSNS 裝置的科研團隊及企業水平，產出能力相對有限；一方面是受限于CSNS 現有的中子譜儀數量，所能覆蓋的研究領域有限，無法滿足某些領域用戶的十分迫切的需求；再者，我國中子散射學科的發展與國外相比起步較晚，很多材料領域的研究學者對中子散射在其研究領域的作用尚不清楚，需要不斷加強高水平用戶的培養，提升材料相關學者用戶以及企業用戶對于中子技術的了解，同時也需要提升譜儀實驗技術人員的水平和能力［30］。

第二，CSNS 企業研發用戶占比偏低，企業創新能力有待提升。企業作為科技創新的主體，是我國實現高水平科技自立自強的重要依托和支撐［31］，但自從2018 年CSNS 投入運行以來已實施的800 多項開放課題中，多來自于科研院所和高校，企業課題數量不足10%，且大部分實驗來自于華為系企業。主要由于CSNS 作為集眾多復雜技術于一身的大科學裝置，其對用戶研究水平要求非常高，只有具有強大研發能力且達到相當高水平的企業才可能用到中子散射作為研究和表征手段，以鋰電池為例，東莞本地及周邊企業能力和水平有限，缺乏運用的意識，只有寧德時代、比亞迪這類大企業才有運用及分析需求。企業對CSNS 的了解以及企業自身創新能力仍有待提升，CSNS 需要加大對于企業類用戶的宣傳和培訓。另外，大企業往往將CSNS 中子譜儀當作普通的產品測試設備，僅關注產品性能，缺乏利用大科學裝置深入研究以及在技術領域提前布局的意愿及動力，例如中子中心提議芯片企業可以利用中子建立芯片存儲輻照標準，有助于掌握該領域話語權，但企業并未加以重視。

第三，新材料研發模式缺乏系統化支持，CSNS成果產業化程度有待提升。隨著關聯研發機構為CSNS 研究成果的轉化及產業化應用提供全方位技術與服務支持，逐漸形成新材料領域的研發鏈，但各創新主體之間缺乏串聯，功能類似的機構存在重復性建設問題，且與CSNS 裝置未形成有效的聯系，CSNS 譜儀科學家熟悉中子技術但對新材料產業了解有限，而企業專家及工程師則主要關注產品性能層面分析，缺乏對新材料研究的原理、機制及技術層面的探究，因此CSNS 技術對接到企業應用上依然存在壁壘。目前未建立一個能夠串聯政府、科研機構及企業、打通CSNS 科學家與企業用戶壁壘并對新材料研發鏈進行全方位支持維護、推進CSNS 成果在新材料領域產業化的部門，也未有系統的政策對該研發鏈各節點機構任務進行明確定位以及提供針對性的資金支持。

4.2 思考和建議

第一，加強推進譜儀建設與人才建設，吸引更多高端用戶。一方面推動譜儀建設，擴大用戶容量，加強中子散射人才的學科復合知識培養，提升用戶對接效率；一方面面向高校院所及企業加強散裂中子源應用及產業化宣傳，例如定期舉辦高水準的國際、國內用戶會議或與世界一流高校院所開辦CSNS科普講座，邀請國際、國內散裂中子源相關技術及新材料學科的專家學者、現有用戶和潛在用戶參與，尤其是邀請對CSNS 相關技術有需求的大企業以及具有強大研發能力的科研團隊參與，吸引散裂中子源的現有用戶，開發潛在用戶，推動CSNS 的產出成果的提升并推動研究成果的產業化應用。

第二，依據新材料研發鏈加強政策布局，抓住政策發力節點。CSNS 技術前沿復雜，在新材料領域內的研發鏈涉及主體較多，研發機構也在持續建設但缺乏系統性。因此應當系統梳理現有支持政策，圍繞研發鏈進行合理布局，在科技研發、推廣應用、成果轉化、產業發展等重點環節加強部署，靈活采用機制建設、資金獎補、項目支持、服務配套等多元化的支持手段，形成系統成型的政策支持體系。例如在研發鏈的前端，應當加大原始創新資金投入，成立相關科研基金、合理規劃平臺布局，引入創新人才，加強知識產權保護以促進CSNS 成果產出。在研發鏈的中后端，以市場需求為導向引入社會資本，推動成果應用和產業化，推動CSNS 圍繞市場需求進行成果產業化應用，還可以實行企業研發費加計扣除以及稅收減免或返補等優惠政策，引導材料企業加大對CSNS 中子技術的使用。

第三，建立新材料研發鏈支持部門，全方位維護研發鏈。以日本茨城縣建立的中子產業利用促進會為例，該組織使地方政府、高校及科研機構、鋰電等關聯企業形成聯盟共同支持及維護中子相關的產業鏈。同樣，圍繞CSNS 的新材料研發鏈也涉及較多環節及主體，CSNS 若要發揮創新主導作用，應當引入學科復合背景人才以及對市場需求敏感的技術經理人，學習日本經驗建立研發鏈支持部門，并與政府部門進行對接。該支持部門能夠結合CSNS相關技術的應用領域聚焦新材料產業，深度剖析和診斷產業發展的困境，繪制新材料產業鏈圖譜，羅列研發機構、行業龍頭企業、企業主要需求、關鍵核心技術攻關、重點項目、重點產業區域布局等清單，根據產業鏈圖譜和各項清單與CSNS 進行對接，并統籌政府內部各部門的資源，協調企業、研究機構、資金、領軍人才、科技中介服務等外部資源，共同推進重點產業發展，從而增強研發鏈中各主體之間的溝通和互動。