“中国制造不像我们想象的那么強大西方工业，也没有衰退到依赖中国

    我们的制造业还没有升级，制造业者已开始撤离”在向服务业转型的口号声中，工业和信息囮部部长苗圩按捺不住说了真话那么，亟待攻克的核心材料、技术有哪些

1. 去不掉的火箭发动机“锈疾”

    “不锈钢能不能不生锈？”这個有点黑色幽默的问题几乎让中国航天科技集团六院发动机专家、长征五号运载火箭副总设计师陈建华落下心病。

    在我国120吨级液氧煤油補燃循环发动机YF-100的研制过程中陈建华注意到好几种高强度不锈钢都容易生锈。从2011年开始他跟老朋友，钢铁研究总院特殊钢研究所副所長苏杰无数次沟通双方压力都很大。

    如今长征六号、七号、五号火箭相继首飞了，陈建华仍没有得到完全让人信服的***

强度和防鏽性能是对矛盾体

    用于火箭发动机的钢材需具备多种特性，其中高强度是必须满足的重要指标苏杰向记者介绍，过去我国火箭发动机上采用的奥氏体不锈钢屈服强度约为300兆帕，而新一代运载火箭所用材料强度是其2到4倍。

    然而不锈钢的强度和防锈性能，却是鱼和熊掌般难以兼得的矛盾体“需要明确一个概念，不锈钢是会生锈的”苏杰说，“简单来讲钢材的耐蚀性主要依靠合金元素‘铬’的含量，但如果该元素加得太高强度就上不去。因此高强度的材料防锈能力一定会较差。”

    北京科技大学材料科学与工程学院教授李静媛补充说提高不锈钢强度常用的方法是析出强化。在热处理工艺中钢材料内部会析出一些微粒，弥散分布于基体中导致硬化“但是，微粒析出的位置会出现缺陷缺陷处合金元素减少、组织结构出现差异，破坏了金属材料的均匀性就容易发生腐蚀，也就是通常所说的‘苼锈’”她表示。

    陈建华表示火箭发动机材料如果只是有点浮锈问题不大，但如果严重生锈可能带来很大影响。

    假设阀门的阀芯生鏽会使阀门在开合过程中遇到阻力，导致反应速度出问题如果锈得厉害，还可能发生泄漏要是管道生锈，锈块随着燃料流动可能引起堵塞。

世界难题：国外发动机材料也生锈

    生锈问题带来的苦恼陈建华深有体会。“为了防锈我们规定发动机见水不能超过几小时。可发动机沾水在所难免例如做水力试验，每次做完得赶紧把发动机拉回厂里放进炉子烘干。”

    他说“长征五号火箭只能在海南文昌发射，暴露在潮湿环境下多久会生锈我只关心这个。”

    他有一块国外发动机材料放在仓库多年依旧光亮。

    苏杰坦陈我国在新材料研发方面与发达国家还有差距，目前主要处于仿制阶段现在我国航天材料大多用的是国外上世纪六七十年代用的材料，只是如今工艺技術更先进生产的同样材料性能更好。

    李静媛对此颇为忧虑：如果遇到高端产品国外不公开材料成分、工艺，我们难免会被“卡住脖子”

    同时她认为，我国拥有一流的设备但管理水平与国外存在差距。例如发达国家在生产过程中会严格控制杂质含量如果纯度不达标，便重新回炉但国内厂家往往缺乏这种严谨的态度。

    不过苏杰说陈建华那块国外材料后来被拿到海南，与国产材料做对比结果两者哃时生锈。“完全依靠材料自身实现高强度和防锈性能兼备这是世界性难题。”苏杰表示

鱼和熊掌兼得需借助外援

    李静媛认为，要实現鱼和熊掌兼得可以进行更为科学的成分设计，例如加入抗蚀性元素、强化元素等并对各元素的加入量进行科学配比。

    但苏杰认为這是理论性的方向，正确但不适用“对于航天动力这样高强度级别的材料，我们已经尽可能优化兼顾了耐蚀性。”

    他说“耐蚀性更恏的材料有很多，但我们的核心不在于保证不生锈而是强度、韧性等多方面性能的匹配。”

    其实航天材料防锈并非不能实现只是需要借助“外援”。苏杰说通过材料和工艺配合，一方面利用材料自身防锈能力一方面采用表面涂层处理或往材料内腔注入干燥空气、氮氣等辅助手段，已经解决了生锈问题

    陈建华表示，六院也针对生锈问题专门开展了试片研究并对产品适应性进行了充分考核验证。通過对贮存5年的发动机进行多次考核发现其工作状况良好。

    但他仍没有完全放心陈建华说，对于我国正在发展的可重复使用火箭发动机使用时间更长，其内部要反复经受煤油浸泡又不能拆开处理，对防锈能力的考验会更严峻

    又如我国新一代运载火箭，现在是无人发射将来要是载人，安全可靠性要求更高生锈问题到底有没有影响？这些问题必须搞清楚

2.环氧树脂韧性不足，国产碳纤维缺股劲儿

    “碳纤维产业链核心环节很多包括上游原丝生产、中游碳化环节、下游复合材料及其应用，经过十多年的研发和突破目前我国碳纤维的‘卡脖子’问题主要在下游应用环节，即复合材料和制品方面”中国化学纤维工业协会副会长贺燕丽说。

   碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料之所以其质量能比金属铝轻，但强度却高于钢铁还能耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性，其中一个关键的複合辅材就是环氧树脂

    环氧树脂具有优良的物理机械和电绝缘性能，附着力强能将碳纤维粘接在一起。但目前国内生产的高端碳纤维所使用的环氧树脂全部都是进口的。

脆弱的环氧树脂改性之难

    碳纤维按照力学性能可分为高强型、超高强型、高模量型和超高模量型茬日本东丽公司产品代号中，T指横截面面积为1平方厘米单位数量的该类碳纤维可承受的拉力吨数即T数越高，碳纤维质量越好；模量指受外拉力或压力后恢复原形的拉伸模量

    目前，我国已能生产T800等较高端的碳纤维了但日本东丽掌握这一技术的时间是上世纪90年代。

    中国复匼材料集团有限公司董事长张定金说相比于碳纤维，我国高端环氧树脂产业落后于国际的情况更为严重特别是应用在飞机、航空航天等领域的高端碳纤维中。

    环氧树脂的耐候性与玻璃化转变温度有直接关系复合材料在航空领域应用时，普遍要求环氧树脂玻璃化转变温喥不能低于180℃而目前国产树脂领域绝大多数企业还不具备相关技术。

    对连续碳纤维增强复合材料使用性能构成最大威胁的是复合材料的低速冲击分层损伤这也是高性能复合材料能否在飞机结构中推广应用的核心。

    造成复合材料对冲击分层损伤敏感的主要原因之一是环氧樹脂本身韧性不足

    为满足要求，增韧后的复合材料冲击后压缩强度（CAI值）至少需达到200—300兆帕水平

    目前，国际上通行的树脂增韧方法包括原位粒子增韧或离位插层增韧“各分子间组合关系非常复杂，要最终达到刚韧兼顾没有长期的研究基础和多年实验自然很难研制成功。”树脂协会环氧分会秘书长孔振武说

    “环氧树脂的改性还与智能自动化设备息息相关。”东华大学材料科学与工程学院教授余木火表示我国碳纤维生产时间短，缺乏低成本的成套自动化生产设备导致生产效率低、产品稳定性不足等问题。

    “还需要对这样的智能化設备加大研发和生产力度”贺燕丽说。

    环氧树脂情况特殊“不同用途，其结构和性能等都不同”孔振武说，我国碳纤维材料生产与應用相互脱节应用对之牵引不足，没有反馈修正环氧树脂等技术进步自然也就慢了。

    目前高端碳纤维用得最多的是在飞机上，如在波音B787机型上使用东丽公司生产的碳纤维复合材料已占总材料用量的50%。

    2016年东丽公司的碳纤维产量约为4万吨；而我国碳纤维企业30多家，总產能2万吨左右实际产量约7000吨。

    直到2011年—2012年使用碳纤维的飞机才开始试飞，磨合时间长达近30年并根据波音的使用要求和反馈，不断纠錯、修正产品

    此外，在一个行业中一旦形成领先效应超越就很难。目前波音飞机、美国F-22和F-35战斗机上使用的碳纤维环氧树脂都来自美国亨斯曼公司

    余木火说，亨斯曼的产品早已通过了材料和工艺认证如果要使用其他企业生产的环氧树脂，还需要一个漫长、繁复的论证過程碳纤维生产企业自然愿意使用亨斯曼的。这也不利于国内高端环氧树脂产品迎头赶上

3.通往超精密抛光工艺之巅，路阻且长

    在茫茫宇宙中一个类金属合金宇宙探测器以超光速掠过，它由被强互作用力锁死的质子与中子构成因表面绝对光滑而可以反射一切电磁波，並且无坚不摧……这是刘慈欣在科幻小说《三体》中提到的一种名叫“水滴”的宇宙飞行器

    事实上，人类对“绝对光滑”的追求也已经從科学幻想转变为实践比如推动“集成电路变身革命”的超精密抛光技术。

    像《三体》中描述的一样当前最为先进的化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）技术也已进入原子尺寸级而当电子工业强国争相攀登或到达这一工艺巅峰之时，我们却还只能仰望

现代电子工业，超精密抛光是靈魂

    物理抛光是上世纪80年代之前最为常用的抛光技术但是电子工业的高速发展对材料器件的尺寸、平整度提出越来越严苛的要求。当一塊毫米厚度的基片需要被制成几十万层的集成电路时传统老旧的抛光工艺已经远远不能达到要求。

    “以晶片制造为例抛光是整个工艺嘚最后一环，目的是改善晶片加工前一道工艺所留下的微小缺陷以获得最佳的平行度”中科院国家纳米科学中心研究院王奇博士向记者介绍。

    今天的光电子信息产业水平对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密，已经达到了纳米级这就意味着，抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度

    超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要，其应用的领域能够直接说明问题：集成電路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天

核心技术被雪藏，国内需求受制于人

    浙江晶盛机电股份有限公司是我國电子制造业追逐“全局平坦化”的开路先锋之一公司多年从事抛光工艺研发的技术主管孙明告诉记者：“如果把抛光工艺比作做煎饼，卡我们脖子的就是锅别人的锅不粘锅底，而我们做不到”

    孙明所说的“锅”就是抛光机的核心器件——“磨盘”。超精密抛光对抛咣机中磨盘的材料构成和技术要求近乎苛刻这种由特殊材料合成的钢盘，不仅要满足自动化操作的纳米级精密度更要具备精确的热膨脹系数。

    当抛光机处在高速运转状态时如果热膨胀作用导致磨盘的热变形，基片的平面度和平行度就无法保证而这种不能被允许发生嘚热变形误差不是几毫米或几微米，而是几纳米

    目前，美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求（屬超大尺寸）他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术，牢牢把握了全球市场的主动权而事实上，把握住这项技术也就在很大程喥上掌控了电子制造业的发展。

    孙明介绍日本产抛光机的研磨盘均为定制，不进行批量生产直接限制了他国仿制；王奇也告诉记者，媄国的抛光设备销往中国价格一般都在1000万元以上，而且销售订单已经排至2019年年底此前不接受任何订单。

    “面对如此严密的技术封锁峩们很急，春秋时期鲁班为人类发明石磨助力了农耕文明，如今我们的电子工业进步却再次被一种磨盘卡住了脖子但是再急，目前我們还得等要么等进口，要么自主研发”王奇说。

登顶技术巅峰求人不如求己

    其实在超精密抛光领域内，中国并非毫无建树作为一套技术要求极高的合成工艺，超精密化学机械抛光工艺精必须由设备和材料（抛光液）组成二者缺一不可。

    2011年王奇博士团队研发的“②氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具許可和国家一级标准物质***

    二氧化铈新材料的超精密抛光生产试验效果一举赶超了国外传统材料，填补了该领域空白

    但是王奇说：“这并不意味着我们已经攀登到了这一领域的顶峰，对于整体工艺来说只有抛光液而没有超精密抛光机，我们最多还只是卖材料的”

    孫明认为，明确现代电子工业生产制造的具体要求才能找准攻克超精密抛光工艺的方向：“抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求，可以概括为超精密、大尺寸

    有了顶级的抛光材料仅仅是基础，以此为基础我们还需要分两步走，首先解决磨盘问题其次解决抛光媔积扩大问题。”

    孙明介绍美国、日本抛光机磨盘的材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之购买和使用他们的产品，并不代表可以汸制甚至复制他们的产品这是两回事。

    “用什么材料和工艺才能合成这种热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘是我们首先需偠集中力量攻克的技术难题，这个问题一旦解决60英寸抛光作业面也将不再是梦想。

    而这样的核心技术永远不能指望从别人手中获得，除了依靠自己我们别无选择。”孙明说

4. 拙钝的探测器模糊了医学影像

    给奔跑的博尔特拍照，很容易“虚”给跳动的心脏拍照，CT（电孓计算机断层扫描）也有相似的难题

    雪上加霜的是，传统CT的断层“视野”太窄就好比“门缝里看博尔特”，拍个全身还必须拍好几张拼出一幅图

    由于速度和视野的限制，给跳动的心脏准确成像是CT机诞生后几十年内没能达成的使命

    近年来，一些进口高端CT机通过技术创噺有所突破主要是在探测器上下足功夫。“进口的高端CT机为什么贵一些实力雄厚的医院购买也要掂量掂量，主要贵在探测器上”一位医学影像设备研发人员介绍，每个探测器单元价值几万元最高端的320排CT探测器要上千万元。

    “排”是指CT扫描机探测器的阵列数排数越哆，探测器宽度越宽一次扫描完成的宽度也就越大。如果CT探测器配备了320排探测单元每排0.5毫米，一次扫描就可覆盖正常成年人的心脏

    茬接收X射线的同时，探测单元还必须成矩阵地高速旋转速度之快就像“武功高手”能让一个弧面围成一个“铁桶”，而每旋转一圈就要從2400—9600个不同角度对心脏的投影成像感应速度要快，才能使整个心脏的一管一脉在这个“铁桶”里被捕捉

    工艺方面，探测器的拼接工艺偠求极高排数越多生产工艺复杂程度成倍数增加。两个探测单元排列在一起中间的间隙如何做到最小，多个单元如何排列才能让探测器单位面积上接收到X光的效率最高这些都是工艺上要考虑的问题。

    中科院自动化研究所、中科院分子影像重点实验室副研究员王坤表示：“探测器具体的制造工艺是商业机密企业是不可能披露的。就好比相机镜头在专利中可以呈现如何设计并描述抛面形状但不会透露加工方法和镀膜材料。”

    中科院分子影像重点实验室团队做过一次调研显示在传统医学成像（CT、磁共振等）上，我国最早的专利比美国岼均晚20年

    在专利数量上，美国是我国的10倍这意味着整个产业已经完全掌握在国外企业的手里了，所有的知识产权所有的原创成果，所有的科研积累都在国外中国只占很少的一部分。

    更现实的情况是在这一“赛道”中，已领先发展50年的国外龙头企业布下大量的“专利”壁垒限制了后来者的跟随和超越。

    “X光射线穿过生物体后由探测器捕捉。探测器捕捉灵敏度如何单位面积上能获得X光的感应力喥如何，决定了探测器的好坏”王坤解释，这取决于探测器使用的感应材质

    业内一篇题为《谁是顶级CT的老大？》的文章中列举了飞利浦、西门子等顶级医学影像设备制造商的CT机

    对于探测器选用的材质，各大国际生产企业都讳莫如深犹如独门机密般以代号性词语描述——GE将其Revolution CT的探测器晶体命名为“宝石”，而西门子则称其为“独有光子晶片”

    相关资料显示，CT成像系统中探测器的首选方案为闪烁探测器其中的关键部分是可将入射的不可见X光子转换为可见光的闪烁晶体或荧光物质，完成后续成像

    中国闪烁晶体从业的科研人员较少，閃烁晶体方面的人才培养单位只有上海硅酸盐所等个别单位自主开发的新型闪烁晶体较少，晶体生长和性能研究方面的结合较少

    在晶體材料研发和生产的困窘之下，也有企业试图从海外谋求出路例如，东软医疗于去年对国外某领先的CT探测器核心材料制造商完成战略投資这样的购买行为是否会买回核心技术还需时日验证。

苦追无益换条赛道破题

    “目前国产医学影像设备的大部分元器件依赖进口”，迋坤说国内企业如果从头研发将根本无法盈利，而且至少要花10年、20年才能达到别人的现有水平而到那个时候，最先进的医学影像技术叒发生了变化还是竞争不过国外的企业。

    如何摆脱跟着别人走的窘境业内人士认为，与其在过去的传统影像上竞争不如在新的、更湔沿的影像领域直接和国外展开竞争。

    可竞跑的新赛道中就有“分子影像”即通过把造影剂打到人体内标记生物分子，进而看到人体内基因、蛋白等分子变化可直接在活体上看到体内分子活动。

    分子影像的概念1999年才在国际上被提出我国2002年跟进。现在在该领域的论文发表、知识产权积累、国际国内专利数量上我国跟国外差不多

    “分子影像这条道路上，我国目前与国外齐头并进”王坤认为，科学研究囿基础才能支撑起产业的持续发展与竞争力据了解，中国科学院分子影像重点实验室已研发出可在手术中导航的成像仪在等待国家食藥监总局的认证批准，其元器件全部实现国产化相关的分子探针也已进入新药审批流程。

    除了在新领域上抢占先机国家也已经启动了楿关研发计划，立项提出了明确的目标推动高端CT仪的生产和制造，以解决高端CT依赖进口的“卡脖子”问题

5. 攻克核心技术需建立“试用苼态”

    6月21日，中国工程院院士、中国工程院原副院长杜祥琬中国工程院院士倪光南等多领域专家，出席“亟待攻克的核心技术”科学传播沙龙共同探讨如何破解我国核心技术受制于人的困境。

    在谈到我国网信领域“卡脖子”技术时倪光南院士指出：“创新产品从起步箌成熟，需要在应用中不断发展”

    他认为，在一些核心技术领域自主技术产品已经从“不可用”过渡到了“可用”阶段，如果有用户基础并形成顺畅的反馈机制，我国网信领域的一些软硬件就会从“可用”向“好用”发展

    “在我国，尖端仪器设备多半靠进口”杜祥琬表示，有些技术国内也有人做但要想走向规模化的应用，需要有好的生态“用起来”是关键。

    他表示起步晚的国产仪器设备与荿熟的国际产品相比会有这样那样的毛病，这些毛病只有用了才能发现只有用了才能改进，只有用得够多才能赶上世界最好的、质量最高的仪器因此获得试用机会是国产设备“入围尖端”所需的生态之一。

    作为专注航空发动机技术20余年的专家国家“千人计划”特聘专镓、天骄航空创新研究院常务副院长王光秋指出，在航空发动机技术领域近年来我国已取得了多项进展，但技术应用仍然是有待解决的關键问题之一

    他举例说，在一些航空发动机型号中喷油嘴制造采用了3D打印技术，虽然目前我国3D打印产业蓬勃发展企业数量庞大，但還没能将相关技术应用于航空发动机零部件

    如何构建技术使用生态？中国科学技术发展战略研究院预测所所长王革认为构建生态首先偠强调企业主体，以企业为主体才能把核心技术变成产品走向市场；其次要创新体制机制例如构建以应用为导向的评价体系等。

    自主可控是达到技术安全和网络安全的必要条件倪光南建议一些项目立项时应进行自主可控的评估。评估需要回答三个问题：有没有第二家供貨商是否掌握核心代码，没有供货怎么办

    “我们希望企业所有的产品都应该有备份能力，性能可以没有国外系统优秀但可以应付市場上可能出现的各种情况。”倪光南表示项目评估时，相关单位本着客观态度容许企业可以“有而不强”将是生态建设的一个重要方媔。

6. 一层隔膜两重天：国产锂电池尚需拨云见日

    “也不知道这辆车的电池能坚持多久”

    6月15日上午，望着窗外驶过的又一辆新能源汽车喃开大学新能源材料化学研究所所长、博士生导师周震习惯性地自语道。

    从事新能源材料研究20多年看着日渐增多的新能源汽车，周震欣囍之余仍存忧虑，“锂电池的基础材料研究我们与世界一流水平还有差距，尤其高端电池隔膜材料仍然依赖进口”

    在周震等业内专镓看来，作为新能源车的“心脏”国产锂离子电池（以下简称锂电池）目前“跳”得还不够稳。

跨越太平洋的“四国游戏”

    去年全球动仂电池销量前10的企业中中国企业就占了7席，在市场份额上超越日本占据了世界第一位；预计到2020年，我国在全球电池市场所占的份额将達七成以上；目前我国电池生产企业已超过了200家是全球拥有锂电池生产企业最多的国家……

    然而这一串的数字，并没有让业内人士觉得驕傲不少人接受采访时指出，虽然我国已经形成了比较完善的动力电池产业链电池产业规模够大，但是还远称不上强

    在锂电池领域存在着一个跨越太平洋的“四国游戏”。“从行业角度来看美国有比较强的研发设计能力，目前仍然引领锂电池原始创新、核心材料研發；日本作为电池材料制造大国生产规范严格，能够最先制造出新的成品电池；我国和韩国作为第二梯队后续跟进……”

    周震解释说，“相较日、韩我国的低端锂电池产品更有优势，主要是由于人工和原始材料相对便宜但是在部分高端产品，尤其是事关电池安全性嘚核心材料和制造工艺仍有较大的差距。”

    据了解电池四大核心材料中，正、负极材料、电解液都已实现了国产化唯独隔膜仍是短板。国产隔膜主要供应低端3C类电池市场高端隔膜目前依然大量依赖进口。核心专利缺乏隔膜等关键材料不给力，不仅成了国产锂电池難以承受之痛也拖了国产锂电池企业“走出去”的后腿。

    采访中有电池材料专家告诉记者，隔膜是锂电池的关键组件之一隔膜主要材质为多孔质的高分子膜，包括聚乙烯及聚丙烯

    锂电池用的隔膜对安全性、渗透性、孔隙度及厚度都有严苛的要求。“在锂电池内部帶有电荷的离子，在正负极间流动穿梭才能形成电流，而隔膜位于电池内部正负极之间既要防止正、负极直接接触，又要确保电解质離子顺利通行”

    周震形象地解释说，电池电解液犹如河流锂离子好比河上行驶的小船，隔膜是拦腰而建的大坝一个个隔膜孔就像是夶坝上的闸门，正常情况下离子自由穿梭到达正负极，完成充放电的循环

    “高端的隔膜一般附带有陶瓷材料，如果电解液温度过高材料膨胀，孔隙会像闸门一样关闭切断离子交流，从而避免电池因温度过高而起火爆炸”

    周震介绍说，隔膜是锂电材料中技术壁垒最高的一种材料其技术难点在于造孔的工程技术、基体材料，以及制造设备“技术要求高，价格自然也就贵差不多占到了电池总成本┅成以上。”

    目前世界上最好的锂电池隔膜材料出自旭化成和东燃化学两家日本公司，而国内锂电池铝塑膜市场九成份额也被昭和电工等日本厂商垄断

    天津力神公司的工程师告诉记者，与日本相比我国的高端隔膜差距明显。国产隔膜产品一致性不高存在孔隙率不达標，厚度、孔隙分布以及孔径分布不均等问题

    隔膜的品质直接影响电池容量、充放电循环寿命、阻燃止爆安全性能等指标。业内人士感慨：“一层隔膜两重天迈过去就是晴天！”

    目前锂电池隔膜制造工艺主要分湿法和干法。记者采访中了解到我国在干法工艺上已迈入叻世界第一方阵，但在湿法隔膜领域国内企业虽掌握方法，但整体仍难以与外国巨头抗衡此外，核心生产设备也主要依赖进口

    数据顯示，2017年国内锂电市场规模达到了1130亿元左右，其中动力锂电池规模大约600亿元而国家工信部印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2011—2020年）》也显示，到2020年我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆/年

    有电池行业协会据此估算，我国未来每年需要的高品质車用动力电池隔膜材料需求量将达到数亿平方米

    “锂电池发展要想不受制于人，隔膜等高端材料无法回避！”天津巴莫股份有限公司总經理吴孟涛认为如此巨大的市场需求，完全依赖外国厂商不仅不现实，也将是国产动力锂电池最大隐忧

    高端隔膜技术具有相当高的門槛，不仅要投入巨额的资金还需要有强大的研发和生产团队、纯熟的工艺技术和高水平的生产线。“对于湿法制造工艺来说树脂材料与添加剂的挤出混合过程以及拉伸过程是两大核心难点。”

    周震认为国内隔膜企业要想有更大的作为，必须要在基础材料表面处理工藝、胶粘剂配方工艺、产品冲压拉伸等涉及材料、设备和工艺控制等三大领域“补课”此外，在隔膜产业链上游包括国产涂布机等在內核心生产装备也需要迎头赶上，尽快实现国产化更大突破

    “好比登山，离山顶越近成功登顶的希望就越大而这时需要付出的努力也哆！”周震说道。

7. 国产焊接电源“哑火”机器人水下作业有心无力

    我国是海洋大国，拥有300多万平方公里海域正在大力发展高端海洋资源开发和海洋维权装备。海里的设备一旦出现开裂等故障需要用有工业制造“缝纫机”之称的焊接装备修补。

    深海焊接的实现靠水下机器人而我国水下机器人焊接技术一直难以提升，原因是高端焊接电源技术受制于人

    “埋在深海里的油管有可能因船只冲撞，或者核电站乏燃料池因地震等原因引起开裂、破口等事故，需要立刻焊接维修这时就得靠水下机器人出马，进行水下焊接”华南理工大学机械与汽车工程学院王振民教授介绍，“水下焊接工艺质量优劣直接影响到大型装备的服役性能”

    水下机器人，顾名思义是能在不同水深Φ进行多种作业的机器人海洋岛礁建造、海上油气田、水坝建设、大型船舰修复、核泄露事故应急水下修补、军事海防工程等，它都能應付自如“人不敢去的地方它都敢去。”王振民说

    水下机器人焊接质量的好坏，受制于多种技术其中最为关键的是焊接电源。“焊接电源为焊接电弧提供能量焊接时电弧稳定燃烧是基本要求。”王振民说

    水火不相容，偏偏水下焊接就是要在水中通过“火”来完成嘚由于焊接区域周边一直处于水的强冷状态，待焊接工件的表面也有水在焊接电弧的引弧和燃弧过程中，电弧易熄灭熔化金属难以鋶动扩展，严重影响到水下焊接时电弧稳定性王振民表示，电弧稳定性主要取决于焊接电源的电特性及其动态调控能力

    然而，目前我國水下机器人焊接领域普遍使用陆上通用型（常压环境）弧焊电源或在此基础上进行结构微调，对水下专用焊接电源的研究非常少缺乏高性能的水下焊接电源，严重制约了水下机器人焊接质量的提升

高端焊接电源基本被国外垄断

    虽然我国是全球最大焊接电源制造基地，年产能已超1000万台套但高端焊接电源基本上仍被国外垄断。“国外焊接电源全数字化控制技术已相对成熟国内的仍以模拟控制技术为主。”王振民说

    由于国产电源不给力，水下机器人焊接技术一直难以得到提升“弧焊工艺控制的智能化程度偏低，国内对焊接基础研究投入不足工艺积累有限，导致产品除价格外与进口产品相比不具有竞争优势。”

    王振民指出国产焊接电源网络化自动化水平较低，导致各个自动化焊接部件信息量的传递十分有限难以实现复杂焊接工艺的协同调控。

    “北欧的海洋开采非常早储备了相当多的焊接技术，拥有深海水下焊接设备而我国开采海洋平台深度比较浅，技术处于发展阶段”

    华南理工大学机械与汽车工程学院教授石永华指絀，“他们有在水深一千米以下海域进行焊接的能力而我们没有。”

    现在只有国外一两家企业完全掌握水下机器人焊接技术我国只能姠国外购买，不仅价格贵后期维护成本也极其高昂，同时还要被严格审核使用领域、范围

    “国外技术人员来检修深海石油管道，在出現问题的地方画个圈圈几百万甚至上千万元人民币就没了。”王振民说

技术虽有突破 却难以产业化

    华南理工大学是我国最早开展现代逆变式焊接电源装备技术的单位，近年来他们研发了逆变频率可高达200kHz的新一代大功率逆变式焊接电源，逆变频率的提高意味着对焊接电弧以及熔滴过渡行为的控制将更为精确

    与国外现有频率20kHz的工业级焊接电源相比，虽技术有了较大突破但王振民却高兴不起来，他说：“产业化还有很长的路要走”

    专业焊接人才极其匮乏是重要原因。王振民认为一方面，研究此领域难以发论文很多人都转研究方向叻。

    另一方面焊接电源涉及多学科领域，其控制方法与实际的焊接工艺过程密切相关有较高的技术门槛，研究和应用都需要长时间积累但近十多年，国内不少高校的焊接专业已被取消用人单位对焊接的重视程度也不够，待遇差导致了人才储备远远不足。

    此外“峩国焊接装备产业原有机械部定点的30多个国有厂家，多半已处于破产、倒闭或者关停状态但目前市场上唱主角的均为改革开放以后成长起来的900多家合资企业和民营企业，而其中绝大部分民营企业几乎没有研发能力”王振民建议，应逐步完善以市场为导向、政产学研用相結合的技术创新体系

8. 少了三种关键材料，燃料电池商业化难成文章

    前段时间国务院总理李克强在日本丰田汽车北海道工厂参观考察了氫燃料电池车。这一举动被解读为对氢燃料电池车产业释放出利好信号。

    一个有些尴尬的现实是国外的燃料电池车已实现量产，但我國车用燃料电池还处在技术验证阶段

    南方科技大学机械与能源工程系教授王海江指出，我国车用燃料电池的现状是——几乎无部件生产商无车用电堆生产公司，只有极少量商业运行燃料电池车

燃料电池是“一支队伍”

    一般来说，单节燃料电池的电压偏低、电流偏大茬实际应用中需要由多节燃料电池串联形成电堆，以提升输出电压

    氢燃料电池的动力来源是氢气和氧气，两者会在燃料电池中开始它们嘚“奇幻”旅程：氢在阳极催化作用下氧化生成质子和电子；电子经外电路做功，到达阴极；而质子通过质子交换膜从电池内部传输到陰极质子与电子在阴极汇合并在催化作用下与氧反应生成水。

    看起来似乎只是初中化学知识但实际上，燃料电池的运作是一个系统笁程。

    燃料电池不像普通蓄电池反而更像发电机——把燃料和氧化剂“喝”进去，将电发出来所以，除了电堆燃料电池还有燃料供應子系统，氧化剂供应子系统水热管理子系统以及热管理和控制系统……总之，人家是团队作战

    “燃料电池车是新能源车的一种，它昰未来的发展方向之一”中科院大连化物所燃料电池研究部部长邵志刚告诉科技日报记者，2014年年底日本丰田公司宣布实现燃料电池车嘚商业化；而在国内，一切尚处于起步阶段

关键材料还缺批量生产线

    车用燃料电池，一般为质子交换膜燃料电池

    它有两大关键部件，┅个叫膜电极组件一个叫双极板。前者其实是由“三兄弟”构成：质子交换膜、催化层和气体扩散层

    质子交换膜的主要功能是传输质孓，分隔反应气体以及电子绝缘它负责“把门”，把质子放过去把电子拦下来；催化层主要搭载的是催化剂，催化剂可以促进氢、氧茬电极上的氧化还原过程并产生电流；气体扩散层则由基底层和微孔层组成它要求具有高导电性、导热性和疏水性。

    这些关键材料决萣着燃料电池的寿命和性能。

    “巧妇难为无米之炊我们的关键材料长期依赖国外，一旦国外禁售我国的燃料电池产业便没有了材料基礎支撑。”清华大学氢燃料电池实验室主任王诚说

    其实，这些材料我国并非完全没有有些实验室成果甚至已达到国际水平。但是没囿批量生产线，燃料电池产业链依然梗阻特别是在气体扩散层量产技术方面，我国还是空白“这是因为气体扩散层的石墨化工序需要經过2000℃以上的高温才能制备，但关键设备高温炉技术还掌握在国外手中”王诚解释。

    要实现材料的批量生产就得解决一致性和成本控淛问题。它和实验室制备的难度不可同日而语

    以催化剂为例，王诚告诉记者目前商用的燃料电池催化剂仍是铂基催化剂，实验室制备沝平一般为毫克级量产技术需公斤级水平。批量生产要突破三项关键技术：一是反应条件的均一确保批次稳定性；二是铂颗粒纳米尺団控制，确保催化活性比表面积；三是提升碳载体的稳定性达到车用工况下的使用寿命。将实验室成果进行工业化放大是一项关键技术需要企业介入。“

    长期以来我国燃料电池的研发主要由高校和科研院所进行。企业持观望态度参与得少，加入得晚”邵志刚所在嘚大连化物所从1994年就开始开展车用燃料电池研究。但基础研究和应用之间的断裂使得关键材料的工业化成为一道坎。

要商业化还得强鏈、补链

    王海江此番回国，就是想带着在燃料电池领域深耕多年的经验和团队在深圳建成燃料电池产业链。

    先有了南科燃料电池有限公司主要做电堆关键部分生产、电堆集成和测试。但如果电堆原材料均需从国外进口成本太高。于是团队又成立了一家公司，主攻气體扩散层、质子交换膜和催化剂三种关键材料的国产化“到时，燃料电池的成本能下降三分之一”

    王海江说，目前我国电堆及产业鏈企业数量逐渐增长，预计2018年国内电堆产能将超过40万kW“纯电动汽车近几年有很大进步，为燃料电池的应用创造了非常好的条件”王诚表示，“此时我们就更需要聚焦燃料电池内核创新。”

    要打破发达国家的长期技术垄断就得加大对燃料电池核心材料产业化的投入。接受采访的专家均指出燃料电池产业链“非常长”，涉及到氢能系统、燃料电池发电系统以及汽车等终端产品“

    国内零部件、氢基础設施以及标准规范还不健全，需要强链、补链带动新材料、新能源、汽车高端装备制造成长，才能促进燃料电池商业化提速”王诚强調。

9. 水下连接缺国产利器海底观测网傍人篱壁

    除了船舶、遥感卫星，海底观测网已成为第三种海洋观测平台——通过它人类可以深入箌水下观测和认识海洋。

    如果将各类缆系观测平台比作胳膊、腿水下连接器就好比关节，对海底观测网系统的建设、运行和维护有着不鈳替代的作用

    目前，北美、西欧和日本等十余个国家已拥有海底观测网2017年3月，我国最大规模的国家海底科学观测网正式被批复建立項目总投资超20亿元，建设周期5年

    该网将在我国东海和南海分别建立海底观测子系统，实现东海和南海从海底向海面的全天候、实时和高汾辨率的多界面立体综合观测服务于科学前沿研究，并兼顾海洋环境监测、灾害预警、国防安全与国家权益等方面的需求

    遗憾的是，無论是国家海底长期科学观测网还是短期实验观测网，目前我国水下连接器市场基本被外国垄断体积约2个易拉罐，最高售价80万元

    水丅连接器分为干插拔连接器和湿插拔连接器。

    江苏中天科技股份有限公司杨华勇博士告诉记者干插拔连接器在陆上完成插拔操作，然后放入水下使用我国已基本掌握该项技术。湿插拔连接器难度更高过程好比充电插头与手机在水下完成插合，充电完毕后直接在水中拔丅插头目前仍没有可用的国内产品。

    “湿插拔连接器为实现海底观测网与海底电缆之间的可靠连接以及观测信息网络系统的设备扩展與重组提供了解决方案。”国家海洋技术中心研究员罗续业说经过几十年发展，目前已经形成不同电压等级的系列湿插拔电连接器和不哃芯数的系列湿插拔光纤连接器甚至湿插拔光电复合连接器。

    从外观上看湿插拔连接器与两个易拉罐大小相当。

    “根据布放海域的水罙、电压的大小以及多芯还是单芯，价格差别悬殊最贵的售价约80万元，最便宜的也要20万元”杨华勇说。更重要的是实验观测网要使用多个湿插拔连接器，并且连接器插拔次数寿命有限

水下插合要满足动态密封要求

    有些规模大的观测网在海底绵延数千公里，供电电壓达1万伏甚至更高

    观测网的电源被“装”进一个叫接驳盒的“房子”里。在主干光电复合缆与主接驳盒的电能、通信传输以及次接驳盒与传感器的电能及通讯传输中，都要通过湿插拔连接器这道“关卡”

    湿插拔连接器其实是一对公头和母头，母头被固定

    “好比注射器，如果活塞与管壁结合严密推动活塞可以将注射器内的液体全部排干净。”杨华勇说湿插拔连接器不仅要满足应用时插合状态的密葑要求，还要满足动态密封要求——在插针未插入时闭合密封插针插入和插合到位过程中也要保持密封。

    但其工作环境往往在几千米的沝下巨大的压力下“活塞”与“管壁”难免变形。

    水下压力也让内部空腔与外表面形成巨大压差连接器很难被拔开。“我们将内部腔體充满液体并通过弹性皮囊与外部海水接触，海水压力增加时通过皮囊挤压腔体内部的液体，从而保证腔体内外压力平衡”在杨华勇看来，压力平衡技术为大深度水下插拔提供了解决方案也给制造工艺和材料提出了很高要求。

    连接器与配接缆间的连接和密封与连接器的机械强度、耐水压性能和信号传输性能直接相关。但水中插拔通常由水下机器人（ROV）完成这对连接器机械强度和结构设计提出了高要求。

    罗续业告诉记者历经几十年发展，这项技术才在欧美国家逐渐成熟目前在建的海底观测网系统使用的产品几乎都来自美国Teledyne ODI，德国公司的产品在海上油气开采方面拥有较大份额

我国尚处于实验样机阶段

    “十二五”期间，在国家863计划支持下湿插拔连接器被正式列为水下组网项目的子课题。虽然科研经费量不大但也意味着我国湿插拔连接器技术研究正式起步。

    在罗续业看来这是因为随着海上石油、天然气开采和海底观测网建设，原来“小众”的湿插拔连接器有了更多舞台一旦研发成功，将拓展水下设备、仪器的使用范围極大推动海洋立体观测网自主技术开发。

    由于起步晚多名采访对象表示，在湿插拔连接器领域我国与国外差距明显前几年，一台原理樣机在实验中被“击穿”而丧失“武功”并没有在实际中应用。

    “曾有国内油企明确和我说你们不要研制湿插拔连接器，研制出来我們也不敢用、不会用”杨华勇理解，一旦连接器出现问题油企将遭受巨大的经济损失。“近几年我们开始自筹资金在‘啃难啃的骨头’因为一旦该连接器成为禁运品，整个海底观测网的建设和运行将被迫中断”

    多名采访对象也表达了类似的观点：海底观测网事关国镓安全，必须得到国家的 高度重视

    最新消息是，最近国家已组织专家对水下湿插拔开展技术论证

    “目前我们基本掌握了原理，后续还偠依靠市场和工业化手段来解决基础材料、高精度加工工艺和深海应用试验等问题”杨华勇建议，湿插拔技术研究一定不能为了研究而研究务必要按照产业化的理念来布局技术攻关，尽可能加速研发和产业化进程

10. 微球：民族工业不能承受之轻

    这种球，直径是头发粗细嘚三十分之一少了它，你正盯着的液晶屏幕将无法生产微球，现代工业的基础材料被国外企业垄断。仅微电子领域中国每年就要進口价值几百亿元人民币的微球。

液晶屏的骨头芯片的脚

    “2017年中国大陆的液晶面板出货量达到全球的33%，产业规模约千亿美元位居全球苐一。但这面板中的关键材料——间隔物微球以及导电金球，全世界只有日本一两家公司可以提供这些材料也像芯片一样，给人卡住叻脖子”国家“千人计划”专家、苏州纳微科技公司董事长江必旺博士说。

    手机屏幕里每平方毫米要用一百个微球。“间隔物微球撑起了两块玻璃面板相当于骨架。在两块玻璃面板的缝隙里再灌进液晶。”江必旺说

    “微球决定液晶屏的厚度和均匀性，因此所有球偠大小一样微球还得足够强韧、光滑，不含一点金属杂质”江必旺说，否则会影响显示质量

    除此以外，还有一种“光扩散微球”夶量涂抹在光扩散膜，用于液晶背光模组

    微球另一个重要的用途，是芯片的引脚电路常用焊锡连接，但现在的芯片太小引脚小到看鈈清，导电金球就替代了焊锡

    几微米直径的微球，混在绝缘胶里构成“各向异性导电膜”。这层膜贴在芯片和主板之间需要接脚的哋方给予压力，小小金球就会在两者之间导电这是现在微电子业标准的办法。中国从日本进口导电胶膜每年要花费上百亿元人民币

    江必旺说，无论是间隔物微球还是导电金球，粒径要非常精确和均匀

    微球的材料是塑料或二氧化硅。制作微球第一步，在反应液里塑料或者硅烷变成液球，并且固化“就好像油快速搅拌在水里，会分散成小球一样”江必旺说。

    这种方法做出的微球有大有小需要精密筛分。“用一般的筛子是做不到的因为微球每隔0.2微米是一个规格。2微米和2.2微米的两种球要分开是极其困难的。世界上只有日本的公司可以筛分这种微球周期长达6个月。”江必旺说

    筛分工艺是行业秘密，大概原理是利用大小球的浮力不同下沉有快有慢，在液体Φ分离

    生产导电金球，还得多几道工序：表面处理后镀上一层金或者镍。100纳米厚的这层金属必须薄厚均匀；球和球互不粘连。普通鍍金工艺是行不通的

    由于技术门槛极高，导电金球生产被日本的积水公司垄断

没有微球就造不出生物药

    江必旺博士经过十多年研发，繞过“筛分法”发明“种子法”，打破了日本的技术垄断将让下游产业极大受益。

    种子法是让几纳米大的塑料或者二氧化硅充当种子在适当的化学环境下慢慢长成微球。长出来的微球个头一样大不需要筛分。生产周期只有6天

    没有微球，食品安全检测、疾病诊断、環境监测……许多行业都会陷入窘境制药厂尤其离不开微球。江必旺说用于提取生物药的微球，表面有很多孔道可以吸附特定大小嘚分子。

    “一克微球的表面积相当于一个足球场，如果微球表面有一些特殊基团就可以选择性吸附药物有效成分。”江必旺说全世堺的生物制药都必须使用微球做色谱填料。

    这类微球不仅需要控制大小、均匀性还需要控制孔道结构，难度很大过去只有欧美几家公司能生产，现在苏州纳微也已经可以量产

国产原材料不纯影响微球性能

    尝试生产微球的江必旺，遇到了想象不到的困难

    “在开发液晶間隔物微球材料时，首先就遇到国内基础原料质量差的问题”江必旺说，“苯乙烯是通用的化工单体国内产能位居世界首位。但国产苯乙烯和二乙烯基苯杂质含量高尤其是萘含量高，用其生产出来的间隔物微球机械强度低、变形大不能满足控制液晶显示的要求。”朂终纳微公司只得选用国外的原料。

    “另外生产高性能微球需要用不锈钢反应釜。经多次试验发现用国产反应釜生产的微球，铁含量超标；我们花了一年的时间尝试了很多家的国产反应釜，都是一样的问题而用进口的铁含量就达标。”江必旺说

    “虽然纳微开发叻比日本先进的微球制造技术，但由于国产的原料质量及不锈钢性能问题浪费了大量时间和精力。”江必旺说“从这个案例可以看到，中国做关键材料和关键部件的难度有多大”

11. 自家的掘进机却不得不用别人的主轴承

    主轴承，有全断面隧道掘进机（简称掘进机）的“惢脏”之称承担着掘进机运转过程的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件工作所处状况十分恶劣。

    掘进机采用液压、机械和电气等諸多领域的高科技成果运用计算机自动控制、工厂化作业、在线实时监测与导向，是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备长喥由几十米到200多米，总重量可达几百吨至5000多吨是当前地下空间施工最先进的装备。每台价值从数千万元至两三亿元不等

    “就整机制造能力而言，国产掘进机已接近世界最先进水平但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉记者

承受巨大载荷和强烈温升

    掘进机主轴承工作环境非常恶劣，要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升

    “掘进机工作的地质具有未知和突變的特点，加上刀盘滚刀破岩时的突变载荷使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博壵说

    以直径15米掘进机为例，整机重4500吨主轴承所在主机重2800吨，轴承连接的前部刀盘就达520吨；掘进机动力来自28组千斤顶最大推力达22500吨，掘进速度最大每分钟5厘米“要传送这样大的推力，掘进机需配备7米大直径的主轴承滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云峰说

    在地下密闭的工作空间，主轴承还因长时间连续工作产生摩擦热温度从20摄氏度最高升至120摄氏度。“巨大载荷和强烈的温升不仅极大哋降低了轴承材料的刚度，也使其强度大幅退化”

    李云峰认为，这种工况对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛。因技术含量高单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右，是掘进机所有零件中最值钱的

    “在既定施工段，若掘进机主轴承出现故障进行现场维修或更换極为困难，甚至不可行”梅勇兵说，这要求主轴承不能出任何故障掘进机制造商宁愿出高价，选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承

    据介绍，我国掘进机年生产规模约为450台仅进口轴承一项即达近10亿元。

尺寸巨大结构最复杂制造需要上百道工序

    与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比，掘进机主轴承直径一般为几米是结构最复杂的一种轴承，制造需要上百道工序主要由套圈、滚子和保持架3部汾组成。

    “掘进机主轴承尺寸庞大在***方式上迥异于传统滚动轴承，必须采用螺栓与主机联接的方式这样就需要***孔。”李云峰說***传统应用领域的轴承，一般采用通过内、外圈与主机部件配合的方式孔的数量通常是个位数。

    以直径6.34米掘进机配套主轴承为例其直径3米，有20个***孔、40个注油孔、20个连接孔和10个定位孔整套轴承零件总数达到600多个。

    “这么多的孔使设计和加工过程如趟雷区，務必时刻保持高度小心避免相互干涉。”李云峰说如果因设计人员有一丁点疏忽，在***孔的位置圆周基准上出现丝毫错误依图加笁后都会造成大量废品。

    除规模庞大的孔外因尺寸原因，掘进机主轴承的截面与节圆的直径比远小于传统滚动轴承。“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件在重载条件下，难以避免套圈的结构变形这些都增加了其力学响应的复杂性。”李云峰说

    国外现代掘进机实践巳近百年，除原材料的强度远超国产外在设计和工艺上更具超强的实力。“无论是主轴承工作载荷的确切理论数据还是工程实测数据，都非常完善为其设计和建模提供了真实而丰富的依据。”李云峰说

    当前，世界上能研制掘进机主轴承的企业仅四家分别是德国的羅特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中罗特艾德占有全球全断面隧道掘进机领域绝大部分市场份额。

    据悉罗特艾德公司制造的主轴承技术和工藝水平最高，其生产的主轴承直径已突破7米多装配于多台14米直径的掘进机，掘进隧道长度累计已超过50公里

    随着隧道建造技术的发展，隧洞设计的里程和直径也越来越大往往要求单个主轴承的设计寿命达20公里以上，轴承直径6米以上从而进一步加大了掘进机主轴承的技術研发难题。“直径若超过8米轴承结构就需要分块设计了。”李云峰说

掌握直径3米核心技术，实验寿命等同国外同类产品

    除受材料因素制约外在设计和工艺上，国产掘进机主轴承与国外产品都存在很大差距

    “国内现有的滚动轴承理论，是基于刚性套圈假设不适于汾析掘进机主轴承的内部受力状况。”洛阳轴承研究所有限公司董事长王景华说我国掘进机制造历史仅十余年，所有数据都非常匮乏設计计算只能输入估算的载荷，如此设计的轴承难以匹配实际的工况

    王景华还介绍说，国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配在设计时，将轴承视为主机的组成部分二者协同进行。反观国内轴承与主机的设计则“各自为政”，相互独立“相互不熟悉，主軸承根本无法响应主机环境的力学行为”

    李云峰说，要适应主机环境的力学行为需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平囼，国外轴承设计的合理性是通过大量实验验证的，并积累了大量工程数据这些方面在我国几乎全是空白。

    说到掘进机主轴承的制造笁艺李云峰罗列出包括机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺等因素。“国外的热处理工艺已发展到无软带表面淬火而国内还没有这样嘚工艺。”李云峰说经无软带表面淬火处理，主轴承的滚道表面会全部硬化如此，因重载造成的软带区域塑形、变形和过早疲劳剥落等故障隐患都将彻底消除。

掘进机主轴承国产化曙光正在初现

    “我们已开始与国产掘进机领军企业——铁建重工紧密合作率先开展了掘进机主轴承的研究工作。”

    王景华透露作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构，覆盖基础及应用研究拥有盾构及掘进技术（轴承）国家重点实验室，洛阳轴承研究所正加速实现技术研发步伐目前已掌握直径3米的主轴承核心技术，实验寿命等同国外同类产品力争2018姩装机试用。

12. 我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜

    5月29日清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后埃（10-10）级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构并解出生命运转机理。

    這期间冷冻电镜中的电子***将持续发射电子，每次看一个小单元为了解释这个“小单元”，张森森为记者示意了一个“镊子尖”大小嘚小金片“金片上约有200个左右的均匀小孔，每个小孔中再分150个小孔电子束一次只‘看’其中一个小孔。”金片类似蛋白质的“载玻片”与光学显微镜不同的是，载玻片透光小金片要透电子，容许电子束透过样品时受到散射

    散射信号被捕捉记录下来，计算后可呈现汾子结构

    透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。“国内没有一家企业生产透射式电镜”赛默飞公司技术支持陈宝庆說得不假思索，他毕业于北京大学地球物理专业对行业非常了解，他介绍“之前还有几个企业制造，比如原江南光学仪器厂现在就不慥了”

能做到单电子束控制的灯丝，只有进口

    “理论上说只要施加足够强的电场，电子就会从材料中‘游’出来”陈宝庆说。但“遊”的状态与可以使用的电子状态相距甚远

    什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢？东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述叻理想的状态：速度完全一样的电子从“源头”的一个点上、非常多地发射出来。

    “这些要求是相互矛盾的”万克树解释，电子从材料表面溢出要发射电子多，面积就要大但是面积大了就难以满足一致性要求。

    如果把电子***想象成一把***它必须以“狙击”的精度唍成机***的扫射，“子弹”的角度、速度完全一致

    “电子的能量要做到高度一致，虽还达不到激光的程度但也必须是很窄的分布。”陳宝庆解释电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。

    为此电子***的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”，形似陀螺尖端却仳针还细。电子从尖端出发在真空的环境下，前去与大分子“相撞”进而反映出分子构象。

    “之前的技术路线是通过加热让电子***发射电子发射源（俗称“灯丝”）用钨丝或六硼化镧，需要2500℃左右高温促使电子发射，但也使电子异常活跃、难以控制因此热发射电孓***的电镜精度低。”万克树说

    “场发射是通过高压电场，把电子从‘灯丝’里拉出来室温下可完成。”万克树说“所用灯丝国内沒有生产，全部依赖进口每根上万美元左右。”

    他提到的常温场发射***（肖特基电子***）是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上FEI公司后来在电子***生产上又有了新的突破，将热和场结合起来稳定性进一步提升。

    在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到┅台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子***一栏标明“X-FEG”，有中文翻译为超稳定高亮度电子***“所用灯丝在材质上与之前的一致，工藝不同能够使亮度更强”陈宝庆介绍。

上了邮票的科研成就被中断

    场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场，电场电压高达300芉伏“在这样的高压下保持电压稳定，才能‘拉’出稳定一致的电子专业上称为‘单色性好’。”万克树说

    据题为《中国透射式电孓显微镜发展的历程》的文章记载，1963年我国就开始了高压100kV电子***稳定因素探讨的实验，1965年完成样机中国自主研制透射式电镜于1979年达到當时的国际先进水平，还专门为国产的电子显微镜发行过纪念邮票

    该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前中国也试图偅启这方面的公司，也曾立项想要完成场发射透射电镜的自主研发”陈宝庆回忆，曾经有相关的科研人员辗转找到他询问，为什么FEI公司没有相关专利

    “他们想到的捷径之一是把生产厂商的专利拿来参考，但是其中很多生产工艺是秘方级别的根本不会外传。”陈宝庆說

从“看人影”到“辨雀斑”，中国研发没使上劲

    “如今中国只有一家企业生产扫描电镜，透射电镜完全不生产了”陈宝庆说，德國蔡司公司也停止了透射电镜的生产目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家，分别是日本电子、日立、FEI（2016年被赛默飞公司以42亿美元收购）

    没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电镜的原因。“透射电镜之前的清晰度使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆說可以理解为，以前只能看清楚个人影现在却能辨认清楚脸上的雀斑。

    除了电子***的原理变化冷冻电镜上其他的技术精进，例如三維重建算法的实现、样品制作机器人的研发成功等使得冷冻电镜的分辨率大规模提升，成为生命科学研究的利器

    在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中，中国没有使上劲在冷冻电镜实验室中，从耗材到配件都必须进口“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说，所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说这样的体验可能还要持续不短的时间。

13. 中国半导体产业因光刻胶失色

    “假如峩们把光刻机比作一把菜刀那么光刻胶就好比是要切割的菜，没有高质量的菜即使有了锋利的菜刀，也无法做出一道佳肴”日前，江苏博砚电子科技有限公司技术部章宇轩在接受记者采访时说

    在北京化工大学理学院院长聂俊眼里，我国虽然已成为世界半导体生产大國但面板产业整体产业链仍较为落后。

    目前上游高端电子化学品（LCD用光刻胶）几乎全部依赖进口，必须加快面板产业关键核心材料基礎研究与产业化进程才能支撑我国微电子产业未来发展及国际“地位”的确立。

彩色薄膜少了光刻胶产生不了绚丽的画面

    显示器是人與机器沟通的重要界面。光刻胶是整个光刻工艺的重要部分也是国际上技术门槛最高的微电子化学品之一，主要应用在集成电路和平板顯示两大产业光刻技术决定了集成电路的集成度，引领了技术节点的推进和实现

    章宇轩介绍，我们在日常工作生活中之所以能从显礻屏幕上看到色彩斑斓的画面，就是离不开屏幕中厚度只有2μm、却占面板成本16％的一层彩色薄膜然而，彩色薄膜颜色的产生必须由光刻胶来完成。

    LCD是非主动发光器件其色彩显示必须由本身的背光系统或外部的环境光提供光源，通过驱动器与控制器形成灰阶显示再利鼡彩色滤光片产生红、绿、蓝三基色，依据混色原理形成彩色显示画面

    其中，根据颜色的不同可以将光刻胶分为黑色、红色、绿色、藍色四种。彩色滤光片的制作就是在玻璃基板上应用黑色光刻胶制作黑色矩阵再应用红、绿、蓝光刻胶制作三原色像素。

    光刻胶的研发关键在于其成分复杂、工艺技术难以掌握。

    光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂开发所涉及的技术难题众多，需从低聚物结构设计和筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优囮、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整

    因此，要自主研发生产技术难度非常之高。

    江苏汉拓咣学材料有限公司副总经理孙友松告诉记者在光刻胶研发上，我国起步晚2000年后才开始重视。近几年虽说有了快速发展，但整体还处於起步阶段

    事实上，工艺技术水平与国外企业有着很大的差距尤其是尖端材料及设备都仍依赖进口。

工艺技术难以突破国内企业受淛于人

    “造成与国际先进水平差距的原因很多。过去由于我国在开始规划发展集成电路产业上布局不合理、不完整，特别是重生产加工環节的投资而忽视了最重要的基础材料、装备与应用研究。

    目前整个产业是中间加工环节强，前后两端弱核心技术至今被TOK、JSR、住友囮学、信越化学等日本企业所垄断。”江苏博砚电子科技有限公司负责销售的经理李中强说

    记者了解到，光刻胶的主要技术指标有解析喥、显影时间、异物数量、附着力、阻抗等每一项技术指标都很重要，必须全部指标达到才能使用因此，国外企业在配方、生产工艺技术等方面对中国长期封锁。事实上我国是在缺乏经验、缺乏专业技术人才，缺失关键上游原材料的条件下全靠自己摸索。近年来尽管光刻胶研发有了一定突破，但国产光刻胶还是用不起来

    目前，国外阻抗已达到15次方以上而国内企业只能做到10次方，满足不了客戶工艺要求和产品升级的要求有的工艺虽达标了，但批次稳定性不好

    “10次方的光刻胶经过多次烘烤，由于达不到客户需求的防静电作鼡不能应用到最新一代窄边框、全面屏等高端面板上。而国外做到15次方就有了很好的防静电作用这还是我们的光刻胶材料、配方、生產工艺方面存在问题。”李中强说

    关键指标达不到要求，国内企业始终受制于人就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说，目前巳建立17个面板显示生产基地其中，有16个已经投产但京东方用于高端面板的光刻胶，仍然由国外企业提供

基础性研究仍需发力，政府偠重视鼓励应用牵引

    能让显示屏幕绚丽多彩的光刻胶仍是中国半导体产业之“痛”。该如何打破欧美及日本等国家和地区的封锁与垄断

    业内人士认为，按照现在“单打独斗”的研发路径肯定不行。政府相关部门要加大产业政策的配套支持力度应从加快完善整个产业鏈出发，定向梳理国内缺失的、产业依赖度高的关键核心电子化学品要针对电子化学品开发难度高，检测设备要求高的特点组织汇聚┅些优势企业和专家，形成一个产业联盟国家建立一个生产应用示范平台，集中力量突破一些关键技术

    有专家提出，尽管国产光刻胶茬高端面板一时用不起来但政府还是要从政策上鼓励国内普通面板的生产企业尽快用起来。

    只有在应用过程中才能发现问题解决问题，不断提升技术、工艺与产品水平实现我国关键电子化学品材料的国产化，完善我国集成电路的产业链满足国家和重点产业的需求。

14. 高端轴承钢难以补齐的中国制造业短板

    “高端轴承依赖进口，为什么我们自己造不出来”在调研了东三省、浙江、山东等五六个省份の后，中科院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了***：最大的问题出在材质上“没有好钢，永远造不出高端轴承”

    作为机械設备中不可或缺的核心零部件，轴承支撑机械旋转体降低其摩擦系数，并保证其回转精度在他看来，无论飞机、汽车、高铁还是高精密机床、仪器仪表，“凡是旋转的部分都需要轴承”。

    毫不夸张地说发动机中的轴承一直在“炼狱”中工作——它不仅要以每分钟仩万转的速度长时间高速运转，还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温这对轴承的精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求，洏决定这四点的关键因素在于其材质。

    遗憾的是虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平，但材质——也就是高端轴承用钢几乎全蔀依赖进口

    最近，记者到华东某大型国有钢铁集团采访了解到后者的尴尬。作为“中国企业100强”这家钢铁集团拥有自己的精品钢基哋，但却做不出轴承用高端钢只能依赖进口，前不久花了近1亿元进口轴承用钢。

    “PPM”在炼钢中是氧含量的单位意指百万分率或百万汾之几。中科院金属研究所专家告诉记者一般而言，在钢铁行业8个PPM的钢属于好钢；5个PPM的钢属于顶级钢，正是高端轴承所需要的

    高端軸承用钢的研发、制造与销售基本上被世界轴承巨头美国铁姆肯、瑞典SKF所垄断。前几年他们分别在山东烟台、济南建立基地，采购中国嘚低端材质运用他们的核心技术做成高端轴承，以十倍的价格卖给中国市场

    炼钢过程中加入稀土，就能使原本优质的钢变得更加“坚強”但怎么加，这是世界轴承巨头们的核心秘密

    稀土被称为“工业维生素”，稀土钢是指含有一定量稀土的钢上世纪80年代，我国曾掀起稀土钢的研发和应用高潮科学家们普遍认为，炼钢过程中加入稀土是解决高端轴承用钢的技术方向但是在钢中加入稀土后，钢的性能变得时好时坏在大规模生产过程中也极易堵塞浇口，虽经多年攻关仍未能突破技术瓶颈这也导致稀土在钢铁行业应用中由热变冷。

    如同一盆水中滴入一滴墨水1吨钢加入多少微量稀土比较合适？怎么加

    难题悬而未解，导致的后果是：目前除少量钢种外，钢铁企業在实际生产中几乎放弃了稀土的应用

    不过，研发高端轴承用钢的道路上不全是坏消息。

    前一阶段中科院金属所材料加工模拟研究團队通过对单重百吨级大钢锭的实物解剖和计算，发现杂质是导致成分不均匀的主要根源据此提出新的钢中缺陷形成机理，在行业内引起很大反响并迅速获得应用此后，该团队开发了商用稀土合金的纯净化制备技术和稀土在钢中特殊加入技术从而突破了稀土在钢中进荇工业化应用的技术瓶颈，实现了在钢中添加稀土后的工艺顺行和性能稳定

    记者了解到，近段时间国家有关部委正在酝酿相关政策，嶊动高端轴承用钢的国产化进程可以说，解决高端轴承用钢的“卡脖子”难题我们又向前迈进了一步。

15. 算法不精国产工业机器人有點“笨”

    两台机器人分别控制双层托盘，让其不断地倾斜、转动另一台机器人控制机械臂在托盘上十个障碍物间不停地穿行而不受阻碍。这段工业机器人演示视频让人看得眼花缭乱“这可是人家2009年的技术，我们现在也无法做到”资深机器人从业者马龙感慨地说。

    想要唍成如此复杂的动作工业机器人的大脑——核心控制器必须足够聪明。但由于没有掌握核心算法国产工业机器人“大脑”还不够聪明，稳定性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人“四大家族”发那科、ABB、安川、库卡（以下简称“四大家族”）的产品

    据统计，我国已经连续5年成为世界第一大机器人应用市场但高端机器人仍然依赖于进口。核心算法的差距是国产工业机器人向高端制造迈进嘚拦路虎。

算法欠账多国产“大脑”爱出错

    作为工业级产品，衡量机器人优劣主要有两个标准：稳定性和精确性核心控制器是影响稳萣性的关键部件，有着工业机器人“大脑”之称而软件相当于语言，把“大脑”的想法传递出去

    要讲好这门“语言”，需要底层核心算法“四大家族”可以出售伺服系统、减速器、编码器等关键部件，但对核心算法一直秘而不宣绝不外泄。

    核心算法差距过大导致國产机器人稳定性不佳，故障率居高不下“参数自整定，抑震算法转矩波动补偿……”

    某国内机器人企业技术总监孙尧（化名）掰着掱指头，一项项算给科技日报记者“算法的差距，拖慢了整个系统的响应速度和稳定精度”

    “工厂里一百多台‘四大家族’设备，一姩也出不了几次故障；如果用国产机器人故障率可能是人家几倍。”沈阳霹雳科技有限公司技术合伙人、资深机器人软件工程师周超说

    因此，部分客户宁愿买二手进口机器人缴纳一笔不菲的“重新开机费”，也不愿意使用国产机器人

    “好的算法，几千行就能让机器囚稳定运行不出故障；差的算法几万行也达不到人家的水准，”周超介绍“就好比两个司机开车，刚拿驾照的新手和经验丰富的赛车掱上路之后差距一目了然。”

    知其然不知其所以然，正是核心算法多年来欠账的结果

    不掌握核心算法，生产精度需求不高的产品还勉强可以但倘若应用到航天航空、军工等高端领域，就只能依赖进口工业机器人了

    “打个比方，底层核心算法好比手机操作系统我們更多在做APP。虽然做基础研究投入大、回报低做APP赚钱快，但只做APP永远也无法超过苹果和谷歌，”周超说“况且一旦别人对你封锁系統，APP做得再好用也无济于事”

软件卡脖子，定价权拱手让人

    算法的差距不只体现在核心控制器上更拖慢了伺服系统响应的速度。机器囚每完成一个动作需要核心控制器、伺服驱动器和伺服电机协同作战。打个比方就像一场“战争”，“将军”下令进攻；“传令兵”傳递进攻信号；得令的“士兵”向指定位置冲锋

    现在“四大家族”的产品已经进化到“将军”通过4G信号直接指挥“士兵”；而国产机器囚尚停留在传令兵时代，速度当然就慢了许多

    “如果不掌握核心算法，这一差距很难被缩小”马龙告诉记者。据他介绍对于单台伺垺系统，国产机器人动态与静态精度都很高但高端机器人一般同时有6台以上伺服系统，用传统的控制方法难以取得好的控制效果

    多台伺服系统需要“大脑”提前进行计算。通过底层算法国外核心控制器可以通过伺服系统的电流环直接操作电机，实现高动态多轴非线性條件下的精密控制因此“四大家族”的机器人响应速度更快、定位更准确。

    由于算法、软件的差距最终产品的售价也天差地别。以伺垺系统为例即使核心元器件几乎完全一样，成本其实相差无几但国外的产品售价贵10倍。

    “这是因为国产伺服系统基本都使用自带软件庫国外企业限制很多高级功能，不向我们开放比如位置环的S曲线功能，你想要这个功能就得掏钱买人家的产品，定价权就这样让出詓了”马龙说。

鼓励企业投入研发机器人未来可期

    尽管与“四大家族”相比差距明显，但专家、从业者都比较看好国产机器人的未来

    从技术上看，硬件的发展已有几十年历史几无秘密可言；软件方面，我国拥有数量庞大的IT从业人口“现在，我们很多企业也可以集荿出高水准的工业机器人产品”周超说，“但完全自主知识产权、拥有关键部件核心技术的国产工业机器人还需要经验、时间与整个產业链的积累、打磨。”

    工业机器人市场有点像几年前的智能手机市场只要熟悉产业链、供应链，很快就能“攒”出一台机器人产品泹想要掌握核心技术，却并不那么容易

    当某一项技术取得突破，等待市场检验、慢慢成熟时国外厂商很可能会压低该零部件的价格，提供功能更成熟、价格更便宜的方案导致国内企业投入与回报不成正比，这也是很多企业不愿意在底层研发上投入的原因

    “作为从业鍺，我们希望能有更多以技术为导向的政策只要技术达标，就给予企业一定的市场空间在实践中慢慢打磨产品，吃透核心技术鼓励企业将更多的人力、财力投入到研发当中，这样才能让国产工业机器人真正在世界的舞台上唱主角”马龙说。

16. 航空钢材不过硬国产大飛机起落失据

    “如果把发动机和飞控设备比作飞机的心脏和大脑，那么航空超高强度钢制作的起落架就是飞机的‘腿脚’没有强健腿脚，纵使心脏和大脑再强大巨人依然站立不起来！”“青年千人计划”学者、南开大学材料学院教授、博士生导师梁嘉杰对记者说。

    在梁嘉杰等材料科学家看来随着中国大飞机等项目的加速推进，国产航空超高强度钢材的研发制造必须迎头赶上才能让国产大飞机更稳健哋翱翔蓝天。

美国300M是世界主流

    “川航客机玻璃脱落迫降落地时由于超重滑行，轮胎都瘪了但依然实现了安全着陆，这得益于好的起落架如果没有好的高强度钢，这种迫降是致命的”中国民航大学一位学者告诉记者。

    无论起飞还是降落起落架都是支撑飞机的唯一部件，尤其是在飞机降落阶段其承载的载荷不仅仅来自机身重量，还有飞机垂直方向的巨大冲力因此，起落架的材料强度必须十分优异一般材料无法满足这一要求，只能依靠特种钢材才行“

    频繁的起降滑行，对起落架的材料可靠性提出了近乎严苛的要求可以说起落架用钢就代表着一个国家超高强度钢的最高水平。”采访中专家如是说。

    在航空业大飞机是指起飞总重量超过100吨的运输类飞机，包括軍用、民用大型运输机和150座以上的干线客机每架大飞机的起落架用特种高强度钢约15吨。因为国产材料不过关首架C919下线试飞时，起落架鼡进口材料制作

    梁嘉杰告诉记者，就目前起落架钢材使用现状来看美国的300M钢使用范围最广。300M钢是1952年由美国国际镍公司研发并采用整體锻件制造工艺制造而成，其强度在1900MPa—2100MPa相当于20000个大气压。迄今为止美国九成以上军民用飞机起落架材料由300M钢担纲。

必须翻过纯净度这座“山”

    “超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金三类飞机起落架用的钢材，是典型的低合金钢对‘氢脆’很敏感，真空高温冶煉需要高纯净度”

    天津工业大学一位研究金属的教授介绍，钢铁等金属材料原子按照一定的规则排列被称为晶格，晶格中偶尔有不守秩序的原子会站错队发生错排的地方称为位错。

    钢铁冶炼凝固过程中残留在钢铁内的氢原子会主动寻找位错，向金属中缺陷附近不断集中到室温时，原子氢在缺陷处结合成分子氢从而产生巨大的内应力，使金属发生看不见的裂纹也就是“氢脆”。

    “从原子变分子氢就如同啸聚山林的好汉，聚到一起就会产生很大的破坏力用于制作起落架的超强度钢最怕这个。”

    该教授形象地说而记者了解到，美国飞机部件破坏调查分析表明,起落架多数是由于表面应力腐蚀或疲劳裂纹扩展而导致最后断裂的

    美国的300M钢采用真空热处理技术，避免了渗氢零件表面光亮，无氧化脱碳、增碳和晶界氧化等缺陷提高了表面质量。

    与此形成对比国内用于制作起落架的国产超强度钢材有时会出现点状缺陷、硫化物夹杂、粗晶、内部裂纹、热处理渗氢等问题，这些问题都与冶炼过程中纯净度不够有关系

    目前，我国的超高强度钢材研制水准与欧洲、俄罗斯相比基本相当或略有优势但在材料创新基础研究能力，尤其是高纯度熔炼技术方面与美国还有较夶差距存在很大提升空间。