中国亟待攻克的核心技术清单

2018-07-18 15:23:27 编辑:1107152099 来源: 浏览量:1703我要评论

摘要:中国制造不像我们想象的那么强大,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。

“中国制造不像我们想象的那么强大,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,工业和信息化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?


目录


1. 去不掉的火箭发动机“锈疾”

2. 环氧树脂韧性不足,国产碳纤维缺股劲儿

3. 通往超精密抛光工艺之巅,路阻且长

4. 拙钝的探测器模糊了医学影像

5. 攻克核心技术需建立“试用生态”


6. 一层隔膜两重天:国产锂电池尚需拨云见日

7. 国产焊接电源“哑火”,机器人水下作业有心无力

8. 少了三种关键材料,燃料电池商业化难成文章

9. 水下连接缺国产利器,海底观测网傍人篱壁

10. 微球:民族工业不能承受之轻


11. 自家的掘进机却不得不用别人的主轴承

12. 我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜

13. 中国半导体产业因光刻胶失色

14. 高端轴承钢,难以补齐的中国制造业短板

15. 算法不精,国产工业机器人有点“笨”


16. 航空钢材不过硬,国产大飞机起落失据

17. 烧不出大号靶材,平板显示制造仰人鼻息

18. 没有这些诀窍,我们够不着高端电容电阻

19. 激光雷达昏聩,让自动驾驶很纠结

20. “命门火衰”,重型燃气轮机的叶片之殇


21. “靶点”难寻,国产创新药很迷惘

22. 射频器件:仰给于人的手机尴尬

23. 真空蒸镀机匮缺:高端显示屏上的阴影

24. 传感器疏察,被愚钝的机器人“国产触觉”

25. 居者无其屋,国产航空发动机的短舱之困


26. 丧失先机,没有自研操作系统的大国之痛

27. 中兴的“芯”病,中国的心病

28. 这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背


1. 去不掉的火箭发动机“锈疾”


“不锈钢能不能不生锈?”这个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吨级液氧煤油补燃循环发动机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长苏杰无数次沟通,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答案。


强度和防锈性能是对矛盾体


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‘生锈’。”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。


假设阀门的阀芯生锈,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,只是如今工艺技术更先进,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,结果两者同时生锈。“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,要实现鱼和熊掌兼得,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,这是理论性的方向,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,“耐蚀性更好的材料有很多,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、氮气等辅助手段,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。通过对贮存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,其中一个关键的复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。在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。


中国复合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。


分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂,除碳纤维外,还广泛应用于机械、电子、家电和土建工程等领域。高端环氧树脂依赖进口一方面与我国化学工业基础薄弱有关,另一方面与环氧树脂本身特性有关。一个分子链上有两个以上的多官能团分子,可以交联反应而形成不溶、不熔具有三向网状结构的高聚物。而航空结构件的使用环境极为严苛,碳纤维复合材料必须能长期耐得住上百摄氏度的高温和零下几十摄氏度的低温;同时,在湿热条件下玻璃化转变温度、弹性模量及压缩强度不能显著下降,这就需要更高官能度、环氧值而且黏度合适的相关产品。


分子中能参与反应的官能团数被称作官能度,有业内人士表示,不是官能度越高越好。能度太高,复合材料会过于坚硬无韧性。因此,必须具体到在不同使用条件下,考虑强度、模量、韧性、高低温、疲劳等,从配方体系、分子结构去分析,这是一个非常复杂的系统工作,而且科技含量高、研究难度大。


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度不能低于180℃,而目前国产树脂领域绝大多数企业还不具备相关技术。


缺智能自动化设备


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树脂本身韧性不足。


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设备加大研发和生产力度。”贺燕丽说。


应用牵引不足进步慢


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应用相互脱节,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,总产能2万吨左右,实际产量约7000吨。


东丽碳纤维大量使用在波音上绝非是一朝一夕之功。从上世纪80年代开始,东丽公司就和波音进行全方位合作,东丽人甚至是住到了波音公司里,根据波音要求来设计、生产碳纤维。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,不断纠错、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、繁复的论证过程,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,并且无坚不摧……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”的追求也已经从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,超精密抛光是灵魂


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。当一块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,抛光是整个工艺的最后一环,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:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。


王奇说:“超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命,不仅仅是平坦化不同的材料,而且要平坦化多层材料,使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克,没有超精密抛光不行,它是技术灵魂。”


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国电子制造业追逐“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”。超精密抛光对抛光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胀系数。


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的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(属超大尺寸),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,也就在很大程度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,美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,我们很急,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,目前我们还得等,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“二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许可和国家一级标准物质证书。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。”


孙明认为,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,其次解决抛光面积扩大问题。”


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,并不代表可以仿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,是我们首先需要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(电子计算机断层扫描)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机通过技术创新有所突破,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。


不掌握核心工艺


“排”是指CT扫描机探测器的阵列数,排数越多,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。


在接收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”,而每旋转一圈就要从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,探测器的拼接工艺要求极高,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平均晚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。


材质是机密


“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光的感应力度如何,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,闪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。


在晶体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资。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”,王坤说,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又发生了变化,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、更前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,科学研究有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,在等待国家食药监总局的认证批准,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,国家也已经启动了相关研发计划,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“试用生态”


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:“创新产品从起步到成熟,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成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”特聘专家、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关键问题之一。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,但还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,构建生态首先要强调企业主体,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:有没有第二家供货商,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,但可以应付市场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面。


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,南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,周震欣喜之余,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”。


在周震等业内专家看来,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”


去年全球动力电池销量前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达七成以上;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骄傲,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、核心材料研发;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的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难以承受之痛,也拖了国产锂电池企业“走出去”的后腿。


一层薄膜两重天


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,带有电荷的离子,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,又要确保电解质离子顺利通行。”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大坝上的闸门,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一成以上。”


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,存在孔隙率不达标,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!”


国产隔膜急需突破


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了世界第一方阵,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。


数据显示,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车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经理吴孟涛认为,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门槛,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艺、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内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多!”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。


水下焊接电源是关键


“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中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,它都能应付自如。“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”来完成的。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,熔化金属难以流动扩展,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,目前我国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出,“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。我国只能向国外购买,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,在出现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了;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,“我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、政产学研用相结合的技术创新体系。


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氢燃料电池车。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,但我国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,在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的“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阴极,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,是一个系统工程。


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应子系统,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,它是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的商业化;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,一个叫膜电极组件,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子,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、氧在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,决定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础支撑。”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,没有批量生产线,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经过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制问题。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,实验室制备水平一般为毫克级,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;二是铂颗粒纳米尺寸控制,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。”邵志刚所在的大连化物所从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,还得强链、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,主攻气体扩散层、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,我国电堆及产业链企业数量逐渐增长,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、氢基础设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。”王诚强调。


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,人类可以深入到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、运行和维护有着不可替代的作用。


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,项目总投资超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、实时和高分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,无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。


水下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下插头,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与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同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。


“根据布放海域的水深、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,供电电压达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封要求,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水下,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。“我们将内部腔体充满液体,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,极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,一台原理样机在实验中被“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,研制出来我们也不敢用、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:海底观测网事关国家安全,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,后续还要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,直径是头发粗细的三十分之一。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,中国每年就要进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,位居全球第一。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,给人卡住了脖子。”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,因此所有球要大小一样。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”,大量涂抹在光扩散膜,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,引脚小到看不清,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,需要接脚的地方给予压力,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。


微球太小,筛分困难


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,在液体中分离。


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。普通镀金工艺是行不通的。


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,绕过“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、环境监测……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,可以吸附特定大小的分子。


“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,全世界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。


“在开发液晶间隔物微球材料时,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。”最终,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。


“虽然纳微开发了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“心脏”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、机械和电气等诸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,长度由几十米到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变的特点,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士说。


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,不仅极大地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极为困难,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部分组成。


“掘进机主轴承尺寸庞大,在安装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,这样就需要安装孔。”李云峰说,安装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个安装孔、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,务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,在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误,依图加工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已近百年,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,分别是德国的罗特艾德、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艺水平最高,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术研发难题。“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,不适于分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,设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,主轴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台,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工艺,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,而国内还没有这样的工艺。”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年装机试用。

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。


这期间,冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子,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”大小的小金片,“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,计算后可呈现分子结构。


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说得不假思索,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造了。”


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“游”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了理想的状态: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。


如果把电子枪想象成一把枪,它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射,“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。”陈宝庆解释,电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。


为此,电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”,形似陀螺,尖端却比针还细。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枪发射电子,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,因此热发射电子枪的电镜精度低。”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,“所用灯丝国内没有生产,全部依赖进口,每根上万美元左右。”


他提到的常温场发射枪(肖特基电子枪)是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上。FEI公司后来在电子枪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,一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子枪一栏标明“X-FEG”,有中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用灯丝在材质上与之前的一致,工艺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300千伏。“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《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载,1963年,我国就开始了高压100kV电子枪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年达到当时的国际先进水平,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,中国也试图重启这方面的公司,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。”陈宝庆说。


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,德国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。”陈宝庆说。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。


除了电子枪的原理变化,冷冻电镜上其他的技术精进,例如三维重建算法的实现、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


“假如我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国,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础研究与产业化进程,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


显示器是人与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显示两大产业。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,之所以能从显示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,再利用彩色滤光片产生红、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、蓝色四种。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、产品配方设计和优化、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。


江苏汉拓光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,但整体还处于起步阶段。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,国内企业受制于人


“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,特别是重生产加工环节的投资,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、住友化学、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度、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,满足不了客户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用,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、生产工艺方面存在问题。”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,目前已建立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,政府要重视鼓励应用牵引


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链出发,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,组织汇聚一些优势企业和专家,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,尽管国产光刻胶在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、山东等五六个省份之后,中科院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了答案:最大的问题出在材质上,“没有好钢,永远造不出高端轴承”。


作为机械设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——它不仅要以每分钟上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,而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部依赖进口。


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地,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分之几。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。高端轴承用钢的研发、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,采购中国的低端材质,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“坚强”。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,钢铁企业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团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行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,推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,国产工业机器人有点“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。


想要完成如此复杂的动作,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的拦路虎。


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定性的关键部件,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,导致国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)掰着手指头,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,一年也出不了几次故障;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,几千行就能让机器人稳定运行不出故障;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手,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,我们更多在做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统,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。机器人每完成一个动作,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”传递进攻信号;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”;而国产机器人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,对于单台伺服系统,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条件下的精密控制,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。以伺服系统为例,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库,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,定价权就这样让出去了。”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成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、时间与整个产业链的积累、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。但想要掌握核心技术,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。


“作为从业者,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,国产大飞机起落失据


“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地翱翔蓝天。


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,包括军用、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,起落架用进口材料制作。


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,并采用整体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,真空高温冶炼需要高纯净度。”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大差距,存在很大提升空间。


“未来,应该重点关注提升超强度钢纯净度。”中国航发北京航空材料研究院研究员、中国工程院赵振业院士说,纯净度会影响航空器械的“寿命”,也是所有航空超高强度钢的“命门”,是必须要翻越的山。他打比方说,其影响如同我国的气候分水岭秦岭一样明显,翻过秦岭是四川的湿润气候,秦岭以北是陕西的气候。航空器关键构件达到长寿命、高可靠、结构减重,首先要过了纯净度关,然后才能谈抗疲劳性等金属材料的其他特性。


部分技术还停留在实验室阶段


全球航空航天材料市场预计到2022年将达到258亿美元,这是一个快速增长的庞大市场,目前高端新材料基本上被美国和欧洲垄断着。根据测算,我国高温合金行业长期处于供不应求的状态,年市场缺口近1万吨。


一代材料技术,一代航空装备。“在大型飞机结构性关键部件用钢方面,我国整体水平基本上可以满足国防军工、装备制造、国民经济发展要求,但与国际先进水平相比,仍存在较大差距。尤其在航空(航天)用高温合金方面,我国仍处于跟跑阶段。不过客观上讲,我国研制和生产水平与先进国家的差距正在缩短。”中国钢铁研究总院副院长杜挽生说,航空用高纯度单晶高温合金,发达国家已经实现了四代技术的应用量产,而国内只到了第二代,三代、四代技术仍在持续的攻坚中。


有钢铁冶金业内人士告诉记者,大飞机用的超强度钢材完全国产化这一过程还有一段很长的路要走。国内高性能钢铁部分制造技术,尤其是新一代数字化和智能化控轧控冷技术、先进热处理技术、变截面轧制技术、温度梯度轧制技术、高精度轧制技术,我们与美国、日本还有不小的差距,有的还停留在实验室层面,超高强度钢材实现完全国产化,还要加强科研。


17. 烧不出大号靶材,平板显示制造仰人鼻息


一块小小的玻璃,不仅可以导电发光,还可以幻化出形式各异的文字和静态、动态的炫目影像,这就是人们如今已司空见惯的各色平板显示屏。


玻璃本身不导电,也不发光,奥妙全在于背后涂装的一层薄薄透明导电膜。就是这层不足头发丝直径五百分之一的膜,背后有一块看不见的“靶”。


“全国有20余家靶材生产制造商,但能做超过32英寸靶材的,我们还是‘零’!” 在这个行当搞了20多年研发的郑州大学教授、河南省资源与材料工业技术研究院原总工程师孙本双告诉记者。


问题出在尺寸上


在有色金属的“朋友圈”里,铟锡的氧化物是实现电学传导和光学透明的绝佳组合。作为有色金属氧化物,简称为ITO的氧化铟锡在平板上具有很好的导电性和透明性,它还可切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线,是平板显示器制造的重要原料。在薄膜状时,它是略显茶色的透明物质;在块状时,呈黄偏灰色。但它并不是像油漆一样被刷到平板玻璃上使用,而是先被制作成标准尺寸的固体靶材,由操纵磁控溅射的“枪手”,不断“射击”,将其气化溅镀到玻璃基板或柔性有机薄膜上,形成一层ITO膜。这层膜的厚度因功能需求而有不同,一般在30纳米至200纳米。


ITO靶材不仅用于制作液晶显示器、平板显示器、等离子显示器、触摸屏、电子纸、有机发光二极管,还用于太阳能电池和抗静电镀膜、EMI屏蔽的透明传导镀膜等,在全球拥有广泛的市场。


ITO靶材外形很像瓷砖,由来却远比瓷砖煅烧复杂得多——人们把氧化铟和氧化锡粉末按严格的比例混合后,经过一系列生产工艺加工成地板砖的形状,再层层摞叠到一个特制的炉子里,经过1700摄氏度高温气氛烧结,形成黑灰色的陶瓷半导体。通常靶材尺寸越大,溅射到平板上的拼缝就越少,价值也越高。


但就在尺寸的问题上,国内ITO靶材企业一直鲜有突破,而后端的平板显示制造企业也要仰人鼻息。


技术和工艺是个难迈的坎


ITO靶材核心技术长期把持在日本三井、东曹、日立、住友、VMC和韩国三星、康宁等大企业手里。


对国内的企业来说,技术和工艺是个难迈的坎。由于ITO靶材是由高温烧结而成,烧结技术工艺决定了产品质量,功夫不到家的话,最常出现批次质量不稳定的问题。溅射到屏上,有的ITO膜表面出现“麻点”;有的在蚀刻时容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;还有的会出现微晶沟缝。


当谈到生产装备与国外的差距时,孙本双教授叹息说:“差远了!”烧结大尺寸ITO靶材,需要有大型的烧结炉。国外可以做宽1200毫米、长近3000毫米的单块靶材,国内只能制造不超过800毫米宽的。“这如同人家已经在烧制大型地板砖,我们还只能烧小瓷砖。” 孙本双说。


在1700摄氏度的“丹炉”中,靶材烧结需要6至10天。高温气氛烧结需要高浓度氧气参与,这项工艺也不易控制。长时间烧,很容易导致产品不均匀,成品率低。


在产出效率方面,日式装备“牛气”,月产量可达30吨至50吨,我们年产量只有30吨——而进口一台设备价格要花一千万元,这对国内小企业来说无异于天价。


目前,也有部分仿制的设备,但耐火材料不过关,难耐烧结工艺所需的烈火考验,烧结炉总体质量差强人意。“这需要生产技术与装备国产化重大专项的支持。”孙本双说。


质量不稳定、不过关的材料,谁见谁怕。各色终端生产厂家盘算下来还是觉得买国外进口的省事,久而久之,依赖进口成了“瘾”。


功能性产品:有色金属大国之痛


每年我国ITO靶材消耗量超过1千吨,一半左右靠进口,用于生产高端产品。受有色金属期货价格波动和技术封锁等因素叠加作用,长期以来价格高企,成品价格最高达每公斤6千至8千元,占据企业不小的成本。


“资料显示,我国半导体产品的进口花费超过石油”。2017年度何梁何利基金奖获得者、昆明理工大学副校长杨斌教授说。


在中国,半导体重要原料铟、锡的采选、冶炼水平已处于世界顶尖水平,产量和品级也堪称世界一流。全球近80%的高品质铟、锡来自中国,日企长期购买中国铟锭。


“但我们缺乏下游功能性产品和足够长的产业链,只能赚取原材料的初级利润,比如高品质、大尺寸的ITO靶材,就是粉末冶金和半导体行业的痛。”杨斌教授说,国内的大尺寸靶材都只在实验室阶段,技术是一个难点,难以实现量产则是关键。


随着近十年来国内LCD产业的发展和PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起,尤其是目前,随着有机发光二极管(OLED)以及其他显示器件的发展,对ITO靶材制成工艺和设备有了更新、更高的期待。未来一段时间内,这仍是一个有前景的产业。


国内小规模、低层次、做了二十年之久的“靶”,因没能走上世界前沿而长期依赖进口,如今得到了“回报”。近年,由于中国市场巨大,“小靶”国产能力有了大幅上升,这时国外垄断企业“釜底抽薪”,开始在价格上进行打压,一下子把ITO靶材价格降到800元一吨,一度接近价格最高点时的十分之一,国内20多个企业蒙受了巨大的损失,部分企业甚至奄奄待毙。


“但反过来说,价格低建设成本也低,这也是洗牌的机会。”孙本双说,如果有国家扶持,保留五六家重点企业,同时加快技术攻关,将实验室的技术转化量产,我们有望在大尺寸领域突破,并淘汰一部分国外企业。


18. 没有这些诀窍,我们够不着高端电容电阻


一部手机有几百个电容和几百个电阻,占了电子元件的大半。中国是最大的基础电子元件市场,一年消耗的电阻和电容,数以万亿计。而最好的消费级电容和电阻,来自日本。


大批量一致性比不了日本


电容和电阻,是电子工业的黄金配角。电容市场一年200多亿美元,电阻也有百亿美元量级。市场的“头号玩家”是日本,占据一半以上份额,以村田、TDK等企业为代表;台湾地区位居次席;而中国大陆的产品多属于中低端。


“不能简单说我们不如别人,”电子工程师、瑞迪航科(北京)技术有限公司总经理武晔卿说,“在军用级别,国产电阻电容是能满足需求的;一些特殊的定制电阻,国内公司也能生产。我们比起日本有差距的,是在消费级的、大批量生产的元件上。”


手机、电脑、家用电器、汽车……消费类电子行业是电容电阻的最大用户。“这一领域,所谓高端的电容电阻,最重要的是同一个批次应该尽量一致。”武晔卿说,“日本这方面做得最好,国内企业差距大。”武晔卿说,国内企业相当于“什么菜都会炒,但不保证每次炒出来是一个味儿”。基础电子元件一批次可生产百万件,一致性对质量控制极端重要。比如某个电容不达标,可能会让手机充电更慢,因此手机各大品牌只采购大厂商的电容电阻。“工艺、材料、质量管控上,国内企业相对薄弱。”武晔卿说,“有一些‘Know How(小窍门)’没掌握。”


煎饼不难做,但人家做得更平整


MLCC(多层片式陶瓷电容器)是个典型,它是消费电子行业用量最大的基础元件,也是日本企业的强项。目前日本的MLCC产品可以做到1000层,中国产品在300层左右。


“MLCC就像千层酥,只不过小得多。”业内工作多年的电子工程师张光华说。MLCC米粒大小,是一个内有电极的陶瓷块儿,是几百层陶瓷和几百层金属叠压起来的。电容的原理是两电极夹一层绝缘介质,以储存电荷。介质层越薄,电容数值越大。张光华说,制作MLCC有点像摊煎饼:陶瓷粉末浆,被刮刀摊平成厚度约1微米的涂层,再敷上去一层金属粉末浆,这就是陶瓷介质贴上了电极。之后,一大张薄膜被叠压、烘干、烧成瓷。“烙千层的煎饼,很难平整。”张光华说,“各家水平不一样,要是‘煎饼’裂了一道缝,电容数值就不够大。”很多环节影响质量:陶瓷浆和电极浆不配套,干燥时就会“起皮”;烘干太快出裂纹,烘干不彻底也会导致瑕疵;烧瓷要暴露于特殊气体;冷却太快会开裂……


张光华说,哪一环节不到位,产品就可能大比例不达标。客户要求是一百万个MLCC只允许一个不合格。另外,MLCC很脆弱,同一种规格的产品,大品牌可能细节更优秀,更不易机械损坏。


日本企业定位高端


生产电容的企业,一般也生产电阻和电感等“被动元件”。工艺有相通之处。如消费电子产品用量最大的电阻:薄膜电阻,只有牙签头大小,以陶瓷为基底镀膜制造,工艺稍不精细,指标大打折扣。


材料是中国电子元件企业的短板:陶瓷浆涉及钛酸钡和氧化钛诸多陶瓷材料,还混合了有机胶等等,电极浆则混合了镍粉、铜粉和树脂等等,配方都需要钻研。质量最高的陶瓷浆和电极浆产自日本公司。日本巨头如村田和京瓷,从做材料起家,后来才制造电子元件。


武晔卿说,二战后日本专注民用电子,电子产业集聚,有利于村田这类材料企业延伸业务。“就好像生产面粉的厂子,自己也开了拉面店。”数十年坚持基础研发的日本巨头,始终瞩目高端。去年底到现在,基础电子元件持续疯涨,武晔卿说,原因是日本几家巨头停产了利润率见薄的产品,集中精力于高端市场。


根据业界估计,随着手机更轻薄和频段更多,体积小性能好的元件用量会大大上升,iPhone使用的MLCC是手机中最多的,最新的iPhone要用上千颗。电脑和电视的用量比手机只大不小。


汽车(尤其是电动汽车)使用的电容和电阻更多,且元件质量要求苛刻,因为冲击、温度、粉尘和腐蚀等条件更恶劣,且不能有安全隐患。车用元件市场大,但技术门槛很高,未来可能会继续被日本巨头把持。


19. 激光雷达昏聩,让自动驾驶很纠结


人靠眼睛看路,无人车也是。激光雷达就是无人车的“眼睛”。


伴随自动驾驶的落地,原来主要用于三维扫描的激光雷达,成为自动驾驶汽车的必备,甚至决定着自动驾驶行业的进化水平。但在这个切中行业要害的领域,国货几乎没有话语权。


激光雷达不可取代


激光雷达是个传感器,自带光源,主动发出激光,感知周围环境,像蝙蝠通过超声波定位一样。


按照自动驾驶L1—L5的等级划分,L3及以下属辅助驾驶或低级别自动驾驶,L4、L5才算得上高级别自动驾驶甚至无人驾驶。目前的自动驾驶都处于L3以下阶段,毫米波雷达甚至摄像头都能够满足汽车的视觉需求,特斯拉就应用了前者。但要想发展到高级别自动驾驶阶段,受测距、分辨率、精度、信息全面性的影响,激光雷达不可替代。


激光雷达可以精准测距:通过获取激光打在物体上并返回接收器的时间,乘以光速即可获得。由于打出的每一束光都带有相对位置信息,激光雷达可以利用算法实时生成汽车周围环境的高清数字地图,进行目标跟踪和识别。国内主流激光雷达企业北科天绘总经理张智武向科技日报记者介绍,激光雷达的扫描精度高、没有畸变,毫米波雷达只知道前方有障碍物,并不能准确描述大小和形状。


激光数据是矢量数据,计算机可以分类、提取、处理,自动辨别车道线、挡车柱、交通标识牌、树木等,这也是其他传感器做不到的。


激光雷达常以线数区分,并通常设计为2的指数级,如4线、8线、16线、32线、64线及问世不久的128线顶级测试产品。线数是指激光发射光源数,16线产品有16个光源,以此类推。目前能上路的自动驾驶汽车中,凡涉及激光雷达者,使用的几乎都是美国Velodyne的产品。这家公司成立于1983年,位于硅谷,其激光雷达产品是行业标配,占八成以上市场份额。


“芯片化”才能瘦身降价


线数决定激光雷达的分辨率。激光雷达以旋转扫描的方式工作,一个光源扫一圈,得到一条360度的水平环形视线,这也是为什么无人车顶的“大花盆”都要不停旋转。光源越多,视线越密集,实时地图的分辨率越高。张智武以素描类比:素描由线条构成,线条越密,画越清晰。


最早的国产16线产品于2016年推出,目前最高40线。制造多线数激光雷达,国内厂商普遍面临工艺繁琐的问题。以传统方式增加激光雷达线数就像拼接越来越宽的暖气片,造成产品体积成倍放大,同时极大增加量产难度。据激光雷达企业饮冰科技CEO金元浩介绍:“现有工艺条件下,提高线数需要增加印制电路板的数量,激光雷达的体积也会随之大幅增加。尺度和集成度必须兼顾。”


国外厂商之所以能做出64甚至128线的激光雷达,内部元件的芯片化起到决定作用:缩减激光雷达的体积、减少散热、有助于量产。这需要容量大、传输速度快、信息处理高效的专用芯片。目前国内激光雷达企业一般购买德国osram发射器。对此,国内智能汽车研究专家黄武陵强调“核心芯片,尤其是发射器和探测器,国产化程度、抗干扰等方面需要提高”。不同于手机芯片,接收芯片不追求单位面积晶体管数量最多,但对分辨率有更高要求。原来需求少,一年几万片,这两年风口突然转向高分辨率的高质量传感器,接收芯片生产工艺不成熟,技术能力不足。“激光信号的接收对集成度要求很高,原来做1×1的单点传感器,现在汽车对分辨率要求高,要1064×768。”金元浩说。按自主工艺生产这个分辨率的产品,与半块汽车前挡风玻璃大小相当,用起来不现实。因此,国货正在从分辨率没那么高的芯片起步追赶。


自主研发,备战量产市场


国内有研究所、激光雷达厂商正在自主研发发射芯片和接收芯片,但都处在初级阶段,产品尚未定型。“车载激光雷达是小众行业,近几年随着国内L2级自动驾驶的发展才有市场,行业技术储备不够,人力投入不足。”金元浩说。他所在的公司就在做16线激光雷达的发射芯片,但也是用低价产品抢占市场份额。


线数相同,不同产品的效果也不尽相同。据金元浩介绍,精度、稳定性、分辨率等参数与主流产品还有差异。尤其国产激光雷达的稳定性相对不足,汽车行业又对安全性要求极高,测试时间长,本来不大的市场,更难觅国货踪迹。


激光雷达贵,一在必需,二在紧俏。这是一个完全意义上的卖方市场。Velodyne 16线产品年初价格减半后仍达4000美元,百度智能车搭载的64线产品(也是目前市场适用的最高级)约8万美元,比一般汽车都贵。价格是无人车量产和商业化的拦路虎。


正因如此,国产激光雷达才要攻关。据张智武介绍,北科天绘的16线产品去年卖价5万元人民币,今年不到3万元,和Velodyne 16线的折扣相当,“一旦做出来,售价就腰斩”。议价空间之外,自动驾驶一旦从测试走到量产,激光雷达市场巨大,国货不能拱手让人。


新的技术方案也在出现,“激光雷达正往固态化方向发展,国内厂商需要抓住新的方向,与国外同行同步发展。”黄武陵说。相对于传统的360度机械旋转激光雷达,固态激光雷达基于电子部件进行数据读写,去除了机械旋转部件,是革命性技术。这条新赛道上,国内厂商可与国外同行站上同一起跑线。


20. “命门火衰”,重型燃气轮机的叶片之殇


重型燃气轮机(以下简称重燃),名副其实的大国重器。作为迄今为止热/功转换效率最高的动力机械,广泛应用于机械驱动(如舰船、火车)和大型电站。我国现已具备轻型燃机(功率5万千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5万千瓦以上)仍基本依赖引进。据悉,重燃发电机组目前占全国发电装机总量的3%左右,虽不是一大块,却是不可或缺的一块——启停快捷、热效率更高、污染更少的燃机机组,作为大电网调峰容量的最佳选择,在国家能源安全中扮演着无可替代的全局性角色。没有自主化能力,意味着我国能源安全的重要一环,仍然受制于人,存在被“卡脖子”的风险。


极致技术:对质量和性能近乎变态的追求


把熔化的液态金属浇入模具,等它凝固;在显微镜下看其金相,会呈现形似“干裂农田”状的缝隙,专业术语称之为“晶界”。“晶界是金属的薄弱环节。”国家科技重大专项“重型燃气轮机”技术负责人表示。为提高金属材料在高温下的强度,就要想办法消除晶界。这是一个极其复杂、漫长的过程,包括精确的温度控制,以及精密铸造、定向/拉单晶等工艺。其核心部件的毛坯“都是来自国外”;核心设备单晶炉,也须从国外进口。该技术负责人解释,作为一种旋转叶轮式热力发动机,燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高温下长期稳定地工作,目前没有任何金属可以做到。怎么办?


极限工况催生出极致技术,一种对质量和性能疯狂到近乎变态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的强度之外,“只有靠冷却”:叶片是中空的,以便通冷却空气;表面有陶瓷涂层、冷却气膜,使它跟高温燃气隔离,等等。


更关键一点,在以上复杂流程的所有环节,任何一项技术参数都不能有丝毫偏差,“这是它跟常规制造流程最大的不同”。他强调,常规制造中还有一个安全系数,即一定的容错裕量;而“极限制造完全是另一概念”:叶片是空心的、又很薄,除了精铸,目前没有其他工艺手段可以做出来,未来3D打印能不能解决还不清楚;铸造过程中,材料的夹渣、裂纹、疏松、气孔以及变形等,都会影响叶片的强度和性能。因为“它本身是不可能的,要靠好多极限手段硬让它变得可能”,所有技术必须做到极致。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被允许。


体系差距:即使有钱也不知从哪下手


美国GE公司高层曾声称,要买重燃成套技术,除非买下整个GE。


“重型燃气轮机”重大专项总设计师顾春伟教授和上述技术负责人都谈到,国际上大的重燃厂家,主要就是美国GE、日本三菱、德国西门子、意大利安萨尔多4家,与国内三大动力合作的也是这4家。但他们都附带苛刻条件:首先,设计技术不转让;其次,核心的热端部件制造技术也不转让,仅以许可证方式许可本土制造非核心部件。


这两条注定了,没有自主设计能力,我们需要什么样的重燃、能要到什么样的重燃,只能听从人家的意志。核心制造技术不转让,国内上了那么多重燃发电机组,设备运维、备件提供完全受制于人,长期安全稳定运行堪忧;本土制造的许可证又都有期限,到期之后能否付钱再延,还须看他人眼色。所谓“卡脖子”,莫此为甚。


跨国公司秘不示人、惜之如命的设计技术,是真正的核心技术。顾春伟表示,重燃三大部件(压气机、燃烧室、燃气透平)的设计都是难上加难,因为它们需要“大量基础研究支撑”和“长期试验验证及经验积累”,没有长期积累,“即使有钱你也不知从哪儿下手”。


仍以叶片为例。即使分毫不差做足各种极致功课,叶片材料仍是有寿命期限的:重燃叶片,寿命在5万小时、3万小时不等,到期必须报废。怎么证明5万小时安全运行没问题?极限工况下、5万小时连续不断的材料试验必不可少。试想,一年8000多小时,5万小时要做将近6年,“这还只是做一轮配方、一轮工艺所需时间”,所以“一个人一辈子都做不了几个母合金”。它意味着巨量的投资、巨量的耗时和巨量的数据采集,而且每一步都必须亲历亲为,否则就“不知其所以然”。


“尽早建立起我国完整的设计体系、试验验证体系,才是重燃自主化的关键所在”,中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责人如是说。


三位一体:工匠的经验仍不可或缺


叶片精铸过程中,“拉单晶”工艺很有画面感。上述技术负责人介绍,一般的铸造,是把金属液浇入模坑、自然冷却,出来的产品是多晶体,就会有晶界。而透平叶片单晶/定向铸造,“是在底下选一个晶体,让它慢慢往上走;上面保持高温,还是液体;然后这个界面一点点往上冷却,所以凝固时间特别长”。


顾春伟称之为“多物理场耦合”,即制造流程中,每一环节涉及各种细节的工艺控制,这种控制又受到各种物理条件的影响,比如湿度、温度、速度等控制下的成型,“每一步都是工匠、工艺、设备的‘三位一体’”。


三位一体中,设备当然必不可少,“先进单晶炉须从德国进口,国产的目前仍不完善。但光强调设备也不行”。单晶制造过程中,涉及多个环节、多位顶尖高手,每人各管一段;每人都身怀绝技,相互不可替代。包括所有的参数控制、补偿等,既靠数据标准,更有“手上的功夫”,也就是经验积累。因为“多物理场耦合”中,没有一把尺子可以包打天下。这是基于大数据的3D打印仍无法终结工匠的道理,也是我国高端制造流程中目前最紧缺的一环。


21. “靶点”难寻,国产创新药很迷惘


iCLIP技术的发明,让人们抛弃精密的观测仪器,也能确定RNA(核糖核酸)和蛋白质在哪个位置“交汇”,甚至可以读出位点“密码”。


生物学者习惯将iCLIP这个词拆解为3部分,i:单点,就像捋着一条绳子,看它上面哪里打了个结,哪里挂了“灯笼”;CL:交联,通过紫外照射等方法让细胞内RNA和蛋白质的关系好成“老铁”,扯也扯不断;IP:沉淀,把“老铁们”从细胞里“薅”出来,有目的地处理。


iCLIP技术难,犹如万千人海中找一个人,要从几十亿个碱基对找到一个或几个确定的结合点,精确度可想而知。自2010年该技术在《细胞》上首发,近几年已逐渐成为相关领域论文登上CNS(《细胞》《自然》《科学》)顶级刊物的“标配”实验技术,国内实验室却极少有成熟经验。


有文章报道,国外研究团队已在RNA操控中展开“技术竞赛”,研究论文以几个月为周期轮番在CNS上演。越来越多证据显示,非编码RNA同样控制着生命活动,RNA上大量未被发现的作用位点,可能是创新药的潜在靶点,iCLIP是发现潜在靶点的“利器”之一。


条件摸索耗时耗力耗感情


“条件的摸索纯粹是体力活。”一位熟悉该技术的研究人员表示,虽然实验技术无需购买、不受专利限制、能够从期刊文献中学来,但从国外期刊中检索到的技术路线完全无法照搬,不同种类细胞(淋巴细胞、巨噬细胞等)需要一整套完全不同的技术体系。以IP那部分“免疫共沉淀”为例,要想“薅”对“老铁”,必须要选择正确的抗体,进行正确的抗原抗体反应。进行细胞培养、裂解等多步实验之后,研究人员才能知道抗体对不对,科研团队通常会从多家公司购买抗体,同时从公司定制,多条腿走路,否则浪费时间和情感。


普遍认为,实验室如果没有对某一个蛋白的抗原抗体反应的经验积累,不熟悉几个靠谱的抗体生产公司,那是不敢贸然尝试“薅”这一步的。“很费时间,抗体是特异性的,3—6个月才能生产出来,也很费钱,一小管抗体好几千元。”该研究人员说。裂解液浓度、RNA酶的确定完全是基础化学实验的方法,“扫荡式”的排查之后才能够确定合适的浓度和种类。加“陡”了,很可能什么都得不到,加少了,又会留下很多杂质,摸索就是在“不漏网一个”和“不错杀一千”中寻求平衡点。“RNA比DNA脆弱。”清华大学生命科学院教授杨茂君说,因此对反应条件的控制相当苛刻,容错度较低。“摸条件很枯燥,是体力活,要不断重复,要耐得住寂寞。”一位完成iCLIP实验流程的研究人员回应,有很多实验室来交流,也提出要借仪器,还抄走了整个流程,但是全部没了下文。“这个技术,不下定决心去做,是很难顺利地走下来的。”


小小接头成了CNS论文的“拦路虎”


核酸接头是整个iCLIP实验中最核心的关键物质之一。它能够引导DNA(与RNA对应)富集从头开始,把特定序列变多并被探测到,最终“捞出海面”,这就好比放出个“信号智能追踪器”,精确匹配、忠诚锚定序列末端是对它的基本要求。


国内的方法是设计随机引物,广撒薄收,总会撞上某一段。但随机引物接不上RNA和蛋白质结合的位点,必须特别设计从头开始的接头合成对应的DNA链,把RNA“拓印”下来,进行测序。


“特别设计”在某些实验中体现为预腺苷化、磷酸化的处理,但在国内买不到此类“接头”。事实上,在拥有雄厚技术实力、大量知识产权的大公司的国家,基因测序公司提供包括接头合成在内的服务,国内却找不到。


“我们之前也没下决心一定要做iCLIP。”该研究人员说,但是有篇论文投稿了《自然》,审稿人要求完成iCLIP,当时实验室决定补充其他内容改投《细胞》,换了个期刊,审稿人仍然要求完成iCLIP。最终,实验室不得不从国外买来引物,完成本该是产业的部分工作,满足了审稿人的要求。


小试剂,折射化学工业差距


这不是“小试剂”第一次卡住中国生物产业的脖子。


多年前,我国某基因测序企业购买Illumina公司生产的基因测序仪,由于Illumina公司突然对匹配的易耗品“试剂盒”提价,给企业经营造成巨大影响。该企业最终下定决心砸巨资购买另一家掌握核心技术的国外制造企业,最终有了中国自己的基因测序仪。不只接头,用化学方法在RNA某个核苷酸的第6个位点上,直接连接上一个分子基团,这种“指哪打哪”的精细活,国内的生物公司基本还没涉足。


“这些应用技术都建立在基础研究之上。”中美冠科生物技术公司毛冠平博士认为,理论基础研究比想象中更重要。化学是生物的基础,但由于行业的“老旧”,精密化学合成的底子被扔下了多年,生命科学研究中的多种试剂盒也是国外产品比国内产品的口碑好。“我国的创新药真要有突破,就要从靶点做起。”中科院院士、四川大学教授魏于全认为,要做创新药,发现新靶点的基础研究必不可少,而这类论文无疑应有实力见诸CNS顶级刊物。


化学药新药的药效原理目前是对体内某一关键蛋白质作用位点的“钳制”或者“激活”。抛开后续的临床安全评价不谈,单从有效性上看,高水平的、能够精确到作用位点的研究不可或缺。魏于全感到紧迫:“别人把靶点都发现了,又有技术,怎么可能做不出来新药。如果用别人的靶点,做出来的药也很难是新药。”


无论新药创制有没有“新蓝海”,仍在于精确位点上的较量。


22. 射频器件:仰给于人的手机尴尬


手机的射频器件,好比部队的无线电兵,通信全靠它。中国是世界最大的手机生产国,但造不了高端的手机射频器件。这需要材料、工艺和设计经验的踏实积累。


高端射频芯片缺少国货


一块手机的主板上,1/3的空间是射频电路。


声音要传到千里之外,得先转化成高频的射电波。信息编码成一秒钟几十亿波峰的正弦电波,对方手机接收和还原,纹丝不乱。这就是射频器件的本事。射频器件的核心部件是功率放大器芯片,也叫射频芯片,4G手机一般会用4到5颗。


“我们好比是修高速公路的,路修得越宽、越平直,车跑得越多、越快。”专业设计射频芯片的Vanchip公司工程师王利明说。“手机发展趋势是更轻薄,功耗更小,频段更多,带宽更大,这就向射频芯片提出了挑战。”王利明说,“射频芯片将数字信号转化成电磁波,4G手机要支持十几个频段,信息带宽几十兆。信号不能受干扰,这很难。”2018年,射频芯片市场150亿美元;高端市场基本没有国货,被Skyworks、Qorvo和 博通3家垄断,高通也占一席之地。“多年以来,这几家的产品已经很有口碑,性能很稳定。所以大手机公司比如苹果、华为和三星等等,基本都用它们的。”王利明说。


国货的买家多为小品牌手机,且国货多为2G、3G芯片;4G射频芯片基本都是洋货。


射频芯片的电路设计是玄妙的艺术


高频电波的信号很脆弱,在复杂的电磁环境里,保持信号的清晰稳定,有赖于各环节的抗干扰性。设计这种电路,是一门尚未完全找到规律的艺术。


比如说,有瑕疵的射频芯片像扩音喇叭一样,会发出尖利的无用信号。排查故障是非常麻烦的。射频电路怕噪声干扰,但引入噪声的可能性太多了——电源、邻近电路、耦合、发热、自身元件……


不合理的建模,生产出来的电路,一个和另一个的效果天差地别。而从图纸变为实际电路,更需要设计师的丰富经验。何种布局,如何抵消各元件的不良影响,兼容不理想的元件,设计师都要有办法。引入新元件,小了不起作用,大了又产生新的干扰。元件用多了,功耗又会增大……


设计师在考虑“要不要给反馈环串联一个小电阻来缓冲?”“是否改一下地线引脚以屏蔽噪声?”这类问题时,往往没有现成答案,靠经验和试错。试探着稳定电路,好像把鸡蛋立在鸭蛋上,常凭感觉。


射频芯片属于模拟电路,跟处理“1”和“0”的数字电路不同。数字电路设计类似于编程,有成熟的模块和自动化工具;而设计模拟电路,要面对的是复杂未知的自然世界。


电子创新网创始人张国斌说:“数字电路领域更多需要市场反应速度,国内有不少做得好的公司,但设计和生产射频器件,需要各种基础科学知识,经验积累和制造是关键,‘弯道超车’几乎不可能。”


小小滤波器,中国造不好


射频器件的另一个关键元件——滤波器,国内外差距更大。手机使用的高端滤波器,几十亿美元的市场,完全归属Qorvo等国外射频器件巨头。


滤波器可去除目标频段以外的信号,是很基础的电路器件。4G手机用的是更精准和昂贵的滤波器,一台手机要装10来个。这种高端滤波器基于压电效应原理,引入声波来工作;它的基底和涂层采用一些新材料(其中一些用在最好的军用雷达上),加工精度要很高,涉及到薄膜沉积和微机械工艺。


滤波器频段边缘越“陡峭”,越能避免邻近频段的信号干扰。“比如带通滤波器就像一扇门,高端产品的门框可以很好,将杂乱信号滤得很干净。”张国斌说,“在性能指标上如中心频率、截止频率、线性度、灵敏度等方面我们比别人落后,一时还赶不上去。”基础元器件的差距不止这一个。张国斌举了个例子:射频电路都有振荡器,它需要一个高精度晶体振荡器,高频信号需要倍频信号,若晶体振荡器的频率精度不够,则多次倍增后信号就会差到不能用。而最精准的晶体振荡器,多数产自海外。


材料是绕不过去的坎


所有的高端元件,都与高性能材料有关。


张国斌说,射频电路需要高电子迁移率,这方面砷化镓和硅锗等化合物半导体表现要比硅材料好很多。虽然我们国家在上世纪60年代就开始了化合物半导体基础材料研发,但商业化上材料的一致性、电性能均匀性还不理想,这方面有很多核心知识需要自己去摸索,是我们的短板。


“比如半导体材料的掺杂比例不同,性能差别很大。就好像做蛋糕放鸡蛋,鸡蛋的比例决定蛋糕松软程度。该放多少?别人不告诉你。你也不可能凭着撞大运就成功。”


张国斌说,半导体材料的实验,周期很长,不是一两年就能做出成绩。“我国在这方面有不少学校在研究,做得也不错,但有些材料量产化还不行。”


另外,高端射频器件使用新材料,也需要设计者熟悉相应的特殊工艺和封装。没有创新的工艺,即使采用新材料,良品率也会差得多。


因此,国内的射频芯片设计公司都是找代工厂。而国外几家巨头都有自己的晶圆厂,不会把看家的秘密拿到别人的工厂。


23. 真空蒸镀机匮缺:高端显示屏上的阴影


未来可卷曲、如纸一样轻薄的各类终端屏幕主要选材是OLED(有机发光二极管),OLED生产过程最重要的一环就是“蒸”,工艺难度极高。


真空蒸镀机就如同OLED面板制程的“心脏”,被日本Canon Tokki独占高端市场,说其掌握着OLED产业的咽喉也不过分,业界对它的年产量预测通常在几台到十几台之间。有钱也买不到,说的就是它。可惜,目前我国还没有生产蒸镀机的企业,在这个领域我们没什么发言权。


这台设备就如同生产OLED面板的“入场券”


买到Canon Tokki的设备就如同得到了一张生产OLED面板的“入场券”,Canon Tokki在业内的名声很像顶级光刻机企业ASML,神一样的存在。


仅有300多名员工,却基本垄断了全球真空蒸镀机的供应,每台报价过亿美元,仍然一机难求,排队等货因此成为常态。


据说京东方6代柔性OLED生产线能够提前量产的重要前提就是,拿到了Canon Tokki的真空蒸镀机。三星之所以能垄断中小尺寸OLED的生产和供货,也是因为有了Canon Tokki的助攻。


蒸镀设备厂商不止一家,Canon Tokki为什么一机难求?因为它量产稳定与技术成熟的优势无人可比。


买到Canon Tokki的设备就能有良品率吗?不然。


中粤金桥投资合伙人罗浩元对记者说:“蒸镀设备虽然是OLED生产中的关键环节,但一条生产线要实现批量化、高品质的生产,要对整个生产链进行科学管理及整合,确保每一道工序可控、可靠。但是,没有真空蒸镀设备,以上无从谈起。”


Canon Tokki能把蒸镀误差控制在5微米以内


蒸镀是OLED制造工艺的关键,直接影响着OLED屏幕显示,蒸镀机的工作就是把OLED有机发光材料精准、均匀、可控地蒸镀到基板上。


OLED显示面板中大量应用的有机材料极易受到氧气和水的影响,有机材料间也很容易造成污染,因此,面板的蒸镀一般都是在真空环境下且相互独立进行。


通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成薄膜,这个过程就是真空蒸镀。


“通俗地说,OLED屏幕每个像素都是蒸上去的,除了发光材料,金属电极等也是这样蒸上去的,实际操作非常复杂。


Canon Tokki能把有机发光材料蒸镀到基板上的误差控制在5微米内,这是什么概念?1微米相当于头发直径的1%。”罗浩元说,“没有其他公司的蒸镀机能达到这个精准度。”


潜心于一个领域20余年,让Canon Tokki拥有不少专利,比如,它很早就将机器视觉应用在设备上。生产环节中,对准玻璃基板和用作像素模板的细金属网难度很大,利用摄像头追踪,Canon Tokki可将误差范围缩小到人体红细胞大小。


这是一场多维度、立体化的综合性突破


就如中国科学院院士、中国科学院物理研究所欧阳钟灿教授所说,中国平板显示全球第一,但大而不强。我国OLED企业主要聚集在产业链中下游的面板和手机等显示终端产品应用领域,上游核心生产设备完全依靠进口。


当年三星从全球40多家蒸镀机业者选到今天最牛的Canon Tokki,在OLED产业蛰伏期,Tokki遭逢破产危机时,依然全力扶持,这种患难情谊让三星一度独家拿下Canon Tokki的全部产量。


电子创新网创始人、半导体技术专家张国斌对记者说:“虽然离了Canon Tokki三星也可能玩不转,但三星对产业趋势和技术的判断、把握值得我们反省。”


罗浩元比较认同张国斌的观点:“具体到真空蒸镀机这种卡住产业咽喉的核心装备,能不能追,怎么追,从上到下都很迷茫。我国目前的OLED产业布局和推进方式可以让我们短期内形成产业规模,却无法实现高端设备的自主研发、装备能力。这个问题不解决,别说真空蒸镀机,其他OLED装备的突破也将是空谈。”


中国电子材料行业协会常务副秘书长袁桐认为,材料或设备并不是单一的产品,它牵涉到面板系统性的工艺和技术,如果只凭配套企业一己之力,可能只能实现某一种材料或设备的国产化替代。罗浩元说:“这是一场多维度、立体化的综合性突破。”


OLED的生产难度在精密制造,精密制造的技术壁垒在精密设备。国内OLED大型生产线装备虽仍一片空白,但OLED科研型蒸镀设备已达国际水平,中试型生产装备已成功研发。“虽然距离摆脱‘真空’有点远,但好歹上路了。”罗浩元说。


“真空蒸镀机等核心设备的缺失,反映出我国基础研究、精密加工、自动化控制等多领域的短板。”罗浩元说,“虽然很难,但一代人有一代人的任务,希望我们这一代能生产出真空蒸镀机。”


24. 传感器疏察,被愚钝的机器人“国产触觉”


给一个压力,还一个电信号。触觉传感器的简单转变就能让真实世界以“二进制”的方式传给机器人。


行业内,工艺不过关


精确、稳定的严苛要求,拦住了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐,目前国内传感器企业大多从事气体、温度等类型传感器的生产。在一个有着100多家企业的行业中,几乎没有传感器制造商进行触觉传感器的生产。


可见,对卖方而言,工艺门槛太高;对买方而言,国产货没有障。“一个向左、一个向右”的局面,形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。


行业外,材料不够纯


除了生产工艺,材料纯度也是从实验室到工业生产的“扼咽之处”。


技术复杂,另一道坎


日渐复杂的技术也让国产产品落得越来越远。


有布局,但转化难推进


我国在触觉传感器的一种——多维力传感器的研究方面,很早就进行了布局。不可否认的是,在原创技术的追赶中,后来者必须绕过先行者的相关专利保护,除非找到明显更优解,否则很可能会因为绕过专利而提高技术达成的门槛,大多数时候,传说中的“变道超车”要靠运气。


25. 居者无其屋,国产航空发动机的短舱之困


短舱,是飞机上安放发动机的舱室,俗称“房子”,模样类似整流罩,主要由发动机进气道、整流罩和尾喷口组成,起整流、降噪、保护和为安装发动机部分附件提供平台的作用。


“与人们熟知的在高温、高压、高速等极端工况下工作的航空发动机热端部件相比,短舱属于‘低温部件’技术,是航空推进系统最重要的核心部件之一,所需的技术难度极高。其成本约占全部发动机的1/4左右。”北京天骄航空产业投资有限公司国家“千人计划”专家王光秋博士说。


目前,新一代大涵道比航空发动机短舱,主要由航空业顶级制造商美国古德里奇提供,包括波音787和空客A350/A320neo等,也包括庞巴迪C系列和巴西航空公司的E系列支线飞机。美国GE与法国赛风合资的奈赛公司也是一家短舱供应商,向用于B737、A330等飞机的推进系统提供短舱。而我国在这一重要领域尚属空白。


26. 丧失先机,没有自研操作系统的大国之痛


电脑和手机里,操作系统就像总经理。每次开启电源,操作系统第一个上岗,它根据用户的动作,命令各种硬件干活。软件的计算需求,经操作系统翻译,向各种硬件发出指令。但中国没有自己的操作系统。


缺少自研操作系统,不仅是中国的痛点,英、俄、日、德、印等强国用的都是美国人的操作系统。操作系统天然垄断,赢家通吃。美国先人一步,占据高点。


27. 中兴的“芯”病,中国的心病


当地时间16日,一记重拳向中兴通讯砸下。美国商务部表示,由于中兴通讯违反了曾与美国政府达成的和解协议,7年内禁止美国企业向中兴通讯出口任何技术、产品。


招商电子分析称,中兴通讯的主营业务有基站、光通信及手机,而芯片在这三大领域均存在一定程度的自给率不足。


28. 这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背


指甲盖大小的芯片,密布千万电线,纹丝不乱,需要极端精准的照相机——光刻机。光刻机精度,决定了芯片的上限。高精度光刻机产自ASML、尼康和佳能三家;顶级光刻机由ASML垄断。


“十二五”科技成就展览上,上海微电子装备公司(SMEE)生产的中国最好的光刻机,与中国的大飞机、登月车并列。它的加工精度是90纳米,相当于2004年上市的奔腾四CPU的水准。国外已经做到了十几纳米。

 
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