“中國制造不像我們想象的那么強大，西方工業，也沒有衰退到依賴中國。我們的制造業還沒有升級，制造業者已開始撤離。”在向服務業轉型的口號聲中，工業和信息化部部長苗圩按捺不住說了真話，那么，亟待攻克的核心材料、技術有哪些？

1. 去不掉的火箭發動機“銹疾”

“不銹鋼能不能不生銹？”這個有點黑色幽默的問題，幾乎讓中國航天科技集團六院發動機專家、長征五號運載火箭副總設計師陳建華落下心病。

在我國120噸級液氧煤油補燃循環發動機YF-100的研制過程中，陳建華注意到好幾種高強度不銹鋼都容易生銹。從2011年開始，他跟老朋友，鋼鐵研究總院特殊鋼研究所副所長蘇杰無數次溝通，雙方壓力都很大。

如今，長征六號、七號、五號火箭相繼首飛了，陳建華仍沒有得到完全讓人信服的答案。

強度和防銹性能是對矛盾體

用于火箭發動機的鋼材需具備多種特性，其中高強度是必須滿足的重要指標。蘇杰向記者介紹，過去我國火箭發動機上采用的奧氏體不銹鋼，屈服強度約為300兆帕，而新一代運載火箭所用材料，強度是其2到4倍。

然而，不銹鋼的強度和防銹性能，卻是魚和熊掌般難以兼得的矛盾體。“需要明確一個概念，不銹鋼是會生銹的。”蘇杰說，“簡單來講，鋼材的耐蝕性主要依靠合金元素‘鉻’的含量，但如果該元素加得太高，強度就上不去。因此高強度的材料，防銹能力一定會較差。”

北京科技大學材料科學與工程學院教授李靜媛補充說，提高不銹鋼強度常用的方法是析出強化。在熱處理工藝中，鋼材料內部會析出一些微粒，彌散分布于基體中導致硬化。“但是，微粒析出的位置會出現缺陷，缺陷處合金元素減少、組織結構出現差異，破壞了金屬材料的均勻性，就容易發生腐蝕，也就是通常所說的‘生銹’。”她表示。

陳建華表示，火箭發動機材料如果只是有點浮銹問題不大，但如果嚴重生銹，可能帶來很大影響。

假設閥門的閥芯生銹，會使閥門在開合過程中遇到阻力，導致反應速度出問題。如果銹得厲害，還可能發生泄漏。要是管道生銹，銹塊隨著燃料流動，可能引起堵塞。

世界難題：國外發動機材料也生銹

生銹問題帶來的苦惱，陳建華深有體會。“為了防銹，我們規定發動機見水不能超過幾小時。可發動機沾水在所難免。例如做水力試驗，每次做完得趕緊把發動機拉回廠里，放進爐子烘干。”他說，“長征五號火箭只能在海南文昌發射，暴露在潮濕環境下多久會生銹？我只關心這個。”

他有一塊國外發動機材料，放在倉庫多年依舊光亮。

蘇杰坦陳，我國在新材料研發方面與發達國家還有差距，目前主要處于仿制階段。現在我國航天材料大多用的是國外上世紀六七十年代用的材料，只是如今工藝技術更先進，生產的同樣材料性能更好。

李靜媛對此頗為憂慮：如果遇到高端產品，國外不公開材料成分、工藝，我們難免會被“卡住脖子”。

同時她認為，我國擁有一流的設備，但管理水平與國外存在差距。例如發達國家在生產過程中會嚴格控制雜質含量，如果純度不達標，便重新回爐，但國內廠家往往缺乏這種嚴謹的態度。

不過蘇杰說，陳建華那塊國外材料后來被拿到海南，與國產材料做對比，結果兩者同時生銹。“完全依靠材料自身實現高強度和防銹性能兼備，這是世界性難題。”蘇杰表示。

魚和熊掌兼得需借助外援

李靜媛認為，要實現魚和熊掌兼得，可以進行更為科學的成分設計，例如加入抗蝕性元素、強化元素等，并對各元素的加入量進行科學配比。

但蘇杰認為，這是理論性的方向，正確但不適用。“對于航天動力這樣高強度級別的材料，我們已經盡可能優化，兼顧了耐蝕性。”他說，“耐蝕性更好的材料有很多，但我們的核心不在于保證不生銹，而是強度、韌性等多方面性能的匹配。”

其實航天材料防銹并非不能實現，只是需要借助“外援”。蘇杰說，通過材料和工藝配合，一方面利用材料自身防銹能力，一方面采用表面涂層處理或往材料內腔注入干燥空氣、氮氣等輔助手段，已經解決了生銹問題。

陳建華表示，六院也針對生銹問題專門開展了試片研究，并對產品適應性進行了充分考核驗證。通過對貯存5年的發動機進行多次考核，發現其工作狀況良好。

但他仍沒有完全放心。陳建華說，對于我國正在發展的可重復使用火箭發動機，使用時間更長，其內部要反復經受煤油浸泡，又不能拆開處理，對防銹能力的考驗會更嚴峻。又如我國新一代運載火箭，現在是無人發射，將來要是載人，安全可靠性要求更高。生銹問題到底有沒有影響？這些問題必須搞清楚。

2.環氧樹脂韌性不足，國產碳纖維缺股勁兒

“碳纖維產業鏈核心環節很多，包括上游原絲生產、中游碳化環節、下游復合材料及其應用，經過十多年的研發和突破，目前我國碳纖維的‘卡脖子’問題主要在下游應用環節，即復合材料和制品方面。”中國化學纖維工業協會副會長賀燕麗說。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料，之所以其質量能比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，還能耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等特性，其中一個關鍵的復合輔材就是環氧樹脂。環氧樹脂具有優良的物理機械和電絕緣性能，附著力強，能將碳纖維粘接在一起。但目前國內生產的高端碳纖維，所使用的環氧樹脂全部都是進口的。

脆弱的環氧樹脂改性之難

碳纖維按照力學性能可分為高強型、超高強型、高模量型和超高模量型。在日本東麗公司產品代號中，T指橫截面面積為1平方厘米單位數量的該類碳纖維可承受的拉力噸數，即T數越高，碳纖維質量越好；模量指受外拉力或壓力后恢復原形的拉伸模量。目前，我國已能生產T800等較高端的碳纖維了，但日本東麗掌握這一技術的時間是上世紀90年代。

中國復合材料集團有限公司董事長張定金說，相比于碳纖維，我國高端環氧樹脂產業落后于國際的情況更為嚴重。特別是應用在飛機、航空航天等領域的高端碳纖維中。

分子結構中含有環氧基團的高分子化合物統稱為環氧樹脂，除碳纖維外，還廣泛應用于機械、電子、家電和土建工程等領域。高端環氧樹脂依賴進口一方面與我國化學工業基礎薄弱有關，另一方面與環氧樹脂本身特性有關。一個分子鏈上有兩個以上的多官能團分子，可以交聯反應而形成不溶、不熔具有三向網狀結構的高聚物。而航空結構件的使用環境極為嚴苛，碳纖維復合材料必須能長期耐得住上百攝氏度的高溫和零下幾十攝氏度的低溫；同時，在濕熱條件下玻璃化轉變溫度、彈性模量及壓縮強度不能顯著下降，這就需要更高官能度、環氧值而且黏度合適的相關產品。

分子中能參與反應的官能團數被稱作官能度，有業內人士表示，不是官能度越高越好。能度太高，復合材料會過于堅硬無韌性。因此，必須具體到在不同使用條件下，考慮強度、模量、韌性、高低溫、疲勞等，從配方體系、分子結構去分析，這是一個非常復雜的系統工作，而且科技含量高、研究難度大。

環氧樹脂的耐候性與玻璃化轉變溫度有直接關系，復合材料在航空領域應用時，普遍要求環氧樹脂玻璃化轉變溫度不能低于180℃，而目前國產樹脂領域絕大多數企業還不具備相關技術。

缺智能自動化設備

對連續碳纖維增強復合材料使用性能構成最大威脅的是復合材料的低速沖擊分層損傷，這也是高性能復合材料能否在飛機結構中推廣應用的核心。造成復合材料對沖擊分層損傷敏感的主要原因之一是環氧樹脂本身韌性不足。

為滿足要求，增韌后的復合材料沖擊后壓縮強度（CAI值）至少需達到200—300兆帕水平。目前，國際上通行的樹脂增韌方法包括原位粒子增韌或離位插層增韌。“各分子間組合關系非常復雜，要最終達到剛韌兼顧，沒有長期的研究基礎和多年實驗自然很難研制成功。”樹脂協會環氧分會秘書長孔振武說。

“環氧樹脂的改性還與智能自動化設備息息相關。”東華大學材料科學與工程學院教授余木火表示，我國碳纖維生產時間短，缺乏低成本的成套自動化生產設備，導致生產效率低、產品穩定性不足等問題。

“還需要對這樣的智能化設備加大研發和生產力度。”賀燕麗說。

應用牽引不足進步慢

環氧樹脂情況特殊，“不同用途，其結構和性能等都不同。”孔振武說，我國碳纖維材料生產與應用相互脫節，應用對之牽引不足，沒有反饋修正，環氧樹脂等技術進步自然也就慢了。

目前，高端碳纖維用得最多的是在飛機上，如在波音B787機型上，使用東麗公司生產的碳纖維復合材料已占總材料用量的50%。2016年，東麗公司的碳纖維產量約為4萬噸；而我國碳纖維企業30多家，總產能2萬噸左右，實際產量約7000噸。

東麗碳纖維大量使用在波音上絕非是一朝一夕之功。從上世紀80年代開始，東麗公司就和波音進行全方位合作，東麗人甚至是住到了波音公司里，根據波音要求來設計、生產碳纖維。直到2011年—2012年，使用碳纖維的飛機才開始試飛，磨合時間長達近30年，并根據波音的使用要求和反饋，不斷糾錯、修正產品。

此外，在一個行業中一旦形成領先效應，超越就很難。目前波音飛機、美國F-22和F-35戰斗機上使用的碳纖維環氧樹脂都來自美國亨斯曼公司。余木火說，亨斯曼的產品早已通過了材料和工藝認證，如果要使用其他企業生產的環氧樹脂，還需要一個漫長、繁復的論證過程，碳纖維生產企業自然愿意使用亨斯曼的。這也不利于國內高端環氧樹脂產品迎頭趕上。

3.通往超精密拋光工藝之巔，路阻且長

在茫茫宇宙中，一個類金屬合金宇宙探測器以超光速掠過，它由被強互作用力鎖死的質子與中子構成，因表面絕對光滑而可以反射一切電磁波，并且無堅不摧……這是劉慈欣在科幻小說《三體》中提到的一種名叫“水滴”的宇宙飛行器。

事實上，人類對“絕對光滑”的追求也已經從科學幻想轉變為實踐，比如推動“集成電路變身革命”的超精密拋光技術。像《三體》中描述的一樣，當前最為先進的化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）技術也已進入原子尺寸級。而當電子工業強國爭相攀登或到達這一工藝巔峰之時，我們卻還只能仰望。

現代電子工業，超精密拋光是靈魂

物理拋光是上世紀80年代之前最為常用的拋光技術，但是電子工業的高速發展對材料器件的尺寸、平整度提出越來越嚴苛的要求。當一塊毫米厚度的基片需要被制成幾十萬層的集成電路時，傳統老舊的拋光工藝已經遠遠不能達到要求。

“以晶片制造為例，拋光是整個工藝的最后一環，目的是改善晶片加工前一道工藝所留下的微小缺陷以獲得最佳的平行度。”中科院國家納米科學中心研究院王奇博士說。

今天的光電子信息產業水平，對作為光電子基片材料的藍寶石、單晶硅等材料的平行度要求越來越精密，已經達到了納米級。這就意味著，拋光工藝也已隨之進入納米級的超精密程度。

超精密拋光工藝在現代制造業中有多重要，其應用的領域能夠直接說明問題：集成電路制造、醫療器械、汽車配件、數碼配件、精密模具、航空航天。

王奇說：“超精密拋光技術在現代電子工業中所要完成的使命，不僅僅是平坦化不同的材料，而且要平坦化多層材料，使得幾毫米見方的硅片通過這種‘全局平坦化’形成上萬至百萬晶體管組成的超大規模集成電路。例如人類發明的計算機從幾十噸變身為現在的幾百克，沒有超精密拋光不行，它是技術靈魂。”

核心技術被雪藏，國內需求受制于人

浙江晶盛機電股份有限公司是我國電子制造業追逐“全局平坦化”的開路先鋒之一，公司多年從事拋光工藝研發的技術主管孫明說：“如果把拋光工藝比作做煎餅，卡我們脖子的就是鍋，別人的鍋不粘鍋底，而我們做不到。”

孫明所說的“鍋”就是拋光機的核心器件——“磨盤”。超精密拋光對拋光機中磨盤的材料構成和技術要求近乎苛刻，這種由特殊材料合成的鋼盤，不僅要滿足自動化操作的納米級精密度，更要具備精確的熱膨脹系數。

當拋光機處在高速運轉狀態時，如果熱膨脹作用導致磨盤的熱變形，基片的平面度和平行度就無法保證。而這種不能被允許發生的熱變形誤差不是幾毫米或幾微米，而是幾納米。

目前，美國日本等國際頂級的拋光工藝已經可以滿足60英寸基片原材料的精密拋光要求（屬超大尺寸），他們據此掌控著超精密拋光工藝的核心技術，牢牢把握了全球市場的主動權。而事實上，把握住這項技術，也就在很大程度上掌控了電子制造業的發展。

孫明介紹，日本產拋光機的研磨盤均為定制，不進行批量生產，直接限制了他國仿制；王奇說，美國的拋光設備銷往中國，價格一般都在1000萬元以上，而且銷售訂單已經排至2019年年底，此前不接受任何訂單。

“面對如此嚴密的技術封鎖，我們很急，春秋時期，魯班為人類發明石磨助力了農耕文明，如今我們的電子工業進步卻再次被一種磨盤卡住了脖子。但是再急，目前我們還得等，要么等進口，要么自主研發。”王奇說。

登頂技術巔峰，求人不如求己

其實在超精密拋光領域內，中國并非毫無建樹。作為一套技術要求極高的合成工藝，超精密化學機械拋光工藝精必須由設備和材料（拋光液）組成，二者缺一不可。

2011年，王奇博士團隊研發的“二氧化鈰微球粒度標準物質及其制備技術”獲得中國石油和化學工業聯合會技術發明一等獎，相關納米級粒度標準物質獲得國家計量器具許可和國家一級標準物質證書。二氧化鈰新材料的超精密拋光生產試驗效果一舉趕超了國外傳統材料，填補了該領域空白。

但是王奇說：“這并不意味著我們已經攀登到了這一領域的頂峰，對于整體工藝來說，只有拋光液而沒有超精密拋光機，我們最多還只是賣材料的。”

孫明認為，明確現代電子工業生產制造的具體要求，才能找準攻克超精密拋光工藝的方向：“拋光工藝需要滿足目前電子工業制造的要求，可以概括為超精密、大尺寸。有了頂級的拋光材料僅僅是基礎，以此為基礎，我們還需要分兩步走，首先解決磨盤問題，其次解決拋光面積擴大問題。”

孫明介紹，美國、日本拋光機磨盤的材料構成和制作工藝一直是個謎。換言之，購買和使用他們的產品，并不代表可以仿制甚至復制他們的產品，這是兩回事。

“用什么材料和工藝才能合成這種熱膨脹率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盤，是我們首先需要集中力量攻克的技術難題，這個問題一旦解決，60英寸拋光作業面也將不再是夢想。而這樣的核心技術，永遠不能指望從別人手中獲得，除了依靠自己，我們別無選擇。”孫明說。

4. 拙鈍的探測器模糊了醫學影像

給奔跑的博爾特拍照，很容易“虛”。給跳動的心臟拍照，CT（電子計算機斷層掃描）也有相似的難題。

雪上加霜的是，傳統CT的斷層“視野”太窄，就好比“門縫里看博爾特”，拍個全身還必須拍好幾張拼出一幅圖。

由于速度和視野的限制，給跳動的心臟準確成像是CT機誕生后幾十年內沒能達成的使命。近年來，一些進口高端CT機通過技術創新有所突破，主要是在探測器上下足功夫。“進口的高端CT機為什么貴，一些實力雄厚的醫院購買也要掂量掂量，主要貴在探測器上。”一位醫學影像設備研發人員介紹，每個探測器單元價值幾萬元，最高端的320排CT探測器要上千萬元。

不掌握核心工藝

“排”是指CT掃描機探測器的陣列數，排數越多，探測器寬度越寬，一次掃描完成的寬度也就越大。如果CT探測器配備了320排探測單元，每排0.5毫米，一次掃描就可覆蓋正常成年人的心臟。

在接收X射線的同時，探測單元還必須成矩陣地高速旋轉，速度之快就像“武功高手”能讓一個弧面圍成一個“鐵桶”，而每旋轉一圈就要從2400—9600個不同角度對心臟的投影成像，感應速度要快，才能使整個心臟的一管一脈在這個“鐵桶”里被捕捉。

工藝方面，探測器的拼接工藝要求極高，排數越多生產工藝復雜程度成倍數增加。兩個探測單元排列在一起，中間的間隙如何做到最小，多個單元如何排列才能讓探測器單位面積上接收到X光的效率最高，這些都是工藝上要考慮的問題。

中科院自動化研究所、中科院分子影像重點實驗室副研究員王坤表示：“探測器具體的制造工藝是商業機密，企業是不可能披露的。就好比相機鏡頭在專利中可以呈現如何設計并描述拋面形狀，但不會透露加工方法和鍍膜材料。”

中科院分子影像重點實驗室團隊做過一次調研顯示，在傳統醫學成像（CT、磁共振等）上，我國最早的專利比美國平均晚20年。在專利數量上，美國是我國的10倍。這意味著整個產業已經完全掌握在國外企業的手里了，所有的知識產權，所有的原創成果，所有的科研積累都在國外，中國只占很少的一部分。更現實的情況是，在這一“賽道”中，已領先發展50年的國外龍頭企業布下大量的“專利”壁壘，限制了后來者的跟隨和超越。

材質是機密

“X光射線穿過生物體后，由探測器捕捉。探測器捕捉靈敏度如何，單位面積上能獲得X光的感應力度如何，決定了探測器的好壞。”王坤解釋，這取決于探測器使用的感應材質。

業內一篇題為《誰是頂級CT的老大？》的文章中列舉了飛利浦、西門子等頂級醫學影像設備制造商的CT機。對于探測器選用的材質，各大國際生產企業都諱莫如深，猶如獨門機密般以代號性詞語描述——GE將其Revolution CT的探測器晶體命名為“寶石”，而西門子則稱其為“獨有光子晶片”。

相關資料顯示，CT成像系統中探測器的首選方案為閃爍探測器，其中的關鍵部分是可將入射的不可見X光子轉換為可見光的閃爍晶體或熒光物質，完成后續成像。中國閃爍晶體從業的科研人員較少，閃爍晶體方面的人才培養單位只有上海硅酸鹽所等個別單位，自主開發的新型閃爍晶體較少，晶體生長和性能研究方面的結合較少。

在晶體材料研發和生產的困窘之下，也有企業試圖從海外謀求出路。例如，東軟醫療于去年對國外某領先的CT探測器核心材料制造商完成戰略投資。這樣的購買行為是否會買回核心技術還需時日驗證。

苦追無益，換條賽道破題

“目前國產醫學影像設備的大部分元器件依賴進口”，王坤說，國內企業如果從頭研發將根本無法盈利，而且至少要花10年、20年才能達到別人的現有水平。而到那個時候，最先進的醫學影像技術又發生了變化，還是競爭不過國外的企業。

如何擺脫跟著別人走的窘境？業內人士認為，與其在過去的傳統影像上競爭，不如在新的、更前沿的影像領域直接和國外展開競爭。

可競跑的新賽道中就有“分子影像”，即通過把造影劑打到人體內標記生物分子，進而看到人體內基因、蛋白等分子變化，可直接在活體上看到體內分子活動。分子影像的概念1999年才在國際上被提出，我國2002年跟進。現在在該領域的論文發表、知識產權積累、國際國內專利數量上我國跟國外差不多。

“分子影像這條道路上，我國目前與國外齊頭并進。”王坤認為，科學研究有基礎才能支撐起產業的持續發展與競爭力。據了解，中國科學院分子影像重點實驗室已研發出可在手術中導航的成像儀，在等待國家食藥監總局的認證批準，其元器件全部實現國產化。相關的分子探針也已進入新藥審批流程。

除了在新領域上搶占先機，國家也已經啟動了相關研發計劃，立項提出了明確的目標，推動高端CT儀的生產和制造，以解決高端CT依賴進口的“卡脖子”問題。

5. 攻克核心技術需建立“試用生態”

6月21日，中國工程院院士、中國工程院原副院長杜祥琬，中國工程院院士倪光南等多領域專家，出席“亟待攻克的核心技術”科學傳播沙龍，共同探討如何破解我國核心技術受制于人的困境。

在談到我國網信領域“卡脖子”技術時，倪光南院士指出：“創新產品從起步到成熟，需要在應用中不斷發展。”他認為，在一些核心技術領域，自主技術產品已經從“不可用”過渡到了“可用”階段，如果有用戶基礎，并形成順暢的反饋機制，我國網信領域的一些軟硬件就會從“可用”向“好用”發展。

“在我國，尖端儀器設備多半靠進口。”杜祥琬表示，有些技術國內也有人做，但要想走向規模化的應用，需要有好的生態，“用起來”是關鍵。他表示，起步晚的國產儀器設備與成熟的國際產品相比會有這樣那樣的毛病，這些毛病只有用了才能發現，只有用了才能改進，只有用得夠多才能趕上世界最好的、質量最高的儀器。因此獲得試用機會是國產設備“入圍尖端”所需的生態之一。

作為專注航空發動機技術20余年的專家，國家“千人計劃”特聘專家、天驕航空創新研究院常務副院長王光秋指出，在航空發動機技術領域，近年來我國已取得了多項進展，但技術應用仍然是有待解決的關鍵問題之一。他舉例說，在一些航空發動機型號中，噴油嘴制造采用了3D打印技術，雖然目前我國3D打印產業蓬勃發展，企業數量龐大，但還沒能將相關技術應用于航空發動機零部件。

如何構建技術使用生態？中國科學技術發展戰略研究院預測所所長王革認為，構建生態首先要強調企業主體，以企業為主體才能把核心技術變成產品走向市場；其次要創新體制機制，例如構建以應用為導向的評價體系等。

自主可控是達到技術安全和網絡安全的必要條件。倪光南建議一些項目立項時應進行自主可控的評估。評估需要回答三個問題：有沒有第二家供貨商，是否掌握核心代碼，沒有供貨怎么辦。

“我們希望企業所有的產品都應該有備份能力，性能可以沒有國外系統優秀，但可以應付市場上可能出現的各種情況。”倪光南表示，項目評估時，相關單位本著客觀態度容許企業可以“有而不強”，將是生態建設的一個重要方面。

6. 一層隔膜兩重天：國產鋰電池尚需撥云見日

“也不知道這輛車的電池能堅持多久？”

6月15日上午，望著窗外駛過的又一輛新能源汽車，南開大學新能源材料化學研究所所長、博士生導師周震習慣性地自語道。

從事新能源材料研究20多年，看著日漸增多的新能源汽車，周震欣喜之余，仍存憂慮，“鋰電池的基礎材料研究，我們與世界一流水平還有差距，尤其高端電池隔膜材料仍然依賴進口”。

在周震等業內專家看來，作為新能源車的“心臟”，國產鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）目前“跳”得還不夠穩。

跨越太平洋的“四國游戲”

去年全球動力電池銷量前10的企業中，中國企業就占了7席，在市場份額上超越日本，占據了世界第一位；預計到2020年，我國在全球電池市場所占的份額將達七成以上；目前我國電池生產企業已超過了200家，是全球擁有鋰電池生產企業最多的國家……然而這一串的數字，并沒有讓業內人士覺得驕傲，不少人接受采訪時指出，雖然我國已經形成了比較完善的動力電池產業鏈，電池產業規模夠大，但是還遠稱不上強。

在鋰電池領域存在著一個跨越太平洋的“四國游戲”。“從行業角度來看，美國有比較強的研發設計能力，目前仍然引領鋰電池原始創新、核心材料研發；日本作為電池材料制造大國，生產規范嚴格，能夠最先制造出新的成品電池；我國和韓國作為第二梯隊，后續跟進……”周震解釋說，“相較日、韓，我國的低端鋰電池產品更有優勢，主要是由于人工和原始材料相對便宜，但是在部分高端產品，尤其是事關電池安全性的核心材料和制造工藝，仍有較大的差距。”

據了解，電池四大核心材料中，正、負極材料、電解液都已實現了國產化，唯獨隔膜仍是短板。國產隔膜主要供應低端3C類電池市場，高端隔膜目前依然大量依賴進口。核心專利缺乏，隔膜等關鍵材料不給力，不僅成了國產鋰電池難以承受之痛，也拖了國產鋰電池企業“走出去”的后腿。

一層薄膜兩重天

電池材料專家說，隔膜是鋰電池的關鍵組件之一，隔膜主要材質為多孔質的高分子膜，包括聚乙烯及聚丙烯。鋰電池用的隔膜對安全性、滲透性、孔隙度及厚度都有嚴苛的要求。“在鋰電池內部，帶有電荷的離子，在正負極間流動穿梭，才能形成電流，而隔膜位于電池內部正負極之間，既要防止正、負極直接接觸，又要確保電解質離子順利通行。”周震形象地解釋說，電池電解液猶如河流，鋰離子好比河上行駛的小船，隔膜是攔腰而建的大壩，一個個隔膜孔就像是大壩上的閘門，正常情況下，離子自由穿梭到達正負極，完成充放電的循環。

“高端的隔膜一般附帶有陶瓷材料，如果電解液溫度過高，材料膨脹，孔隙會像閘門一樣關閉，切斷離子交流，從而避免電池因溫度過高而起火爆炸。”周震說，隔膜是鋰電材料中技術壁壘最高的一種材料，其技術難點在于造孔的工程技術、基體材料，以及制造設備。“技術要求高，價格自然也就貴，差不多占到了電池總成本一成以上。”

目前，世界上最好的鋰電池隔膜材料出自旭化成和東燃化學兩家日本公司，而國內鋰電池鋁塑膜市場九成份額也被昭和電工等日本廠商壟斷。天津力神公司的工程師告訴記者，與日本相比，我國的高端隔膜差距明顯。國產隔膜產品一致性不高，存在孔隙率不達標，厚度、孔隙分布以及孔徑分布不均等問題。

隔膜的品質直接影響電池容量、充放電循環壽命、阻燃止爆安全性能等指標。業內人士感慨：“一層隔膜兩重天，邁過去就是晴天！”

國產隔膜急需突破

目前鋰電池隔膜制造工藝主要分濕法和干法。了解到，我國在干法工藝上已邁入了世界第一方陣，但在濕法隔膜領域，國內企業雖掌握方法，但整體仍難以與外國巨頭抗衡，此外，核心生產設備也主要依賴進口。

數據顯示，2017年，國內鋰電市場規模達到了1130億元左右，其中動力鋰電池規模大約600億元。而國家工信部印發的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2011—2020年）》也顯示，到2020年我國純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力達200萬輛/年。有電池行業協會據此估算，我國未來每年需要的高品質車用動力電池隔膜材料需求量將達到數億平方米。

“鋰電池發展要想不受制于人，隔膜等高端材料無法回避！”天津巴莫股份有限公司總經理吳孟濤認為，如此巨大的市場需求，完全依賴外國廠商，不僅不現實，也將是國產動力鋰電池最大隱憂。

高端隔膜技術具有相當高的門檻，不僅要投入巨額的資金，還需要有強大的研發和生產團隊、純熟的工藝技術和高水平的生產線。“對于濕法制造工藝來說，樹脂材料與添加劑的擠出混合過程以及拉伸過程是兩大核心難點。”周震認為，國內隔膜企業要想有更大的作為，必須要在基礎材料表面處理工藝、膠粘劑配方工藝、產品沖壓拉伸等涉及材料、設備和工藝控制等三大領域“補課”，此外，在隔膜產業鏈上游，包括國產涂布機等在內核心生產裝備也需要迎頭趕上，盡快實現國產化更大突破。

“好比登山，離山頂越近成功登頂的希望就越大，而這時需要付出的努力也多！”周震說道。

7. 國產焊接電源“啞火”，機器人水下作業有心無力

我國是海洋大國，擁有300多萬平方公里海域，正在大力發展高端海洋資源開發和海洋維權裝備。海里的設備一旦出現開裂等故障，需要用有工業制造“縫紉機”之稱的焊接裝備修補。

深海焊接的實現靠水下機器人。而我國水下機器人焊接技術一直難以提升，原因是高端焊接電源技術受制于人。

水下焊接電源是關鍵

“埋在深海里的油管有可能因船只沖撞，或者核電站乏燃料池因地震等原因，引起開裂、破口等事故，需要立刻焊接維修，這時就得靠水下機器人出馬，進行水下焊接。”華南理工大學機械與汽車工程學院王振民教授介紹，“水下焊接工藝質量優劣直接影響到大型裝備的服役性能。”

水下機器人，顧名思義是能在不同水深中進行多種作業的機器人。海洋島礁建造、海上油氣田、水壩建設、大型船艦修復、核泄露事故應急水下修補、軍事海防工程等，它都能應付自如。“人不敢去的地方它都敢去。”王振民說。

水下機器人焊接質量的好壞，受制于多種技術，其中最為關鍵的是焊接電源。“焊接電源為焊接電弧提供能量，焊接時電弧穩定燃燒是基本要求。”王振民說。

水火不相容，偏偏水下焊接就是要在水中通過“火”來完成的。由于焊接區域周邊一直處于水的強冷狀態，待焊接工件的表面也有水，在焊接電弧的引弧和燃弧過程中，電弧易熄滅，熔化金屬難以流動擴展，嚴重影響到水下焊接時電弧穩定性。王振民表示，電弧穩定性主要取決于焊接電源的電特性及其動態調控能力。

然而，目前我國水下機器人焊接領域普遍使用陸上通用型（常壓環境）弧焊電源，或在此基礎上進行結構微調，對水下專用焊接電源的研究非常少，缺乏高性能的水下焊接電源，嚴重制約了水下機器人焊接質量的提升。

高端焊接電源基本被國外壟斷

雖然我國是全球最大焊接電源制造基地，年產能已超1000萬臺套，但高端焊接電源基本上仍被國外壟斷。“國外焊接電源全數字化控制技術已相對成熟，國內的仍以模擬控制技術為主。”王振民說。

由于國產電源不給力，水下機器人焊接技術一直難以得到提升。“弧焊工藝控制的智能化程度偏低，國內對焊接基礎研究投入不足，工藝積累有限，導致產品除價格外，與進口產品相比不具有競爭優勢。”王振民指出，國產焊接電源網絡化自動化水平較低，導致各個自動化焊接部件信息量的傳遞十分有限，難以實現復雜焊接工藝的協同調控。

“北歐的海洋開采非常早，儲備了相當多的焊接技術，擁有深海水下焊接設備。而我國開采海洋平臺深度比較淺，技術處于發展階段。”華南理工大學機械與汽車工程學院教授石永華指出，“他們有在水深一千米以下海域進行焊接的能力，而我們沒有。”

現在只有國外一兩家企業完全掌握水下機器人焊接技術。我國只能向國外購買，不僅價格貴，后期維護成本也極其高昂，同時還要被嚴格審核使用領域、范圍。

“國外技術人員來檢修深海石油管道，在出現問題的地方畫個圈圈，幾百萬甚至上千萬元人民幣就沒了。”王振民說。

技術雖有突破 卻難以產業化

華南理工大學是我國最早開展現代逆變式焊接電源裝備技術的單位，近年來，他們研發了逆變頻率可高達200kHz的新一代大功率逆變式焊接電源，逆變頻率的提高意味著對焊接電弧以及熔滴過渡行為的控制將更為精確。

與國外現有頻率20kHz的工業級焊接電源相比，雖技術有了較大突破，但王振民卻高興不起來，他說：“產業化還有很長的路要走。”

專業焊接人才極其匱乏是重要原因。王振民認為，一方面，研究此領域難以發論文，很多人都轉研究方向了；另一方面，焊接電源涉及多學科領域，其控制方法與實際的焊接工藝過程密切相關，有較高的技術門檻，研究和應用都需要長時間積累，但近十多年，國內不少高校的焊接專業已被取消，用人單位對焊接的重視程度也不夠，待遇差，導致了人才儲備遠遠不足。

此外，“我國焊接裝備產業原有機械部定點的30多個國有廠家，多半已處于破產、倒閉或者關停狀態，但目前市場上唱主角的均為改革開放以后成長起來的900多家合資企業和民營企業，而其中絕大部分民營企業幾乎沒有研發能力。”王振民建議，應逐步完善以市場為導向、政產學研用相結合的技術創新體系。

8. 少了三種關鍵材料，燃料電池商業化難成文章

前段時間，國務院總理***在日本豐田汽車北海道工廠參觀考察了氫燃料電池車。這一舉動，被解讀為對氫燃料電池車產業釋放出利好信號。

一個有些尷尬的現實是，國外的燃料電池車已實現量產，但我國車用燃料電池還處在技術驗證階段。南方科技大學機械與能源工程系教授王海江指出，我國車用燃料電池的現狀是——幾乎無部件生產商，無車用電堆生產公司，只有極少量商業運行燃料電池車。

燃料電池是“一支隊伍”

一般來說，單節燃料電池的電壓偏低、電流偏大，在實際應用中需要由多節燃料電池串聯形成電堆，以提升輸出電壓。

氫燃料電池的動力來源是氫氣和氧氣，兩者會在燃料電池中開始它們的“奇幻”旅程：氫在陽極催化作用下氧化，生成質子和電子；電子經外電路做功，到達陰極；而質子通過質子交換膜從電池內部傳輸到陰極，質子與電子在陰極匯合并在催化作用下與氧反應生成水。

看起來似乎只是初中化學知識。但實際上，燃料電池的運作，是一個系統工程。

燃料電池不像普通蓄電池，反而更像發電機——把燃料和氧化劑“喝”進去，將電發出來。所以，除了電堆，燃料電池還有燃料供應子系統，氧化劑供應子系統，水熱管理子系統以及熱管理和控制系統……總之，人家是團隊作戰。

“燃料電池車是新能源車的一種，它是未來的發展方向之一。”中科院大連化物所燃料電池研究部部長邵志剛說，2014年年底，日本豐田公司宣布實現燃料電池車的商業化；而在國內，一切尚處于起步階段。

關鍵材料還缺批量生產線

車用燃料電池，一般為質子交換膜燃料電池。

它有兩大關鍵部件，一個叫膜電極組件，一個叫雙極板。前者其實是由“三兄弟”構成：質子交換膜、催化層和氣體擴散層。

質子交換膜的主要功能是傳輸質子，分隔反應氣體以及電子絕緣。它負責“把門”，把質子放過去，把電子攔下來；催化層主要搭載的是催化劑，催化劑可以促進氫、氧在電極上的氧化還原過程并產生電流；氣體擴散層則由基底層和微孔層組成，它要求具有高導電性、導熱性和疏水性。

這些關鍵材料，決定著燃料電池的壽命和性能。

“巧婦難為無米之炊。我們的關鍵材料長期依賴國外，一旦國外禁售，我國的燃料電池產業便沒有了材料基礎支撐。”清華大學氫燃料電池實驗室主任王誠說。

其實，這些材料我國并非完全沒有，有些實驗室成果甚至已達到國際水平。但是，沒有批量生產線，燃料電池產業鏈依然梗阻。特別是在氣體擴散層量產技術方面，我國還是空白。“這是因為氣體擴散層的石墨化工序需要經過2000℃以上的高溫才能制備，但關鍵設備高溫爐技術還掌握在國外手中。”王誠解釋。

要實現材料的批量生產，就得解決一致性和成本控制問題。它和實驗室制備的難度不可同日而語。以催化劑為例，王誠說，目前商用的燃料電池催化劑仍是鉑基催化劑，實驗室制備水平一般為毫克級，量產技術需公斤級水平。

批量生產要突破三項關鍵技術：一是反應條件的均一，確保批次穩定性；二是鉑顆粒納米尺寸控制，確保催化活性比表面積；三是提升碳載體的穩定性，達到車用工況下的使用壽命。將實驗室成果進行工業化放大是一項關鍵技術，需要企業介入。“

長期以來，我國燃料電池的研發主要由高校和科研院所進行。企業持觀望態度，參與得少，加入得晚。”邵志剛所在的大連化物所從1994年就開始開展車用燃料電池研究。但基礎研究和應用之間的斷裂，使得關鍵材料的工業化成為一道坎。

要商業化，還得強鏈、補鏈

王海江此番回國，就是想帶著在燃料電池領域深耕多年的經驗，和團隊在深圳建成燃料電池產業鏈。

先有了南科燃料電池有限公司，主要做電堆關鍵部分生產、電堆集成和測試。但如果電堆原材料均需從國外進口，成本太高。于是，團隊又成立了一家公司，主攻氣體擴散層、質子交換膜和催化劑三種關鍵材料的國產化。“到時，燃料電池的成本能下降三分之一。”王海江說。目前，我國電堆及產業鏈企業數量逐漸增長，預計2018年國內電堆產能將超過40萬kW。“純電動汽車近幾年有很大進步，為燃料電池的應用創造了非常好的條件。”王誠表示，“此時，我們就更需要聚焦燃料電池內核創新。”

要打破發達國家的長期技術壟斷，就得加大對燃料電池核心材料產業化的投入。接受采訪的專家均指出，燃料電池產業鏈“非常長”，涉及到氫能系統、燃料電池發電系統以及汽車等終端產品。“國內零部件、氫基礎設施以及標準規范還不健全，需要強鏈、補鏈，帶動新材料、新能源、汽車高端裝備制造成長，才能促進燃料電池商業化提速。”王誠強調。

9. 水下連接缺國產利器，海底觀測網傍人籬壁

除了船舶、遙感衛星，海底觀測網已成為第三種海洋觀測平臺——通過它，人類可以深入到水下觀測和認識海洋。

如果將各類纜系觀測平臺比作胳膊、腿，水下連接器就好比關節，對海底觀測網系統的建設、運行和維護有著不可替代的作用。

目前，北美、西歐和日本等十余個國家已擁有海底觀測網。2017年3月，我國最大規模的國家海底科學觀測網正式被批復建立，項目總投資超20億元，建設周期5年。該網將在我國東海和南海分別建立海底觀測子系統，實現東海和南海從海底向海面的全天候、實時和高分辨率的多界面立體綜合觀測，服務于科學前沿研究，并兼顧海洋環境監測、災害預警、國防安全與國家權益等方面的需求。

遺憾的是，無論是國家海底長期科學觀測網，還是短期實驗觀測網，目前我國水下連接器市場基本被外國壟斷。體積約2個易拉罐，最高售價80萬元。

水下連接器分為干插拔連接器和濕插拔連接器。

江蘇中天科技股份有限公司楊華勇博士告訴記者，干插拔連接器在陸上完成插拔操作，然后放入水下使用，我國已基本掌握該項技術。濕插拔連接器難度更高，過程好比充電插頭與手機在水下完成插合，充電完畢后直接在水中拔下插頭，目前仍沒有可用的國內產品。

“濕插拔連接器為實現海底觀測網與海底電纜之間的可靠連接，以及觀測信息網絡系統的設備擴展與重組提供了解決方案。”國家海洋技術中心研究員羅續業說，經過幾十年發展，目前已經形成不同電壓等級的系列濕插拔電連接器和不同芯數的系列濕插拔光纖連接器，甚至濕插拔光電復合連接器。

從外觀上看，濕插拔連接器與兩個易拉罐大小相當。

“根據布放海域的水深、電壓的大小，以及多芯還是單芯，價格差別懸殊，最貴的售價約80萬元，最便宜的也要20萬元。”楊華勇說。更重要的是，實驗觀測網要使用多個濕插拔連接器，并且連接器插拔次數壽命有限。

水下插合要滿足動態密封要求

有些規模大的觀測網在海底綿延數千公里，供電電壓達1萬伏甚至更高。

觀測網的電源被“裝”進一個叫接駁盒的“房子”里。在主干光電復合纜與主接駁盒的電能、通信傳輸，以及次接駁盒與傳感器的電能及通訊傳輸中，都要通過濕插拔連接器這道“關卡”。

濕插拔連接器其實是一對公頭和母頭，母頭被固定。

“好比注射器，如果活塞與管壁結合嚴密，推動活塞可以將注射器內的液體全部排干凈。”楊華勇說，濕插拔連接器不僅要滿足應用時插合狀態的密封要求，還要滿足動態密封要求——在插針未插入時閉合密封，插針插入和插合到位過程中也要保持密封。

但其工作環境往往在幾千米的水下，巨大的壓力下“活塞”與“管壁”難免變形。

水下壓力也讓內部空腔與外表面形成巨大壓差，連接器很難被拔開。“我們將內部腔體充滿液體，并通過彈性皮囊與外部海水接觸，海水壓力增加時，通過皮囊擠壓腔體內部的液體，從而保證腔體內外壓力平衡。”在楊華勇看來，壓力平衡技術為大深度水下插拔提供了解決方案，也給制造工藝和材料提出了很高要求。

連接器與配接纜間的連接和密封，與連接器的機械強度、耐水壓性能和信號傳輸性能直接相關。但水中插拔通常由水下機器人（ROV）完成，這對連接器機械強度和結構設計提出了高要求。

羅續業告訴記者，歷經幾十年發展，這項技術才在歐美國家逐漸成熟。目前在建的海底觀測網系統使用的產品幾乎都來自美國Teledyne ODI，德國公司的產品在海上油氣開采方面擁有較大份額。

我國尚處于實驗樣機階段

“十二五”期間，在國家863計劃支持下，濕插拔連接器被正式列為水下組網項目的子課題。雖然科研經費量不大，但也意味著我國濕插拔連接器技術研究正式起步。

在羅續業看來，這是因為隨著海上石油、天然氣開采和海底觀測網建設，原來“小眾”的濕插拔連接器有了更多舞臺，一旦研發成功，將拓展水下設備、儀器的使用范圍，極大推動海洋立體觀測網自主技術開發。

由于起步晚，多名采訪對象表示，在濕插拔連接器領域我國與國外差距明顯。前幾年，一臺原理樣機在實驗中被“擊穿”而喪失“武功”，并沒有在實際中應用。

“曾有國內油企明確和我說，你們不要研制濕插拔連接器，研制出來我們也不敢用、不會用。”楊華勇理解，一旦連接器出現問題，油企將遭受巨大的經濟損失。“近幾年我們開始自籌資金在‘啃難啃的骨頭’。因為一旦該連接器成為禁運品，整個海底觀測網的建設和運行將被迫中斷。”

多名采訪對象也表達了類似的觀點：海底觀測網事關國家安全，必須得到國家的高度重視。

最新消息是，最近國家已組織專家對水下濕插拔開展技術論證。

“目前我們基本掌握了原理，后續還要依靠市場和工業化手段來解決基礎材料、高精度加工工藝和深海應用試驗等問題。”楊華勇建議，濕插拔技術研究一定不能為了研究而研究，務必要按照產業化的理念來布局技術攻關，盡可能加速研發和產業化進程。

10. 微球：民族工業不能承受之輕

這種球，直徑是頭發粗細的三十分之一。少了它，你正盯著的液晶屏幕將無法生產。微球，現代工業的基礎材料，被國外企業壟斷。僅微電子領域，中國每年就要進口價值幾百億元人民幣的微球。

液晶屏的骨頭，芯片的腳

“2017年中國大陸的液晶面板出貨量達到全球的33%，產業規模約千億美元，位居全球第一。但這面板中的關鍵材料——間隔物微球，以及導電金球，全世界只有日本一兩家公司可以提供。這些材料也像芯片一樣，給人卡住了脖子。”國家“千人計劃”專家、蘇州納微科技公司董事長江必旺博士說。

手機屏幕里，每平方毫米要用一百個微球。“間隔物微球撐起了兩塊玻璃面板，相當于骨架。在兩塊玻璃面板的縫隙里，再灌進液晶。”江必旺說。

“微球決定液晶屏的厚度和均勻性，因此所有球要大小一樣。微球還得足夠強韌、光滑，不含一點金屬雜質。”江必旺說，否則會影響顯示質量。

除此以外，還有一種“光擴散微球”，大量涂抹在光擴散膜，用于液晶背光模組。

微球另一個重要的用途，是芯片的引腳。電路常用焊錫連接，但現在的芯片太小，引腳小到看不清，導電金球就替代了焊錫。

幾微米直徑的微球，混在絕緣膠里，構成“各向異性導電膜”。這層膜貼在芯片和主板之間，需要接腳的地方給予壓力，小小金球就會在兩者之間導電，這是現在微電子業標準的辦法。中國從日本進口導電膠膜每年要花費上百億元人民幣。

微球太小，篩分困難

江必旺說，無論是間隔物微球，還是導電金球，粒徑要非常精確和均勻。

微球的材料是塑料或二氧化硅。制作微球，第一步，在反應液里，塑料或者硅烷變成液球，并且固化。“就好像油快速攪拌在水里，會分散成小球一樣。”江必旺說。

這種方法做出的微球有大有小，需要精密篩分。“用一般的篩子是做不到的，因為微球每隔0.2微米是一個規格。2微米和2.2微米的兩種球，要分開是極其困難的。世界上只有日本的公司可以篩分這種微球，周期長達6個月。”江必旺說。

篩分工藝是行業秘密，大概原理是利用大小球的浮力不同，下沉有快有慢，在液體中分離。

生產導電金球，還得多幾道工序：表面處理后，鍍上一層金或者鎳。100納米厚的這層金屬，必須薄厚均勻；球和球互不粘連。普通鍍金工藝是行不通的。

由于技術門檻極高，導電金球生產被日本的積水公司壟斷。

沒有微球就造不出生物藥

江必旺博士經過十多年研發，繞過“篩分法”，發明“種子法”，打破了日本的技術壟斷，將讓下游產業極大受益。

種子法是讓幾納米大的塑料或者二氧化硅充當種子，在適當的化學環境下慢慢長成微球。長出來的微球個頭一樣大，不需要篩分。生產周期只有6天。

沒有微球，食品安全檢測、疾病診斷、環境監測……許多行業都會陷入窘境。制藥廠尤其離不開微球。江必旺說，用于提取生物藥的微球，表面有很多孔道，可以吸附特定大小的分子。

“一克微球的表面積，相當于一個足球場，如果微球表面有一些特殊基團，就可以選擇性吸附藥物有效成分。”江必旺說，全世界的生物制藥都必須使用微球做色譜填料。

這類微球不僅需要控制大小、均勻性，還需要控制孔道結構，難度很大，過去只有歐美幾家公司能生產，現在蘇州納微也已經可以量產。

國產原材料不純影響微球性能

嘗試生產微球的江必旺，遇到了想象不到的困難。

“在開發液晶間隔物微球材料時，首先就遇到國內基礎原料質量差的問題。”江必旺說，“苯乙烯是通用的化工單體，國內產能位居世界首位。但國產苯乙烯和二乙烯基苯雜質含量高，尤其是萘含量高，用其生產出來的間隔物微球機械強度低、變形大，不能滿足控制液晶顯示的要求。”最終，納微公司只得選用國外的原料。

“另外，生產高性能微球需要用不銹鋼反應釜。經多次試驗，發現用國產反應釜生產的微球，鐵含量超標；我們花了一年的時間，嘗試了很多家的國產反應釜，都是一樣的問題。而用進口的鐵含量就達標。”江必旺說。

“雖然納微開發了比日本先進的微球制造技術，但由于國產的原料質量及不銹鋼性能問題，浪費了大量時間和精力。”江必旺說，“從這個案例可以看到，中國做關鍵材料和關鍵部件的難度有多大。”

11. 自家的掘進機卻不得不用別人的主軸承

主軸承，有全斷面隧道掘進機（簡稱掘進機）的“心臟”之稱，承擔著掘進機運轉過程的主要載荷，是刀盤驅動系統的關鍵部件，工作所處狀況十分惡劣。

掘進機采用液壓、機械和電氣等諸多領域的高科技成果，運用計算機自動控制、工廠化作業、在線實時監測與導向，是集掘進、出渣、運輸、支護于一體的成套設備，長度由幾十米到200多米，總重量可達幾百噸至5000多噸，是當前地下空間施工最先進的裝備。每臺價值從數千萬元至兩三億元不等。

“就整機制造能力而言，國產掘進機已接近世界最先進水平，但最關鍵的主軸承全部依賴進口。”中國鐵建重工集團中央研究總院梅勇兵博士說。

承受巨大載荷和強烈溫升

掘進機主軸承工作環境非常惡劣，要承受高速旋轉、巨大載荷和強烈溫升。

“掘進機工作的地質具有未知和突變的特點，加上刀盤滾刀破巖時的突變載荷，使得主軸承必須承受住持續、突變和各個方向的載荷。”洛陽軸承研究所有限公司李云峰博士說。

以直徑15米掘進機為例，整機重4500噸，主軸承所在主機重2800噸，軸承連接的前部刀盤就達520噸；掘進機動力來自28組千斤頂，最大推力達22500噸，掘進速度最大每分鐘5厘米。“要傳送這樣大的推力，掘進機需配備7米大直徑的主軸承，滾動體沿圓周滾動的線速度為220米/分鐘。”李云峰說。

在地下密閉的工作空間，主軸承還因長時間連續工作產生摩擦熱，溫度從20攝氏度最高升至120攝氏度。“巨大載荷和強烈的溫升，不僅極大地降低了軸承材料的剛度，也使其強度大幅退化。”李云峰認為，這種工況，對掘進機主軸承的可靠性指標要求十分嚴苛。因技術含量高，單個主軸承成本約占掘進機的1/20左右，是掘進機所有零件中最值錢的。

“在既定施工段，若掘進機主軸承出現故障，進行現場維修或更換極為困難，甚至不可行。”梅勇兵說，這要求主軸承不能出任何故障，掘進機制造商寧愿出高價，選擇配置高可靠性的國外知名品牌主軸承。

據介紹，我國掘進機年生產規模約為450臺，僅進口軸承一項即達近10億元。

尺寸巨大結構最復雜，制造需要上百道工序

與直徑僅有幾百毫米的傳統滾動軸承相比，掘進機主軸承直徑一般為幾米，是結構最復雜的一種軸承，制造需要上百道工序，主要由套圈、滾子和保持架3部分組成。

“掘進機主軸承尺寸龐大，在安裝方式上迥異于傳統滾動軸承，必須采用螺栓與主機聯接的方式，這樣就需要安裝孔。”李云峰說，安裝傳統應用領域的軸承，一般采用通過內、外圈與主機部件配合的方式，孔的數量通常是個位數。

以直徑6.34米掘進機配套主軸承為例，其直徑3米，有20個安裝孔、40個注油孔、20個連接孔和10個定位孔，整套軸承零件總數達到600多個。

“這么多的孔，使設計和加工過程如趟雷區，務必時刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰說，如果因設計人員有一丁點疏忽，在安裝孔的位置圓周基準上出現絲毫錯誤，依圖加工后都會造成大量廢品。

除規模龐大的孔外，因尺寸原因，掘進機主軸承的截面與節圓的直徑比，遠小于傳統滾動軸承。“掘進機主軸承套圈屬于薄壁環構件，在重載條件下，難以避免套圈的結構變形，這些都增加了其力學響應的復雜性。”李云峰說。

國外現代掘進機實踐已近百年，除原材料的強度遠超國產外，在設計和工藝上更具超強的實力。“無論是主軸承工作載荷的確切理論數據，還是工程實測數據，都非常完善，為其設計和建模提供了真實而豐富的依據。”李云峰說。

當前，世界上能研制掘進機主軸承的企業僅四家，分別是德國的羅特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中，羅特艾德占有全球全斷面隧道掘進機領域絕大部分市場份額。

據悉，羅特艾德公司制造的主軸承技術和工藝水平最高，其生產的主軸承直徑已突破7米多，裝配于多臺14米直徑的掘進機，掘進隧道長度累計已超過50公里。

隨著隧道建造技術的發展，隧洞設計的里程和直徑也越來越大，往往要求單個主軸承的設計壽命達20公里以上，軸承直徑6米以上，從而進一步加大了掘進機主軸承的技術研發難題。“直徑若超過8米，軸承結構就需要分塊設計了。”李云峰說。

掌握直徑3米核心技術，實驗壽命等同國外同類產品

除受材料因素制約外，在設計和工藝上，國產掘進機主軸承與國外產品都存在很大差距。

“國內現有的滾動軸承理論，是基于剛性套圈假設，不適于分析掘進機主軸承的內部受力狀況。”洛陽軸承研究所有限公司董事長王景華說，我國掘進機制造歷史僅十余年，所有數據都非常匱乏，設計計算只能輸入估算的載荷，如此設計的軸承難以匹配實際的工況。

王景華還介紹說，國外知名軸承企業更注重軸承與主機結構的匹配，在設計時，將軸承視為主機的組成部分，二者協同進行。反觀國內，軸承與主機的設計則“各自為政”，相互獨立。“相互不熟悉，主軸承根本無法響應主機環境的力學行為。”李云峰說，要適應主機環境的力學行為，需要十分復雜的動力學模型、工程數據和數值計算平臺，國外軸承設計的合理性，是通過大量實驗驗證的，并積累了大量工程數據，這些方面在我國幾乎全是空白。

說到掘進機主軸承的制造工藝，李云峰羅列出包括機加工工藝、熱處理工藝和焊接工藝等因素。“國外的熱處理工藝已發展到無軟帶表面淬火，而國內還沒有這樣的工藝。”李云峰說，經無軟帶表面淬火處理，主軸承的滾道表面會全部硬化。如此，因重載造成的軟帶區域塑形、變形和過早疲勞剝落等故障隱患，都將徹底消除。

掘進機主軸承國產化曙光正在初現

“我們已開始與國產掘進機領軍企業——鐵建重工緊密合作，率先開展了掘進機主軸承的研究工作。”王景華透露，作為國內唯一的滾動軸承綜合性研究機構，覆蓋基礎及應用研究，擁有盾構及掘進技術（軸承）國家重點實驗室，洛陽軸承研究所正加速實現技術研發步伐，目前已掌握直徑3米的主軸承核心技術，實驗壽命等同國外同類產品，力爭2018年裝機試用。

12. 我們的蛋白質3D高清照片仰賴舶來的透射式電鏡

5月29日，清華大學生命科學院博士生張森森的蛋白樣品9時準時在液氮環境下進入冷凍電鏡。幾天后，埃（10-10）級精度的蛋白質“高清3D彩照”將出爐。研究人員可以“直視”單個蛋白質的分子結構，并解出生命運轉機理。

這期間，冷凍電鏡中的電子槍將持續發射電子，每次看一個小單元。為了解釋這個“小單元”，張森森為記者示意了一個“鑷子尖”大小的小金片，“金片上約有200個左右的均勻小孔，每個小孔中再分150個小孔，電子束一次只‘看’其中一個小孔。”金片類似蛋白質的“載玻片”，與光學顯微鏡不同的是，載玻片透光，小金片要透電子，容許電子束透過樣品時受到散射。散射信號被捕捉記錄下來，計算后可呈現分子結構。

透射式電鏡的生產能力是冷凍電鏡制造能力的基礎之一。“國內沒有一家企業生產透射式電鏡。”賽默飛公司技術支持陳寶慶說得不假思索，他畢業于北京大學地球物理專業，對行業非常了解，他介紹，“之前還有幾個企業制造，比如原江南光學儀器廠現在就不造了。”

能做到單電子束控制的燈絲，只有進口

“理論上說，只要施加足夠強的電場，電子就會從材料中‘游’出來。”陳寶慶說。但“游”的狀態與可以使用的電子狀態相距甚遠。

什么樣的電子才能為蛋白質拍攝高清3D彩照呢？東南大學材料科學與工程學院萬克樹教授描述了理想的狀態：速度完全一樣的電子，從“源頭”的一個點上、非常多地發射出來。

“這些要求是相互矛盾的。”萬克樹解釋，電子從材料表面溢出，要發射電子多，面積就要大，但是面積大了就難以滿足一致性要求。

如果把電子槍想象成一把槍，它必須以“狙擊”的精度完成機槍的掃射，“子彈”的角度、速度完全一致。

“電子的能量要做到高度一致，雖還達不到激光的程度，但也必須是很窄的分布。”陳寶慶解釋，電子“子彈”一致性是提高圖像分辨率的前提。

為此，電子槍的核心構造其實是一根極細的“陀螺針”，形似陀螺，尖端卻比針還細。電子從尖端出發，在真空的環境下，前去與大分子“相撞”，進而反映出分子構象。

“之前的技術路線是通過加熱讓電子槍發射電子，發射源（俗稱“燈絲”）用鎢絲或六硼化鑭，需要2500℃左右，高溫促使電子發射，但也使電子異常活躍、難以控制，因此熱發射電子槍的電鏡精度低。”萬克樹說。

“場發射是通過高壓電場，把電子從‘燈絲’里拉出來，室溫下可完成。”萬克樹說，“所用燈絲國內沒有生產，全部依賴進口，每根上萬美元左右。”

他提到的常溫場發射槍（肖特基電子槍）是將氧化鋯沉積在單晶鎢的晶體的特定面上。FEI公司后來在電子槍生產上又有了新的突破，將熱和場結合起來，穩定性進一步提升。在清華大學冷凍電鏡實驗室的儀器介紹中可以看到，一臺2013年購買、2015年到貨的最新型號電鏡在電子槍一欄標明“X-FEG”，有中文翻譯為超穩定高亮度電子槍。“所用燈絲在材質上與之前的一致，工藝不同能夠使亮度更強。”陳寶慶介紹。

上了郵票的科研成就，被中斷

場發射的另一個關鍵部分是牽拉出電子的外加電場，電場電壓高達300千伏。“在這樣的高壓下保持電壓穩定，才能‘拉’出穩定一致的電子，專業上稱為‘單色性好’。”萬克樹說。

據題為《中國透射式電子顯微鏡發展的歷程》的文章記載，1963年，我國就開始了高壓100kV電子槍穩定因素探討的實驗，1965年完成樣機，中國自主研制透射式電鏡于1979年達到當時的國際先進水平，還專門為國產的電子顯微鏡發行過紀念郵票。

該領域的研發卻由于種種原因一度中斷。“直到幾年前，中國也試圖重啟這方面的公司，也曾立項想要完成場發射透射電鏡的自主研發。”陳寶慶回憶，曾經有相關的科研人員，輾轉找到他詢問，為什么FEI公司沒有相關專利。

“他們想到的捷徑之一是把生產廠商的專利拿來參考，但是其中很多生產工藝是秘方級別的，根本不會外傳。”陳寶慶說。

從“看人影”到“辨雀斑”，中國研發沒使上勁

“如今，中國只有一家企業生產掃描電鏡，透射電鏡完全不生產了。”陳寶慶說，德國蔡司公司也停止了透射電鏡的生產，目前世界上生產透射電鏡的廠商只有3家，分別是日本電子、日立、FEI（2016年被賽默飛公司以42億美元收購。）

沒有市場是設備巨頭紛紛放棄透射電鏡的原因。“透射電鏡之前的清晰度，使得冷凍電鏡在科學研發上基本沒有實際作用。”陳寶慶說。可以理解為，以前只能看清楚個人影，現在卻能辨認清楚臉上的雀斑。

除了電子槍的原理變化，冷凍電鏡上其他的技術精進，例如三維重建算法的實現、樣品制作機器人的研發成功等，使得冷凍電鏡的分辨率大規模提升，成為生命科學研究的利器。

在冷凍電鏡從“看人影”到“辨雀斑”的發展歷程中，中國沒有使上勁。在冷凍電鏡實驗室中，從耗材到配件都必須進口。“加樣臺10萬元一個、小金片50元一個、外托150元一個……”張森森說，所有匹配冷凍電鏡使用的工具都需要原裝，根本不存在“山寨版”。零件壞了找不到人修理，只能等待零件郵寄到貨后進行更換。對于中國的冷凍電鏡使用者們來說，這樣的體驗可能還要持續不短的時間。

13. 中國半導體產業因光刻膠失色

“假如我們把光刻機比作一把菜刀，那么光刻膠就好比是要切割的菜，沒有高質量的菜，即使有了鋒利的菜刀，也無法做出一道佳肴。”日前，江蘇博硯電子科技有限公司技術部章宇軒在接受記者采訪時說。

在北京化工大學理學院院長聶俊眼里，我國雖然已成為世界半導體生產大國，但面板產業整體產業鏈仍較為落后。目前，上游高端電子化學品（LCD用光刻膠）幾乎全部依賴進口，必須加快面板產業關鍵核心材料基礎研究與產業化進程，才能支撐我國微電子產業未來發展及國際“地位”的確立。

彩色薄膜少了光刻膠，產生不了絢麗的畫面

顯示器是人與機器溝通的重要界面。光刻膠是整個光刻工藝的重要部分，也是國際上技術門檻最高的微電子化學品之一，主要應用在集成電路和平板顯示兩大產業。光刻技術決定了集成電路的集成度，引領了技術節點的推進和實現。

章宇軒介紹，我們在日常工作生活中，之所以能從顯示屏幕上看到色彩斑斕的畫面，就是離不開屏幕中厚度只有2μm、卻占面板成本16％的一層彩色薄膜。然而，彩色薄膜顏色的產生，必須由光刻膠來完成。

LCD是非主動發光器件，其色彩顯示必須由本身的背光系統或外部的環境光提供光源，通過驅動器與控制器形成灰階顯示，再利用彩色濾光片產生紅、綠、藍三基色，依據混色原理形成彩色顯示畫面。

其中，根據顏色的不同，可以將光刻膠分為黑色、紅色、綠色、藍色四種。彩色濾光片的制作就是在玻璃基板上應用黑色光刻膠制作黑色矩陣，再應用紅、綠、藍光刻膠制作三原色像素。

光刻膠的研發，關鍵在于其成分復雜、工藝技術難以掌握。光刻膠主要成分有高分子樹脂、色漿、單體、感光引發劑、溶劑以及添加劑，開發所涉及的技術難題眾多，需從低聚物結構設計和篩選、合成工藝的確定和優化、活性單體的篩選和控制、色漿細度控制和穩定、產品配方設計和優化、產品生產工藝優化和穩定、最終使用條件匹配和寬容度調整等方面進行調整。因此，要自主研發生產，技術難度非常之高。

江蘇漢拓光學材料有限公司副總經理孫友松告訴記者，在光刻膠研發上，我國起步晚，2000年后才開始重視。近幾年，雖說有了快速發展，但整體還處于起步階段。事實上，工藝技術水平與國外企業有著很大的差距，尤其是尖端材料及設備都仍依賴進口。

工藝技術難以突破，國內企業受制于人

“造成與國際先進水平差距的原因很多。過去由于我國在開始規劃發展集成電路產業上，布局不合理、不完整，特別是重生產加工環節的投資，而忽視了最重要的基礎材料、裝備與應用研究。目前，整個產業是中間加工環節強，前后兩端弱，核心技術至今被TOK、JSR、住友化學、信越化學等日本企業所壟斷。”江蘇博硯電子科技有限公司負責銷售的經理李中強說。

了解到，光刻膠的主要技術指標有解析度、顯影時間、異物數量、附著力、阻抗等。每一項技術指標都很重要，必須全部指標達到才能使用。因此，國外企業在配方、生產工藝技術等方面，對中國長期封鎖。事實上，我國是在缺乏經驗、缺乏專業技術人才，缺失關鍵上游原材料的條件下，全靠自己摸索。近年來，盡管光刻膠研發有了一定突破，但國產光刻膠還是用不起來。目前，國外阻抗已達到15次方以上，而國內企業只能做到10次方，滿足不了客戶工藝要求和產品升級的要求，有的工藝雖達標了，但批次穩定性不好。

“10次方的光刻膠經過多次烘烤，由于達不到客戶需求的防靜電作用，不能應用到最新一代窄邊框、全面屏等高端面板上。而國外做到15次方就有了很好的防靜電作用。這還是我們的光刻膠材料、配方、生產工藝方面存在問題。”李中強說。

關鍵指標達不到要求，國內企業始終受制于人。就拿在國際上具有一定競爭實力的京東方來說，目前已建立17個面板顯示生產基地，其中，有16個已經投產。但京東方用于高端面板的光刻膠，仍然由國外企業提供。

基礎性研究仍需發力，政府要重視鼓勵應用牽引

能讓顯示屏幕絢麗多彩的光刻膠，仍是中國半導體產業之“痛”。該如何打破歐美及日本等國家和地區的封鎖與壟斷？

業內人士認為，按照現在“單打獨斗”的研發路徑，肯定不行。政府相關部門要加大產業政策的配套支持力度，應從加快完善整個產業鏈出發，定向梳理國內缺失的、產業依賴度高的關鍵核心電子化學品，要針對電子化學品開發難度高，檢測設備要求高的特點，組織匯聚一些優勢企業和專家，形成一個產業聯盟，國家建立一個生產應用示范平臺，集中力量突破一些關鍵技術。

有專家提出，盡管國產光刻膠在高端面板一時用不起來，但政府還是要從政策上鼓勵國內普通面板的生產企業盡快用起來。只有在應用過程中才能發現問題，解決問題，不斷提升技術、工藝與產品水平，實現我國關鍵電子化學品材料的國產化，完善我國集成電路的產業鏈，滿足國家和重點產業的需求。

14. 高端軸承鋼，難以補齊的中國制造業短板

“高端軸承依賴進口，為什么我們自己造不出來？”在調研了東三省、浙江、山東等五六個省份之后，中科院山東技術轉化中心常務副主任王東升找到了答案：最大的問題出在材質上，“沒有好鋼，永遠造不出高端軸承”。

作為機械設備中不可或缺的核心零部件，軸承支撐機械旋轉體，降低其摩擦系數，并保證其回轉精度。在他看來，無論飛機、汽車、高鐵，還是高精密機床、儀器儀表，“凡是旋轉的部分，都需要軸承”。

毫不夸張地說，發動機中的軸承一直在“煉獄”中工作——它不僅要以每分鐘上萬轉的速度長時間高速運轉，還要承受著各種形式的應力擠壓、摩擦與超高溫。這對軸承的精度、性能、壽命和可靠性提出了高要求，而決定這四點的關鍵因素，在于其材質。

遺憾的是，雖然我國的制軸工藝已經接近世界頂尖水平，但材質——也就是高端軸承用鋼幾乎全部依賴進口。

作為“中國企業100強”，這家鋼鐵集團擁有自己的精品鋼基地，但卻做不出軸承用高端鋼，只能依賴進口，前不久，花了近1億元進口軸承用鋼。

“PPM”在煉鋼中是氧含量的單位，意指百萬分率或百萬分之幾。中科院金屬研究所專家告訴記者，一般而言，在鋼鐵行業，8個PPM的鋼屬于好鋼；5個PPM的鋼屬于頂級鋼，正是高端軸承所需要的。高端軸承用鋼的研發、制造與銷售基本上被世界軸承巨頭美國鐵姆肯、瑞典SKF所壟斷。前幾年，他們分別在山東煙臺、濟南建立基地，采購中國的低端材質，運用他們的核心技術做成高端軸承，以十倍的價格賣給中國市場。

煉鋼過程中加入稀土，就能使原本優質的鋼變得更加“堅強”。但怎么加，這是世界軸承巨頭們的核心秘密。

稀土被稱為“工業維生素”，稀土鋼是指含有一定量稀土的鋼。上世紀80年代，我國曾掀起稀土鋼的研發和應用高潮，科學家們普遍認為，煉鋼過程中加入稀土是解決高端軸承用鋼的技術方向，但是在鋼中加入稀土后，鋼的性能變得時好時壞，在大規模生產過程中也極易堵塞澆口，雖經多年攻關仍未能突破技術瓶頸，這也導致稀土在鋼鐵行業應用中由熱變冷。

如同一盆水中滴入一滴墨水，1噸鋼加入多少微量稀土比較合適？怎么加？

難題懸而未解，導致的后果是：目前，除少量鋼種外，鋼鐵企業在實際生產中幾乎放棄了稀土的應用。

不過，研發高端軸承用鋼的道路上，不全是壞消息。

前一階段，中科院金屬所材料加工模擬研究團隊通過對單重百噸級大鋼錠的實物解剖和計算，發現雜質是導致成分不均勻的主要根源，據此提出新的鋼中缺陷形成機理，在行業內引起很大反響并迅速獲得應用。此后，該團隊開發了商用稀土合金的純凈化制備技術和稀土在鋼中特殊加入技術，從而突破了稀土在鋼中進行工業化應用的技術瓶頸，實現了在鋼中添加稀土后的工藝順行和性能穩定。

了解到，近段時間，國家有關部委正在醞釀相關政策，推動高端軸承用鋼的國產化進程。可以說，解決高端軸承用鋼的“卡脖子”難題，我們又向前邁進了一步。

15. 算法不精，國產工業機器人有點“笨”

兩臺機器人分別控制雙層托盤，讓其不斷地傾斜、轉動，另一臺機器人控制機械臂在托盤上十個障礙物間不停地穿行而不受阻礙。這段工業機器人演示視頻讓人看得眼花繚亂。“這可是人家2009年的技術，我們現在也無法做到”，資深機器人從業者馬龍感慨地說。

想要完成如此復雜的動作，工業機器人的大腦——核心控制器必須足夠聰明。但由于沒有掌握核心算法，國產工業機器人“大腦”還不夠聰明，穩定性、故障率、易用性等關鍵指標遠不如工業機器人“四大家族”發那科、ABB、安川、庫卡（以下簡稱“四大家族”）的產品。據統計，我國已經連續5年成為世界第一大機器人應用市場，但高端機器人仍然依賴于進口。核心算法的差距，是國產工業機器人向高端制造邁進的攔路虎。

算法欠賬多，國產“大腦”愛出錯

作為工業級產品，衡量機器人優劣主要有兩個標準：穩定性和精確性。核心控制器是影響穩定性的關鍵部件，有著工業機器人“大腦”之稱。而軟件相當于語言，把“大腦”的想法傳遞出去。

要講好這門“語言”，需要底層核心算法。“四大家族”可以出售伺服系統、減速器、編碼器等關鍵部件，但對核心算法一直秘而不宣，絕不外泄。

核心算法差距過大，導致國產機器人穩定性不佳，故障率居高不下。“參數自整定，抑震算法，轉矩波動補償……”

“工廠里一百多臺‘四大家族’設備，一年也出不了幾次故障；如果用國產機器人，故障率可能是人家幾倍。”沈陽霹靂科技有限公司技術合伙人、資深機器人軟件工程師周超說。

因此，部分客戶寧愿買二手進口機器人，繳納一筆不菲的“重新開機費”，也不愿意使用國產機器人。

“好的算法，幾千行就能讓機器人穩定運行不出故障；差的算法，幾萬行也達不到人家的水準，”周超介紹，“就好比兩個司機開車，剛拿駕照的新手和經驗豐富的賽車手，上路之后差距一目了然。”

知其然，不知其所以然，正是核心算法多年來欠賬的結果。

不掌握核心算法，生產精度需求不高的產品還勉強可以，但倘若應用到航天航空、軍工等高端領域，就只能依賴進口工業機器人了。

“打個比方，底層核心算法好比手機操作系統，我們更多在做APP。雖然做基礎研究投入大、回報低，做APP賺錢快，但只做APP，永遠也無法超過蘋果和谷歌，”周超說，“況且一旦別人對你封鎖系統，APP做得再好用也無濟于事。”

軟件卡脖子，定價權拱手讓人

算法的差距不只體現在核心控制器上，更拖慢了伺服系統響應的速度。機器人每完成一個動作，需要核心控制器、伺服驅動器和伺服電機協同作戰。打個比方，就像一場“戰爭”，“將軍”下令進攻；“傳令兵”傳遞進攻信號；得令的“士兵”向指定位置沖鋒。

現在“四大家族”的產品已經進化到“將軍”通過4G信號直接指揮“士兵”；而國產機器人尚停留在傳令兵時代，速度當然就慢了許多。

“如果不掌握核心算法，這一差距很難被縮小。”馬龍說。據他介紹，對于單臺伺服系統，國產機器人動態與靜態精度都很高，但高端機器人一般同時有6臺以上伺服系統，用傳統的控制方法難以取得好的控制效果。

多臺伺服系統需要“大腦”提前進行計算。通過底層算法，國外核心控制器可以通過伺服系統的電流環直接操作電機，實現高動態多軸非線性條件下的精密控制，因此“四大家族”的機器人響應速度更快、定位更準確。

由于算法、軟件的差距，最終產品的售價也天差地別。以伺服系統為例，即使核心元器件幾乎完全一樣，成本其實相差無幾，但國外的產品售價貴10倍。

“這是因為國產伺服系統基本都使用自帶軟件庫，國外企業限制很多高級功能，不向我們開放，比如位置環的S曲線功能，你想要這個功能，就得掏錢買人家的產品，定價權就這樣讓出去了。”馬龍說。

鼓勵企業投入研發，機器人未來可期

盡管與“四大家族”相比差距明顯，但專家、從業者都比較看好國產機器人的未來。

從技術上看，硬件的發展已有幾十年歷史，幾無秘密可言；軟件方面，我國擁有數量龐大的IT從業人口，“現在，我們很多企業也可以集成出高水準的工業機器人產品，”周超說，“但完全自主知識產權、擁有關鍵部件核心技術的國產工業機器人，還需要經驗、時間與整個產業鏈的積累、打磨。”

工業機器人市場有點像幾年前的智能手機市場。只要熟悉產業鏈、供應鏈，很快就能“攢”出一臺機器人產品。但想要掌握核心技術，卻并不那么容易。當某一項技術取得突破，等待市場檢驗、慢慢成熟時，國外廠商很可能會壓低該零部件的價格，提供功能更成熟、價格更便宜的方案，導致國內企業投入與回報不成正比，這也是很多企業不愿意在底層研發上投入的原因。

“作為從業者，我們希望能有更多以技術為導向的政策，只要技術達標，就給予企業一定的市場空間，在實踐中慢慢打磨產品，吃透核心技術，鼓勵企業將更多的人力、財力投入到研發當中，這樣才能讓國產工業機器人真正在世界的舞臺上唱主角，”馬龍說。

16. 航空鋼材不過硬，國產大飛機起落失據

“如果把發動機和飛控設備比作飛機的心臟和大腦，那么航空超高強度鋼制作的起落架就是飛機的‘腿腳’。沒有強健腿腳，縱使心臟和大腦再強大，巨人依然站立不起來！”“青年千人計劃”學者、南開大學材料學院教授、博士生導師梁嘉杰對記者說。

在梁嘉杰等材料科學家看來，隨著中國大飛機等項目的加速推進，國產航空超高強度鋼材的研發制造必須迎頭趕上，才能讓國產大飛機更穩健地翱翔藍天。

美國300M是世界主流

“川航客機玻璃脫落迫降，落地時由于超重滑行，輪胎都癟了，但依然實現了安全著陸，這得益于好的起落架，如果沒有好的高強度鋼，這種迫降是致命的。”中國民航大學一位學者說。無論起飛還是降落，起落架都是支撐飛機的唯一部件，尤其是在飛機降落階段，其承載的載荷不僅僅來自機身重量，還有飛機垂直方向的巨大沖力。因此，起落架的材料強度必須十分優異，一般材料無法滿足這一要求，只能依靠特種鋼材才行。“頻繁的起降滑行，對起落架的材料可靠性提出了近乎嚴苛的要求，可以說起落架用鋼就代表著一個國家超高強度鋼的最高水平。”專家如是說。

在航空業，大飛機是指起飛總重量超過100噸的運輸類飛機，包括軍用、民用大型運輸機和150座以上的干線客機。每架大飛機的起落架用特種高強度鋼約15噸。因為國產材料不過關，首架C919下線試飛時，起落架用進口材料制作。

梁嘉杰說，就目前起落架鋼材使用現狀來看，美國的300M鋼使用范圍最廣。300M鋼是1952年由美國國際鎳公司研發，并采用整體鍛件制造工藝制造而成，其強度在1900MPa—2100MPa，相當于20000個大氣壓。迄今為止，美國九成以上軍民用飛機起落架材料由300M鋼擔綱。

必須翻過純凈度這座“山”

“超高強度鋼可分為低合金、中合金和高合金三類，飛機起落架用的鋼材，是典型的低合金鋼，對‘氫脆’很敏感，真空高溫冶煉需要高純凈度。”天津工業大學一位研究金屬的教授介紹，鋼鐵等金屬材料原子按照一定的規則排列，被稱為晶格，晶格中偶爾有不守秩序的原子會站錯隊，發生錯排的地方稱為位錯。鋼鐵冶煉凝固過程中，殘留在鋼鐵內的氫原子會主動尋找位錯，向金屬中缺陷附近不斷集中，到室溫時，原子氫在缺陷處結合成分子氫，從而產生巨大的內應力，使金屬發生看不見的裂紋，也就是“氫脆”。

“從原子變分子，氫就如同嘯聚山林的好漢，聚到一起就會產生很大的破壞力。用于制作起落架的超強度鋼最怕這個。”該教授形象地說。了解到，美國飛機部件破壞調查分析表明,起落架多數是由于表面應力腐蝕或疲勞裂紋擴展而導致最后斷裂的。

美國的300M鋼采用真空熱處理技術，避免了滲氫，零件表面光亮，無氧化脫碳、增碳和晶界氧化等缺陷，提高了表面質量。與此形成對比，國內用于制作起落架的國產超強度鋼材有時會出現點狀缺陷、硫化物夾雜、粗晶、內部裂紋、熱處理滲氫等問題，這些問題都與冶煉過程中純凈度不夠有關系。

目前，我國的超高強度鋼材研制水準與歐洲、俄羅斯相比基本相當或略有優勢，但在材料創新基礎研究能力，尤其是高純度熔煉技術方面與美國還有較大差距，存在很大提升空間。

“未來，應該重點關注提升超強度鋼純凈度。”中國航發北京航空材料研究院研究員、中國工程院趙振業院士說，純凈度會影響航空器械的“壽命”，也是所有航空超高強度鋼的“命門”，是必須要翻越的山。他打比方說，其影響如同我國的氣候分水嶺秦嶺一樣明顯，翻過秦嶺是四川的濕潤氣候，秦嶺以北是陜西的氣候。航空器關鍵構件達到長壽命、高可靠、結構減重，首先要過了純凈度關，然后才能談抗疲勞性等金屬材料的其他特性。

部分技術還停留在實驗室階段

全球航空航天材料市場預計到2022年將達到258億美元，這是一個快速增長的龐大市場，目前高端新材料基本上被美國和歐洲壟斷著。根據測算，我國高溫合金行業長期處于供不應求的狀態，年市場缺口近1萬噸。

一代材料技術，一代航空裝備。“在大型飛機結構性關鍵部件用鋼方面，我國整體水平基本上可以滿足國防軍工、裝備制造、國民經濟發展要求，但與國際先進水平相比，仍存在較大差距。尤其在航空（航天）用高溫合金方面，我國仍處于跟跑階段。不過客觀上講，我國研制和生產水平與先進國家的差距正在縮短。”中國鋼鐵研究總院副院長杜挽生說，航空用高純度單晶高溫合金，發達國家已經實現了四代技術的應用量產，而國內只到了第二代，三代、四代技術仍在持續的攻堅中。

有鋼鐵冶金業內人士說，大飛機用的超強度鋼材完全國產化這一過程還有一段很長的路要走。國內高性能鋼鐵部分制造技術，尤其是新一代數字化和智能化控軋控冷技術、先進熱處理技術、變截面軋制技術、溫度梯度軋制技術、高精度軋制技術，我們與美國、日本還有不小的差距，有的還停留在實驗室層面，超高強度鋼材實現完全國產化，還要加強科研。

17. 燒不出大號靶材，平板顯示制造仰人鼻息

一塊小小的玻璃，不僅可以導電發光，還可以幻化出形式各異的文字和靜態、動態的炫目影像，這就是人們如今已司空見慣的各色平板顯示屏。

玻璃本身不導電，也不發光，奧妙全在于背后涂裝的一層薄薄透明導電膜。就是這層不足頭發絲直徑五百分之一的膜，背后有一塊看不見的“靶”。

“全國有20余家靶材生產制造商，但能做超過32英寸靶材的，我們還是‘零’！” 在這個行當搞了20多年研發的鄭州大學教授、河南省資源與材料工業技術研究院原總工程師孫本雙告訴記者。

問題出在尺寸上

在有色金屬的“朋友圈”里，銦錫的氧化物是實現電學傳導和光學透明的絕佳組合。作為有色金屬氧化物，簡稱為ITO的氧化銦錫在平板上具有很好的導電性和透明性，它還可切斷對人體有害的電子輻射、紫外線及遠紅外線，是平板顯示器制造的重要原料。在薄膜狀時，它是略顯茶色的透明物質；在塊狀時，呈黃偏灰色。但它并不是像油漆一樣被刷到平板玻璃上使用，而是先被制作成標準尺寸的固體靶材，由操縱磁控濺射的“槍手”，不斷“射擊”，將其氣化濺鍍到玻璃基板或柔性有機薄膜上，形成一層ITO膜。這層膜的厚度因功能需求而有不同，一般在30納米至200納米。

ITO靶材不僅用于制作液晶顯示器、平板顯示器、等離子顯示器、觸摸屏、電子紙、有機發光二極管，還用于太陽能電池和抗靜電鍍膜、EMI屏蔽的透明傳導鍍膜等，在全球擁有廣泛的市場。

ITO靶材外形很像瓷磚，由來卻遠比瓷磚煅燒復雜得多——人們把氧化銦和氧化錫粉末按嚴格的比例混合后，經過一系列生產工藝加工成地板磚的形狀，再層層摞疊到一個特制的爐子里，經過1700攝氏度高溫氣氛燒結，形成黑灰色的陶瓷半導體。通常靶材尺寸越大，濺射到平板上的拼縫就越少，價值也越高。

但就在尺寸的問題上，國內ITO靶材企業一直鮮有突破，而后端的平板顯示制造企業也要仰人鼻息。

技術和工藝是個難邁的坎

ITO靶材核心技術長期把持在日本三井、東曹、日立、住友、VMC和韓國三星、康寧等大企業手里。

對國內的企業來說，技術和工藝是個難邁的坎。由于ITO靶材是由高溫燒結而成，燒結技術工藝決定了產品質量，功夫不到家的話，最常出現批次質量不穩定的問題。濺射到屏上，有的ITO膜表面出現“麻點”；有的在蝕刻時容易出現直線放射型的缺劃或電阻偏高帶；還有的會出現微晶溝縫。

當談到生產裝備與國外的差距時，孫本雙教授嘆息說：“差遠了！”燒結大尺寸ITO靶材，需要有大型的燒結爐。國外可以做寬1200毫米、長近3000毫米的單塊靶材，國內只能制造不超過800毫米寬的。“這如同人家已經在燒制大型地板磚，我們還只能燒小瓷磚。” 孫本雙說。

在1700攝氏度的“丹爐”中，靶材燒結需要6至10天。高溫氣氛燒結需要高濃度氧氣參與，這項工藝也不易控制。長時間燒，很容易導致產品不均勻，成品率低。

在產出效率方面，日式裝備“牛氣”，月產量可達30噸至50噸，我們年產量只有30噸——而進口一臺設備價格要花一千萬元，這對國內小企業來說無異于天價。

目前，也有部分仿制的設備，但耐火材料不過關，難耐燒結工藝所需的烈火考驗，燒結爐總體質量差強人意。“這需要生產技術與裝備國產化重大專項的支持。”孫本雙說。

質量不穩定、不過關的材料，誰見誰怕。各色終端生產廠家盤算下來還是覺得買國外進口的省事，久而久之，依賴進口成了“癮”。

功能性產品：有色金屬大國之痛

每年我國ITO靶材消耗量超過1千噸，一半左右靠進口，用于生產高端產品。受有色金屬期貨價格波動和技術封鎖等因素疊加作用，長期以來價格高企，成品價格最高達每公斤6千至8千元，占據企業不小的成本。

“資料顯示，我國半導體產品的進口花費超過石油”。2017年度何梁何利基金獎獲得者、昆明理工大學副校長楊斌教授說。

在中國，半導體重要原料銦、錫的采選、冶煉水平已處于世界頂尖水平，產量和品級也堪稱世界一流。全球近80%的高品質銦、錫來自中國，日企長期購買中國銦錠。

“但我們缺乏下游功能性產品和足夠長的產業鏈，只能賺取原材料的初級利潤，比如高品質、大尺寸的ITO靶材，就是粉末冶金和半導體行業的痛。”楊斌教授說，國內的大尺寸靶材都只在實驗室階段，技術是一個難點，難以實現量產則是關鍵。

隨著近十年來國內LCD產業的發展和PDA、電子書等觸摸式輸入電子產品的悄然興起，尤其是目前，隨著有機發光二極管（OLED）以及其他顯示器件的發展，對ITO靶材制成工藝和設備有了更新、更高的期待。未來一段時間內，這仍是一個有前景的產業。

國內小規模、低層次、做了二十年之久的“靶”，因沒能走上世界前沿而長期依賴進口，如今得到了“回報”。近年，由于中國市場巨大，“小靶”國產能力有了大幅上升，這時國外壟斷企業“釜底抽薪”，開始在價格上進行打壓，一下子把ITO靶材價格降到800元一噸，一度接近價格最高點時的十分之一，國內20多個企業蒙受了巨大的損失，部分企業甚至奄奄待斃。

“但反過來說，價格低建設成本也低，這也是洗牌的機會。”孫本雙說，如果有國家扶持，保留五六家重點企業，同時加快技術攻關，將實驗室的技術轉化量產，我們有望在大尺寸領域突破，并淘汰一部分國外企業。

18. 沒有這些訣竅，我們夠不著高端電容電阻

一部手機有幾百個電容和幾百個電阻，占了電子元件的大半。中國是最大的基礎電子元件市場，一年消耗的電阻和電容，數以萬億計。而最好的消費級電容和電阻，來自日本。

大批量一致性比不了日本

電容和電阻，是電子工業的黃金配角。電容市場一年200多億美元，電阻也有百億美元量級。市場的“頭號玩家”是日本，占據一半以上份額，以村田、TDK等企業為代表；臺灣地區位居次席；而中國大陸的產品多屬于中低端。

“不能簡單說我們不如別人，”電子工程師、瑞迪航科（北京）技術有限公司總經理武曄卿說，“在軍用級別，國產電阻電容是能滿足需求的；一些特殊的定制電阻，國內公司也能生產。我們比起日本有差距的，是在消費級的、大批量生產的元件上。”

手機、電腦、家用電器、汽車……消費類電子行業是電容電阻的最大用戶。“這一領域，所謂高端的電容電阻，最重要的是同一個批次應該盡量一致。”武曄卿說，“日本這方面做得最好，國內企業差距大。”武曄卿說，國內企業相當于“什么菜都會炒，但不保證每次炒出來是一個味兒”。基礎電子元件一批次可生產百萬件，一致性對質量控制極端重要。比如某個電容不達標，可能會讓手機充電更慢，因此手機各大品牌只采購大廠商的電容電阻。“工藝、材料、質量管控上，國內企業相對薄弱。”武曄卿說，“有一些‘Know How（小竅門）’沒掌握。”

煎餅不難做，但人家做得更平整

MLCC（多層片式陶瓷電容器）是個典型，它是消費電子行業用量最大的基礎元件，也是日本企業的強項。目前日本的MLCC產品可以做到1000層，中國產品在300層左右。

“MLCC就像千層酥，只不過小得多。”業內工作多年的電子工程師張光華說。MLCC米粒大小，是一個內有電極的陶瓷塊兒，是幾百層陶瓷和幾百層金屬疊壓起來的。電容的原理是兩電極夾一層絕緣介質，以儲存電荷。介質層越薄，電容數值越大。

張光華說，制作MLCC有點像攤煎餅：陶瓷粉末漿，被刮刀攤平成厚度約1微米的涂層，再敷上去一層金屬粉末漿，這就是陶瓷介質貼上了電極。之后，一大張薄膜被疊壓、烘干、燒成瓷。“烙千層的煎餅，很難平整。”張光華說，“各家水平不一樣，要是‘煎餅’裂了一道縫，電容數值就不夠大。”很多環節影響質量：陶瓷漿和電極漿不配套，干燥時就會“起皮”；烘干太快出裂紋，烘干不徹底也會導致瑕疵；燒瓷要暴露于特殊氣體；冷卻太快會開裂……

張光華說，哪一環節不到位，產品就可能大比例不達標。客戶要求是一百萬個MLCC只允許一個不合格。另外，MLCC很脆弱，同一種規格的產品，大品牌可能細節更優秀，更不易機械損壞。

日本企業定位高端

生產電容的企業，一般也生產電阻和電感等“被動元件”。工藝有相通之處。如消費電子產品用量最大的電阻：薄膜電阻，只有牙簽頭大小，以陶瓷為基底鍍膜制造，工藝稍不精細，指標大打折扣。

材料是中國電子元件企業的短板：陶瓷漿涉及鈦酸鋇和氧化鈦諸多陶瓷材料，還混合了有機膠等等，電極漿則混合了鎳粉、銅粉和樹脂等等，配方都需要鉆研。質量最高的陶瓷漿和電極漿產自日本公司。日本巨頭如村田和京瓷，從做材料起家，后來才制造電子元件。

武曄卿說，二戰后日本專注民用電子，電子產業集聚，有利于村田這類材料企業延伸業務。“就好像生產面粉的廠子，自己也開了拉面店。”數十年堅持基礎研發的日本巨頭，始終矚目高端。去年底到現在，基礎電子元件持續瘋漲，武曄卿說，原因是日本幾家巨頭停產了利潤率見薄的產品，集中精力于高端市場。

根據業界估計，隨著手機更輕薄和頻段更多，體積小性能好的元件用量會大大上升，iPhone使用的MLCC是手機中最多的，最新的iPhone要用上千顆。電腦和電視的用量比手機只大不小。

汽車（尤其是電動汽車）使用的電容和電阻更多，且元件質量要求苛刻，因為沖擊、溫度、粉塵和腐蝕等條件更惡劣，且不能有安全隱患。車用元件市場大，但技術門檻很高，未來可能會繼續被日本巨頭把持。

19. 激光雷達昏聵，讓自動駕駛很糾結

人靠眼睛看路，無人車也是。激光雷達就是無人車的“眼睛”。

伴隨自動駕駛的落地，原來主要用于三維掃描的激光雷達，成為自動駕駛汽車的必備，甚至決定著自動駕駛行業的進化水平。但在這個切中行業要害的領域，國貨幾乎沒有話語權。

激光雷達不可取代

激光雷達是個傳感器，自帶光源，主動發出激光，感知周圍環境，像蝙蝠通過超聲波定位一樣。

按照自動駕駛L1—L5的等級劃分，L3及以下屬輔助駕駛或低級別自動駕駛，L4、L5才算得上高級別自動駕駛甚至無人駕駛。目前的自動駕駛都處于L3以下階段，毫米波雷達甚至攝像頭都能夠滿足汽車的視覺需求，特斯拉就應用了前者。但要想發展到高級別自動駕駛階段，受測距、分辨率、精度、信息全面性的影響，激光雷達不可替代。

激光雷達可以精準測距：通過獲取激光打在物體上并返回接收器的時間，乘以光速即可獲得。由于打出的每一束光都帶有相對位置信息，激光雷達可以利用算法實時生成汽車周圍環境的高清數字地圖，進行目標跟蹤和識別。國內主流激光雷達企業北科天繪總經理張智武說，激光雷達的掃描精度高、沒有畸變，毫米波雷達只知道前方有障礙物，并不能準確描述大小和形狀。

激光數據是矢量數據，計算機可以分類、提取、處理，自動辨別車道線、擋車柱、交通標識牌、樹木等，這也是其他傳感器做不到的。

激光雷達常以線數區分，并通常設計為2的指數級，如4線、8線、16線、32線、64線及問世不久的128線頂級測試產品。線數是指激光發射光源數，16線產品有16個光源，以此類推。目前能上路的自動駕駛汽車中，凡涉及激光雷達者，使用的幾乎都是美國Velodyne的產品。這家公司成立于1983年，位于硅谷，其激光雷達產品是行業標配，占八成以上市場份額。

“芯片化”才能瘦身降價

線數決定激光雷達的分辨率。激光雷達以旋轉掃描的方式工作，一個光源掃一圈，得到一條360度的水平環形視線，這也是為什么無人車頂的“大花盆”都要不停旋轉。光源越多，視線越密集，實時地圖的分辨率越高。張智武以素描類比：素描由線條構成，線條越密，畫越清晰。

最早的國產16線產品于2016年推出，目前最高40線。制造多線數激光雷達，國內廠商普遍面臨工藝繁瑣的問題。以傳統方式增加激光雷達線數就像拼接越來越寬的暖氣片，造成產品體積成倍放大，同時極大增加量產難度。據激光雷達企業飲冰科技CEO金元浩介紹：“現有工藝條件下，提高線數需要增加印制電路板的數量，激光雷達的體積也會隨之大幅增加。尺度和集成度必須兼顧。”

國外廠商之所以能做出64甚至128線的激光雷達，內部元件的芯片化起到決定作用：縮減激光雷達的體積、減少散熱、有助于量產。這需要容量大、傳輸速度快、信息處理高效的專用芯片。目前國內激光雷達企業一般購買德國osram發射器。對此，國內智能汽車研究專家黃武陵強調“核心芯片，尤其是發射器和探測器，國產化程度、抗干擾等方面需要提高”。

不同于手機芯片，接收芯片不追求單位面積晶體管數量最多，但對分辨率有更高要求。原來需求少，一年幾萬片，這兩年風口突然轉向高分辨率的高質量傳感器，接收芯片生產工藝不成熟，技術能力不足。“激光信號的接收對集成度要求很高，原來做1×1的單點傳感器，現在汽車對分辨率要求高，要1064×768。”金元浩說。按自主工藝生產這個分辨率的產品，與半塊汽車前擋風玻璃大小相當，用起來不現實。因此，國貨正在從分辨率沒那么高的芯片起步追趕。

自主研發，備戰量產市場

國內有研究所、激光雷達廠商正在自主研發發射芯片和接收芯片，但都處在初級階段，產品尚未定型。“車載激光雷達是小眾行業，近幾年隨著國內L2級自動駕駛的發展才有市場，行業技術儲備不夠，人力投入不足。”金元浩說。他所在的公司就在做16線激光雷達的發射芯片，但也是用低價產品搶占市場份額。

線數相同，不同產品的效果也不盡相同。據金元浩介紹，精度、穩定性、分辨率等參數與主流產品還有差異。尤其國產激光雷達的穩定性相對不足，汽車行業又對安全性要求極高，測試時間長，本來不大的市場，更難覓國貨蹤跡。

激光雷達貴，一在必需，二在緊俏。這是一個完全意義上的賣方市場。Velodyne 16線產品年初價格減半后仍達4000美元，百度智能車搭載的64線產品（也是目前市場適用的最高級）約8萬美元，比一般汽車都貴。價格是無人車量產和商業化的攔路虎。

正因如此，國產激光雷達才要攻關。據張智武介紹，北科天繪的16線產品去年賣價5萬元人民幣，今年不到3萬元，和Velodyne 16線的折扣相當，“一旦做出來，售價就腰斬”。議價空間之外，自動駕駛一旦從測試走到量產，激光雷達市場巨大，國貨不能拱手讓人。

新的技術方案也在出現，“激光雷達正往固態化方向發展，國內廠商需要抓住新的方向，與國外同行同步發展。”黃武陵說。相對于傳統的360度機械旋轉激光雷達，固態激光雷達基于電子部件進行數據讀寫，去除了機械旋轉部件，是革命性技術。這條新賽道上，國內廠商可與國外同行站上同一起跑線。

20. “命門火衰”，重型燃氣輪機的葉片之殤

重型燃氣輪機（以下簡稱重燃），名副其實的大國重器。作為迄今為止熱／功轉換效率最高的動力機械，廣泛應用于機械驅動（如艦船、火車）和大型電站。我國現已具備輕型燃機（功率5萬千瓦以下）自主化能力；但重燃（功率5萬千瓦以上）仍基本依賴引進。據悉，重燃發電機組目前占全國發電裝機總量的3%左右，雖不是一大塊，卻是不可或缺的一塊——啟停快捷、熱效率更高、污染更少的燃機機組，作為大電網調峰容量的最佳選擇，在國家能源安全中扮演著無可替代的全局性角色。沒有自主化能力，意味著我國能源安全的重要一環，仍然受制于人，存在被“卡脖子”的風險。

極致技術：對質量和性能近乎變態的追求

把熔化的液態金屬澆入模具，等它凝固；在顯微鏡下看其金相，會呈現形似“干裂農田”狀的縫隙，專業術語稱之為“晶界”。“晶界是金屬的薄弱環節。”國家科技重大專項“重型燃氣輪機”技術負責人表示。為提高金屬材料在高溫下的強度，就要想辦法消除晶界。這是一個極其復雜、漫長的過程，包括精確的溫度控制，以及精密鑄造、定向／拉單晶等工藝。其核心部件的毛坯“都是來自國外”；核心設備單晶爐，也須從國外進口。該技術負責人解釋，作為一種旋轉葉輪式熱力發動機，燃氣輪機的葉片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高溫下長期穩定地工作，目前沒有任何金屬可以做到。怎么辦？

極限工況催生出極致技術，一種對質量和性能瘋狂到近乎變態的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的強度之外，“只有靠冷卻”：葉片是中空的，以便通冷卻空氣；表面有陶瓷涂層、冷卻氣膜，使它跟高溫燃氣隔離，等等。

更關鍵一點，在以上復雜流程的所有環節，任何一項技術參數都不能有絲毫偏差，“這是它跟常規制造流程最大的不同”。他強調，常規制造中還有一個安全系數，即一定的容錯裕量；而“極限制造完全是另一概念”：葉片是空心的、又很薄，除了精鑄，目前沒有其他工藝手段可以做出來，未來3D打印能不能解決還不清楚；鑄造過程中，材料的夾渣、裂紋、疏松、氣孔以及變形等，都會影響葉片的強度和性能。因為“它本身是不可能的，要靠好多極限手段硬讓它變得可能”，所有技術必須做到極致。所以，一就是一，二就是二，偏差根本不能容忍、不被允許。

體系差距：即使有錢也不知從哪下手

美國GE公司高層曾聲稱，要買重燃成套技術，除非買下整個GE。

“重型燃氣輪機”重大專項總設計師顧春偉教授和上述技術負責人都談到，國際上大的重燃廠家，主要就是美國GE、日本三菱、德國西門子、意大利安薩爾多4家，與國內三大動力合作的也是這4家。但他們都附帶苛刻條件：首先，設計技術不轉讓；其次，核心的熱端部件制造技術也不轉讓，僅以許可證方式許可本土制造非核心部件。

這兩條注定了，沒有自主設計能力，我們需要什么樣的重燃、能要到什么樣的重燃，只能聽從人家的意志。核心制造技術不轉讓，國內上了那么多重燃發電機組，設備運維、備件提供完全受制于人，長期安全穩定運行堪憂；本土制造的許可證又都有期限，到期之后能否付錢再延，還須看他人眼色。所謂“卡脖子”，莫此為甚。

跨國公司秘不示人、惜之如命的設計技術，是真正的核心技術。顧春偉表示，重燃三大部件（壓氣機、燃燒室、燃氣透平）的設計都是難上加難，因為它們需要“大量基礎研究支撐”和“長期試驗驗證及經驗積累”，沒有長期積累，“即使有錢你也不知從哪兒下手”。

仍以葉片為例。即使分毫不差做足各種極致功課，葉片材料仍是有壽命期限的：重燃葉片，壽命在5萬小時、3萬小時不等，到期必須報廢。怎么證明5萬小時安全運行沒問題？極限工況下、5萬小時連續不斷的材料試驗必不可少。試想，一年8000多小時，5萬小時要做將近6年，“這還只是做一輪配方、一輪工藝所需時間”，所以“一個人一輩子都做不了幾個母合金”。它意味著巨量的投資、巨量的耗時和巨量的數據采集，而且每一步都必須親歷親為，否則就“不知其所以然”。

“盡早建立起我國完整的設計體系、試驗驗證體系，才是重燃自主化的關鍵所在”，中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司負責人如是說。

三位一體：工匠的經驗仍不可或缺

葉片精鑄過程中，“拉單晶”工藝很有畫面感。上述技術負責人介紹，一般的鑄造，是把金屬液澆入模坑、自然冷卻，出來的產品是多晶體，就會有晶界。而透平葉片單晶/定向鑄造，“是在底下選一個晶體，讓它慢慢往上走；上面保持高溫，還是液體；然后這個界面一點點往上冷卻，所以凝固時間特別長”。

顧春偉稱之為“多物理場耦合”，即制造流程中，每一環節涉及各種細節的工藝控制，這種控制又受到各種物理條件的影響，比如濕度、溫度、速度等控制下的成型，“每一步都是工匠、工藝、設備的‘三位一體’”。

三位一體中，設備當然必不可少，“先進單晶爐須從德國進口，國產的目前仍不完善。但光強調設備也不行”。單晶制造過程中，涉及多個環節、多位頂尖高手，每人各管一段；每人都身懷絕技，相互不可替代。包括所有的參數控制、補償等，既靠數據標準，更有“手上的功夫”，也就是經驗積累。因為“多物理場耦合”中，沒有一把尺子可以包打天下。這是基于大數據的3D打印仍無法終結工匠的道理，也是我國高端制造流程中目前最緊缺的一環。

21. “靶點”難尋，國產創新藥很迷惘

iCLIP技術的發明，讓人們拋棄精密的觀測儀器，也能確定RNA（核糖核酸）和蛋白質在哪個位置“交匯”，甚至可以讀出位點“密碼”。

生物學者習慣將iCLIP這個詞拆解為3部分，i：單點，就像捋著一條繩子，看它上面哪里打了個結，哪里掛了“燈籠”；CL：交聯，通過紫外照射等方法讓細胞內RNA和蛋白質的關系好成“老鐵”，扯也扯不斷；IP：沉淀，把“老鐵們”從細胞里“薅”出來，有目的地處理。

iCLIP技術難，猶如萬千人海中找一個人，要從幾十億個堿基對找到一個或幾個確定的結合點，精確度可想而知。自2010年該技術在《細胞》上首發，近幾年已逐漸成為相關領域論文登上CNS（《細胞》《自然》《科學》）頂級刊物的“標配”實驗技術，國內實驗室卻極少有成熟經驗。

國外研究團隊已在RNA操控中展開“技術競賽”，研究論文以幾個月為周期輪番在CNS上演。越來越多證據顯示，非編碼RNA同樣控制著生命活動，RNA上大量未被發現的作用位點，可能是創新藥的潛在靶點，iCLIP是發現潛在靶點的“利器”之一。

條件摸索耗時耗力耗感情

“條件的摸索純粹是體力活。”一位熟悉該技術的研究人員表示，雖然實驗技術無需購買、不受專利限制、能夠從期刊文獻中學來，但從國外期刊中檢索到的技術路線完全無法照搬，不同種類細胞（淋巴細胞、巨噬細胞等）需要一整套完全不同的技術體系。以IP那部分“免疫共沉淀”為例，要想“薅”對“老鐵”，必須要選擇正確的抗體，進行正確的抗原抗體反應。進行細胞培養、裂解等多步實驗之后，研究人員才能知道抗體對不對，科研團隊通常會從多家公司購買抗體，同時從公司定制，多條腿走路，否則浪費時間和情感。

普遍認為，實驗室如果沒有對某一個蛋白的抗原抗體反應的經驗積累，不熟悉幾個靠譜的抗體生產公司，那是不敢貿然嘗試“薅”這一步的。“很費時間，抗體是特異性的，3—6個月才能生產出來，也很費錢，一小管抗體好幾千元。”該研究人員說。裂解液濃度、RNA酶的確定完全是基礎化學實驗的方法，“掃蕩式”的排查之后才能夠確定合適的濃度和種類。加“陡”了，很可能什么都得不到，加少了，又會留下很多雜質，摸索就是在“不漏網一個”和“不錯殺一千”中尋求平衡點。“RNA比DNA脆弱。”清華大學生命科學院教授楊茂君說，因此對反應條件的控制相當苛刻，容錯度較低。“摸條件很枯燥，是體力活，要不斷重復，要耐得住寂寞。”一位完成iCLIP實驗流程的研究人員回應，有很多實驗室來交流，也提出要借儀器，還抄走了整個流程，但是全部沒了下文。“這個技術，不下定決心去做，是很難順利地走下來的。”

小小接頭成了CNS論文的“攔路虎”

核酸接頭是整個iCLIP實驗中最核心的關鍵物質之一。它能夠引導DNA（與RNA對應）富集從頭開始，把特定序列變多并被探測到，最終“撈出海面”，這就好比放出個“信號智能追蹤器”，精確匹配、忠誠錨定序列末端是對它的基本要求。

國內的方法是設計隨機引物，廣撒薄收，總會撞上某一段。但隨機引物接不上RNA和蛋白質結合的位點，必須特別設計從頭開始的接頭合成對應的DNA鏈，把RNA“拓印”下來，進行測序。

“特別設計”在某些實驗中體現為預腺苷化、磷酸化的處理，但在國內買不到此類“接頭”。事實上，在擁有雄厚技術實力、大量知識產權的大公司的國家，基因測序公司提供包括接頭合成在內的服務，國內卻找不到。

“我們之前也沒下決心一定要做iCLIP。”該研究人員說，但是有篇論文投稿了《自然》，審稿人要求完成iCLIP，當時實驗室決定補充其他內容改投《細胞》，換了個期刊，審稿人仍然要求完成iCLIP。最終，實驗室不得不從國外買來引物，完成本該是產業的部分工作，滿足了審稿人的要求。

小試劑，折射化學工業差距

這不是“小試劑”第一次卡住中國生物產業的脖子。

多年前，我國某基因測序企業購買Illumina公司生產的基因測序儀，由于Illumina公司突然對匹配的易耗品“試劑盒”提價，給企業經營造成巨大影響。該企業最終下定決心砸巨資購買另一家掌握核心技術的國外制造企業，最終有了中國自己的基因測序儀。不只接頭，用化學方法在RNA某個核苷酸的第6個位點上，直接連接上一個分子基團，這種“指哪打哪”的精細活，國內的生物公司基本還沒涉足。

“這些應用技術都建立在基礎研究之上。”中美冠科生物技術公司毛冠平博士認為，理論基礎研究比想象中更重要。化學是生物的基礎，但由于行業的“老舊”，精密化學合成的底子被扔下了多年，生命科學研究中的多種試劑盒也是國外產品比國內產品的口碑好。“我國的創新藥真要有突破，就要從靶點做起。”中科院院士、四川大學教授魏于全認為，要做創新藥，發現新靶點的基礎研究必不可少，而這類論文無疑應有實力見諸CNS頂級刊物。

化學藥新藥的藥效原理目前是對體內某一關鍵蛋白質作用位點的“鉗制”或者“激活”。拋開后續的臨床安全評價不談，單從有效性上看，高水平的、能夠精確到作用位點的研究不可或缺。魏于全感到緊迫：“別人把靶點都發現了，又有技術，怎么可能做不出來新藥。如果用別人的靶點，做出來的藥也很難是新藥。”

無論新藥創制有沒有“新藍海”，仍在于精確位點上的較量。

22. 射頻器件：仰給于人的手機尷尬

手機的射頻器件，好比部隊的無線電兵，通信全靠它。中國是世界最大的手機生產國，但造不了高端的手機射頻器件。這需要材料、工藝和設計經驗的踏實積累。

高端射頻芯片缺少國貨

一塊手機的主板上，1/3的空間是射頻電路。

聲音要傳到千里之外，得先轉化成高頻的射電波。信息編碼成一秒鐘幾十億波峰的正弦電波，對方手機接收和還原，紋絲不亂。這就是射頻器件的本事。射頻器件的核心部件是功率放大器芯片，也叫射頻芯片，4G手機一般會用4到5顆。

“我們好比是修高速公路的，路修得越寬、越平直，車跑得越多、越快。”專業設計射頻芯片的Vanchip公司工程師王利明說。“手機發展趨勢是更輕薄，功耗更小，頻段更多，帶寬更大，這就向射頻芯片提出了挑戰。”王利明說，“射頻芯片將數字信號轉化成電磁波，4G手機要支持十幾個頻段，信息帶寬幾十兆。信號不能受干擾，這很難。”2018年，射頻芯片市場150億美元；高端市場基本沒有國貨，被Skyworks、Qorvo和 博通3家壟斷，高通也占一席之地。“多年以來，這幾家的產品已經很有口碑，性能很穩定。所以大手機公司比如蘋果、華為和三星等等，基本都用它們的。”王利明說。

國貨的買家多為小品牌手機，且國貨多為2G、3G芯片；4G射頻芯片基本都是洋貨。

射頻芯片的電路設計是玄妙的藝術

高頻電波的信號很脆弱，在復雜的電磁環境里，保持信號的清晰穩定，有賴于各環節的抗干擾性。設計這種電路，是一門尚未完全找到規律的藝術。

比如說，有瑕疵的射頻芯片像擴音喇叭一樣，會發出尖利的無用信號。排查故障是非常麻煩的。射頻電路怕噪聲干擾，但引入噪聲的可能性太多了——電源、鄰近電路、耦合、發熱、自身元件……

不合理的建模，生產出來的電路，一個和另一個的效果天差地別。而從圖紙變為實際電路，更需要設計師的豐富經驗。何種布局，如何抵消各元件的不良影響，兼容不理想的元件，設計師都要有辦法。引入新元件，小了不起作用，大了又產生新的干擾。元件用多了，功耗又會增大……

設計師在考慮“要不要給反饋環串聯一個小電阻來緩沖？”“是否改一下地線引腳以屏蔽噪聲？”這類問題時，往往沒有現成答案，靠經驗和試錯。試探著穩定電路，好像把雞蛋立在鴨蛋上，常憑感覺。

射頻芯片屬于模擬電路，跟處理“1”和“0”的數字電路不同。數字電路設計類似于編程，有成熟的模塊和自動化工具；而設計模擬電路，要面對的是復雜未知的自然世界。

電子創新網創始人張國斌說：“數字電路領域更多需要市場反應速度，國內有不少做得好的公司，但設計和生產射頻器件，需要各種基礎科學知識，經驗積累和制造是關鍵，‘彎道超車’幾乎不可能。”

小小濾波器，中國造不好

射頻器件的另一個關鍵元件——濾波器，國內外差距更大。手機使用的高端濾波器，幾十億美元的市場，完全歸屬Qorvo等國外射頻器件巨頭。

濾波器可去除目標頻段以外的信號，是很基礎的電路器件。4G手機用的是更精準和昂貴的濾波器，一臺手機要裝10來個。這種高端濾波器基于壓電效應原理，引入聲波來工作；它的基底和涂層采用一些新材料（其中一些用在最好的軍用雷達上），加工精度要很高，涉及到薄膜沉積和微機械工藝。

濾波器頻段邊緣越“陡峭”，越能避免鄰近頻段的信號干擾。“比如帶通濾波器就像一扇門，高端產品的門框可以很好，將雜亂信號濾得很干凈。”張國斌說，“在性能指標上如中心頻率、截止頻率、線性度、靈敏度等方面我們比別人落后，一時還趕不上去。”基礎元器件的差距不止這一個。張國斌舉了個例子：射頻電路都有振蕩器，它需要一個高精度晶體振蕩器，高頻信號需要倍頻信號，若晶體振蕩器的頻率精度不夠，則多次倍增后信號就會差到不能用。而最精準的晶體振蕩器，多數產自海外。

材料是繞不過去的坎

所有的高端元件，都與高性能材料有關。

張國斌說，射頻電路需要高電子遷移率，這方面砷化鎵和硅鍺等化合物半導體表現要比硅材料好很多。雖然我們國家在上世紀60年代就開始了化合物半導體基礎材料研發，但商業化上材料的一致性、電性能均勻性還不理想，這方面有很多核心知識需要自己去摸索，是我們的短板。

“比如半導體材料的摻雜比例不同，性能差別很大。就好像做蛋糕放雞蛋，雞蛋的比例決定蛋糕松軟程度。該放多少？別人不告訴你。你也不可能憑著撞大運就成功。”

張國斌說，半導體材料的實驗，周期很長，不是一兩年就能做出成績。“我國在這方面有不少學校在研究，做得也不錯，但有些材料量產化還不行。”

另外，高端射頻器件使用新材料，也需要設計者熟悉相應的特殊工藝和封裝。沒有創新的工藝，即使采用新材料，良品率也會差得多。

因此，國內的射頻芯片設計公司都是找代工廠。而國外幾家巨頭都有自己的晶圓廠，不會把看家的秘密拿到別人的工廠。

23. 真空蒸鍍機匱缺：高端顯示屏上的陰影

未來可卷曲、如紙一樣輕薄的各類終端屏幕主要選材是OLED（有機發光二極管），OLED生產過程最重要的一環就是“蒸”，工藝難度極高。

真空蒸鍍機就如同OLED面板制程的“心臟”，被日本Canon Tokki獨占高端市場，說其掌握著OLED產業的咽喉也不過分，業界對它的年產量預測通常在幾臺到十幾臺之間。有錢也買不到，說的就是它。可惜，目前我國還沒有生產蒸鍍機的企業，在這個領域我們沒什么發言權。

這臺設備就如同生產OLED面板的“入場券”

買到Canon Tokki的設備就如同得到了一張生產OLED面板的“入場券”，Canon Tokki在業內的名聲很像頂級光刻機企業ASML，神一樣的存在。

僅有300多名員工，卻基本壟斷了全球真空蒸鍍機的供應，每臺報價過億美元，仍然一機難求，排隊等貨因此成為常態。

據說京東方6代柔性OLED生產線能夠提前量產的重要前提就是，拿到了Canon Tokki的真空蒸鍍機。三星之所以能壟斷中小尺寸OLED的生產和供貨，也是因為有了Canon Tokki的助攻。

蒸鍍設備廠商不止一家，Canon Tokki為什么一機難求？因為它量產穩定與技術成熟的優勢無人可比。

買到Canon Tokki的設備就能有良品率嗎？不然。

中粵金橋投資合伙人羅浩元對記者說：“蒸鍍設備雖然是OLED生產中的關鍵環節，但一條生產線要實現批量化、高品質的生產，要對整個生產鏈進行科學管理及整合，確保每一道工序可控、可靠。但是，沒有真空蒸鍍設備，以上無從談起。”

Canon Tokki能把蒸鍍誤差控制在5微米以內

蒸鍍是OLED制造工藝的關鍵，直接影響著OLED屏幕顯示，蒸鍍機的工作就是把OLED有機發光材料精準、均勻、可控地蒸鍍到基板上。

OLED顯示面板中大量應用的有機材料極易受到氧氣和水的影響，有機材料間也很容易造成污染，因此，面板的蒸鍍一般都是在真空環境下且相互獨立進行。

通過電流加熱，電子束轟擊加熱和激光加熱等方法，使被蒸材料蒸發成原子或分子，它們即以較大的自由程作直線運動，碰撞基片表面而凝結，形成薄膜，這個過程就是真空蒸鍍。

“通俗地說，OLED屏幕每個像素都是蒸上去的，除了發光材料，金屬電極等也是這樣蒸上去的，實際操作非常復雜。

Canon Tokki能把有機發光材料蒸鍍到基板上的誤差控制在5微米內，這是什么概念？1微米相當于頭發直徑的1％。”羅浩元說，“沒有其他公司的蒸鍍機能達到這個精準度。”

潛心于一個領域20余年，讓Canon Tokki擁有不少專利，比如，它很早就將機器視覺應用在設備上。生產環節中，對準玻璃基板和用作像素模板的細金屬網難度很大，利用攝像頭追蹤，Canon Tokki可將誤差范圍縮小到人體紅細胞大小。

這是一場多維度、立體化的綜合性突破

就如中國科學院院士、中國科學院物理研究所歐陽鐘燦教授所說，中國平板顯示全球第一，但大而不強。我國OLED企業主要聚集在產業鏈中下游的面板和手機等顯示終端產品應用領域，上游核心生產設備完全依靠進口。

當年三星從全球40多家蒸鍍機業者選到今天最牛的Canon Tokki，在OLED產業蟄伏期，Tokki遭逢破產危機時，依然全力扶持，這種患難情誼讓三星一度獨家拿下Canon Tokki的全部產量。

電子創新網創始人、半導體技術專家張國斌對記者說：“雖然離了Canon Tokki三星也可能玩不轉，但三星對產業趨勢和技術的判斷、把握值得我們反省。”

羅浩元比較認同張國斌的觀點：“具體到真空蒸鍍機這種卡住產業咽喉的核心裝備，能不能追，怎么追，從上到下都很迷茫。我國目前的OLED產業布局和推進方式可以讓我們短期內形成產業規模，卻無法實現高端設備的自主研發、裝備能力。這個問題不解決，別說真空蒸鍍機，其他OLED裝備的突破也將是空談。”

中國電子材料行業協會常務副秘書長袁桐認為，材料或設備并不是單一的產品，它牽涉到面板系統性的工藝和技術，如果只憑配套企業一己之力，可能只能實現某一種材料或設備的國產化替代。羅浩元說：“這是一場多維度、立體化的綜合性突破。”

OLED的生產難度在精密制造，精密制造的技術壁壘在精密設備。國內OLED大型生產線裝備雖仍一片空白，但OLED科研型蒸鍍設備已達國際水平，中試型生產裝備已成功研發。“雖然距離擺脫‘真空’有點遠，但好歹上路了。”羅浩元說。

“真空蒸鍍機等核心設備的缺失，反映出我國基礎研究、精密加工、自動化控制等多領域的短板。”羅浩元說，“雖然很難，但一代人有一代人的任務，希望我們這一代能生產出真空蒸鍍機。”

24. 傳感器疏察，被愚鈍的機器人“國產觸覺”

給一個壓力，還一個電信號。觸覺傳感器的簡單轉變就能讓真實世界以“二進制”的方式傳給機器人。

行業內，工藝不過關

精確、穩定的嚴苛要求，攔住了我國大部分企業向觸覺傳感器邁進的步伐，目前國內傳感器企業大多從事氣體、溫度等類型傳感器的生產。在一個有著100多家企業的行業中，幾乎沒有傳感器制造商進行觸覺傳感器的生產。

可見，對賣方而言，工藝門檻太高；對買方而言，國產貨沒有障。“一個向左、一個向右”的局面，形成了依賴進口、內生乏力的惡性循環。

行業外，材料不夠純

除了生產工藝，材料純度也是從實驗室到工業生產的“扼咽之處”。

技術復雜，另一道坎

日漸復雜的技術也讓國產產品落得越來越遠。

有布局，但轉化難推進

我國在觸覺傳感器的一種——多維力傳感器的研究方面，很早就進行了布局。不可否認的是，在原創技術的追趕中，后來者必須繞過先行者的相關專利保護，除非找到明顯更優解，否則很可能會因為繞過專利而提高技術達成的門檻，大多數時候，傳說中的“變道超車”要靠運氣。

25. 居者無其屋，國產航空發動機的短艙之困

短艙，是飛機上安放發動機的艙室，俗稱“房子”，模樣類似整流罩，主要由發動機進氣道、整流罩和尾噴口組成，起整流、降噪、保護和為安裝發動機部分附件提供平臺的作用。

“與人們熟知的在高溫、高壓、高速等極端工況下工作的航空發動機熱端部件相比，短艙屬于‘低溫部件’技術，是航空推進系統最重要的核心部件之一，所需的技術難度極高。其成本約占全部發動機的1/4左右。”北京天驕航空產業投資有限公司國家“千人計劃”專家王光秋博士說。

目前，新一代大涵道比航空發動機短艙，主要由航空業頂級制造商美國古德里奇提供，包括波音787和空客A350/A320neo等，也包括龐巴迪C系列和巴西航空公司的E系列支線飛機。美國GE與法國賽風合資的奈賽公司也是一家短艙供應商，向用于B737、A330等飛機的推進系統提供短艙。而我國在這一重要領域尚屬空白。

26. 喪失先機，沒有自研操作系統的大國之痛

電腦和手機里，操作系統就像總經理。每次開啟電源，操作系統第一個上崗，它根據用戶的動作，命令各種硬件干活。軟件的計算需求，經操作系統翻譯，向各種硬件發出指令。但中國沒有自己的操作系統。

缺少自研操作系統，不僅是中國的痛點，英、俄、日、德、印等強國用的都是美國人的操作系統。操作系統天然壟斷，贏家通吃。美國先人一步，占據高點。

27. 中興的“芯”病，中國的心病

當地時間16日，一記重拳向中興通訊砸下。美國商務部表示，由于中興通訊違反了曾與美國政府達成的和解協議，7年內禁止美國企業向中興通訊出口任何技術、產品。

招商電子分析稱，中興通訊的主營業務有基站、光通信及手機，而芯片在這三大領域均存在一定程度的自給率不足。

28. 這些“細節”讓中國難望頂級光刻機項背

指甲蓋大小的芯片，密布千萬電線，紋絲不亂，需要極端精準的照相機——光刻機。光刻機精度，決定了芯片的上限。高精度光刻機產自ASML、尼康和佳能三家；頂級光刻機由ASML壟斷。

“十二五”科技成就展覽上，上海微電子裝備公司（SMEE）生產的中國最好的光刻機，與中國的大飛機、登月車并列。它的加工精度是90納米，相當于2004年上市的奔騰四CPU的水準。國外已經做到了十幾納米。