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顶尖材料人与落后的材料工业

汤森路透集团份依据过去10年中所发表研究论文的引用率而确定的最优秀的100名材料学家榜单中,共有15位华人科学家入选,其中榜单前6位均为华人。但这无法改变中国材料工业落后局面,背后根本原因就是我国繁荣的材料研究背后并没有支撑起相应体量的工业应用。
2019-11-01

转自:庖丁技术《美国最顶尖的材料学家全是华人,为什么我国材料工业水平仍然落后?》2018.11

事实上,如今的中国,已经拥有完整的工业体系,生产着全球一半的钢铁、60%的水泥、25%以上的汽车……可以说是全球最大、最具活力的制造业中心。然而中国工业大而不强,始终是令人痛心的一点。

汤森路透集团发布了全球顶尖的100位材料学家名人堂榜单。在这份依据过去10年中所发表研究论文的引用率而确定的最优秀的100名材料学家榜单中,共有15位华人科学家入选,其中榜单前6位均为华人,美国加州大学伯克利分校教授杨培东位居第一。

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按本科院校划分,上榜的15位华人科学家中,来自中科大的有7位,来自大陆其他大学的有3位,来自台湾地区大学的有2位,而由美国大学培养出来的有3(分别为台湾留学生、自台湾移民后裔、自香港移民后裔)

为什么这些来自中国的人才,最后都选择了留在美国?中国的材料工业、制造水平何时才能走在世界前列?

 

中国制造业发展中普遍存在心脏病

 

我国液压工业的规模在2017年已经成为世界第二,但产业大而不强,尤其是额定压力35MPa以上高压柱塞泵,90%以上依赖进口。可以说,高压柱塞泵是鲠在我国装备制造业咽喉要道的一根太重集团榆次液压工业有限公司副总、高级工程师陈群立说,高性能的柱塞泵,美德日等国外4家龙头企业占据中国市场70%以上份额,在技术方面却对中国严密封锁。

其实,这种现象(中国厂商出产品或者商业模式,少数发达国家出工业母机和支撑技术的现象)是中国制造业发展中普遍存在心脏病的一个表现。

今年的中兴事件,就是一个很好的例子。不过,中兴事件发生后,媒体观察的视野从部门逐渐看到整体产业,从个别问题扩散到一般问题。对制造业发展来说,这是好事。

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中国卡脖子的领域一大半是材料问题

 

近年来,中国在科研领域的发展很快,但中国科技被卡脖子的领域,一大半都是材料问题,这说明中国材料工业水平确实还很落后。

卡脖子技术产品和目前领先甚至垄断的国家:

1、高端显示屏OLED生产设备真空蒸镀机(日本)

——中国平板显示已经做到了全球第一,差距在上游核心生产设备

2液晶屏骨头微球(日本)

——中国制造技术先进,但国产原材料不纯影响微球性能

3、制造液晶显示器用到的ITO靶材(日本、韩国)

——质量不稳定、材料不过关,从实验室到量产才能突破大尺寸领域

4、国产大飞机用的航空钢材(美国)

——还是材料问题,超强度钢纯净度不够

5、燃料电池膜电极组件关键材料(日本)

——中国实验室成果达到国际水平,但量产有一致性和成本控制困难

6、新能源车的心脏锂离子电池(美国、日本、韩国)

——美国强于研发设计,日本强于材料生产,中韩是第二梯队

7、水下机器人深海油管焊接用的高端焊接电源(北欧)

——中国是全球最大焊接电源制造基地,差距在深海水下焊接设备和全数字化控制技术

8、海底观测网系统水下连接器(美国、德国)

——事关国家安全,中国在实验样机阶段,技术研究起步

9、全断面隧道掘进机主轴承(德国、瑞典)

——中国已掌握直径3米的主轴承核心技术,走出实验室仍然是材料、工艺因素制约

10、机械设备高端轴承钢(美国、瑞典)

——中国制轴工艺已经达到先进水平,还是材料差距

11、航空设计软件(法国、美国)

——中国与国外同时起步,国家需要出台政策鼓励国产软件的开发和使用

12、高质量消费级电容和电阻(日本)

——短板还是材料,日本的MLCC产品可以做到1000层,中国产品在300层左右

13、光刻机(荷兰、日本)光刻机镜头(德国)

——ASML的镜片是蔡司技术,德国祖传的磨镜手艺,抛光镜片上百年技术积淀;除了镜头,光刻机还要顶级光源和极致的机械精度(3万个机械件,200多个传感器)

14、上游高端电子化学品例如LCD用光刻胶(日本)

——中国能生产,关键指标不够先进拿不到订单

15、冷冻电镜用的透射式电镜(美国、日本)

——用于基础科研领域的实验技术,中国起步很早,因市场太小连德国蔡司都放弃了

16、发现创新药的潜在靶点的利器iCLIP(美国)

——同样是科研实验技术,2010年诞生的新技术

17、自研操作系统(美国)

——PC、智能手机的操作系统没有国家能成功挑战美国

18、工业机器人算法、软件(日本、德国、瑞士)

——差距在底层核心算法

卡脖子技术产品和目前领先甚至垄断的国家:

1、高端显示屏OLED生产设备真空蒸镀机(日本)

——中国平板显示已经做到了全球第一,差距在上游核心生产设备

2液晶屏骨头微球(日本)

——中国制造技术先进,但国产原材料不纯影响微球性能

3、制造液晶显示器用到的ITO靶材(日本、韩国)

——质量不稳定、材料不过关,从实验室到量产才能突破大尺寸领域

4、国产大飞机用的航空钢材(美国)

——还是材料问题,超强度钢纯净度不够

5、燃料电池膜电极组件关键材料(日本)

——中国实验室成果达到国际水平,但量产有一致性和成本控制困难

6、新能源车的心脏锂离子电池(美国、日本、韩国)

——美国强于研发设计,日本强于材料生产,中韩是第二梯队

7、水下机器人深海油管焊接用的高端焊接电源(北欧)

——中国是全球最大焊接电源制造基地,差距在深海水下焊接设备和全数字化控制技术

8、海底观测网系统水下连接器(美国、德国)

——事关国家安全,中国在实验样机阶段,技术研究起步

9、全断面隧道掘进机主轴承(德国、瑞典)

——中国已掌握直径3米的主轴承核心技术,走出实验室仍然是材料、工艺因素制约

10、机械设备高端轴承钢(美国、瑞典)

——中国制轴工艺已经达到先进水平,还是材料差距

11、航空设计软件(法国、美国)

——中国与国外同时起步,国家需要出台政策鼓励国产软件的开发和使用

12、高质量消费级电容和电阻(日本)

——短板还是材料,日本的MLCC产品可以做到1000层,中国产品在300层左右

13、光刻机(荷兰、日本)光刻机镜头(德国)

——ASML的镜片是蔡司技术,德国祖传的磨镜手艺,抛光镜片上百年技术积淀;除了镜头,光刻机还要顶级光源和极致的机械精度(3万个机械件,200多个传感器)

14、上游高端电子化学品例如LCD用光刻胶(日本)

——中国能生产,关键指标不够先进拿不到订单

15、冷冻电镜用的透射式电镜(美国、日本)

——用于基础科研领域的实验技术,中国起步很早,因市场太小连德国蔡司都放弃了

16、发现创新药的潜在靶点的利器iCLIP(美国)

——同样是科研实验技术,2010年诞生的新技术

17、自研操作系统(美国)

——PC、智能手机的操作系统没有国家能成功挑战美国

18、工业机器人算法、软件(日本、德国、瑞士)

——差距在底层核心算法

19、自动驾驶汽车必备的激光雷达(美国)激光雷达芯片例如发射器(德国)

——国产激光雷达最高40线,国外可做到64甚至128线,高分辨率芯片生产工艺不成熟

20、航空发动机适航标准(美欧)民用大涵道比发动机(美国、英国)

——要长期的工业实践和验证技术来支持

21、航空发动机的短舱(美国、法国)

——安放发动机的舱室、复杂的集成系统,中国处于空白阶段

22、为高铁钢轨养护整形的仿形铣刀刀盘和刀片(德国、奥地利)

——需要一种超硬合金材料,中国尚在学徒阶段

23、高端机床制造核心技术例如数控系统(德国、日本)

——基础材料科学、工艺、设计上的差距;除了控制器,国产机床的丝杠、导轨、伺服电机、力矩电机、电主轴、编码器等主要功能部件主要依赖于国外产品

24、柴油发动机心脏电控柴油高压共轨系统(德国、美国和日本)

——中国可以做,就是差些

25、高端液压装备的核心元件高压柱塞泵(美国、德国、日本)

——性能指标上的差距在于材料制造

26、重型燃气轮机的核心技术(美国、日本、德国、意大利)

——材料差距例如叶片材料,原因是设备、工匠、工艺的差距;基础研究的积累差距:设计技术、核心的热端部件制造技术

27、高端的手机射频器件,高端滤波器、振荡器等射频元件(美国)

——半导体材料差距大,中国研究做得早,量产化还是问题多:材料的一致性、电性能均匀性

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21、航空发动机的短舱(美国、法国)

——安放发动机的舱室、复杂的集成系统,中国处于空白阶段

22、为高铁钢轨养护整形的仿形铣刀刀盘和刀片(德国、奥地利)

——需要一种超硬合金材料,中国尚在学徒阶段

23、高端机床制造核心技术例如数控系统(德国、日本)

——基础材料科学、工艺、设计上的差距;除了控制器,国产机床的丝杠、导轨、伺服电机、力矩电机、电主轴、编码器等主要功能部件主要依赖于国外产品

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——中国可以做,就是差些

25、高端液压装备的核心元件高压柱塞泵(美国、德国、日本)

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27、高端的手机射频器件,高端滤波器、振荡器等射频元件(美国)

——半导体材料差距大,中国研究做得早,量产化还是问题多:材料的一致性、电性能均匀性

28、工业仿生机器人触觉传感器(日本)

——生产工艺,材料纯度不过关,产品的一致性比较差;国内企业大多做气体、温度等类型传感器

29、高速的(≥25Gbps)光芯片和电芯片(美国)

——中兴通讯被制裁的用于光通讯领域的光模块,低速的(≤10Gbps)光芯片和电芯片实现了国产

30、高端CT机探测器(美国、荷兰、德国)

——探测器制造工艺、材质都是机密,医学成像产业已经被美国专利壁垒限制

28、工业仿生机器人触觉传感器(日本)

——生产工艺,材料纯度不过关,产品的一致性比较差;国内企业大多做气体、温度等类型传感器

29、高速的(≥25Gbps)光芯片和电芯片(美国)

——中兴通讯被制裁的用于光通讯领域的光模块,低速的(≤10Gbps)光芯片和电芯片实现了国产

30、高端CT机探测器(美国、荷兰、德国)

——探测器制造工艺、材质都是机密,医学成像产业已经被美国专利壁垒限制

 

重科研”“轻应用”-中国材料强与弱的矛盾

 

在中国材料产业中,有一强一弱两个比较矛盾的现象不得不提。

一方面我国科研人员近十年来在AMAFMAEMEESNano LettAcs NanoNano EnergyAngew ChemJACS等世界知名材料领域学术期刊上发表的文章数不胜数。无论是数量还是质量恐怕都令任何一个国家感到汗颜,其中包括美国、日本和德国。

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可另一方面,我国的材料制造业的地位绝没有达到傲视群雄的地步。与美国材料制造相比,我们处于总体上的弱势地位。在传统金属材料上,我们与德国和日本这两个传统材料强国间也还有一定差距。

同时还有另一个比较滑稽的现象。其实,我国材料工业目前的水平还比较差,正是需要有志青年大展身手的时候,但在知乎等青年学子扎堆的网络论坛上,劝退伪化生的言论层出不穷,材料学科就是被劝退的重灾区之一。

这些乍一看矛盾的现象背后,其实有一个非常合理的解释。就是我国繁荣的材料研究背后并没有支撑起相应体量的工业应用。在这样的情况下,大学发表的材料论文和培养的人才越多,就业的形势就越严峻,学生就业的待遇也就越差。

造成这一现象的直接原因是重科研”“轻应用的学科发展思路。

在多发论文,发好论文的指挥棒下,我国科研人员更热衷于研究新奇材料,摘取这些低垂的果实,而这些成果可能几十年内都难以进行工业应用。

而在国际学术期刊主编的口味影响下,中国材料科研人员热衷于研究国外的学术热点。这样的研究,纵然能做出一些成果,还是不免为他人做了嫁衣裳。

想解决材料行业领域的这些问题,必须要有高瞻远瞩的顶层设计和合理科学的产业布局。这样的布局必须是在中国现阶段国情下各行业联合的集约化布局,而且还应该有一定的弹性,可以随时针对变化的情况进行把资源向急需研发也能研发成功的领域集中。

在材料行业外,我国目前也还有许多工业部门,甚至是关键工业的材料问题没有完全解决。同时,作为世界市场竞争中相对弱势的一方,我们也没有资金和人才方面的突出优势,未来,我们只有不断改变优化思路才能实现弯道超车。

 

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