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談了N年還是前景，新材料的應用為何這么難？

2019-06-06 09:55:30 作者： Matplus 來源：材料十分享至：

談了N年還是前景，新材料的應用為何這么難？

全國兩會期間，很多代表委員反映，我國基礎研究投入不足，占比長期徘徊在5%左右。在3月11日的記者會上，科技部部長王志剛對該問題做了回應，稱“對中國科技界來講，基礎研究的能力和產出是我們的一個短板。”并表示“中國加強基礎研究是堅定不移的。”

說到基礎研究是短板，我們不禁會想：難道說實際應用有優勢？好像完全不是這樣！基礎研究之難，難在理論創新，而實際應用之難，卻經常是多方面因素共同作用的結果。我們不能說誰比誰容易，然而實際情況往往是一方面基礎研究停滯不前，另一方面早已完成的基礎研究成果無法轉化為工業產出。

連續幾年被期待：世界上最輕的金屬材料

上圖這個特殊的金屬材料名為microlattice，中文名叫做金屬晶陣，它是一種人工合成的多孔金屬材料，組成的一個超輕泡沫金屬。由于此晶陣由微型空心管組成，它還的質量比泡沫聚苯乙烯還要輕百倍。

研究者希望通過輕質化來節省更多的燃料，但是實驗各種類型的金屬材料都無法符合他們的要求，于是他們不惜將金屬結構的完整性能打破，來創造出研發出輕質的材料。根據實驗室人員介紹，這種材料的空心管壁厚度僅有100納米，百分之九十九的成分是空氣，它的重量卻僅有頭發的千分之一。

實際上，這種材料15年美國波音公司發布以來，當年就進入了年度被期待的材料行列。連續幾年，這種材料就像非誠勿擾里的釘子戶一樣，一直待在每年“被期待”的榜單中。

然而直到現在，網絡里所有關于微格金屬的消息，全部是當年剛研發出來的介紹。這一噱頭十足的材料，伴隨著人們的期待，幾乎到了銷聲匿跡的地步了。

老生常談的“工業味精”：石墨烯

如果說microlattice出現時間尚短，還不足以走出實驗室的話，石墨烯這玩意就老生常談了。有“人類最強晶體”之稱的石墨烯于2004年被發現，成為了目前已知最薄最輕，強度最高，韌性最好，導電、導熱性最佳，透光率最高的材料。2014年以來，國內企業相繼推出了石墨烯內衣褲、U形枕、輪胎、涂料、加熱片、移動電源、保健用品等產品，多將石墨烯粉體添加至各類產品中改善性能，應用領域極廣。但因用量較少且不發揮主要作用，石墨烯只能作為輔助材料使用。 “工業味精”的說法，還真不是白叫的。

瘋炒概念

近年來，國家發布了多個支持石墨烯產業發展政策。其中，2015年《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》提出：集群發展石墨烯材料應用產業，形成聚集效益，打造產業示范基地。

公開資料顯示，全國各地在建和計劃興建的石墨烯產業園不下30個，且還在不斷增加。

據了解，這些產業園中，依靠當地石墨資源建立的產業園區不到10個；很多產業園區的建立根本不是依托在石墨烯資源或石墨烯企業的基礎上，是為了“圈地”，搶占石墨烯這一高新技術。可依托的企業少，周邊的產業鏈欠缺，簡單重復、缺乏特色成為不少石墨烯產業園的“通病”。

目前中國擁有世界上最為龐大的石墨烯研發隊伍，從2011年起，中國學者發表的石墨烯論文已居全球榜首，至今已遙遙領先。在專利申請方面，中國與美國申請量最大。另一方面，資本市場對石墨烯產業給予了巨大的熱情，政府的支持、專利的激增讓石墨烯概念股炒得如火如荼。

但部分業內人士認為：國內石墨烯市場浮躁現象突出，有人急功近利想通過資本市場實現大量利潤，導致市場魚龍混雜。我們無法精細地區分這種急功近利者的背后目的，然而從技術成熟度曲線角度來看，我國的石墨烯還處在向頂峰爬坡的階段。只為了突出地方經濟增長點，沒有優勢特點的石墨烯產業園的建立，極可能成為未來 “泡沫”的犧牲品。

缺乏核心技術，淺嘗輒止

雖然石墨烯產業方興未艾，已開發民用、公用、軍用各類石墨烯產品種類繁多，但是，大多處于小打小敲階段，目前尚沒有真正的“爆款”出現。

有產能，卻很難賣出“爆款”應用產品，成為當下我國石墨烯生產的尷尬現狀。目前市場上大部分下游企業家對于石墨烯還停留在概念上，對于如何實際應用思路并不清晰，也就不可能產生需求。由于下游需求未起，大部分石墨烯企業目前仍無市場，這已經成為了惡性循環。

材料產業想要發展？關鍵在應用。石墨烯具有多方面良好的性能，但拿到下游企業去用，效果卻差強人意。有一次上游科技企業將石墨烯拿給下游生產企業用，生產企業回復稱石墨烯的膜不導電。后來發現，是下游企業檢測方法有問題。這說明，新產品介入舊的工藝并非易事。

一些下游企業購進石墨烯材料等相關產品后，不針對產品特性進行加工工藝的改變。在這種情況下，石墨烯材料即使品質再高，也難以發揮其優越性，造成‘材料好、用不好’的現象。和資金補貼相比，石墨烯企業更需要項目的幫助。想撬動傳統領地不容易，科研單位和上游科技企業甚至愿意自己花錢去做一些創新示范項目。

觀望居多，實際投入不足

石墨烯主要分為粉體和薄膜兩大類，其中粉體提純成本要800元/克，而薄膜提純難度更大，真正要做石墨烯，其投資成本保守估計也要10個億，還不能保證一定成功。

雖然很多公司都對投資者表示目前在研發石墨烯產品，但實際上的研發力度與真正要做產業化相比微乎其微，真實的態度是以關注、觀望為主。此前一位分析師也曾表示，歐盟給諾基亞用于石墨烯研究的費用是13.5億美元，且展望時間是未來10年。

相比較而言，中國企業的研發成本投入較低。早在2011年就與中國科學院金屬所達成石墨烯研發合作的企業，此前3年每年研發費用是500萬元，后續5年每年研發費用為800萬元。

2014年，全球芯片制造巨頭美國IBM公司推出了世界首個多級石墨烯射頻接收器，是迄今為止最先進的全功能石墨烯芯片，其傳輸速度是硅制芯片的千倍；同年7月，IBM宣布將在未來五年內，對石墨烯碳芯片技術投資30億美元的研發資金。

此外，韓國三星、LG集團近年也在柔性顯示器、觸控屏等領域與高校合作研發出了成果，相較于目前市場上最成熟的透明導電薄膜材料氧化銦錫（ITO），石墨烯的成本更低，柔韌性更佳，在柔性電子器件及可穿戴設備等應用十分具有發展潛力。

受制于高端應用的長期高投入及高風險，國內中小型民營企業在高端領域少有布局，實力雄厚的大型國企對石墨烯這一新材料也缺乏積極性。

新材料供給與需求的二律背反

材料科學是戰略性新興產業的基礎科學，對我國實施創新驅動發展戰略至關重要。但目前，我國這一領域的競爭力堪憂，一方面核心關鍵材料對外依存度較高，關鍵技術缺失；另一方面，有些項目卻“一哄而上”，出現產業結構性過剩。有人直言：“急需的新材料找不到，能找到的又做不出產品，做得出產品的又做出好產品。”

本來供給與需求是相互對立的，一方有優勢就意味著對方的相對弱勢。然而對于新材料的供給與需求來說，雙方都是弱勢的。企業需要更好的材料，基礎研究的成果也急需產業轉化，然而兩者常常驢唇不對馬嘴，形成了一對尷尬的矛盾。某種意義上，這是科研與生產脫節的不良結果?？蒲锌紤]的是材料的性能，生產考慮的是成本和利潤，標準和目的不同，缺乏溝通、閉門造車的結果就只能是資源的浪費。

碳納米管、量子金屬、超固體等眼花繚亂的概念不斷涌現出來，各種“迎接材料領域新時代”的呼聲不絕于耳，然而我們生活中遇到的，還是各種普通鋼材，鋁材，塑料……

科技創新向基礎研究傾斜的意義

談到“我國基礎研究投入占比長期徘徊在5%左右”。王志剛分析：我們經常拿中美基礎研究投入做對比，美國在15%左右、中國在5%左右，但是光看數字不能反映全貌。“我們要承認，確實美國在基礎研究方面投入很大，并且產出也是世界第一。就基礎研究經費投入來說，美國是聯邦政府、地方政府、企業、社會力量都在投，中國的5%基本上是中央財政投的，地方財政和企業投得很少。”

王志剛說，但現在我們已經看到了好的勢頭，在中央財政持續加大投入的同時，企業特別是一些高新技術企業，以及把科技創新作為企業持續發展的能力和競爭力的企業，現在都開始把基礎研究作為重點了，包括對數學以及其他基礎學科的投入。他們選了一批人，不是直接對著技術、不是直接對著產品設計，而是從源頭上來探索相關領域的方法、原理，以及在理論上有哪些突破，在實踐中有哪些創新。

科技創新向基礎研究的傾斜，并不是單方面增加基礎研究的投入，使得基礎研究產出更多，不然出了一堆科研成果，無法轉化成為生產力也沒有意義。而是讓真正知道他們需要什么的地方、企業、社會力量，針對自己的需求有的放矢地投入，得到成果之后能夠無縫轉化。資本原來是個急性子，只能看到眼前的蠅頭小利，無法宏觀地把握大局，與其炒作概念，到處圈地圈錢，不如扎實地將資源投入研發，做出更扎實的成果。

加強研發和應用之間的合作

拿我國發展得很好的互聯網科技企業為例，實際上大部分都不是國家財政的投入。他們知道自己需要什么，就投入去研發什么，因為科研一旦和應用分開，就會降低效率。未來的科研與應用，一定是趨于一體的，即使不像三星或者華為那樣，擁有從配件到商品一整套的研發實力，也需要產業鏈不同階段的單位和企業更加緊密的合作。

材料生產企業自身也要反思。材料好卻不一定能嵌入產業鏈。因為以前沒有這種材料，下游如何銜接，往往連標準接口都沒有。材料向應用的轉型過程，需要重視和系統商的合作。例如，生產理療用的石墨烯腰帶，主動和電池商、電池控制App等合作，從而使得推廣相對順暢。

師昌緒院士談中國的新材料應用

要發展好新材料產業，必須“材料先行，應用帶動”。我們不能設計出來了東西，去等材料。對發展新材料產業要有一個很好的戰略性規劃，將來需要什么新材料，要未雨綢繆。新材料從研發到數據齊全、工藝穩定的工程化一般需要較長的周期，需要材料先行。當前我國有許多新材料沒能應用，原因之一就是還沒有達到工程化的程度，這是個要害問題。

目前我國大企業基本都是國有企業，大多數沒有動力去用新材料，因為他們不用新材料照樣過得很好，照樣賺錢，用新材料反而要冒風險?，F在是擁有新材料技術的科研單位、院校拿著新材料去求大企業應用推廣，在這樣的體制下，新材料推廣起來就非常艱難。

我國的新材料企業多數不太大，就是因為應用上不去，這樣新材料發展就很難。政府要在開辟新材料的應用領域上加大作為。比如鎂，我國資源量很大，上世紀90年代提倡做鎂，一下子上去了，占了世界80%的市場，即使這樣，一年才產80萬噸。但目前發展基本上停滯了，為什么？關鍵就是沒找到鎂的新的應用領域，如果建筑材料用上鎂，市場就很大，現在用的鋁合金是塑料包的鋁，為什么不能包鎂呢？鎂的長處一是輕，一是減震，高速列車的震動是個關鍵，如果用鎂既減輕重量又減震。

新材料的應用要開辟新領域，必須做大量的研究工作，再試點應用，這就需要國家制定相應的政策牽引，給予補貼、鼓勵，支持拓寬新材料在新領域的應用。要發展好我國的新材料產業，只有發展先進的制造業，才能帶起來先進的新材料產業。

對于制造業特別是機械制造業來說，“設計是靈魂，材料是基礎，工藝是關鍵，測試是保證”，這個整體上做好了，我們就能成為機械制造強國。我們現在還不是制造強國，就是因為設計比較落后，工藝就更加落后，比如我們的超級計算機，雖然說明設計有了一定的水平，但芯片受制于人。

芯片一是材料，二是工藝，并且工藝更加重要?，F在芯片被英特爾等外國公司壟斷。只有設計、材料、工藝和測試都搞上去了，我們的機械制造業才能上水平。我國的機械制造業必須要從大國到強國，包括資源加工業。比如鋼鐵、有色、水泥和建筑材料，我們并不十分落后，既是生產大國，又是消耗大國，但如何變成強國是一個大問題。歷來，像美國、日本、德國等都是機械制造業和電子制造業強國，他們才因此成為世界強國。所以我們要想成為強國，必須大力發展機械制造業。

上世紀80年代，我國的非線形晶體材料技術是全世界第一，賣了幾百萬美元。但是，材料做成器件出口卻能十倍甚至百倍地增值。因此發展新材料，還要從制造業、從元器件驅動發展。我國航空發動機的壽命大大短于美國的，說明我們僅有新材料還不行，工藝還必須過關。實際上，我們的裝備也并不比人家差多少，但是我們做出來的軸承壽命還不行。這些問題的關鍵就是制造工藝問題，一個是精度不高，一個是抗疲勞性能差。因此要想從大國到強國，還要在制造工藝方面趕上人家。

原來我們飛機起落架經常出問題，有位工程院院士就專門做起落架用鋼，最后達到了美國的壽命水平。這位院士引進的鋼成分當時不保密，但是怎么使其性能提高是關鍵。因此新材料和新技術的結合是關鍵，我們也有能力在這個方面加大作為。

如何做好新材料和新技術的結合，提高制造工藝水平，當前最大的問題實際上是體制問題：現在分割得很厲害。舉例說，航空發動機渦輪盤離心力很大，一出事故肯定是機毀人亡。美國從粉末冶金渦輪盤技術開發到大量應用一共用了12年，我們上世紀80年代從德國引進了設備，到現在也沒用上，都報廢了。為什么？其實還是體制問題。幾十年來，標準是標準，制造是制造，國家應該有一個統一的組織部門。

我們提出企業要作為科技創新的主體，但不要理解為企業設立大的研究機構才是主體，企業必須和科研機構、大學進行真正的聯合。因為，現在高水平的科技專家大部分在科研機構和大學。現在也成立了許多協會、技術聯盟等形式，但大多數是松散型的，沒有真正融合起來。說到底是由于各有各的利益，而在組織、政策層面沒有一個強有力的組織和規范。

另外，為什么有些地方熱衷于建鋼鐵廠，壓也壓不住？就是因為有成熟的技術，沒有風險，并且規模大、賺錢，GDP上去了。所以用GDP來作為衡量發展指標的體制，非常不利于戰略新興產業的發展。新材料由于開始階段用量較少，對GDP的貢獻較小，除非是很有眼光的人才敢上，但是一般政府官員認為在自己任上這些新材料成不了氣候，往往不愿做。因此必須有一個長遠計劃，企業要真正競爭，先進的技術要上，落后的技術要下。

給新材料安上助推器

國務院發布的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》指出，“加強前沿材料布局”，“提高新材料應用水平，推進新材料融入高端制造供應鏈”，“到2020年，力爭使若干新材料品種進入全球供應鏈，重大關鍵材料自給率達到70%以上，初步實現我國從材料大國向材料強國的戰略性轉變。”

進一步打造新材料創新高地。

近年來，深圳新材料產業規模在全國處于領先地位，年增長率達到20%，涌現出一批具備國際先進技術、行業領軍人才的企業單位。一些專家建議，可在深圳等新材料發展較快、基礎較好、產業轉化較成熟的地區，進一步打造國際一流的新材料創新高地、人才聚集高地和產業發展高地。

持續細化、出臺相關產業扶持政策。

工信部部長苗圩表示，“十三五”期間，工信部將加強各個部門之間分工和協同，形成合力，聚焦重點領域，同時注意分類施策，加強共性、核心技術攻克，提高政策精準性和有效性。

新材料從研發到應用需要反復試驗與論證，有的需要幾十年的時間，格外審慎。破除體制機制障礙，營造長期鼓勵創新的良好環境十分重要。

苗圩特別提出，將加大力度鼓勵新材料市場應用；將研究建立新材料首批次應用保險補償機制，解決剛開始投放市場時候用戶“不敢用”等方面難題；還將完善新材料產業標準體系，用標準引領產業健康發展。

餅好畫，事難做！雖然針對新材料的應用，有諸多有針對性、可行的解決方法，然而，在我們能夠經常在量產商品中看到它們之前，還得保持探索的意識，反思的心態，但愿這一天不會讓我們等的太久。

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