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卡脖子的材料問題！中國材料還落后多少？

2023-08-28 15:02:29 作者：材料基來源：材料基分享至：

我國繁榮的材料研究背后并沒有支撐起相應體量的工業應用。在這樣的情況下，大學發表的材料論文和培養的人才越多，就業的形勢就越嚴峻，學生就業的待遇也就越差。造成這一現象的直接原因是“重科研”、“輕應用”的學科發展思路。在多發論文，發好論文的指揮棒下，我國科研人員更熱衷于研究新奇材料，摘取這些“低垂的果實”，而這些成果可能幾十年內都難以進行工業應用。而在國際學術期刊主編的口味影響下，中國材料科研人員熱心于研究國外的學術熱點。這樣的研究縱然能做出一些成果，還是不免為他人做了嫁衣裳。

中國工業化起步

新中國成立初期，中國的貧困世人皆知，飽受了幾十年的軍閥混戰，抗日戰爭及內戰，整個華夏大地滿目瘡痍。除了東部和內陸中心城市有一點鋼鐵、煤礦、紡織、機械制造業外，大部分地區基本上是一片空白。

中國的工業就是在這樣一個百廢待興的時代艱難起步的，不靠殖民主義、帝國主義和戰爭，而真的是靠著中國人民節衣縮食積累工業資金，自力更生，發憤圖強，一步步實現了中國工業在廢墟中的崛起。

中國開始了歷史上前所未有的工業化進程，在能源、冶金、機械、化學和國防工業領域，陸續展開了“156項”（實際完成150項）重點工程。到1957年底第一個五年計劃結束時，“156項工程”已開工135個，其中建成或部分建成投產的68個。到1959年建國十周年時，我國鋼產量由世界第26位升至第7位；煤、油從第9位升至第3位；發電量由第25位升至第11位。

正是由于這“156項工程”，中國的工業化從此開始建立起來，中國也正式開始從一窮二白的農業國邁向工業國。

“156項重點工程”是第一個五年計劃期間蘇聯援建中國的156個工業項目的總稱，旨在幫助中國初步建立基礎工業體系和國防工業體系骨架，以奠定中國工業化的基礎。

以這些工程為核心，以900余個限額以上大中型工程項目配套為重點，新中國形成了獨立自主的工業經濟體系雛形，建立了工業化的基礎。

1964年12月，在第三屆全國人民代表大會第一次會議上，周恩來根據毛澤東的建議，在政府工作報告中首次提出，在20世紀內，把中國建設成為一個具有現代農業、現代工業、現代國防和現代科學技術的社會主義強國，實現“四個現代化”目標的“兩步走”設想。

為了實現這個偉大的歷史任務，中國的國民經濟建設，從第三個五年計劃開始分兩步實施:

第一步，建立一個獨立的比較完整的工業體系和國民經濟體系;

第二步，全面實現農業、工業、國防和科學技術的現代化。使中國經濟走在世界的前列。

改革開放以后，中國開始了中國特色社會主義現代化建設的偉大實踐，中國工業從此插上了騰飛的翅膀，以前所未有的生機和活力快速發展。

2018年9月4日國家統計局發布的改革開放40年經濟社會發展成就報告顯示:2017年工業增加值接近28萬億元，按可比價計算，比1978年增長53倍，年均增長108%。

現如今，中國已經從一個落后的農業大國轉變為一個工業大國，建立了世界上最完備的現代工業體系，躍升為世界第一制造大國。

在聯合國工業大類目錄中中國是唯一擁有所有工業門類制造能力的國家。據國務院發展研究中心研究員魏際剛統計，如今中國500種主要工業品中有220多種產量位居全球第一。

中國成為工業大國的關鍵，在于形成了一個舉世無雙，行業齊全的工業體系。伴隨著中國快速的工業化進程，中國制造業不斷發展壯大，世界200多個國家和地區都能見到“中國制造”的身影。

據世界銀行數據顯示，按現價美元測算，2010年中國制造業增加值首次超過美國，成為全球制造業第一大國。

然而中國工業大而不強，也是很多人心頭的痛。

中國工業系統“枝繁但葉不茂”

如果把整個工業系統比作一棵樹，那么樹的枝干相當于初級的分類，而細小的枝干和樹葉相當于精細化的產業分類。那么一個健康的工業系統的枝杈不見得很多，但是每條枝杈上都枝繁葉茂，而且枝頭長著嫩芽，時刻可能萌發出新的枝杈。我國的工業系統這棵大樹應該說枝杈很多，但是每根樹枝上的葉子不夠繁茂。

無論是從市場，還是從規模來看，中國都是無可爭議的世界第一制造業大國。而遺憾的是，裝備制造業上的一環，仍然沒有掌握在中國人自己手里。這個缺口，每年仍然讓外資賺走大筆中國依靠低端制造業辛苦攢下的血汗錢。

這一環，就是液壓系統上的關鍵部件——高壓柱塞泵。

高壓柱塞泵是高端液壓裝備的核心元件，被稱作液壓系統的“心臟”。液壓系統是裝備制造業的關鍵部件之一，被廣泛應用于農林機械、化工、輕紡機械、能源工業機械、冶金工業機械、建材工業機械、機床行業，以及軍工、航空航天、船舶等等。據相關數據統計，發達國家生產的95%的工程機械、90%的數控加工中心、95%以上的自動線都采用了液壓傳動技術。可以說，一切工程領域，凡是有機械設備的場合，都離不開液壓系統。

一個完整的液壓系統由5個部分組成，即動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件和工作介質。動力元件的作用是將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，它向整個液壓系統提供動力。液壓泵的結構形式一般有齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵。

高壓柱塞泵屬于動力元件。我國國產大飛機C919試飛成功的重要功臣之一，中國二重生產的國際最大的8萬噸級模鍛液壓機，其高壓柱塞泵就是進口美國的產品，幾十臺柱塞泵靠電動機帶動把液壓油加壓后推動油缸產生8萬噸的鍛打壓力。再比如坦克的履帶行走，就是依靠內燃機帶動液壓泵，讓油液經由閥門控制通過油管輸出去，驅動馬達變成旋轉運動，然后帶動履帶行走。我國的坦克、裝甲車等軍工機械，絕大多數使用的是進口高壓柱塞泵。這些進口的液壓泵，每臺價格都在20萬元以上。在突破瓶頸之前，這些液壓泵的更換和維修，都會受到外國公司供貨周期和提供服務的牽制。

中國制造業發展中普遍存在“心臟病”

其實這種現象是中國制造業發展中普遍存在“心臟病”的一個表現。即中國廠商出產品或者商業模式，少數發達國家出工業母機和支撐技術的現象。中美貿易爭端還處于早期時，輿論更多聚焦于基礎軟硬件等“高大上”的部分，而忽視了芯片等半導體產業其實也是制造業的一種。

中國半導體產業的許多問題也是整體中國制造業面臨的問題，只是說深淺程度有所不同罷了。因為半導體產業的地位更加重要，與日常生活的距離更近，所以引發的討論也就更大一些。中興事件發生后，媒體觀察的視野從部門逐漸看到整體產業，從個別問題擴散到一般問題。對制造業發展來說，這是好事。

中國制造2025為什么既關注航空航天、信息技術、高端機床，又關注新材料、農機裝備、電力和船舶，就是看到傳統重工業在發展經濟中的基礎性地位。

中國“卡脖子”的領域，一大半是材料問題

中國在科研領域的發展很快，但中國科技被“卡脖子”的領域，一大半是材料問題，中國材料工業水平確實還落后。用冷凍電鏡，中國科學家大量解析蛋白質結構發頂級期刊，但冷凍電鏡我們要花巨資去買，諾獎也是頒給開創冷凍電鏡技術的外國科學家。下面將“卡脖子”危險的技術產品和目前領先甚至壟斷的國家列舉如下：

高端顯示屏OLED生產設備真空蒸鍍機（日本）

——中國平板顯示已經做到了全球第一，差距在上游核心生產設備

“液晶屏骨頭”微球（日本）

——中國制造技術先進，但國產原材料不純影響微球性能

制造液晶顯示器用到的ITO靶材（日本、韓國）

——質量不穩定、材料不過關，從實驗室到量產才能突破大尺寸領域

國產大飛機用的航空鋼材（美國）

——還是材料問題，超強度鋼純凈度不夠

燃料電池膜電極組件關鍵材料（日本）

——中國實驗室成果達到國際水平，但量產有一致性和成本控制困難

新能源車的“心臟”鋰離子電池（美國、日本、韓國）

——美國強于研發設計，日本強于材料生產，中韓是第二梯隊

水下機器人深海油管焊接用的高端焊接電源（北歐）

——中國是全球最大焊接電源制造基地，差距在深海水下焊接設備和全數字化控制技術

海底觀測網系統水下連接器（美國、德國）

——事關國家安全，中國在實驗樣機階段，技術研究起步

全斷面隧道掘進機主軸承（德國、瑞典）

——中國已掌握直徑3米的主軸承核心技術，走出實驗室仍然是材料、工藝因素制約

機械設備高端軸承鋼（美國、瑞典）

——中國制軸工藝已經達到先進水平，還是材料差距

航空設計軟件（法國、美國）

——中國與國外同時起步，國家需要出臺政策鼓勵國產軟件的開發和使用

高質量消費級電容和電阻（日本）

——短板還是材料，日本的MLCC產品可以做到1000層，中國產品在300層左右

光刻機（荷蘭、日本）光刻機鏡頭（德國）

——ASML的鏡片是蔡司技術，德國祖傳的磨鏡手藝，拋光鏡片上百年技術積淀；除了鏡頭，光刻機還要頂級光源和極致的機械精度（3萬個機械件，200多個傳感器）

上游高端電子化學品例如LCD用光刻膠（日本）

——中國能生產，關鍵指標不夠先進拿不到訂單

冷凍電鏡用的透射式電鏡（美國、日本）

——用于基礎科研領域的實驗技術，中國起步很早，因市場太小連德國蔡司都放棄了

發現創新藥的潛在靶點的利器iCLIP（美國）

——同樣是科研實驗技術，2010年誕生的新技術

自研操作系統（美國）

——PC、智能手機的操作系統沒有國家能成功挑戰美國

工業機器人算法、軟件（日本、德國、瑞士）

——差距在底層核心算法

自動駕駛汽車必備的激光雷達（美國）激光雷達芯片例如發射器（德國）

——國產激光雷達最高40線，國外可做到64甚至128線，高分辨率芯片生產工藝不成熟

航空發動機適航標準（美歐）民用大涵道比發動機（美國、英國）

——要長期的工業實踐和驗證技術來支持

航空發動機的短艙（美國、法國）

——安放發動機的艙室、復雜的集成系統，中國處于空白階段

為高鐵鋼軌養護整形的仿形銑刀刀盤和刀片（德國、奧地利）

——需要一種超硬合金材料，中國尚在學徒階段

高端機床制造核心技術例如數控系統（德國、日本）

——基礎材料科學、工藝、設計上的差距；除了控制器，國產機床的絲杠、導軌、伺服電機、力矩電機、電主軸、編碼器等主要功能部件主要依賴于國外產品

柴油發動機“心臟”電控柴油高壓共軌系統（德國、美國和日本）

——中國可以做，就是差些

高端液壓裝備的核心元件高壓柱塞泵（美國、德國、日本）

——性能指標上的差距在于材料制造

重型燃氣輪機的核心技術（美國、日本、德國、意大利）

——材料差距例如葉片材料，原因是設備、工匠、工藝的差距；基礎研究的積累差距：設計技術、核心的熱端部件制造技術

高端的手機射頻器件，高端濾波器、振蕩器等射頻元件（美國）

——半導體材料差距大，中國研究做得早，量產化還是問題多：材料的一致性、電性能均勻性

工業仿生機器人觸覺傳感器（日本）

——生產工藝，材料純度不過關，產品的一致性比較差；國內企業大多做氣體、溫度等類型傳感器

高速的（≥25Gbps）光芯片和電芯片（美國）

——中興通訊被制裁的用于光通訊領域的光模塊，低速的（≤10Gbps）光芯片和電芯片實現了國產

高端CT機探測器（美國、荷蘭、德國）

——探測器制造工藝、材質都是機密，醫學成像產業已經被美國專利壁壘限制

中國材料強與弱的矛盾問題？

說到我們國家產業發展中材料這一弱勢，有兩個比較矛盾的現象不得不提。一方面我國科研人員近十年來在AM、AFM、AEM、EES、Nano Lett、Acs Nano、Nano Energy、Angew Chem、JACS等世界知名材料領域學術期刊上發表的文章數不勝數。無論是數量還是質量恐怕都令任何一個國家感到汗顏，其中包括美國、日本和德國。

根據全球最大、覆蓋學科最多的綜合性學術信息資源平臺ISI Web of Science（類似于我國的知網）統計，2015年中中國研究者每發表十篇高水平英文論文中就有一篇來自于材料科學領域。事實上，即使是2006年，中國作者發表的材料科學領域論文數量就已經大大超過了美國。而2006年-2015年間，這一數字又增長了將近兩倍。

早在2006年我國研究者發表的材料科學論文就早已高于美國

可另一方面，我國的材料制造業的地位絕沒有達到傲視群雄的地步。與美國材料制造相比，我們處于總體上的弱勢地位。在傳統金屬材料上，我們與德國和日本這兩個傳統材料強國間也還有一定差距。

同時還有另一個比較滑稽的現象。一方面我國材料工業目前的水平還比較差，正是需要有志青年大展身手的時候；另一方面到知乎等青年學子扎堆的網絡論壇上一看，勸退“偽化生”的回答層出不窮，而材料學科就是被勸退的重災區。

這些乍一看矛盾的現象背后，其實有一個非常合理的解釋。就是我國繁榮的材料研究背后并沒有支撐起相應體量的工業應用。在這樣的情況下，大學發表的材料論文和培養的人才越多，就業的形勢就越嚴峻，學生就業的待遇也就越差。

造成這一現象的直接原因是“重科研”“輕應用”的學科發展思路。在多發論文，發好論文的指揮棒下，我國科研人員更熱衷于研究新奇材料，摘取這些“低垂的果實”，而這些成果可能幾十年內都難以進行工業應用。而在國際學術期刊主編的口味影響下，中國材料科研人員熱衷于研究國外的學術熱點。這樣的研究縱然能做出一些成果，還是不免為他人做了嫁衣裳。

相反研究傳統的國內急需的材料問題，不僅很難發表高質量的英文論文，而且投入的科研經費甚至還更多。

解決部分行業領域材料問題必須要有高瞻遠矚的頂層設計和合理科學的產業布局。這樣的布局必須是在中國現階段國情下各行業聯合的集約化的布局，而且還應該有一定的彈性，可以隨時針對變化的情況進行把資源向急需研發也能研發成功的領域集中。

我國目前還有許多工業部門甚至是關鍵工業的材料問題還沒有完全解決，同時作為世界市場競爭中相對弱勢的一方也沒有資金和人才的突出優勢，面對這些困難，只有不斷改變優化思路才能實現彎道超車。

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