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【分析】中国制造的15个命门(一)
浏览次数:53 发布时间:2018-07-24 字号:

“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?


以下这篇文章列举了我们还需攻克的15项核心材料与技术难关清单(本篇介绍前5项),这也在提醒着我们——中国制造仍需努力。


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。”


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


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


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。


“环氧树脂的改性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。


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。


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。


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。


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,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。


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。


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。


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。


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。


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。

(未完待续)


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