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【分析】中国制造的15个命门(二)
浏览次数:45 发布时间:2018-07-25 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(5-10项),这也在提醒着我们——中国制造仍需努力。


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。


6、一层隔膜两重天

     国产锂电池尚需拨云见日


“也不知道这辆车的电池能坚持多久?”


6月15日上午,望着窗外驶过的又一辆新能源汽车,南开大学新能源材料化学研究所所长、博士生导师周震习惯性地自语道。


从事新能源材料研究20多年,看着日渐增多的新能源汽车,周震欣喜之余,仍存忧虑,“锂电池的基础材料研究,我们与世界一流水平还有差距,尤其高端电池隔膜材料仍然依赖进口”。


在周震等业内专家看来,作为新能源车的“心脏”,国产锂离子电池(以下简称锂电池)目前“跳”得还不够稳。


跨越太平洋的“四国游戏”


在锂电池领域存在着一个跨越太平洋的“四国游戏”。“从行业角度来看,美国有比较强的研发设计能力,目前仍然引领锂电池原始创新、核心材料研发;


日本作为电池材料制造大国,生产规范严格,能够最先制造出新的成品电池;我国和韩国作为第二梯队,后续跟进……”


周震解释说,“相较日、韩,我国的低端锂电池产品更有优势,主要是由于人工和原始材料相对便宜,但是在部分高端产品,尤其是事关电池安全性的核心材料和制造工艺,仍有较大的差距。”


据了解,电池四大核心材料中,正、负极材料、电解液都已实现了国产化,唯独隔膜仍是短板。国产隔膜主要供应低端3C类电池市场,高端隔膜目前依然大量依赖进口。


核心专利缺乏,隔膜等关键材料不给力,不仅成了国产锂电池难以承受之痛,也拖了国产锂电池企业“走出去”的后腿。


一层薄膜两重天


“高端的隔膜一般附带有陶瓷材料,如果电解液温度过高,材料膨胀,孔隙会像闸门一样关闭,切断离子交流,从而避免电池因温度过高而起火爆炸。”


周震介绍说,隔膜是锂电材料中技术壁垒最高的一种材料,其技术难点在于造孔的工程技术、基体材料,以及制造设备。“技术要求高,价格自然也就贵,差不多占到了电池总成本一成以上。”


目前,世界上最好的锂电池隔膜材料出自旭化成和东燃化学两家日本公司,而国内锂电池铝塑膜市场九成份额也被昭和电工等日本厂商垄断。


天津力神公司的工程师告诉记者,与日本相比,我国的高端隔膜差距明显。国产隔膜产品一致性不高,存在孔隙率不达标,厚度、孔隙分布以及孔径分布不均等问题。


隔膜的品质直接影响电池容量、充放电循环寿命、阻燃止爆安全性能等指标。业内人士感慨:“一层隔膜两重天,迈过去就是晴天!”


国产隔膜急需突破


记者采访中了解到,我国在干法工艺上已迈入了世界第一方阵,但在湿法隔膜领域,国内企业虽掌握方法,但整体仍难以与外国巨头抗衡,此外,核心生产设备也主要依赖进口。


有电池行业协会据此估算,我国未来每年需要的高品质车用动力电池隔膜材料需求量将达到数亿平方米。


“锂电池发展要想不受制于人,隔膜等高端材料无法回避!”天津巴莫股份有限公司总经理吴孟涛认为,如此巨大的市场需求,完全依赖外国厂商,不仅不现实,也将是国产动力锂电池最大隐忧。


高端隔膜技术具有相当高的门槛,不仅要投入巨额的资金,还需要有强大的研发和生产团队、纯熟的工艺技术和高水平的生产线。


周震认为,国内隔膜企业要想有更大的作为,必须要在基础材料表面处理工艺、胶粘剂配方工艺、产品冲压拉伸等涉及材料、设备和工艺控制等三大领域“补课”。


此外,在隔膜产业链上游,包括国产涂布机等在内核心生产装备也需要迎头赶上,尽快实现国产化更大突破。


“好比登山,离山顶越近成功登顶的希望就越大,而这时需要付出的努力也多!”周震说道。


7、国产焊接电源“哑火”

      机器人水下作业有心无力


我国是海洋大国,拥有300多万平方公里海域,正在大力发展高端海洋资源开发和海洋维权装备。海里的设备一旦出现开裂等故障,需要用有工业制造“缝纫机”之称的焊接装备修补。


深海焊接的实现靠水下机器人。而我国水下机器人焊接技术一直难以提升,原因是高端焊接电源技术受制于人。


水下焊接电源是关键


水下机器人,顾名思义是能在不同水深中进行多种作业的机器人。海洋岛礁建造、海上油气田、水坝建设、大型船舰修复、核泄露事故应急水下修补、军事海防工程等,它都能应付自如。“人不敢去的地方它都敢去。”王振民说。请加微信公众号:工业智能化(robotinfo) 马云都在关注


水下机器人焊接质量的好坏,受制于多种技术,其中最为关键的是焊接电源。“焊接电源为焊接电弧提供能量,焊接时电弧稳定燃烧是基本要求。”王振民说。


水火不相容,偏偏水下焊接就是要在水中通过“火”来完成的。由于焊接区域周边一直处于水的强冷状态,待焊接工件的表面也有水,在焊接电弧的引弧和燃弧过程中,电弧易熄灭,熔化金属难以流动扩展,严重影响到水下焊接时电弧稳定性。


王振民表示,电弧稳定性主要取决于焊接电源的电特性及其动态调控能力。


然而,目前我国水下机器人焊接领域普遍使用陆上通用型(常压环境)弧焊电源,或在此基础上进行结构微调,对水下专用焊接电源的研究非常少,缺乏高性能的水下焊接电源,严重制约了水下机器人焊接质量的提升。


高端焊接电源基本被国外垄断


虽然我国是全球最大焊接电源制造基地,年产能已超1000万台套,但高端焊接电源基本上仍被国外垄断。“国外焊接电源全数字化控制技术已相对成熟,国内的仍以模拟控制技术为主。”王振民说。


由于国产电源不给力,水下机器人焊接技术一直难以得到提升。“弧焊工艺控制的智能化程度偏低,国内对焊接基础研究投入不足,工艺积累有限,导致产品除价格外,与进口产品相比不具有竞争优势。”


王振民指出,国产焊接电源网络化自动化水平较低,导致各个自动化焊接部件信息量的传递十分有限,难以实现复杂焊接工艺的协同调控。


现在只有国外一两家企业完全掌握水下机器人焊接技术。我国只能向国外购买,不仅价格贵,后期维护成本也极其高昂,同时还要被严格审核使用领域、范围。


“国外技术人员来检修深海石油管道,在出现问题的地方画个圈圈,几百万甚至上千万元人民币就没了。”王振民说。


技术虽有突破 却难以产业化


华南理工大学是我国最早开展现代逆变式焊接电源装备技术的单位,近年来,他们研发了逆变频率可高达200kHz的新一代大功率逆变式焊接电源,逆变频率的提高意味着对焊接电弧以及熔滴过渡行为的控制将更为精确。


与国外现有频率20kHz的工业级焊接电源相比,虽技术有了较大突破,但王振民却高兴不起来,他说:“产业化还有很长的路要走。”


专业焊接人才极其匮乏是重要原因。近十多年,国内不少高校的焊接专业已被取消,用人单位对焊接的重视程度也不够,待遇差,导致了人才储备远远不足。


此外,“我国焊接装备产业原有机械部定点的30多个国有厂家,多半已处于破产、倒闭或者关停状态。


但目前市场上唱主角的均为改革开放以后成长起来的900多家合资企业和民营企业,而其中绝大部分民营企业几乎没有研发能力。”王振民建议,应逐步完善以市场为导向、政产学研用相结合的技术创新体系。


8、少了三种关键材料

     燃料电池商业化难成文章


前段时间,国务院总理在日本丰田汽车北海道工厂参观考察了氢燃料电池车。这一举动,被解读为对氢燃料电池车产业释放出利好信号。


一个有些尴尬的现实是,国外的燃料电池车已实现量产,但我国车用燃料电池还处在技术验证阶段。南方科技大学机械与能源工程系教授王海江指出,我国车用燃料电池的现状是——几乎无部件生产商,无车用电堆生产公司,只有极少量商业运行燃料电池车。


燃料电池是“一支队伍”


一般来说,单节燃料电池的电压偏低、电流偏大,在实际应用中需要由多节燃料电池串联形成电堆,以提升输出电压。


氢燃料电池的动力来源是氢气和氧气,两者会在燃料电池中开始它们的“奇幻”旅程:氢在阳极催化作用下氧化,生成质子和电子;电子经外电路做功,到达阴极;而质子通过质子交换膜从电池内部传输到阴极,质子与电子在阴极汇合并在催化作用下与氧反应生成水。


看起来似乎只是初中化学知识。但实际上,燃料电池的运作,是一个系统工程。


“燃料电池车是新能源车的一种,它是未来的发展方向之一。”中科院大连化物所燃料电池研究部部长邵志刚告诉科技日报记者,2014年年底,日本丰田公司宣布实现燃料电池车的商业化;而在国内,一切尚处于起步阶段。


关键材料还缺批量生产线


车用燃料电池,一般为质子交换膜燃料电池。


它有两大关键部件,一个叫膜电极组件,一个叫双极板。前者其实是由“三兄弟”构成:质子交换膜、催化层和气体扩散层。


这些关键材料,决定着燃料电池的寿命和性能。


“巧妇难为无米之炊。我们的关键材料长期依赖国外,一旦国外禁售,我国的燃料电池产业便没有了材料基础支撑。”清华大学氢燃料电池实验室主任王诚说。


其实,这些材料我国并非完全没有,有些实验室成果甚至已达到国际水平。但是,没有批量生产线,燃料电池产业链依然梗阻。


特别是在气体扩散层量产技术方面,我国还是空白。“这是因为气体扩散层的石墨化工序需要经过2000℃以上的高温才能制备,但关键设备高温炉技术还掌握在国外手中。”王诚解释。


要商业化,还得强链、补链


王海江此番回国,就是想带着在燃料电池领域深耕多年的经验,和团队在深圳建成燃料电池产业链。


要打破发达国家的长期技术垄断,就得加大对燃料电池核心材料产业化的投入。接受采访的专家均指出,燃料电池产业链“非常长”,涉及到氢能系统、燃料电池发电系统以及汽车等终端产品。


“国内零部件、氢基础设施以及标准规范还不健全,需要强链、补链,带动新材料、新能源、汽车高端装备制造成长,才能促进燃料电池商业化提速。”王诚强调。


9、水下连接缺国产利器

     海底观测网傍人篱壁


除了船舶、遥感卫星,海底观测网已成为第三种海洋观测平台——通过它,人类可以深入到水下观测和认识海洋。


如果将各类缆系观测平台比作胳膊、腿,水下连接器就好比关节,对海底观测网系统的建设、运行和维护有着不可替代的作用。


遗憾的是,无论是国家海底长期科学观测网,还是短期实验观测网,目前我国水下连接器市场基本被外国垄断。体积约2个易拉罐,最高售价80万元。


水下连接器分为干插拔连接器和湿插拔连接器。


江苏中天科技股份有限公司杨华勇博士告诉记者,干插拔连接器在陆上完成插拔操作,然后放入水下使用,我国已基本掌握该项技术。


湿插拔连接器难度更高,过程好比充电插头与手机在水下完成插合,充电完毕后直接在水中拔下插头,目前仍没有可用的国内产品。


从外观上看,湿插拔连接器与两个易拉罐大小相当。


“根据布放海域的水深、电压的大小,以及多芯还是单芯,价格差别悬殊,最贵的售价约80万元,最便宜的也要20万元。”杨华勇说。更重要的是,实验观测网要使用多个湿插拔连接器,并且连接器插拔次数寿命有限。


水下插合要满足动态密封要求


有些规模大的观测网在海底绵延数千公里,供电电压达1万伏甚至更高。


观测网的电源被“装”进一个叫接驳盒的“房子”里。在主干光电复合缆与主接驳盒的电能、通信传输,以及次接驳盒与传感器的电能及通讯传输中,都要通过湿插拔连接器这道“关卡”。


湿插拔连接器其实是一对公头和母头,母头被固定。


“好比注射器,如果活塞与管壁结合严密,推动活塞可以将注射器内的液体全部排干净。”杨华勇说,湿插拔连接器不仅要满足应用时插合状态的密封要求,还要满足动态密封要求——在插针未插入时闭合密封,插针插入和插合到位过程中也要保持密封。


但其工作环境往往在几千米的水下,巨大的压力下“活塞”与“管壁”难免变形。


水下压力也让内部空腔与外表面形成巨大压差,连接器很难被拔开。


连接器与配接缆间的连接和密封,与连接器的机械强度、耐水压性能和信号传输性能直接相关。但水中插拔通常由水下机器人(ROV)完成,这对连接器机械强度和结构设计提出了高要求。


罗续业告诉记者,历经几十年发展,这项技术才在欧美国家逐渐成熟。目前在建的海底观测网系统使用的产品几乎都来自美国Teledyne ODI,德国公司的产品在海上油气开采方面拥有较大份额。


我国尚处于实验样机阶段


“十二五”期间,在国家863计划支持下,湿插拔连接器被正式列为水下组网项目的子课题。虽然科研经费量不大,但也意味着我国湿插拔连接器技术研究正式起步。


在罗续业看来,这是因为随着海上石油、天然气开采和海底观测网建设,原来“小众”的湿插拔连接器有了更多舞台,一旦研发成功,将拓展水下设备、仪器的使用范围,极大推动海洋立体观测网自主技术开发。


由于起步晚,多名采访对象表示,在湿插拔连接器领域我国与国外差距明显。前几年,一台原理样机在实验中被“击穿”而丧失“武功”,并没有在实际中应用。


“近几年我们开始自筹资金在‘啃难啃的骨头’。因为一旦该连接器成为禁运品,整个海底观测网的建设和运行将被迫中断。”


多名采访对象也表达了类似的观点:海底观测网事关国家安全,必须得到国家的高度重视。


最新消息是,最近国家已组织专家对水下湿插拔开展技术论证。


“目前我们基本掌握了原理,后续还要依靠市场和工业化手段来解决基础材料、高精度加工工艺和深海应用试验等问题。”杨华勇建议,湿插拔技术研究一定不能为了研究而研究,务必要按照产业化的理念来布局技术攻关,尽可能加速研发和产业化进程。


10、真空蒸镀机匮缺:

       高端显示屏上的阴影


未来可卷曲、如纸一样轻薄的各类终端屏幕主要选材是OLED(有机发光二极管),OLED生产过程最重要的一环就是“蒸”,工艺难度极高。


真空蒸镀机就如同OLED面板制程的“心脏”,被日本Canon Tokki独占高端市场,说其掌握着OLED产业的咽喉也不过分,业界对它的年产量预测通常在几台到十几台之间。


有钱也买不到,说的就是它。可惜,目前我国还没有生产蒸镀机的企业,在这个领域我们没什么发言权。


这台设备就如同生产OLED面板的“入场券”


买到Canon Tokki的设备就如同得到了一张生产OLED面板的“入场券”,Canon Tokki在业内的名声很像顶级光刻机企业ASML,神一样的存在。


仅有300多名员工,却基本垄断了全球真空蒸镀机的供应,每台报价过亿美元,仍然一机难求,排队等货因此成为常态。


据说京东方6代柔性OLED生产线能够提前量产的重要前提就是,拿到了Canon Tokki的真空蒸镀机。三星之所以能垄断中小尺寸OLED的生产和供货,也是因为有了Canon Tokki的助攻。


蒸镀设备厂商不止一家,Canon Tokki为什么一机难求?因为它量产稳定与技术成熟的优势无人可比。


买到Canon Tokki的设备就能有良品率吗?不然。


中粤金桥投资合伙人罗浩元对记者说:“蒸镀设备虽然是OLED生产中的关键环节,但一条生产线要实现批量化、高品质的生产,要对整个生产链进行科学管理及整合,确保每一道工序可控、可靠。但是,没有真空蒸镀设备,以上无从谈起。”


Canon Tokki能把蒸镀误差控制在5微米以内


蒸镀是OLED制造工艺的关键,直接影响着OLED屏幕显示,蒸镀机的工作就是把OLED有机发光材料精准、均匀、可控地蒸镀到基板上。


OLED显示面板中大量应用的有机材料极易受到氧气和水的影响,有机材料间也很容易造成污染,因此,面板的蒸镀一般都是在真空环境下且相互独立进行。


通过电流加热,电子束轰击加热和激光加热等方法,使被蒸材料蒸发成原子或分子,它们即以较大的自由程作直线运动,碰撞基片表面而凝结,形成薄膜,这个过程就是真空蒸镀。


Canon Tokki能把有机发光材料蒸镀到基板上的误差控制在5微米内,这是什么概念?1微米相当于头发直径的1%。”罗浩元说,“没有其他公司的蒸镀机能达到这个精准度。”


这是一场多维度、立体化的综合性突破


就如中国科学院院士、中国科学院物理研究所欧阳钟灿教授所说,中国平板显示全球第一,但大而不强。我国OLED企业主要聚集在产业链中下游的面板和手机等显示终端产品应用领域,上游核心生产设备完全依靠进口。


电子创新网创始人、半导体技术专家张国斌对记者说:“虽然离了Canon Tokki三星也可能玩不转,但三星对产业趋势和技术的判断、把握值得我们反省。”


罗浩元比较认同张国斌的观点:“具体到真空蒸镀机这种卡住产业咽喉的核心装备,能不能追,怎么追,从上到下都很迷茫。


我国目前的OLED产业布局和推进方式可以让我们短期内形成产业规模,却无法实现高端设备的自主研发、装备能力。这个问题不解决,别说真空蒸镀机,其他OLED装备的突破也将是空谈。”


OLED的生产难度在精密制造,精密制造的技术壁垒在精密设备。国内OLED大型生产线装备虽仍一片空白,但OLED科研型蒸镀设备已达国际水平,中试型生产装备已成功研发。“虽然距离摆脱‘真空’有点远,但好歹上路了。”罗浩元说。


“真空蒸镀机等核心设备的缺失,反映出我国基础研究、精密加工、自动化控制等多领域的短板。”罗浩元说,“虽然很难,但一代人有一代人的任务,希望我们这一代能生产出真空蒸镀机。”


(未完待续)

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