卡脖子的材料问题！中国材料还落后多少？

2023-08-28 15:02:29 作者：材料基来源：材料基分享至：

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心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。

中国工业化起步

新中国成立初期，中国的贫困世人皆知，饱受了几十年的军阀混战，抗日战争及内战，整个华夏大地满目疮痍。除了东部和内陆中心城市有一点钢铁、煤矿、纺织、机械制造业外，大部分地区基本上是一片空白。

中国的工业就是在这样一个百废待兴的时代艰难起步的，不靠殖民主义、帝国主义和战争，而真的是靠着中国人民节衣缩食积累工业资金，自力更生，发愤图强，一步步实现了中国工业在废墟中的崛起。

中国开始了历史上前所未有的工业化进程，在能源、冶金、机械、化学和国防工业领域，陆续展开了“156项”（实际完成150项）重点工程。到1957年底第一个五年计划结束时，“156项工程”已开工135个，其中建成或部分建成投产的68个。到1959年建国十周年时，我国钢产量由世界第26位升至第7位；煤、油从第9位升至第3位；发电量由第25位升至第11位。

正是由于这“156项工程”，中国的工业化从此开始建立起来，中国也正式开始从一穷二白的农业国迈向工业国。

“156项重点工程”是第一个五年计划期间苏联援建中国的156个工业项目的总称，旨在帮助中国初步建立基础工业体系和国防工业体系骨架，以奠定中国工业化的基础。

以这些工程为核心，以900余个限额以上大中型工程项目配套为重点，新中国形成了独立自主的工业经济体系雏形，建立了工业化的基础。

1964年12月，在第三届全国人民代表大会第一次会议上，周恩来根据毛泽东的建议，在政府工作报告中首次提出，在20世纪内，把中国建设成为一个具有现代农业、现代工业、现代国防和现代科学技术的社会主义强国，实现“四个现代化”目标的“两步走”设想。

为了实现这个伟大的历史任务，中国的国民经济建设，从第三个五年计划开始分两步实施:

第一步，建立一个独立的比较完整的工业体系和国民经济体系;

第二步，全面实现农业、工业、国防和科学技术的现代化。使中国经济走在世界的前列。

改革开放以后，中国开始了中国特色社会主义现代化建设的伟大实践，中国工业从此插上了腾飞的翅膀，以前所未有的生机和活力快速发展。

2018年9月4日国家统计局发布的改革开放40年经济社会发展成就报告显示:2017年工业增加值接近28万亿元，按可比价计算，比1978年增长53倍，年均增长108%。

现如今，中国已经从一个落后的农业大国转变为一个工业大国，建立了世界上最完备的现代工业体系，跃升为世界第一制造大国。

在联合国工业大类目录中中国是唯一拥有所有工业门类制造能力的国家。据国务院发展研究中心研究员魏际刚统计，如今中国500种主要工业品中有220多种产量位居全球第一。

中国成为工业大国的关键，在于形成了一个举世无双，行业齐全的工业体系。伴随着中国快速的工业化进程，中国制造业不断发展壮大，世界200多个国家和地区都能见到“中国制造”的身影。

据世界银行数据显示，按现价美元测算，2010年中国制造业增加值首次超过美国，成为全球制造业第一大国。

然而中国工业大而不强，也是很多人心头的痛。

中国工业系统“枝繁但叶不茂”

如果把整个工业系统比作一棵树，那么树的枝干相当于初级的分类，而细小的枝干和树叶相当于精细化的产业分类。那么一个健康的工业系统的枝杈不见得很多，但是每条枝杈上都枝繁叶茂，而且枝头长着嫩芽，时刻可能萌发出新的枝杈。我国的工业系统这棵大树应该说枝杈很多，但是每根树枝上的叶子不够繁茂。

无论是从市场，还是从规模来看，中国都是无可争议的世界第一制造业大国。而遗憾的是，装备制造业上的一环，仍然没有掌握在中国人自己手里。这个缺口，每年仍然让外资赚走大笔中国依靠低端制造业辛苦攒下的血汗钱。

这一环，就是液压系统上的关键部件——高压柱塞泵。

高压柱塞泵是高端液压装备的核心元件，被称作液压系统的“心脏”。液压系统是装备制造业的关键部件之一，被广泛应用于农林机械、化工、轻纺机械、能源工业机械、冶金工业机械、建材工业机械、机床行业，以及军工、航空航天、船舶等等。据相关数据统计，发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。可以说，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，都离不开液压系统。

一个完整的液压系统由5个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵。

高压柱塞泵属于动力元件。我国国产大飞机C919试飞成功的重要功臣之一，中国二重生产的国际最大的8万吨级模锻液压机，其高压柱塞泵就是进口美国的产品，几十台柱塞泵靠电动机带动把液压油加压后推动油缸产生8万吨的锻打压力。再比如坦克的履带行走，就是依靠内燃机带动液压泵，让油液经由阀门控制通过油管输出去，驱动马达变成旋转运动，然后带动履带行走。我国的坦克、装甲车等军工机械，绝大多数使用的是进口高压柱塞泵。这些进口的液压泵，每台价格都在20万元以上。在突破瓶颈之前，这些液压泵的更换和维修，都会受到外国公司供货周期和提供服务的牵制。

中国制造业发展中普遍存在“心脏病”

其实这种现象是中国制造业发展中普遍存在“心脏病”的一个表现。即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。中美贸易争端还处于早期时，舆论更多聚焦于基础软硬件等“高大上”的部分，而忽视了芯片等半导体产业其实也是制造业的一种。

中国半导体产业的许多问题也是整体中国制造业面临的问题，只是说深浅程度有所不同罢了。因为半导体产业的地位更加重要，与日常生活的距离更近，所以引发的讨论也就更大一些。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。

中国制造2025为什么既关注航空航天、信息技术、高端机床，又关注新材料、农机装备、电力和船舶，就是看到传统重工业在发展经济中的基础性地位。

中国“卡脖子”的领域，一大半是材料问题

中国在科研领域的发展很快，但中国科技被“卡脖子”的领域，一大半是材料问题，中国材料工业水平确实还落后。用冷冻电镜，中国科学家大量解析蛋白质结构发顶级期刊，但冷冻电镜我们要花巨资去买，诺奖也是颁给开创冷冻电镜技术的外国科学家。下面将“卡脖子”危险的技术产品和目前领先甚至垄断的国家列举如下：

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

“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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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）

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

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

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

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

工业机器人算法、软件（日本、德国、瑞士）

——差距在底层核心算法

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

中国材料强与弱的矛盾问题？

说到我们国家产业发展中材料这一弱势，有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AM、AFM、AEM、EES、Nano Lett、Acs Nano、Nano Energy、Angew Chem、JACS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。

根据全球最大、覆盖学科最多的综合性学术信息资源平台ISI Web of Science（类似于我国的知网）统计，2015年中中国研究者每发表十篇高水平英文论文中就有一篇来自于材料科学领域。事实上，即使是2006年，中国作者发表的材料科学领域论文数量就已经大大超过了美国。而2006年-2015年间，这一数字又增长了将近两倍。

早在2006年我国研究者发表的材料科学论文就早已高于美国

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。一方面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；另一方面到知乎等青年学子扎堆的网络论坛上一看，劝退“伪化生”的回答层出不穷，而材料学科就是被劝退的重灾区。

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。

相反研究传统的国内急需的材料问题，不仅很难发表高质量的英文论文，而且投入的科研经费甚至还更多。

解决部分行业领域材料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的布局，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。

我国目前还有许多工业部门甚至是关键工业的材料问题还没有完全解决，同时作为世界市场竞争中相对弱势的一方也没有资金和人才的突出优势，面对这些困难，只有不断改变优化思路才能实现弯道超车。

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