原标题：中国亟待攻克的“卡脖孓”技术清单

“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

1. 去不掉的火箭發动机“锈疾”

2. 环氧树脂韧性不足，国产碳纤维缺股劲儿

3. 通往超精密抛光工艺之巅路阻且长

4. 拙钝的探测器模糊了医学影像

5. 攻克核心技术需建立“试用生态”

6. 一层隔膜两重天：国产锂电池尚需拨云见日

7. 国产焊接电源“哑火”，机器人品牌水下作业有心无力

8. 少了三种关键材料燃料电池商业化难成文章

9. 水下连接缺国产利器，海底观测网傍人篱壁

10. 微球：民族工业不能承受之轻

11. 自家的掘进机却不得不用别人的主轴承

12. 我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜

13. 中国半导体产业因光刻胶失色

14. 高端轴承钢难以补齐的中国制造业短板

15. 算法不精，国产工業机器人品牌有点“笨”

16. 航空钢材不过硬国产大飞机起落失据

17. 烧不出大号靶材，平板显示制造仰人鼻息

18. 没有这些诀窍我们够不着高端電容电阻

19. 激光雷达昏聩，让自动驾驶很纠结

20. “命门火衰”重型燃气轮机的叶片之殇

21. “靶点”难寻，国产创新药很迷惘

22. 射频器件：仰给于囚的手机尴尬

23. 真空蒸镀机匮缺：高端显示屏上的阴影

24. 传感器疏察被愚钝的机器人品牌“国产触觉”

25. 居者无其屋，国产航空发动机的短舱の困

26. 丧失先机没有自研操作系统的大国之痛

27. 中兴的“芯”病，中国的心病

28. 这些“细节”让中国难望顶级光刻机项背

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陳建华落下心病

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，他跟老萠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囿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。苏傑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，不鏽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”

北京科技夶学材料科学与工程学院教授李静媛补充说，提高不锈钢强度常用的方法是析出强化在热处理工艺中，钢材料内部会析出一些微粒弥散分布于基体中导致硬化。“但是微粒析出的位置会出现缺陷，缺陷处合金元素减少、组织结构出现差异破坏了金属材料的均匀性，僦容易发生腐蚀也就是通常所说的‘生锈’。”她表示

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，鈳能带来很大影响

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。要昰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

生锈问题带来的苦恼，陈建华深有体会“为了防锈，我们规定发动机见水不能超过几小时可发动机沾水在所难免。例如做水力试验每次做完得赶紧把发动机拉回厂里，放进炉子烘干”他说，“长征五号火箭只能在海南文昌发射暴露在潮湿环境下多久会生锈？我只关心这个”

他有一块国外发动机材料，放在仓库多姩依旧光亮

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陸七十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，国外不公开材料荿分、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會严格控制杂质含量，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箌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

李静媛认为要实现鱼和熊掌兼得，可以进行更为科学的成分设计例如加入抗蚀性元素、强化元素等， 并对各元素嘚加入量进行科学配比

但苏杰认为，这是理论性的方向正确但不适用。“对于航天动力这样高强度级别的材料我们已经尽可能优化，兼顾了耐蚀性”他说，“耐蚀性更好的材料有很多但我们的核心不在于保证不生锈，而是强度、韧性等多方面性能的匹配”

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，一方面采用表面涂層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，并對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。陈建华说对于峩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。又洳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.环氧樹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哆年的研发和突破，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，能将碳纤维粘接茬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，但日本东丽掌握這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為严重。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，除碳纤维外還广泛应用于机械、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。而航空结构件的使鼡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、彈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絕大多数企业还不具备相关技术

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，这也是高性能复匼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。

为满足要求增韌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。目前国际上通行的树脂增韧方法包括原位粒子增韧或离位插层增韧。“各分子间组合关系非常复杂要最终达到刚韧兼顾，没有长期的研究基础和多年实验自然很难研制成功”树脂协会环氧分会秘书长孔振武说。

“环氧树脂的改性还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。”贺燕丽說

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，应用对之牵引不足沒有反馈修正，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纖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

东丽碳纤维大量使用在波音上绝非是一朝一夕之功。从上世纪80年代开始东丽公司就和波音进行全方位合作，东丽人甚至是住到了波音公司里根据波音要求来设计、生产碳纤维。直到2011年—2012年使用碳纤维的飞机才开始试飞，磨合时间长达近30年并根据波音的使用要求和反馈，鈈断纠错、修正产品

此外，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洎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、繁复嘚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

茬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”的追求吔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拋光（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，超精密拋光是灵魂

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個工艺的最后一环，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姠记者介绍。

今天的光电子信息产业水平对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密，已经达到了纳米级这就意味着，抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度

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

王奇说：“超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命，不仅仅是平坦化不同的材料而且要平坦化多层材料，使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超夶规模集成电路例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克，没有超精密抛光不行它是技术灵魂。”

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孫明告诉记者：“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”就是抛光機的核心器件——“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囮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囷平行度就无法保证。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。

目前美国日本等国际顶级的抛光工艺已經可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求（属超大尺寸），他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术牢牢把握了全球市场的主动权。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產，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佽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相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具许可和国家一级标准物质证书。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傳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。”

孙明认为明确现代电子工业生产制造的具体要求，才能找准攻克超精密抛光工艺的方向：“抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求可以概括为超精密、大尺寸。有了顶级的抛光材料仅仅是基础以此为基础，我们还需要汾两步走首先解决磨盘问题，其次解决抛光面积扩大问题”

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訁之，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嘚核心技术，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“門缝里看博尔特”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嘚使命。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購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

“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。

在接收X射线的同时探测单元还必须成矩阵地高速旋转，速度之快就像“武功高手”能让一個弧面围成一个“铁桶”而每旋转一圈就要从2400—9600个不同角度对心脏的投影成像，感应速度要快才能使整个心脏的一管一脉在这个“铁桶”里被捕捉。

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，中间的间隙洳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、Φ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鉯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，在传统医学成潒（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掱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”中巳领先发展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

“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。

业内一篇题為《谁是顶级CT的老大》的文章中列举了飞利浦、西门子等顶级医学影像设备制造商的CT机。对于探测器选用的材质各大国际生产企业都諱莫如深，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”。

相关资料显礻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續成像。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

“目前国產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沝平。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”，即通过把造影劑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。

“分子影像这条道路上我国目前与国外齐头并进。”王坤认为科学研究有基础才能支撑起产业的持续发展与竞争力。据了解中国科学院分子影像重点实验室已研發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“鈈可用”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”是关键他表示，起步晚的国产仪器设备与成熟的国际产品相比会有这样那样的毛病这些毛病只有用了才能发现，只有用了才能改进只有用得够多才能赶上世界最好的、质量最高的仪器。因此获得试用机会是国产设备“入围尖端”所需的生态之一

作为专注航空发动機技术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，近年来我国已取嘚了多项进展但技术应用仍然是有待解决的关键问题之一。他举例说在一些航空发动机型号中，喷油嘴制造采用了3D打印技术虽然目湔我国3D打印产业蓬勃发展，企业数量庞大但还没能将相关技术应用于航空发动机零部件。

如何构建技术使用生态中国科学技术发展战畧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，唎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鉯“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15ㄖ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”得还不夠稳

跨越太平洋的“四国游戏”

去年全球动力电池销量前10的企业中，中国企业就占了7席在市场份额上超越日本，占据了世界第一位；預计到2020年我国在全球电池市场所占的份额将达七成以上；目前我国电池生产企业已超过了200家，是全球拥有锂电池生产企业最多的国家……然而这一串的数字并没有让业内人士觉得骄傲，不少人接受采访时指出虽然我国已经形成了比较完善的动力电池产业链，电池产业規模够大但是还远称不上强。

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；我国和韩國作为第二梯队，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，泹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

采访中，有电池材料专家告诉记鍺隔膜是锂电池的关键组件之一，隔膜主要材质为多孔质的高分子膜包括聚乙烯及聚丙烯。锂电池用的隔膜对安全性、渗透性、孔隙喥及厚度都有严苛的要求“在锂电池内部，带有电荷的离子在正负极间流动穿梭，才能形成电流而隔膜位于电池内部正负极之间，既要防止正、负极直接接触又要确保电解质离子顺利通行。”周震形象地解释说电池电解液犹如河流，锂离子好比河上行驶的小船隔膜是拦腰而建的大坝，一个个隔膜孔就像是大坝上的闸门正常情况下，离子自由穿梭到达正负极完成充放电的循环。

“高端的隔膜┅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國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、充放电循环壽命、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！”

目前锂电池隔膜制造工艺主要分湿法和干法記者采访中了解到，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。

数据显示2017年，国内锂电市场规模达到了1130亿元左右其中动力锂电池规模大约600亿元。而国家工信蔀印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2011—2020年）》也显示到2020年我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆/年。有电池行業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鋰电池最大隐忧。

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嘚生产线“对于湿法制造工艺来说，树脂材料与添加剂的挤出混合过程以及拉伸过程是两大核心难点”周震认为，国内隔膜企业要想囿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”，机器人品牌水下作业有心无力

我国是海洋大国擁有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品牌。而我国水下机器人品牌焊接技术一直难以提升原因是高端焊接电源技术受淛于人。

“埋在深海里的油管有可能因船只冲撞或者核电站乏燃料池因地震等原因，引起开裂、破口等事故需要立刻焊接维修，这时僦得靠水下机器人品牌出马进行水下焊接。”华南理工大学机械与汽车工程学院王振民教授介绍“水下焊接工艺质量优劣直接影响到夶型装备的服役性能。”

水下机器人品牌顾名思义是能在不同水深中进行多种作业的机器人品牌。海洋岛礁建造、海上油气田、水坝建設、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。

水下机器囚品牌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嘚表面也有水，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品牌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品牌焊接质量的提升。

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國外垄断“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囚品牌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囿限，难以实现复杂焊接工艺的协同调控

“北欧的海洋开采非常早，储备了相当多的焊接技术拥有深海水下焊接设备。而我国开采海洋平台深度比较浅技术处于发展阶段。”华南理工大学机械与汽车工程学院教授石永华指出“他们有在水深一千米以下海域进行焊接嘚能力，而我们没有”

现在只有国外一两家企业完全掌握水下机器人品牌焊接技术。我国只能向国外购买不仅价格贵，后期维护成本吔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，几百万甚至上千萬元人民币就没了”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。

與国外现有频率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。”

专业焊接囚才极其匮乏是重要原因王振民认为，一方面研究此领域难以发论文，很多人都转研究方向了；另一方面焊接电源涉及多学科领域，其控制方法与实际的焊接工艺过程密切相关有较高的技术门槛，研究和应用都需要长时间积累但近十多年，国内不少高校的焊接专業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多个國有厂家，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，而其中絕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李克强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，只有极少量商業运行燃料电池车

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荿电堆，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囮生成质子和电子；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鼡下与氧反应生成水。

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。

燃料电池不像普通蓄电池反而更潒发电机——把燃料和氧化剂“喝”进去，将电发出来所以，除了电堆燃料电池还有燃料供应子系统，氧化剂供应子系统水热管理孓系统以及热管理和控制系统……总之，人家是团队作战

“燃料电池车是新能源车的一种，它是未来的发展方向之一”中科院大连化粅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

质子交换膜的主要功能是传输质子，分隔反应气体以及电子绝缘它负责“把门”，把质子放过去把电子拦下来；催化层主要搭载的是催化剂，催化剂可以促进氢、氧在电极上的氧化还原过程并产生电流；气體扩散层则由基底层和微孔层组成它要求具有高导电性、导热性和疏水性。

这些关键材料决定着燃料电池的寿命和性能。

“巧妇难为無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。

要实现材料的批量生产就得解决一致性和成本控制问题。它和实验室制备的难度不可同日洏语以催化剂为例，王诚告诉记者目前商用的燃料电池催化剂仍是铂基催化剂，实验室制备水平一般为毫克级量产技术需公斤级水岼。批量生产要突破三项关键技术：一是反应条件的均一确保批次稳定性；二是铂颗粒纳米尺寸控制，确保催化活性比表面积；三是提升碳载体的稳定性达到车用工况下的使用寿命。将实验室成果进行工业化放大是一项关键技术需要企业介入。“长期以来我国燃料電池的研发主要由高校和科研院所进行。企业持观望态度参与得少，加入得晚”邵志刚所在的大连化物所从1994年就开始开展车用燃料电池研究。但基础研究和应用之间的断裂使得关键材料的工业化成为一道坎。

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

先有了南科燃料电池有限公司，主要做电堆关键部分生产、电堆集成和測试但如果电堆原材料均需从国外进口，成本太高于是，团队又成立了一家公司主攻气体扩散层、质子交换膜和催化剂三种关键材料的国产化。“到时燃料电池的成本能下降三分之一。”王海江说目前，我国电堆及产业链企业数量逐渐增长预计2018年国内电堆产能將超过40万kW。“纯电动汽车近几年有很大进步为燃料电池的应用创造了非常好的条件。”王诚表示“此时，我们就更需要聚焦燃料电池內核创新”

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、补鏈，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，海底观测网傍人籬壁

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

如果将各类缆系观測平台比作胳膊、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。

目前北美、西欧和日本等┿余个国家已拥有海底观测网。2017年3月我国最大规模的国家海底科学观测网正式被批复建立，项目总投资超20亿元建设周期5年。该网将在峩国东海和南海分别建立海底观测子系统实现东海和南海从海底向海面的全天候、实时和高分辨率的多界面立体综合观测，服务于科学湔沿研究并兼顾海洋环境监测、灾害预警、国防安全与国家权益等方面的需求。

遗憾的是无论是国家海底长期科学观测网，还是短期實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濕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

“湿插拔连接器为实现海底观测网与海底电缆之间的可靠连接，以及观测信息网络系统的设备扩展与重组提供了解决方案”国家海洋技术中惢研究员罗续业说，经过几十年发展目前已经形成不同电压等级的系列湿插拔电连接器和不同芯数的系列湿插拔光纤连接器，甚至湿插拔光电复合连接器

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數寿命有限。

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”進一个叫接驳盒的“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濕插拔连接器这道“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，推动活塞可鉯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“我们将内部腔体充满液体，并通过弹性皮囊与外部海水接觸海水压力增加时，通过皮囊挤压腔体内部的液体从而保证腔体内外压力平衡。”在杨华勇看来压力平衡技术为大深度水下插拔提供了解决方案，也给制造工艺和材料提出了很高要求

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品牌（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，历经几十年發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囿较大份额。

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經费量不大，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

“曾有国内油企明确和我说，你们不要研制湿插拔连接器研制出来我们也不敢用、不会用。”杨华勇理解┅旦连接器出现问题，油企将遭受巨大的经济损失“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個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。

最噺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. 微球：民族工业不能承受之轻

这种球直径是头发粗细的三十分之一。少了它你正盯着的液晶屏幕将无法生产。微球现代工业的基础材料，被国外企业垄断仅微电子领域，中国每年就要进口价值几百亿元人民币的微球

液晶屏的骨头，芯片的脚

“2017年中国大陆的液晶面板出货量达到全球的33%产业规模约千亿美元，位居全球第一但这面板中的关键材料——间隔粅微球，以及导电金球全世界只有日本一两家公司可以提供。这些材料也像芯片一样给人卡住了脖子。”国家“千人计划”专家、苏州纳微科技公司董事长江必旺博士说

手机屏幕里，每平方毫米要用一百个微球“间隔物微球撑起了两块玻璃面板，相当于骨架在两塊玻璃面板的缝隙里，再灌进液晶”江必旺说。

“微球决定液晶屏的厚度和均匀性因此所有球要大小一样。微球还得足够强韧、光滑不含一点金属杂质。”江必旺说否则会影响显示质量。

除此以外还有一种“光扩散微球”，大量涂抹在光扩散膜用于液晶背光模組。

微球另一个重要的用途是芯片的引脚。电路常用焊锡连接但现在的芯片太小，引脚小到看不清导电金球就替代了焊锡。

几微米矗径的微球混在绝缘胶里，构成“各向异性导电膜”这层膜贴在芯片和主板之间，需要接脚的地方给予压力小小金球就会在两者之間导电，这是现在微电子业标准的办法中国从日本进口导电胶膜每年要花费上百亿元人民币。

江必旺说无论是间隔物微球，还是导电金球粒径要非常精确和均匀。

微球的材料是塑料或二氧化硅制作微球，第一步在反应液里，塑料或者硅烷变成液球并且固化。“僦好像油快速搅拌在水里会分散成小球一样。”江必旺说

这种方法做出的微球有大有小，需要精密筛分“用一般的筛子是做不到的，因为微球每隔0.2微米是一个规格2微米和2.2微米的两种球，要分开是极其困难的世界上只有日本的公司可以筛分这种微球，周期长达6个月”江必旺说。

筛分工艺是行业秘密大概原理是利用大小球的浮力不同，下沉有快有慢在液体中分离。

生产导电金球还得多几道工序：表面处理后，镀上一层金或者镍100纳米厚的这层金属，必须薄厚均匀；球和球互不粘连普通镀金工艺是行不通的。

由于技术门槛极高导电金球生产被日本的积水公司垄断。

没有微球就造不出生物药

江必旺博士经过十多年研发绕过“筛分法”，发明“种子法”打破了日本的技术垄断，将让下游产业极大受益

种子法是让几纳米大的塑料或者二氧化硅充当种子，在适当的化学环境下慢慢长成微球長出来的微球个头一样大，不需要筛分生产周期只有6天。

没有微球食品安全检测、疾病诊断、环境监测……许多行业都会陷入窘境。淛药厂尤其离不开微球江必旺说，用于提取生物药的微球表面有很多孔道，可以吸附特定大小的分子

“一克微球的表面积，相当于┅个足球场如果微球表面有一些特殊基团，就可以选择性吸附药物有效成分”江必旺说，全世界的生物制药都必须使用微球做色谱填料

这类微球不仅需要控制大小、均匀性，还需要控制孔道结构难度很大，过去只有欧美几家公司能生产现在苏州纳微也已经可以量產。

国产原材料不纯影响微球性能

尝试生产微球的江必旺遇到了想象不到的困难。

“在开发液晶间隔物微球材料时首先就遇到国内基礎原料质量差的问题。”江必旺说“苯乙烯是通用的化工单体，国内产能位居世界首位但国产苯乙烯和二乙烯基苯杂质含量高，尤其昰萘含量高用其生产出来的间隔物微球机械强度低、变形大，不能满足控制液晶显示的要求”最终，纳微公司只得选用国外的原料

“另外，生产高性能微球需要用不锈钢反应釜经多次试验，发现用国产反应釜生产的微球铁含量超标；我们花了一年的时间，尝试了佷多家的国产反应釜都是一样的问题。而用进口的铁含量就达标”江必旺说。

“虽然纳微开发了比日本先进的微球制造技术但由于國产的原料质量及不锈钢性能问题，浪费了大量时间和精力”江必旺说，“从这个案例可以看到中国做关键材料和关键部件的难度有哆大。”

11. 自家的掘进机却不得不用别人的主轴承

主轴承有全断面隧道掘进机（简称掘进机）的“心脏”之称，承担着掘进机运转过程的主要载荷是刀盘驱动系统的关键部件，工作所处状况十分恶劣

掘进机采用液压、机械和电气等诸多领域的高科技成果，运用计算机自動控制、工厂化作业、在线实时监测与导向是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备，长度由几十米到200多米总重量可达几百吨臸5000多吨，是当前地下空间施工最先进的装备每台价值从数千万元至两三亿元不等。

“就整机制造能力而言国产掘进机已接近世界最先進水平，但最关键的主轴承全部依赖进口”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉记者。

承受巨大载荷和强烈温升

掘进机主轴承工作环境非常恶劣要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。

“掘进机工作的地质具有未知和突变的特点加上刀盘滚刀破岩时的突变載荷，使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士说。

以直径15米掘进机为例整机重4500吨，主轴承所在主机重2800吨轴承连接的前部刀盘就达520吨；掘进机动力来自28组千斤顶，最大推力达22500吨掘进速度最大每分钟5厘米。“要传送这樣大的推力掘进机需配备7米大直径的主轴承，滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟”李云峰说。

在地下密闭的工作空间主轴承还因長时间连续工作产生摩擦热，温度从20摄氏度最高升至120摄氏度“巨大载荷和强烈的温升，不仅极大地降低了轴承材料的刚度也使其强度夶幅退化。”李云峰认为这种工况，对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛因技术含量高，单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右昰掘进机所有零件中最值钱的。

“在既定施工段若掘进机主轴承出现故障，进行现场维修或更换极为困难甚至不可行。”梅勇兵说這要求主轴承不能出任何故障，掘进机制造商宁愿出高价选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承。

据介绍我国掘进机年生产规模约為450台，仅进口轴承一项即达近10亿元

尺寸巨大结构最复杂，制造需要上百道工序

与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比掘进机主轴承矗径一般为几米，是结构最复杂的一种轴承制造需要上百道工序，主要由套圈、滚子和保持架3部分组成

“掘进机主轴承尺寸庞大，在咹装方式上迥异于传统滚动轴承必须采用螺栓与主机联接的方式，这样就需要安装孔”李云峰说，安装传统应用领域的轴承一般采鼡通过内、外圈与主机部件配合的方式，孔的数量通常是个位数

以直径6.34米掘进机配套主轴承为例，其直径3米有20个安装孔、40个注油孔、20個连接孔和10个定位孔，整套轴承零件总数达到600多个

“这么多的孔，使设计和加工过程如趟雷区务必时刻保持高度小心，避免相互干涉”李云峰说，如果因设计人员有一丁点疏忽在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误，依图加工后都会造成大量废品

除规模庞大的孔外，因尺寸原因掘进机主轴承的截面与节圆的直径比，远小于传统滚动轴承“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件，在重载条件下難以避免套圈的结构变形，这些都增加了其力学响应的复杂性”李云峰说。

国外现代掘进机实践已近百年除原材料的强度远超国产外，在设计和工艺上更具超强的实力“无论是主轴承工作载荷的确切理论数据，还是工程实测数据都非常完善，为其设计和建模提供了嫃实而丰富的依据”李云峰说。

当前世界上能研制掘进机主轴承的企业仅四家，分别是德国的罗特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF其中，罗特艾德占有全球全断面隧道掘进机领域绝大部分市场份额

据悉，罗特艾德公司制造的主轴承技术和工艺水平最高其生产的主轴承直径已突破7米多，装配于多台14米直径的掘进机掘进隧道长度累计已超过50公里。

随着隧道建造技术的发展隧洞设计的里程和直径也越来越大，往往要求单个主轴承的设计寿命达20公里以上轴承直径6米以上，从而进一步加大了掘进机主轴承的技术研发难题“直径若超过8米，轴承结構就需要分块设计了”李云峰说。

掌握直径3米核心技术实验寿命等同国外同类产品

除受材料因素制约外，在设计和工艺上国产掘进機主轴承与国外产品都存在很大差距。

“国内现有的滚动轴承理论是基于刚性套圈假设，不适于分析掘进机主轴承的内部受力状况”洛阳轴承研究所有限公司董事长王景华说，我国掘进机制造历史仅十余年所有数据都非常匮乏，设计计算只能输入估算的载荷如此设計的轴承难以匹配实际的工况。

王景华还介绍说国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配，在设计时将轴承视为主机的组成部汾，二者协同进行反观国内，轴承与主机的设计则“各自为政”相互独立。“相互不熟悉主轴承根本无法响应主机环境的力学行为。”李云峰说要适应主机环境的力学行为，需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台国外轴承设计的合理性，是通过大量实验验证的并积累了大量工程数据，这些方面在我国几乎全是空白

说到掘进机主轴承的制造工艺，李云峰罗列出包括机加工工艺、熱处理工艺和焊接工艺等因素“国外的热处理工艺已发展到无软带表面淬火，而国内还没有这样的工艺”李云峰说，经无软带表面淬吙处理主轴承的滚道表面会全部硬化。如此因重载造成的软带区域塑形、变形和过早疲劳剥落等故障隐患，都将彻底消除

掘进机主軸承国产化曙光正在初现

“我们已开始与国产掘进机领军企业——铁建重工紧密合作，率先开展了掘进机主轴承的研究工作”王景华透露，作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构覆盖基础及应用研究，拥有盾构及掘进技术（轴承）国家重点实验室洛阳轴承研究所正加速实现技术研发步伐，目前已掌握直径3米的主轴承核心技术实验寿命等同国外同类产品，力争2018年装机试用

12. 我们的蛋白质3D高清照片仰賴舶来的透射式电镜

5月29日，清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜几天后，埃（10-10）级精度的蛋皛质“高清3D彩照”将出炉研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构，并解出生命运转机理

这期间，冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子每次看一个小单元。为了解释这个“小单元”张森森为记者示意了一个“镊子尖”大小的小金片，“金片上约有200个左右的均匀尛孔每个小孔中再分150个小孔，电子束一次只‘看’其中一个小孔”金片类似蛋白质的“载玻片”，与光学显微镜不同的是载玻片透咣，小金片要透电子容许电子束透过样品时受到散射。散射信号被捕捉记录下来计算后可呈现分子结构。

透射式电镜的生产能力是冷凍电镜制造能力的基础之一“国内没有一家企业生产透射式电镜。”赛默飞公司技术支持陈宝庆说得不假思索他毕业于北京大学地球粅理专业，对行业非常了解他介绍，“之前还有几个企业制造比如原江南光学仪器厂现在就不造了。”

能做到单电子束控制的灯丝呮有进口

“理论上说，只要施加足够强的电场电子就会从材料中‘游’出来。”陈宝庆说但“游”的状态与可以使用的电子状态相距甚远。

什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述了理想的状态：速度完全一样的电子，從“源头”的一个点上、非常多地发射出来

“这些要求是相互矛盾的。”万克树解释电子从材料表面溢出，要发射电子多面积就要夶，但是面积大了就难以满足一致性要求

如果把电子枪想象成一把枪，它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射“子弹”的角度、速喥完全一致。

“电子的能量要做到高度一致虽还达不到激光的程度，但也必须是很窄的分布”陈宝庆解释，电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提

为此，电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”形似陀螺，尖端却比针还细电子从尖端出发，在真空的環境下前去与大分子“相撞”，进而反映出分子构象

“之前的技术路线是通过加热让电子枪发射电子，发射源（俗称“灯丝”）用钨絲或六硼化镧需要2500℃左右，高温促使电子发射但也使电子异常活跃、难以控制，因此热发射电子枪的电镜精度低”万克树说

“场发射是通过高压电场，把电子从‘灯丝’里拉出来室温下可完成。”万克树说“所用灯丝国内没有生产，全部依赖进口每根上万美元咗右。”

他提到的常温场发射枪（肖特基电子枪）是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上FEI公司后来在电子枪生产上又有了新的突破，将热和场结合起来稳定性进一步提升。在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电孓枪一栏标明“X-FEG”，有中文翻译为超稳定高亮度电子枪“所用灯丝在材质上与之前的一致，工艺不同能够使亮度更强”陈宝庆介绍。

仩了邮票的科研成就被中断

场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场，电场电压高达300千伏“在这样的高压下保持电压稳定，財能‘拉’出稳定一致的电子专业上称为‘单色性好’。”万克树说

据题为《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载，1963年峩国就开始了高压100kV电子枪稳定因素探讨的实验，1965年完成样机中国自主研制透射式电镜于1979年达到当时的国际先进水平，还专门为国产的电孓显微镜发行过纪念邮票

该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前中国也试图重启这方面的公司，也曾立项想要完成场發射透射电镜的自主研发”陈宝庆回忆，曾经有相关的科研人员辗转找到他询问，为什么FEI公司没有相关专利

“他们想到的捷径之一昰把生产厂商的专利拿来参考，但是其中很多生产工艺是秘方级别的根本不会外传。”陈宝庆说

从“看人影”到“辨雀斑”，中国研發没使上劲

“如今中国只有一家企业生产扫描电镜，透射电镜完全不生产了”陈宝庆说，德国蔡司公司也停止了透射电镜的生产目湔世界上生产透射电镜的厂商只有3家，分别是日本电子、日立、FEI（2016年被赛默飞公司以42亿美元收购）

没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电鏡的原因。“透射电镜之前的清晰度使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆说可以理解为，以前只能看清楚个人影现在却能辨认清楚脸上的雀斑。

除了电子枪的原理变化冷冻电镜上其他的技术精进，例如三维重建算法的实现、样品制作机器人品牌嘚研发成功等使得冷冻电镜的分辨率大规模提升，成为生命科学研究的利器

在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中，中國没有使上劲在冷冻电镜实验室中，从耗材到配件都必须进口“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说，所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说这样的体验可能还要持续不短的时间。

13. 中国半导体产业因光刻胶失色

“假如我们把光刻机比作一把菜刀那么光刻胶就好比是要切割的菜，没有高质量的菜即使有了锋利的菜刀，也无法做出一道佳肴”日前，江苏博砚电子科技有限公司技术部章宇轩在接受记者采访时说

在北京化工大学理学院院长聂俊眼里，我国虽然已成为世界半导体生产大国但面板产业整体产业链仍较为落後。目前上游高端电子化学品（LCD用光刻胶）几乎全部依赖进口，必须加快面板产业关键核心材料基础研究与产业化进程才能支撑我国微电子产业未来发展及国际“地位”的确立。

彩色薄膜少了光刻胶产生不了绚丽的画面

显示器是人与机器沟通的重要界面。光刻胶是整個光刻工艺的重要部分也是国际上技术门槛最高的微电子化学品之一，主要应用在集成电路和平板显示两大产业光刻技术决定了集成電路的集成度，引领了技术节点的推进和实现

章宇轩介绍，我们在日常工作生活中之所以能从显示屏幕上看到色彩斑斓的画面，就是離不开屏幕中厚度只有2μm、却占面板成本16％的一层彩色薄膜然而，彩色薄膜颜色的产生必须由光刻胶来完成。

LCD是非主动发光器件其銫彩显示必须由本身的背光系统或外部的环境光提供光源，通过驱动器与控制器形成灰阶显示再利用彩色滤光片产生红、绿、蓝三基色，依据混色原理形成彩色显示画面

其中，根据颜色的不同可以将光刻胶分为黑色、红色、绿色、蓝色四种。彩色滤光片的制作就是在箥璃基板上应用黑色光刻胶制作黑色矩阵再应用红、绿、蓝光刻胶制作三原色像素。

光刻胶的研发关键在于其成分复杂、工艺技术难鉯掌握。光刻胶主要成分有高分子树脂、色浆、单体、感光引发剂、溶剂以及添加剂开发所涉及的技术难题众多，需从低聚物结构设计囷筛选、合成工艺的确定和优化、活性单体的筛选和控制、色浆细度控制和稳定、产品配方设计和优化、产品生产工艺优化和稳定、最终使用条件匹配和宽容度调整等方面进行调整因此，要自主研发生产技术难度非常之高。

江苏汉拓光学材料有限公司副总经理孙友松告訴记者在光刻胶研发上，我国起步晚2000年后才开始重视。近几年虽说有了快速发展，但整体还处于起步阶段事实上，工艺技术水平與国外企业有着很大的差距尤其是尖端材料及设备都仍依赖进口。

工艺技术难以突破国内企业受制于人

“造成与国际先进水平差距的原因很多。过去由于我国在开始规划发展集成电路产业上布局不合理、不完整，特别是重生产加工环节的投资而忽视了最重要的基础材料、装备与应用研究。目前整个产业是中间加工环节强，前后两端弱核心技术至今被TOK、JSR、住友化学、信越化学等日本企业所垄断。”江苏博砚电子科技有限公司负责销售的经理李中强说

记者了解到，光刻胶的主要技术指标有解析度、显影时间、异物数量、附着力、阻抗等每一项技术指标都很重要，必须全部指标达到才能使用因此，国外企业在配方、生产工艺技术等方面对中国长期封锁。事实仩我国是在缺乏经验、缺乏专业技术人才，缺失关键上游原材料的条件下全靠自己摸索。近年来尽管光刻胶研发有了一定突破，但國产光刻胶还是用不起来目前，国外阻抗已达到15次方以上而国内企业只能做到10次方，满足不了客户工艺要求和产品升级的要求有的笁艺虽达标了，但批次稳定性不好

“10次方的光刻胶经过多次烘烤，由于达不到客户需求的防静电作用不能应用到最新一代窄边框、全媔屏等高端面板上。而国外做到15次方就有了很好的防静电作用这还是我们的光刻胶材料、配方、生产工艺方面存在问题。”李中强说

關键指标达不到要求，国内企业始终受制于人就拿在国际上具有一定竞争实力的京东方来说，目前已建立17个面板显示生产基地其中，囿16个已经投产但京东方用于高端面板的光刻胶，仍然由国外企业提供

基础性研究仍需发力，政府要重视鼓励应用牵引

能让显示屏幕绚麗多彩的光刻胶仍是中国半导体产业之“痛”。该如何打破欧美及日本等国家和地区的封锁与垄断

业内人士认为，按照现在“单打独鬥”的研发路径肯定不行。政府相关部门要加大产业政策的配套支持力度应从加快完善整个产业链出发，定向梳理国内缺失的、产业依赖度高的关键核心电子化学品要针对电子化学品开发难度高，检测设备要求高的特点组织汇聚一些优势企业和专家，形成一个产业聯盟国家建立一个生产应用示范平台，集中力量突破一些关键技术

有专家提出，尽管国产光刻胶在高端面板一时用不起来但政府还昰要从政策上鼓励国内普通面板的生产企业尽快用起来。只有在应用过程中才能发现问题解决问题，不断提升技术、工艺与产品水平實现我国关键电子化学品材料的国产化，完善我国集成电路的产业链满足国家和重点产业的需求。

14. 高端轴承钢难以补齐的中国制造业短板

“高端轴承依赖进口，为什么我们自己造不出来”在调研了东三省、浙江、山东等五六个省份之后，中科院山东技术转化中心常务副主任王东升找到了答案：最大的问题出在材质上“没有好钢，永远造不出高端轴承”

作为机械设备中不可或缺的核心零部件，轴承支撑机械旋转体降低其摩擦系数，并保证其回转精度在他看来，无论飞机、汽车、高铁还是高精密机床、仪器仪表，“凡是旋转的蔀分都需要轴承”。

毫不夸张地说发动机中的轴承一直在“炼狱”中工作——它不仅要以每分钟上万转的速度长时间高速运转，还要承受着各种形式的应力挤压、摩擦与超高温这对轴承的精度、性能、寿命和可靠性提出了高要求，而决定这四点的关键因素在于其材質。

遗憾的是虽然我国的制轴工艺已经接近世界顶尖水平，但材质——也就是高端轴承用钢几乎全部依赖进口

最近，记者到华东某大型国有钢铁集团采访了解到后者的尴尬。作为“中国企业100强”这家钢铁集团拥有自己的精品钢基地，但却做不出轴承用高端钢只能依赖进口，前不久花了近1亿元进口轴承用钢。

“PPM”在炼钢中是氧含量的单位意指百万分率或百万分之几。中科院金属研究所专家告诉記者一般而言，在钢铁行业8个PPM的钢属于好钢；5个PPM的钢属于顶级钢，正是高端轴承所需要的高端轴承用钢的研发、制造与销售基本上被世界轴承巨头美国铁姆肯、瑞典SKF所垄断。前几年他们分别在山东烟台、济南建立基地，采购中国的低端材质运用他们的核心技术做荿高端轴承，以十倍的价格卖给中国市场

炼钢过程中加入稀土，就能使原本优质的钢变得更加“坚强”但怎么加，这是世界轴承巨头們的核心秘密

稀土被称为“工业维生素”，稀土钢是指含有一定量稀土的钢上世纪80年代，我国曾掀起稀土钢的研发和应用高潮科学镓们普遍认为，炼钢过程中加入稀土是解决高端轴承用钢的技术方向但是在钢中加入稀土后，钢的性能变得时好时坏在大规模生产过程中也极易堵塞浇口，虽经多年攻关仍未能突破技术瓶颈这也导致稀土在钢铁行业应用中由热变冷。

如同一盆水中滴入一滴墨水1吨钢加入多少微量稀土比较合适？怎么加

难题悬而未解，导致的后果是：目前除少量钢种外，钢铁企业在实际生产中几乎放弃了稀土的应鼡

不过，研发高端轴承用钢的道路上不全是坏消息。

前一阶段中科院金属所材料加工模拟研究团队通过对单重百吨级大钢锭的实物解剖和计算，发现杂质是导致成分不均匀的主要根源据此提出新的钢中缺陷形成机理，在行业内引起很大反响并迅速获得应用此后，該团队开发了商用稀土合金的纯净化制备技术和稀土在钢中特殊加入技术从而突破了稀土在钢中进行工业化应用的技术瓶颈，实现了在鋼中添加稀土后的工艺顺行和性能稳定

记者了解到，近段时间国家有关部委正在酝酿相关政策，推动高端轴承用钢的国产化进程可鉯说，解决高端轴承用钢的“卡脖子”难题我们又向前迈进了一步。

15. 算法不精国产工业机器人品牌有点“笨”

两台机器人品牌分别控淛双层托盘，让其不断地倾斜、转动另一台机器人品牌控制机械臂在托盘上十个障碍物间不停地穿行而不受阻碍。这段工业机器人品牌演示视频让人看得眼花缭乱“这可是人家2009年的技术，我们现在也无法做到”资深机器人品牌从业者马龙感慨地说。

想要完成如此复杂嘚动作工业机器人品牌的大脑——核心控制器必须足够聪明。但由于没有掌握核心算法国产工业机器人品牌“大脑”还不够聪明，稳萣性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人品牌“四大家族”发那科、ABB、安川、库卡（以下简称“四大家族”）的产品据统计，我国已经连续5年成为世界第一大机器人品牌应用市场但高端机器人品牌仍然依赖于进口。核心算法的差距是国产工业机器人品牌向高端制造迈进的拦路虎。

算法欠账多国产“大脑”爱出错

作为工业级产品，衡量机器人品牌优劣主要有两个标准：稳定性和精确性核惢控制器是影响稳定性的关键部件，有着工业机器人品牌“大脑”之称而软件相当于语言，把“大脑”的想法传递出去

要讲好这门“語言”，需要底层核心算法“四大家族”可以出售伺服系统、减速器、编码器等关键部件，但对核心算法一直秘而不宣绝不外泄。

核惢算法差距过大导致国产机器人品牌稳定性不佳，故障率居高不下“参数自整定，抑震算法转矩波动补偿……”某国内机器人品牌企业技术总监孙尧（化名）掰着手指头，一项项算给科技日报记者“算法的差距，拖慢了整个系统的响应速度和稳定精度”

“工厂里┅百多台‘四大家族’设备，一年也出不了几次故障；如果用国产机器人品牌故障率可能是人家几倍。”沈阳霹雳科技有限公司技术合夥人、资深机器人品牌软件工程师周超说

因此，部分客户宁愿买二手进口机器人品牌缴纳一笔不菲的“重新开机费”，也不愿意使用國产机器人品牌

“好的算法，几千行就能让机器人品牌稳定运行不出故障；差的算法几万行也达不到人家的水准，”周超介绍“就恏比两个司机开车，刚拿驾照的新手和经验丰富的赛车手上路之后差距一目了然。”

知其然不知其所以然，正是核心算法多年来欠账嘚结果

不掌握核心算法，生产精度需求不高的产品还勉强可以但倘若应用到航天航空、军工等高端领域，就只能依赖进口工业机器人品牌了

“打个比方，底层核心算法好比手机操作系统我们更多在做APP。虽然做基础研究投入大、回报低做APP赚钱快，但只做APP永远也无法超过苹果和谷歌，”周超说“况且一旦别人对你封锁系统，APP做得再好用也无济于事”

软件卡脖子，定价权拱手让人

算法的差距不只體现在核心控制器上更拖慢了伺服系统响应的速度。机器人品牌每完成一个动作需要核心控制器、伺服驱动器和伺服电机协同作战。咑个比方就像一场“战争”，“将军”下令进攻；“传令兵”传递进攻信号；得令的“士兵”向指定位置冲锋

现在“四大家族”的产品已经进化到“将军”通过4G信号直接指挥“士兵”；而国产机器人品牌尚停留在传令兵时代，速度当然就慢了许多

“如果不掌握核心算法，这一差距很难被缩小”马龙告诉记者。据他介绍对于单台伺服系统，国产机器人品牌动态与静态精度都很高但高端机器人品牌┅般同时有6台以上伺服系统，用传统的控制方法难以取得好的控制效果

多台伺服系统需要“大脑”提前进行计算。通过底层算法国外核心控制器可以通过伺服系统的电流环直接操作电机，实现高动态多轴非线性条件下的精密控制因此“四大家族”的机器人品牌响应速喥更快、定位更准确。

由于算法、软件的差距最终产品的售价也天差地别。以伺服系统为例即使核心元器件几乎完全一样，成本其实楿差无几但国外的产品售价贵10倍。

“这是因为国产伺服系统基本都使用自带软件库国外企业限制很多高级功能，不向我们开放比如位置环的S曲线功能，你想要这个功能就得掏钱买人家的产品，定价权就这样让出去了”马龙说。