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《材料洞察》前言导语

从畜力车到宇宙飞船,从煤油灯到核能发电,从冷兵器到导弹核武,从吃住行到大国重器,伴随着人类所使用材料发生翻天覆地变化的同时,人类的生产生活方式也以惊人的速度发生着巨大改变。材料作为人类社会进步的基石,构建起了缤纷璀璨的现代文明。人类以使用工具作为文明进化的标志,而所有的工具向上追溯都是材料。“料要成材,材要成器”,材料通过器件、部件与系统来实现自身的使用价值。“一代材料,一代器件,一代系统,一类应用”。一种新材料的诞生,可能重塑整个人类的生活方式和社会文化,甚至改写人类的历史。纵观20世纪以来产业发展的历程,无数事例证明,每一项重大技术的突破,每一项重大应用的形成,都离不开新材料的发展。

材料发展促进了人类社会的文明进步

材料、能源、信息是构成当今世界的三大要素,而新材料是在传统材料基础上发展出具备优异性能或某种特殊功能的新型材料。特种合成橡胶、高性能树脂、高性能纤维、功能性膜材料、电子化学品等新材料正引领未来产业技术发展。应用领域涉及新能源、新基建、交通设备、电子信息、生物医药等多个新领域。

新材料造就了新产业

本文作为网站《材料洞察》栏目开篇,将简述材料的发展历史、材料的分类,并介绍其对国家发展的重要意义。同时,该栏目将从黄埔材料院布局的航空轮胎材料、芯片化学材料、先进材料与器件研发等方面出发,带您走进材料的世界。

材料的发展历史

人类文明的发展进程,可以单独以材料来命名。公元前250万年至公元前1万年前,人类以使用磨制的石器作为主要工具,这个时期被称为旧石器时代,这就是最初的材料;公元前1万年至公元前5000年,人类使用根据用途加工的各种石器作为主要工具,这个时期被称为新石器时代;公元前5000年至公元前1400年,人类以青铜为材料制造工具、用具和武器,这个时期被称为青铜器时代;公元前1400年至公元1750年,人类掌握了铁的冶炼技术,铸造铁质工具、用具和武器,这个时期被称为铁器时代。

自1750年工业革命起,人类逐次进入了蒸汽机时代、电气与化学时代、电子与信息时代。第一次工业革命时期,英国在采矿业、黑色金属和有色金属及无机材料工业的支撑下,发展了现代机器制造业,造就了“日不落帝国”。第二次工业革命时期,德美发展了新兴的钢铁、石油、化工等材料工业,支撑了电气和航空制造业,从而一跃成为当时最先进的国家,远超英法等老牌资本主义国家。第三次工业革命是以原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为主要标志,涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。

材料发展历史  图片来源:新材料在线

中国的材料科学从新中国成立之初开始萌芽。中科院长春应化所是我国材料科学领域起步最早、历史最悠久、实力最雄厚的研发机构之一。1949年底建成有机化学、无机化学、矿冶等6个研究室和氯丁橡胶、人造纤维、丁苯橡胶等11个材料中间工厂;1951年12月成功研制出我国第一块合成橡胶——氯丁橡胶,随后在国内首次分离出15个单一稀土元素。20世纪50年代中期,北京大学物理系在物理学家叶企荪、黄昆的倡导下建立了磁学与金属物理室;中科院金属所在李薰所长的支持下建立了金属物理和材料结构研究室。20世纪60年代,中科院长春应化所开发出聚硫橡胶火箭固体推进剂、遥爪丁羧导弹固体推进剂,为“两弹一星”事业做出了重大贡献,后于20世纪80年代在国内首创聚乙烯热收缩管,并实现了热缩材料的产业化。中科院长春应化所的材料创新发展史,亦是我国材料研发不断迎接新挑战、不断做出新贡献的缩影。

现如今,材料产业已成为我国的重要支柱产业。从材料产业发展现状看,我国钢铁、水泥、玻璃、纺织品等基础原材料的生产能力和生产总量已处于世界前列,且已成为全球最大的基础原材料生产与消费大国。2011年,我国新材料产业总产值仅仅为0.8万亿元,到2019年我国新材料产业总产值已增长至4.5万亿元,占全球总规模的22.8%,同比增长15.4%。目前,我国有40多个城市已经形成不同规模的新材料产业集聚区,设立上百个国家级新材料产业基地。


2021-2020中国新材料产业规模变化趋势

材料的分类

材料的种类主要从材料本身性质和具体应用领域两个维度进行分类。

从材料本身性质,可将其分为四大类,分别是金属材料(如钢、铁、镁合金等),无机非金属材料(如二氧化硅、碳化硅、氮化镓等),有机高分子材料(聚乙烯、聚氯乙烯、顺丁橡胶等)以及复合材料(碳纤维、芳纶纤维等)。

按本身性质对材料分类

从材料应用领域,大致可将其分为六大类,如新能源材料、生物医用材料、环保节能材料、交通设备材料、电子信息材料以及新型化工材料等。(如下图所示)

新材料的应用领域

材料在国内发展面临的问题

材料服务于国民经济、社会发展、国防建设和人民生活的各个领域,是经济建设、社会进步和国家安全的物质基础和先导,是制造业的两大“底盘技术”之一,也是第四次工业革命的驱动力,而新材料更是支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的物质基础。

进入21世纪以来,我国在新材料领域的技术突破和产业布局都取得了迅猛进展。但从总体上看,与世界先进水平相比仍有较大差距。主要表现在:新材料主要核心技术被国外垄断,研究基础薄弱、原创成果少、自主研发能力较低;规模化和集成化技术研究欠缺、集成能力差、加工技术及装备制造水平低;产学研用相互脱节,投融资体系不健全,成果转化和工业化推广困难;新材料产业缺乏统筹规划和政策引导,研发投入少且分散。

近几年,西方对我国实行技术封锁和原材料禁运,一些关键基础材料比如芯片化学材料、电子信息材料、航空航天材料等被限制进口,导致核心产品、核心技术受制于人,“卡脖子”问题凸显。据统计:我国现有114种高风险和287种中低风险“卡脖子”产品,主要分布于矿产资源综合利用、生物药品制造、生物化工制品制造、电子功能材料制造、铁路高端装备制造等领域。2018年《科技日报》报道的我国35项“卡脖子”技术,其中有60%直接或间接与材料相关。

材料对国家富强的重要意义

一、新能源领域

我国能源结构主要以煤炭为主,油气资源十分紧缺。这使得新一代高效清洁燃煤发电、深海油气资源开发、光伏风力发电、大型储能系统等先进技术成为我国能源战略发展的重中之重,而这些技术中所用到的多品种、高性能、特异性材料,是先进能源动力系统的基石。光伏、锂离子电池、燃料电池、核电等能源领域重大项目对材料领域的进步,同样有着极高的依赖性。

以新能源车的“心脏”——锂离子电池为例。国产锂离子电池的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。关键材料长期依赖国外,一旦遭遇禁售,我国的相关产业便没有了基础支撑。

新能源汽车  图源:unsplash

以新能源汽车用稀土材料为例。随着新能源汽车产业成为全球朝阳产业,元素周期表上的很多稀有金属将成为引爆产业突破和成本控制的关键点。据美国自然资源战略专家大卫·S.亚伯拉罕在《决战元素周期表》一书介绍,一辆现代化汽车装有40余块磁体,20多个传感器,使用稀土元素近500克;而每辆混合动力车要使用多达1.5公斤的稀土磁体材料。如果将单车稀土使用量乘以全球年销售量或者市场总保有量,数字将是惊人的。这突出反映了一个问题,对于全球各大汽车厂商而言,眼下愈演愈烈的芯片荒其实只是供应链上一块脆弱短板,更短的板,恐怕还有“车轮上的稀有元素”。

二、电子信息领域

近年来,我国电子信息产业获得了极大发展,基础设施完善、应用场景丰富、数字经济繁荣、信息交互发达,我国已经成为全球网络信息大国。但从电子设备和核心器件方面分析,我国与美国等西方发达国家相比差距仍然较大,特别是集成电路(芯片)行业。芯片被广泛运用在军事、手机、电脑、汽车、航天等方面,它是电子设备中最重要的部分,承担着运算和存储的功能。我国10nm及其以下的高端芯片技术严重受制于人。

以电子化学品为例。它是芯片制造过程的关键材料,包括光刻胶、掩模板、电子特气、抛光液、湿化学品、介电层材料等,品种繁多、技术门槛高,大都被欧美日企业垄断供应,一旦发生贸易摩擦,极易被“卡脖子”。因此,推动材料科学在电子信息领域的快速发展,有助于突破西方发达国家对我国芯片行业的产品与技术封锁,且一旦取得重大突破将有望与发达国家形成相互钳制。

芯片材料  图片来源:unsplash

三、现代交通运输领域

材料科学的快速发展对于高速列车、远程宽体客机、重型运载火箭、先进航天器等核心部件的技术迭代具有重要意义,间接推动了相关装备的升级换代。材料科学在交通运输领域的飞速发展,有力支撑了我国高铁、大飞机等交通运载装备中核心部件的自主保障能力。

以机械设备中不可或缺的核心零部件轴承为例:一个国家轴承的需求量与国民生产总值总是保持一定的关系,而轴承钢的生产能力和水平又是轴承工业发展的关键制约因素,因而,工业发达国家历来都十分重视轴承钢的生产、质量以及研发工作。高端轴承钢的研发、制造与销售长期以来一直被美国、瑞典等国家巨头公司所垄断,如何获得纯净度高和均匀度好的顶级好钢,一直是这些巨头秘而不宣的核心技术。经过多年研究,中国在炼钢过程中加入稀土,使原本优质的钢变得更加“坚强”,攻克了诸多轴承钢生产工艺中的难点问题,将氧含量控制在≤5ppm的世界先进水平,掌握了其内在质量控制的核心技术。如今,中国已经成为全球最大的轴承钢生产国,每年的轴承钢粗钢产量超过300万吨。

由此可见,要想形成交通运输领域核心部件产品自主保障能力必先保证材料的精进,进而才能逐步完善我国现代交通运载核心技术体系,逐步提升交通运载可持续发展能力,并最终实现“走出去”战略。

高端轴承钢可用于交通运载  图片来源:昵图网、unsplash

四、医疗健康领域

材料科学的快速发展是国家医疗安全和人民生命健康的重要基础和有力保障。目前,许多生物医用材料已介入疾病治疗与组织修复,如生物活性陶瓷和生物活性玻璃可用于骨再生修复;钛及钛合金可用于人工种植牙;全降解聚乳酸血管支架以及可降解镁合金血管支架可用于血管手术。然而,昂贵的高值耗材和设备检测,对患者而言无疑是极大的经济负担。10年前,一台冠心病支架植入手术大约2.5~3.5万元,其中冠脉支架的价格就占到了一半,如今昂贵的耗材成为我国医药集中采购的“先驱”,价格也降到了亲民的700元。怎么才能突破国际巨头的市场垄断,这个问题的答案隐含着生命健康领域最关键的一个逻辑:国产医用材料与医疗器械替代。

我们正逐步走在“国产替代”的路上。2009年4月,与中科院长春应化所合作二十余年的山东威高集团研发的具有自主知识产权“聚砜膜”透析器宣告上市,一举打破了跨国公司技术垄断,单次透析价格降到法国进口同类产品的三分之一,一经上市便供不应求,有效地提升了患者的生活质量。


国产聚砜膜透析器  图片来源:威高集团

2017年12月,中国工程院制定面向 2035 的新材料强国发展战略,以推动提升新材料自主创新能力与材料产业核心竞争力。加强关键基础材料发展的顶层设计,完善政策措施,这对落实《中国制造2025》战略、提升我国工业基础能力、增强国防军工实力和加快经济发展方式的转变等都具有重要的战略意义。

目前,我国新材料产业在金属材料、纺织材料、化工材料等传统领域基础较好,稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产能居世界前列。通过产学研用的紧密结合,我国许多重要新材料技术指标大幅提升,研究成果推广应用。例如,激光晶体、太阳能电池关键技术指标达到国际先进水平,光伏发电成本大幅降低;锂离子电池正负极材料、电解液均满足小型电池要求,隔膜、电解质锂盐等关键材料替代进口;超高分子量聚乙烯纤维与发达国家的差距大幅缩小。关键技术的不断突破和新材料品种的不断增加,使我国高性能复合材料、高端金属结构材料、新型无机非金属材料保障能力明显增强,先进高分子材料和特种金属功能材料自给水平逐步提高。

全球知名新材料公司分布  图片来源:新材料在线

当前我国正在积极推动新材料产业基地建设,加强资源整合,区域特色逐步显现,区域集聚态势明显,初步形成“东部沿海集聚,中西部特色发展”的空间格局。长三角:已形成包括航空航天、新能源、电子信息、新型化工等领域的新材料产业集群。珠三角:新材料产业集中度高,已形成较为完整产业链,在电子信息材料、改性工程塑料、陶瓷材料等领域具有较强优势。环渤海地区:技术创新推动作用明显,在稀土功能材料、膜材料、硅材料、高技术陶瓷、磁性材料和特种纤维等多个领域均具有较大优势。

结束语

革命性新材料的发明与应用一直引领着全球的产业变革,推动着制造业的转型升级。我国迫切需要聚焦未来前沿新材料和“燃眉之急”“心腹之患”重点材料,加大研发投入力度,加快布局知识产权,抢占发展先机和战略制高点。建设材料强国,打造“大国筋骨”,是一个决定国家前途命运的重大命题。作为一个超级大国,立足国情全方位、多层次的实现技术创新,持之以恒、坚韧不拔地走下去,是建设材料强国的最强对策。

每个时代的科研人员都有自己的光辉使命,这个时代需要我们心怀家国天下,需要我们放眼星辰大海,需要我们在探索新材料的道路上砥砺前行,让我们一起走进《材料洞察》的世界。


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