谈了N年还是前景，新材料的应用为何这么难？

2019-06-06 09:55:30 作者： Matplus 来源：材料十分享至：

谈了N年还是前景，新材料的应用为何这么难？

全国两会期间，很多代表委员反映，我国基础研究投入不足，占比长期徘徊在5%左右。在3月11日的记者会上，科技部部长王志刚对该问题做了回应，称“对中国科技界来讲，基础研究的能力和产出是我们的一个短板。”并表示“中国加强基础研究是坚定不移的。”

说到基础研究是短板，我们不禁会想：难道说实际应用有优势？好像完全不是这样！基础研究之难，难在理论创新，而实际应用之难，却经常是多方面因素共同作用的结果。我们不能说谁比谁容易，然而实际情况往往是一方面基础研究停滞不前，另一方面早已完成的基础研究成果无法转化为工业产出。

连续几年被期待：世界上最轻的金属材料

上图这个特殊的金属材料名为microlattice，中文名叫做金属晶阵，它是一种人工合成的多孔金属材料，组成的一个超轻泡沫金属。由于此晶阵由微型空心管组成，它还的质量比泡沫聚苯乙烯还要轻百倍。

研究者希望通过轻质化来节省更多的燃料，但是实验各种类型的金属材料都无法符合他们的要求，于是他们不惜将金属结构的完整性能打破，来创造出研发出轻质的材料。根据实验室人员介绍，这种材料的空心管壁厚度仅有100纳米，百分之九十九的成分是空气，它的重量却仅有头发的千分之一。

实际上，这种材料15年美国波音公司发布以来，当年就进入了年度被期待的材料行列。连续几年，这种材料就像非诚勿扰里的钉子户一样，一直待在每年“被期待”的榜单中。

然而直到现在，网络里所有关于微格金属的消息，全部是当年刚研发出来的介绍。这一噱头十足的材料，伴随着人们的期待，几乎到了销声匿迹的地步了。

老生常谈的“工业味精”：石墨烯

如果说microlattice出现时间尚短，还不足以走出实验室的话，石墨烯这玩意就老生常谈了。有“人类最强晶体”之称的石墨烯于2004年被发现，成为了目前已知最薄最轻，强度最高，韧性最好，导电、导热性最佳，透光率最高的材料。2014年以来，国内企业相继推出了石墨烯内衣裤、U形枕、轮胎、涂料、加热片、移动电源、保健用品等产品，多将石墨烯粉体添加至各类产品中改善性能，应用领域极广。但因用量较少且不发挥主要作用，石墨烯只能作为辅助材料使用。 “工业味精”的说法，还真不是白叫的。

疯炒概念

近年来，国家发布了多个支持石墨烯产业发展政策。其中，2015年《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》提出：集群发展石墨烯材料应用产业，形成聚集效益，打造产业示范基地。

公开资料显示，全国各地在建和计划兴建的石墨烯产业园不下30个，且还在不断增加。

据了解，这些产业园中，依靠当地石墨资源建立的产业园区不到10个；很多产业园区的建立根本不是依托在石墨烯资源或石墨烯企业的基础上，是为了“圈地”，抢占石墨烯这一高新技术。可依托的企业少，周边的产业链欠缺，简单重复、缺乏特色成为不少石墨烯产业园的“通病”。

目前中国拥有世界上最为庞大的石墨烯研发队伍，从2011年起，中国学者发表的石墨烯论文已居全球榜首，至今已遥遥领先。在专利申请方面，中国与美国申请量最大。另一方面，资本市场对石墨烯产业给予了巨大的热情，政府的支持、专利的激增让石墨烯概念股炒得如火如荼。

但部分业内人士认为：国内石墨烯市场浮躁现象突出，有人急功近利想通过资本市场实现大量利润，导致市场鱼龙混杂。我们无法精细地区分这种急功近利者的背后目的，然而从技术成熟度曲线角度来看，我国的石墨烯还处在向顶峰爬坡的阶段。只为了突出地方经济增长点，没有优势特点的石墨烯产业园的建立，极可能成为未来 “泡沫”的牺牲品。

缺乏核心技术，浅尝辄止

虽然石墨烯产业方兴未艾，已开发民用、公用、军用各类石墨烯产品种类繁多，但是，大多处于小打小敲阶段，目前尚没有真正的“爆款”出现。

有产能，却很难卖出“爆款”应用产品，成为当下我国石墨烯生产的尴尬现状。目前市场上大部分下游企业家对于石墨烯还停留在概念上，对于如何实际应用思路并不清晰，也就不可能产生需求。由于下游需求未起，大部分石墨烯企业目前仍无市场，这已经成为了恶性循环。

材料产业想要发展？关键在应用。石墨烯具有多方面良好的性能，但拿到下游企业去用，效果却差强人意。有一次上游科技企业将石墨烯拿给下游生产企业用，生产企业回复称石墨烯的膜不导电。后来发现，是下游企业检测方法有问题。这说明，新产品介入旧的工艺并非易事。

一些下游企业购进石墨烯材料等相关产品后，不针对产品特性进行加工工艺的改变。在这种情况下，石墨烯材料即使品质再高，也难以发挥其优越性，造成‘材料好、用不好’的现象。和资金补贴相比，石墨烯企业更需要项目的帮助。想撬动传统领地不容易，科研单位和上游科技企业甚至愿意自己花钱去做一些创新示范项目。

观望居多，实际投入不足

石墨烯主要分为粉体和薄膜两大类，其中粉体提纯成本要800元/克，而薄膜提纯难度更大，真正要做石墨烯，其投资成本保守估计也要10个亿，还不能保证一定成功。

虽然很多公司都对投资者表示目前在研发石墨烯产品，但实际上的研发力度与真正要做产业化相比微乎其微，真实的态度是以关注、观望为主。此前一位分析师也曾表示，欧盟给诺基亚用于石墨烯研究的费用是13.5亿美元，且展望时间是未来10年。

相比较而言，中国企业的研发成本投入较低。早在2011年就与中国科学院金属所达成石墨烯研发合作的企业，此前3年每年研发费用是500万元，后续5年每年研发费用为800万元。

2014年，全球芯片制造巨头美国IBM公司推出了世界首个多级石墨烯射频接收器，是迄今为止最先进的全功能石墨烯芯片，其传输速度是硅制芯片的千倍；同年7月，IBM宣布将在未来五年内，对石墨烯碳芯片技术投资30亿美元的研发资金。

此外，韩国三星、LG集团近年也在柔性显示器、触控屏等领域与高校合作研发出了成果，相较于目前市场上最成熟的透明导电薄膜材料氧化铟锡（ITO），石墨烯的成本更低，柔韧性更佳，在柔性电子器件及可穿戴设备等应用十分具有发展潜力。

受制于高端应用的长期高投入及高风险，国内中小型民营企业在高端领域少有布局，实力雄厚的大型国企对石墨烯这一新材料也缺乏积极性。

新材料供给与需求的二律背反

材料科学是战略性新兴产业的基础科学，对我国实施创新驱动发展战略至关重要。但目前，我国这一领域的竞争力堪忧，一方面核心关键材料对外依存度较高，关键技术缺失；另一方面，有些项目却“一哄而上”，出现产业结构性过剩。有人直言：“急需的新材料找不到，能找到的又做不出产品，做得出产品的又做出好产品。”

本来供给与需求是相互对立的，一方有优势就意味着对方的相对弱势。然而对于新材料的供给与需求来说，双方都是弱势的。企业需要更好的材料，基础研究的成果也急需产业转化，然而两者常常驴唇不对马嘴，形成了一对尴尬的矛盾。某种意义上，这是科研与生产脱节的不良结果。科研考虑的是材料的性能，生产考虑的是成本和利润，标准和目的不同，缺乏沟通、闭门造车的结果就只能是资源的浪费。

碳纳米管、量子金属、超固体等眼花缭乱的概念不断涌现出来，各种“迎接材料领域新时代”的呼声不绝于耳，然而我们生活中遇到的，还是各种普通钢材，铝材，塑料……

科技创新向基础研究倾斜的意义

谈到“我国基础研究投入占比长期徘徊在5%左右”。王志刚分析：我们经常拿中美基础研究投入做对比，美国在15%左右、中国在5%左右，但是光看数字不能反映全貌。“我们要承认，确实美国在基础研究方面投入很大，并且产出也是世界第一。就基础研究经费投入来说，美国是联邦政府、地方政府、企业、社会力量都在投，中国的5%基本上是中央财政投的，地方财政和企业投得很少。”

王志刚说，但现在我们已经看到了好的势头，在中央财政持续加大投入的同时，企业特别是一些高新技术企业，以及把科技创新作为企业持续发展的能力和竞争力的企业，现在都开始把基础研究作为重点了，包括对数学以及其他基础学科的投入。他们选了一批人，不是直接对着技术、不是直接对着产品设计，而是从源头上来探索相关领域的方法、原理，以及在理论上有哪些突破，在实践中有哪些创新。

科技创新向基础研究的倾斜，并不是单方面增加基础研究的投入，使得基础研究产出更多，不然出了一堆科研成果，无法转化成为生产力也没有意义。而是让真正知道他们需要什么的地方、企业、社会力量，针对自己的需求有的放矢地投入，得到成果之后能够无缝转化。资本原来是个急性子，只能看到眼前的蝇头小利，无法宏观地把握大局，与其炒作概念，到处圈地圈钱，不如扎实地将资源投入研发，做出更扎实的成果。

加强研发和应用之间的合作

拿我国发展得很好的互联网科技企业为例，实际上大部分都不是国家财政的投入。他们知道自己需要什么，就投入去研发什么，因为科研一旦和应用分开，就会降低效率。未来的科研与应用，一定是趋于一体的，即使不像三星或者华为那样，拥有从配件到商品一整套的研发实力，也需要产业链不同阶段的单位和企业更加紧密的合作。

材料生产企业自身也要反思。材料好却不一定能嵌入产业链。因为以前没有这种材料，下游如何衔接，往往连标准接口都没有。材料向应用的转型过程，需要重视和系统商的合作。例如，生产理疗用的石墨烯腰带，主动和电池商、电池控制App等合作，从而使得推广相对顺畅。

师昌绪院士谈中国的新材料应用

要发展好新材料产业，必须“材料先行，应用带动”。我们不能设计出来了东西，去等材料。对发展新材料产业要有一个很好的战略性规划，将来需要什么新材料，要未雨绸缪。新材料从研发到数据齐全、工艺稳定的工程化一般需要较长的周期，需要材料先行。当前我国有许多新材料没能应用，原因之一就是还没有达到工程化的程度，这是个要害问题。

目前我国大企业基本都是国有企业，大多数没有动力去用新材料，因为他们不用新材料照样过得很好，照样赚钱，用新材料反而要冒风险。现在是拥有新材料技术的科研单位、院校拿着新材料去求大企业应用推广，在这样的体制下，新材料推广起来就非常艰难。

我国的新材料企业多数不太大，就是因为应用上不去，这样新材料发展就很难。政府要在开辟新材料的应用领域上加大作为。比如镁，我国资源量很大，上世纪90年代提倡做镁，一下子上去了，占了世界80%的市场，即使这样，一年才产80万吨。但目前发展基本上停滞了，为什么？关键就是没找到镁的新的应用领域，如果建筑材料用上镁，市场就很大，现在用的铝合金是塑料包的铝，为什么不能包镁呢？镁的长处一是轻，一是减震，高速列车的震动是个关键，如果用镁既减轻重量又减震。

新材料的应用要开辟新领域，必须做大量的研究工作，再试点应用，这就需要国家制定相应的政策牵引，给予补贴、鼓励，支持拓宽新材料在新领域的应用。要发展好我国的新材料产业，只有发展先进的制造业，才能带起来先进的新材料产业。

对于制造业特别是机械制造业来说，“设计是灵魂，材料是基础，工艺是关键，测试是保证”，这个整体上做好了，我们就能成为机械制造强国。我们现在还不是制造强国，就是因为设计比较落后，工艺就更加落后，比如我们的超级计算机，虽然说明设计有了一定的水平，但芯片受制于人。

芯片一是材料，二是工艺，并且工艺更加重要。现在芯片被英特尔等外国公司垄断。只有设计、材料、工艺和测试都搞上去了，我们的机械制造业才能上水平。我国的机械制造业必须要从大国到强国，包括资源加工业。比如钢铁、有色、水泥和建筑材料，我们并不十分落后，既是生产大国，又是消耗大国，但如何变成强国是一个大问题。历来，像美国、日本、德国等都是机械制造业和电子制造业强国，他们才因此成为世界强国。所以我们要想成为强国，必须大力发展机械制造业。

上世纪80年代，我国的非线形晶体材料技术是全世界第一，卖了几百万美元。但是，材料做成器件出口却能十倍甚至百倍地增值。因此发展新材料，还要从制造业、从元器件驱动发展。我国航空发动机的寿命大大短于美国的，说明我们仅有新材料还不行，工艺还必须过关。实际上，我们的装备也并不比人家差多少，但是我们做出来的轴承寿命还不行。这些问题的关键就是制造工艺问题，一个是精度不高，一个是抗疲劳性能差。因此要想从大国到强国，还要在制造工艺方面赶上人家。

原来我们飞机起落架经常出问题，有位工程院院士就专门做起落架用钢，最后达到了美国的寿命水平。这位院士引进的钢成分当时不保密，但是怎么使其性能提高是关键。因此新材料和新技术的结合是关键，我们也有能力在这个方面加大作为。

如何做好新材料和新技术的结合，提高制造工艺水平，当前最大的问题实际上是体制问题：现在分割得很厉害。举例说，航空发动机涡轮盘离心力很大，一出事故肯定是机毁人亡。美国从粉末冶金涡轮盘技术开发到大量应用一共用了12年，我们上世纪80年代从德国引进了设备，到现在也没用上，都报废了。为什么？其实还是体制问题。几十年来，标准是标准，制造是制造，国家应该有一个统一的组织部门。

我们提出企业要作为科技创新的主体，但不要理解为企业设立大的研究机构才是主体，企业必须和科研机构、大学进行真正的联合。因为，现在高水平的科技专家大部分在科研机构和大学。现在也成立了许多协会、技术联盟等形式，但大多数是松散型的，没有真正融合起来。说到底是由于各有各的利益，而在组织、政策层面没有一个强有力的组织和规范。

另外，为什么有些地方热衷于建钢铁厂，压也压不住？就是因为有成熟的技术，没有风险，并且规模大、赚钱，GDP上去了。所以用GDP来作为衡量发展指标的体制，非常不利于战略新兴产业的发展。新材料由于开始阶段用量较少，对GDP的贡献较小，除非是很有眼光的人才敢上，但是一般政府官员认为在自己任上这些新材料成不了气候，往往不愿做。因此必须有一个长远计划，企业要真正竞争，先进的技术要上，落后的技术要下。

给新材料安上助推器

国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》指出，“加强前沿材料布局”，“提高新材料应用水平，推进新材料融入高端制造供应链”，“到2020年，力争使若干新材料品种进入全球供应链，重大关键材料自给率达到70%以上，初步实现我国从材料大国向材料强国的战略性转变。”

进一步打造新材料创新高地。

近年来，深圳新材料产业规模在全国处于领先地位，年增长率达到20%，涌现出一批具备国际先进技术、行业领军人才的企业单位。一些专家建议，可在深圳等新材料发展较快、基础较好、产业转化较成熟的地区，进一步打造国际一流的新材料创新高地、人才聚集高地和产业发展高地。

持续细化、出台相关产业扶持政策。

工信部部长苗圩表示，“十三五”期间，工信部将加强各个部门之间分工和协同，形成合力，聚焦重点领域，同时注意分类施策，加强共性、核心技术攻克，提高政策精准性和有效性。

新材料从研发到应用需要反复试验与论证，有的需要几十年的时间，格外审慎。破除体制机制障碍，营造长期鼓励创新的良好环境十分重要。

苗圩特别提出，将加大力度鼓励新材料市场应用；将研究建立新材料首批次应用保险补偿机制，解决刚开始投放市场时候用户“不敢用”等方面难题；还将完善新材料产业标准体系，用标准引领产业健康发展。

饼好画，事难做！虽然针对新材料的应用，有诸多有针对性、可行的解决方法，然而，在我们能够经常在量产商品中看到它们之前，还得保持探索的意识，反思的心态，但愿这一天不会让我们等的太久。

免责声明：本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有，如果涉及侵权，请第一时间联系本网删除。