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不看不知道：中日材料領域的差距竟有30年？
2022-03-07
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今天，我們來聊一下材料科學的事情。
我們常說“材料科學是基礎學科”，但是這個“基礎”到底意味著什么，有不少人恐怕還不能深刻地感受到。
眾所周知，我們現在的生活是由各種各樣的科學技術所支撐起來的。自來水、交流電、互聯網、汽車、高鐵、飛機......而如果我們去細分這些技術發明，則會發現它們也別有洞天。
層層剖析下來，我們就會發現一些“基礎”的東西——比如基本原理，比如材料。沒有特種合金制成的電纜，就沒有超遠距離的輸電，也就沒法建立一個龐大的全國電網。沒有特種鋼材，就沒法制造航空母艦，也就沒有一支強大的海軍。
所以，如果一個國家由于種種原因無法掌握某種材料，那么這個國家也就很難掌握這個材料衍生出來的相關技術，除非這個國家可以找到替代的辦法。
光學領域里，有一種材料叫做“KBBF晶體”，全稱叫氟代硼鈹酸鉀晶體，是已知唯一一種可以直接倍頻產生深紫外激光的非線性光學晶體——簡單來說，只有通過它，才能將普通的激光轉化為176nm深紫外波長的激光，從而制造出用于科研、生產和國防的各種深紫外固體激光器。
▲ 陳創天院士和KBBF晶體 1995年，我國率先制成了這種晶體。2009年了，我國開始對外實施技術禁運。美國人直到2016年才打破了我們的封鎖。但那時，我們早就有了更先進的第二代晶體了。
沒有KBBF，就很難再點開剩下的科技樹——這，就是材料的基礎地位。
如今的世界，各種新的技術與發明層出不窮，相應的材料科學領域的進展自然也是飛速。十四五規劃中，半導體、軍工、稀土、光伏......這些計劃重點發展行業無一不要求更先進的新材料。
在高科技產業中發揮作用的各種新型材料，成為了各國追逐的對象。
可以這么說：如果中國搞不出新材料，那么我們就有可能落后，就有可能坐等別人來掐喉嚨、卡脖子。
1 材料市場的競爭格局
目前，全球新材料市場的競爭格局對我們來說并不算有利。
在新材料領域，只有兩個梯隊。
第一梯隊，成員是美國、日本，以及德國、法國等歐洲國家。這些國家的科研基礎極其深厚，甚至在冷戰時期就已經開始進行新材料的研究了。
第二梯隊的成員，則是中國、俄羅斯和韓國。目前仍然處于“跟跑+追趕”的狀態，盡管第二梯隊在某些領域有非常領先的成果，但整體來看，不論是先進程度還是研究覆蓋面都不如第一梯隊的玩家。
不得不承認，在先進材料領域，中國還有很大的差距。材料科學是基礎學科，“彎道超車”的戰術在這種情況下是走不通的。
顯然，美國、日本、歐盟已經掌握的材料技術的種類要比第二梯隊的中國和韓國更多，覆蓋的領域也更廣闊。
從類型來看，我們已經可以很清楚地認定一批將在未來發揮重要作用的“新材料”了。由上圖就可以看出，各個主要經濟體基本上都在先進金屬、半導體材料、碳纖維、石墨烯等領域進行布局。
未來的科技，就建立在這些材料的基礎之上。中國科技產業如果可以在這些材料上取得進展，那么我們也就獲得了更多點亮這些科技樹的機會。
除了種類數量上的差距，同一個種類下，我們與世界先進水平之間的差距也不容樂觀。
以鋰電池材料為例，相關的材料可以分為四類：正極材料、負極材料、電解液材料和隔膜材料。更先進的材料，意味著更大的能量密度，同等重量的電池能夠給車輛、設備提供更多的電力。這對于提高產品在市場上的競爭力有極其重要的意義。
鋰電池的四種材料，我們都能夠進行獨立自主的研發和制造，但存在的問題是——國產材料總是落后一代。類似的問題，在碳纖維材料的中外對比上同樣存在：相同產量下，國產材料的性能不如日本東麗的產品，相同性能下，國產材料的產量又不夠。
目前，這個行業仍然是一個由歐美、日本等發達國家所掌控的行業：來自日本、美國、德國的6家企業，占了全球70%的碳纖維產能；另外有5家日本、美國企業占了全球12寸晶圓90%以上的產能；日本還有三家企業占了全球液晶背光源發光材料90%以上的產能。
綜合來看，我國在國際材料市場上的地位還不算高——我們才剛剛解決了“有無”的問題，距離“先進”還有一定的距離。
之所以我們會在這個領域如此落后，我認為主要因為中國材料產業的歷史實在是太短了。直到新中國建立，中國才算是真正開始研究材料產業。然而彼時，歐美已經開始琢磨碳纖維和硅片了。
發展歷程短，就意味著我們沒有歐美產業那么多的時間。在漫長的發展過程中，歐美企業可以從容地進行研究，可以不斷試錯，可以從失敗中吸取教訓來改進生產和技術。但作為追趕者，中國沒有這個條件——我們必須加快速度，我們沒工夫試錯，我們也沒時間去慢條斯理地對整個產業進行規范。
正因如此，中國的材料產業始終在解決“有無”的問題，對于性能、應用、行業標準、管理、計量等問題很少進行周密詳細的安排。相應地，國內材料產業的發展也存在類似低水平重復建設、低端產品過剩、高端產品稀缺的問題仍舊比較突出。
根據2018年工信部相關領導的介紹：中國目前仍然有32%的關鍵材料處于空白，52%需要進口。一直以來，說好的“材料先行”的策略都沒有得到良好落實。中國材料產業的競爭和安全，不容樂觀。
2 材料產業的迷局
在剛剛結束的兩會上，人大代表、格力電器董事長董明珠也提到了“材料問題”。在董明珠看來，材料問題是急需解決的“卡脖子問題”，最大的癥結就是投入了沒回報。
其實，這并不是中國材料行業的問題。企業投入和未來回報不確定性的矛盾，可能是全世界材料企業都發愁的事情。
1952年，就職于美國康寧玻璃公司的工程師Donald Stookey在對公司的一種玻璃樣品進行熱處理，本應被設定在600度的爐子，不知為何溫度升高到了900度。
▲ Donald Stookey 博士 本以為在這樣的高溫之下，玻璃會融化成為一灘液體，但Stookey打開爐膛后才發現，這塊玻璃樣本不僅沒有融化，反而變成了一種奶白色的固體物質。令人驚訝的是，這種奶白色的固體物質似乎異常堅硬，即便是從高處墜落到地面也不會破裂。
在此基礎上，康寧公司研制出了Pyroceram微晶玻璃，這種玻璃的硬度堪比坦克裝甲，但密度卻比鋁還要低，在高溫和極寒之下，性質都始終穩定。一度被美軍用在洲際彈道導彈彈頭上。
在微晶玻璃研制成功后，康寧公司又成立了一個名為“Projetc Muscle”（肌肉計劃）的項目組，并研制出了一種性能非常優秀的Chemcor玻璃。在那個年代，這種高性能玻璃最大的用途就是作為汽車擋風玻璃。
▲ Pyroceram 陶瓷玻璃 然而，盡管Chemcor玻璃性能優越，但價格昂貴，銷量始終半死不活。無奈之下，在1971年，康寧公司封存了Chemcor玻璃的相關技術，解散了項目組。
直到三十四年之后，Chemcor終于迎來了屬于它的時代。
2005年，摩托羅拉發布了V3手機，開了玻璃屏幕取代塑料屏幕的先河。2006年，康寧公司決定重啟Chemcor玻璃。2007年，喬布斯撥通了康寧公司CEO威克斯的電話——蘋果希望康寧公司能夠提供一款足夠耐刮擦的玻璃。
▲ 當年的V3手機 土豪的象征 于是，在沉寂了整整三十六年之后，Chemcor玻璃再度被啟用。在經過一系列升級之后，基于Chemcor的“大猩猩”玻璃正式實現了商用——在隨后的十幾年中，康寧公司僅從“大猩猩”玻璃上就賺了超過十億美元。康寧公司也成為了市場上舉足輕重的屏幕玻璃供應商。
這或許就是材料科學的宿命吧：一個傾注了無數智慧、資金、汗水的技術，或許在三十年之后才會被市場認可。而當年研究這項技術的工程師，也許已經從風華正茂的青年，變成了滿頭白發的老人。
如今，中國科技產業整體上處于高速發展階段，各行業的更新速度都很快，這必然會帶動材料行業的發展。某種意義上來說，只有高科技材料的需求增長，高科技材料企業才有出頭之日。
3 尾聲：中國材料企業如何突破
材料科學的技術突破的確沒有“彎道”可以“超車”，但材料企業在經營策略上卻可能會遇到很多“彎道超車”的機會。中國材料企業目前處于追趕的地位，技術上的優勢并不明顯，在高端市場上顯得有些競爭無力。
今天，世界上的三大碳纖維生產商是日本的東麗、帝人、三菱，三家廠商生產的碳纖維占了全球50%的比重。但在碳纖維產業剛剛起步的時候，玩家反而是來自歐美的大型跨國企業。
人們很早就認識到了碳纖維優良性能在軍事上的用途，歐美企業也自然直截了當地瞄準了軍工市場。但問題是，當時的武器并不需要用碳纖維這樣優秀的材料——鈦合金、鋁合金已經足夠了。
因此，歐美廠商在碳纖維領域的推進困難重重。
日本碳纖維廠商的切入角度是看上去平平無奇的體育休閑用品——東麗碳纖維最早的用途是在釣魚竿、高爾夫球棍上。一根魚竿、一根球棒所需要的碳纖維數量并不多，但這些產品的產量常常數以十萬計，總體的需求量非常可觀。
在市場尚未成熟的時候，生存可能才是第一要務。日本企業在消費品市場上賺到了維持企業生存的資本，靜靜地等待時機。隨著技術越來越先進、市場越來越成熟，日本企業開始挺進航空航天市場——1990年，東麗的產品成為了波音777型客機尾翼的一次材料，終于切入了高端領域。
此時，距離東麗制造碳纖維產品已經過去了20年。
大國重器、軍國利器，當然需要最尖端的材料。但對市場上絕大多數企業而言，僅僅服務于“大國重器”并不能保證企業的生存。在市場上，注定只有少數企業才能成為“大國重器”的供應商。
對處于追趕地位的中國企業來說，技術和市場都要追趕。如果短時間內追不上技術，那么就需要在市場上獲得足夠的進步，哪怕只是低端的市場。
因此，中國材料產業的突破點其實并不在材料產業本身，而在材料企業的下游——生產高端產品的下游企業，給企業提供高端產品的需求，推動技術發展；生產低端產品的下游企業，給企業帶來簡單持續的利潤，帶來存活下去的資本。
中國材料產業最需要解決的問題其實并不是某個技術難題，而是“產學研”三者之間的松散聯系。
▲ 專利數 = 研發量
從技術研發上來看，從2016年開始，中國新材料的專利就已經超越美國和歐洲了，僅次于日本。但直到現在，中國材料企業的市場地位仍然不強——雖然我們手中掌握了大量的專利，雖然世界頂級學術期刊里的材料學論文有一多半都是中國人寫的，但我們很難將實驗室、學校里的研究結果轉化成為產品。
▲河南人民狂喜！
甚至更糟的是——不少科研人員以“論文”為導向，什么熱門就研究什么，成為了無情的論文生產機器，但而一線生產中所需要的工藝、技術突破，由于不屬于熱點課題，往往連校招生都招不到。
下游產業對上游產業的拉動作用我們都知道，但很少有產業像材料行業這么需要下游的支持。好在，我們一直在追趕世界最尖端的技術，現在也終于意識到了這些關鍵技術國產替代的重要性。
▲我們材料缺口非常嚴重 有需求，才能有發展。
▲ 中國材料產業發展速度很快
最近幾年，中國新材料產業的產值增速非常喜人——達到了每年平均21.2%。中國新材料產業的產值，占了全球產值的近四分之一，這都是中國材料產業逐漸走向正軌的標志。
基礎不牢，地動山搖，中國科技產業能不能在如今這個風雨交加的時期挺住，就看中國的新材料了。
今天，中國已經達到世界一流水準的材料主要還是各種鋼鐵和建筑材料——船用鋼、機械裝備用鋼、工程建筑材料......而這些材料的背后，無一不是中國已經做大做強的企業。
作為一個仍然處于發展階段的國家，我們不能總是寄希望于彎道超車。因為很多領域是根本不存在彎道的。努力然后等待，才是唯一的出路。
不要問中國材料什么時候可以做大做強。
當中國材料企業的客戶更多來自于半導體、航空航天、軍工等高端產業的時候，中國材料的春天就來了。
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