中日材料科学差距30年
The following article is from 星海情报局 Author 老局长
今天，我们来了一下材料科学的事情。
我们常说“材料科学是基础学科”，但是这个“基础”到底意味着什么，有不少人恐怕还不能深刻地感受到。
众所周知，我们现在的生活是由各种各样的科学技术所支撑起来的。自来水、交流电、互联网、汽车、高铁、飞机......而如果我们去细分这些技术发明，则会发现它们也别有洞天。
层层剖析下来，我们就会发现一些“基础”的东西——比如基本原理，比如材料。没有特种合金制成的电缆，就没有超远距离的输电，也就没法建立一个庞大的全国电网。没有特种钢材，就没法制造航空母舰，也就没有一支强大的海军。
所以，如果一个国家由于种种原因无法掌握某种材料，那么这个国家也就很难掌握这个材料衍生出来的相关技术，除非这个国家可以找到替代的办法。
光学领域里，有一种材料叫做“KBBF晶体”，全称叫氟代硼铍酸钾晶体，是已知唯一一种可以直接倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体——简单来说，只有通过它，才能将普通的激光转化为176nm深紫外波长的激光，从而制造出用于科研、生产和国防的各种深紫外固体激光器。
▲ 陈创天院士和KBBF晶体
1995年，我国率先制成了这种晶体。2009年了，我国开始对外实施技术禁运。美国人直到2016年才打破了我们的封锁。但那时，我们早就有了更先进的第二代晶体了。
没有KBBF，就很难再点开剩下的科技树——这，就是材料的基础地位。
如今的世界，各种新的技术与发明层出不穷，相应的材料科学领域的进展自然也是飞速。十四五规划中，半导体、军工、稀土、光伏......这些计划重点发展行业无一不要求更先进的新材料。
在高科技产业中发挥作用的各种新型材料，成为了各国追逐的对象。
可以这么说：如果中国搞不出新材料，那么我们就有可能落后，就有可能坐等别人来掐喉咙、卡脖子。
材料市场的竞争格局
目前，全球新材料市场的竞争格局对我们来说并不算有利。
在新材料领域，只有两个梯队。
第一梯队，成员是美国、日本，以及德国、法国等欧洲国家。这些国家的科研基础极其深厚，甚至在冷战时期就已经开始进行新材料的研究了。
第二梯队的成员，则是中国、俄罗斯和韩国。目前仍然处于“跟跑+追赶”的状态，尽管第二梯队在某些领域有非常领先的成果，但整体来看，不论是先进程度还是研究覆盖面都不如第一梯队的玩家。
不得不承认，在先进材料领域，中国还有很大的差距。材料科学是基础学科，“弯道超车”的战术在这种情况下是走不通的。
显然，美国、日本、欧盟已经掌握的材料技术的种类要比第二梯队的中国和韩国更多，覆盖的领域也更广阔。
从类型来看，我们已经可以很清楚地认定一批将在未来发挥重要作用的“新材料”了。由上图就可以看出，各个主要经济体基本上都在先进金属、半导体材料、碳纤维、石墨烯等领域进行布局。
未来的科技，就建立在这些材料的基础之上。中国科技产业如果可以在这些材料上取得进展，那么我们也就获得了更多点亮这些科技树的机会。
除了种类数量上的差距，同一个种类下，我们与世界先进水平之间的差距也不容乐观。
以锂电池材料为例，相关的材料可以分为四类：正极材料、负极材料、电解液材料和隔膜材料。更先进的材料，意味着更大的能量密度，同等重量的电池能够给车辆、设备提供更多的电力。这对于提高产品在市场上的竞争力有极其重要的意义。
锂电池的四种材料，我们都能够进行独立自主的研发和制造，但存在的问题是——国产材料总是落后一代。类似的问题，在碳纤维材料的中外对比上同样存在：相同产量下，国产材料的性能不如日本东丽的产品，相同性能下，国产材料的产量又不够。
目前，这个行业仍然是一个由欧美、日本等发达国家所掌控的行业：来自日本、美国、德国的6家企业，占了全球70%的碳纤维产能；另外有5家日本、美国企业占了全球12寸晶圆90%以上的产能；日本还有三家企业占了全球液晶背光源发光材料90%以上的产能。
综合来看，我国在国际材料市场上的地位还不算高——我们才刚刚解决了“有无”的问题，距离“先进”还有一定的距离。
之所以我们会在这个领域如此落后，我认为主要因为中国材料产业的历史实在是太短了。直到新中国建立，中国才算是真正开始研究材料产业。然而彼时，欧美已经开始琢磨碳纤维和硅片了。
发展历程短，就意味着我们没有欧美产业那么多的时间。在漫长的发展过程中，欧美企业可以从容地进行研究，可以不断试错，可以从失败中吸取教训来改进生产和技术。但作为追赶者，中国没有这个条件——我们必须加快速度，我们没工夫试错，我们也没时间去慢条斯理地对整个产业进行规范。
正因如此，中国的材料产业始终在解决“有无”的问题，对于性能、应用、行业标准、管理、计量等问题很少进行周密详细的安排。相应地，国内材料产业的发展也存在类似低水平重复建设、低端产品过剩、高端产品稀缺的问题仍旧比较突出。
根据2018年工信部相关领导的介绍：中国目前仍然有32%的关键材料处于空白，52%需要进口。一直以来，说好的“材料先行”的策略都没有得到良好落实。中国材料产业的竞争和安全，不容乐观。
材料产业的迷局
在刚刚结束的两会上，人大代表、格力电器董事长董明珠也提到了“材料问题”。在董明珠看来，材料问题是急需解决的“卡脖子问题”，最大的症结就是投入了没回报。
其实，这并不是中国材料行业的问题。企业投入和未来回报不确定性的矛盾，可能是全世界材料企业都发愁的事情。
1952年，就职于美国康宁玻璃公司的工程师Donald Stookey在对公司的一种玻璃样品进行热处理，本应被设定在600度的炉子，不知为何温度升高到了900度。
▲ Donald Stookey 博士
本以为在这样的高温之下，玻璃会融化成为一滩液体，但Stookey打开炉膛后才发现，这块玻璃样本不仅没有融化，反而变成了一种奶白色的固体物质。令人惊讶的是，这种奶白色的固体物质似乎异常坚硬，即便是从高处坠落到地面也不会破裂。
在此基础上，康宁公司研制出了Pyroceram微晶玻璃，这种玻璃的硬度堪比坦克装甲，但密度却比铝还要低，在高温和极寒之下，性质都始终稳定。一度被美军用在洲际弹道导弹弹头上。
在微晶玻璃研制成功后，康宁公司又成立了一个名为“Projetc Muscle”（肌肉计划）的项目组，并研制出了一种性能非常优秀的Chemcor玻璃。在那个年代，这种高性能玻璃最大的用途就是作为汽车挡风玻璃。
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