中国亟待攻克的“卡脖子”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?

  目录

1. 去不掉的火箭发动机“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,国产工业机器人有点“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,我们够不着高端电容电阻

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:仰给于人的手机尴尬

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“国产触觉”

25. 居者无其屋,国产航空发动机的短舱之困

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陈建华落下心病。

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,他跟老朋友,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,陈建华仍没有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。苏杰向记者介绍,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,不锈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。”

北京科技大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,就容易发生腐蚀,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,可能带来很大影响。

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。要是管道生锈,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,放在仓库多年依旧光亮。

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六七十年代用的材料,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,国外不公开材料成分、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会严格控制杂质含量,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到海南,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,并对各元素的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,一方面采用表面涂层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,并对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,对于我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。又如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、环氧树脂韧性不足,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,经过十多年的研发和突破,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,能将碳纤维粘接在一起。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,但日本东丽掌握这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为严重。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,还广泛应用于机械、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。而航空结构件的使用环境极为严苛,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、弹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绝大多数企业还不具备相关技术。

  缺智能自动化设备

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,这也是高性能复合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,增韧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。”贺燕丽说。

  应用牵引不足进步慢

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,没有反馈修正,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纤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,不断纠错、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自美国亨斯曼公司。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、繁复的论证过程,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。

(责任编辑:安博涛)

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