今天，我們來(lái)聊一下材料科學(xué)的事情。
我們常說(shuō)“材料科學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科”，但是這個(gè)“基礎(chǔ)”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(xiàn)在的生活是由各種各樣的科學(xué)技術(shù)所支撐起來(lái)的。自來(lái)水、交流電、互聯(lián)網(wǎng)、汽車、高鐵、飛機(jī)......而如果我們?nèi)ゼ?xì)分這些技術(shù)發(fā)明，則會(huì)發(fā)現(xiàn)它們也別有洞天。
層層剖析下來(lái)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些“基礎(chǔ)”的東西——比如基本原理，比如材料。沒(méi)有特種合金制成的電纜，就沒(méi)有超遠(yuǎn)距離的輸電，也就沒(méi)法建立一個(gè)龐大的全國(guó)電網(wǎng)。沒(méi)有特種鋼材，就沒(méi)法制造航空母艦，也就沒(méi)有一支強(qiáng)大的海軍。
所以，如果一個(gè)國(guó)家由于種種原因無(wú)法掌握某種材料，那么這個(gè)國(guó)家也就很難掌握這個(gè)材料衍生出來(lái)的相關(guān)技術(shù)，除非這個(gè)國(guó)家可以找到替代的辦法。 光學(xué)領(lǐng)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[敏感詞]一種可以直接倍頻產(chǎn)生深紫外激光的非線性光學(xué)晶體——簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，只有通過(guò)它，才能將普通的激光轉(zhuǎn)化為176nm深紫外波長(zhǎng)的激光，從而制造出用于科研、生產(chǎn)和[敏感詞]的各種深紫外固體激光器。
▲ 陳創(chuàng)天院士和KBBF晶體 1995年，我國(guó)率先制成了這種晶體。2009年了，我國(guó)開始對(duì)外實(shí)施技術(shù)禁運(yùn)。美國(guó)人直到2016年才打破了我們的封鎖。但那時(shí)，我們?cè)缇陀辛烁冗M(jìn)的第二代晶體了。
沒(méi)有KBBF，就很難再點(diǎn)開剩下的科技樹——這，就是材料的基礎(chǔ)地位。
如今的世界，各種新的技術(shù)與發(fā)明層出不窮，相應(yīng)的材料科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展自然也是飛速。十四五規(guī)劃中，半導(dǎo)體、[敏感詞]、稀土、光伏......這些計(jì)劃重點(diǎn)發(fā)展行業(yè)無(wú)一不要求更先進(jìn)的新材料。
在高科技產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮作用的各種新型材料，成為了各國(guó)追逐的對(duì)象。
可以這么說(shuō)：
如果中國(guó)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(lái)掐喉嚨、卡脖子。 1 材料市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局
目前，全球新材料市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局對(duì)我們來(lái)說(shuō)并不算有利。
在新材料領(lǐng)域，只有兩個(gè)梯隊(duì)。 [敏感詞]梯隊(duì)，成員是美國(guó)、日本，以及德國(guó)、法國(guó)等歐洲國(guó)家。這些國(guó)家的科研基礎(chǔ)極其深厚，甚至在冷戰(zhàn)時(shí)期就已經(jīng)開始進(jìn)行新材料的研究了。
第二梯隊(duì)的成員，則是中國(guó)、俄羅斯和韓國(guó)。目前仍然處于“跟跑+追趕”的狀態(tài)，盡管第二梯隊(duì)在某些領(lǐng)域有非常領(lǐng)先的成果，但整體來(lái)看，不論是先進(jìn)程度還是研究覆蓋面都不如[敏感詞]梯隊(duì)的玩家。
不得不承認(rèn)，在先進(jìn)材料領(lǐng)域，中國(guó)還有很大的差距。材料科學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科，“彎道超車”的戰(zhàn)術(shù)在這種情況下是走不通的。
顯然，美國(guó)、日本、歐盟已經(jīng)掌握的材料技術(shù)的種類要比第二梯隊(duì)的中國(guó)和韓國(guó)更多，覆蓋的領(lǐng)域也更廣闊。
從類型來(lái)看，我們已經(jīng)可以很清楚地認(rèn)定一批將在未來(lái)發(fā)揮重要作用的“新材料”了。由上圖就可以看出，各個(gè)主要經(jīng)濟(jì)體基本上都在先進(jìn)金屬、半導(dǎo)體材料、碳纖維、石墨烯等領(lǐng)域進(jìn)行布局。
未來(lái)的科技，就建立在這些材料的基礎(chǔ)之上。中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)如果可以在這些材料上取得進(jìn)展，那么我們也就獲得了更多點(diǎn)亮這些科技樹的機(jī)會(huì)。
除了種類數(shù)量上的差距，同一個(gè)種類下，我們與世界先進(jìn)水平之間的差距也不容樂(lè)觀。
以鋰電池材料為例，相關(guān)的材料可以分為四類：正極材料、負(fù)極材料、電解液材料和隔膜材料。更先進(jìn)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(shè)備提供更多的電力。這對(duì)于提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力有極其重要的意義。
鋰電池的四種材料，我們都能夠進(jìn)行獨(dú)立自主的研發(fā)和制造，但存在的問(wèn)題是——
國(guó)產(chǎn)材料總是落后一代。類似的問(wèn)題，在碳纖維材料的中外對(duì)比上同樣存在：
相同產(chǎn)量下，國(guó)產(chǎn)材料的性能不如日本東麗的產(chǎn)品，相同性能下，國(guó)產(chǎn)材料的產(chǎn)量又不夠。 目前，這個(gè)行業(yè)仍然是一個(gè)由歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家所掌控的行業(yè)：來(lái)自日本、美國(guó)、德國(guó)的6家企業(yè)，占了全球70%的碳纖維產(chǎn)能；另外有5家日本、美國(guó)企業(yè)占了全球12寸晶圓90%以上的產(chǎn)能；日本還有三家企業(yè)占了全球液晶背光源發(fā)光材料90%以上的產(chǎn)能。
綜合來(lái)看，我國(guó)在國(guó)際材料市場(chǎng)上的地位還不算高——
我們才剛剛解決了“有無(wú)”的問(wèn)題，距離“先進(jìn)”還有一定的距離。 之所以我們會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域如此落后，
我認(rèn)為主要因?yàn)橹袊?guó)材料產(chǎn)業(yè)的歷史實(shí)在是太短了。直到新中國(guó)建立，中國(guó)才算是真正開始研究材料產(chǎn)業(yè)。然而彼時(shí)，歐美已經(jīng)開始琢磨碳纖維和硅片了。
發(fā)展歷程短，就意味著我們沒(méi)有歐美產(chǎn)業(yè)那么多的時(shí)間。在漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程中，歐美企業(yè)可以從容地進(jìn)行研究，可以不斷試錯(cuò)，可以從失敗中吸取教訓(xùn)來(lái)改進(jìn)生產(chǎn)和技術(shù)。
但作為追趕者，中國(guó)沒(méi)有這個(gè)條件——我們必須加快速度，我們沒(méi)工夫試錯(cuò)，我們也沒(méi)時(shí)間去慢條斯理地對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)范。 正因如此，中國(guó)的材料產(chǎn)業(yè)始終在解決“有無(wú)”的問(wèn)題，對(duì)于性能、應(yīng)用、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、管理、計(jì)量等問(wèn)題很少進(jìn)行周密詳細(xì)的安排。相應(yīng)地，國(guó)內(nèi)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也存在類似低水平重復(fù)建設(shè)、低端產(chǎn)品過(guò)剩、高端產(chǎn)品稀缺的問(wèn)題仍舊比較突出。
根據(jù)2018年工信部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的介紹：中國(guó)目前仍然有32%的關(guān)鍵材料處于空白，52%需要進(jìn)口。一直以來(lái)，說(shuō)好的“材料先行”的策略都沒(méi)有得到良好落實(shí)。
中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)和安全，不容樂(lè)觀。 2 材料產(chǎn)業(yè)的迷局
在剛剛結(jié)束的兩會(huì)上，人大代表、格力電器董事長(zhǎng)董明珠也提到了“材料問(wèn)題”。在董明珠看來(lái)，材料問(wèn)題是急需解決的“卡脖子問(wèn)題”，
[敏感詞]的癥結(jié)就是投入了沒(méi)回報(bào)。 其實(shí)，這并不是中國(guó)材料行業(yè)的問(wèn)題。
企業(yè)投入和未來(lái)回報(bào)不確定性的矛盾，可能是全世界材料企業(yè)都發(fā)愁的事情。 1952年，就職于美國(guó)康寧玻璃公司的工程師Donald Stookey在對(duì)公司的一種玻璃樣品進(jìn)行熱處理，本應(yīng)被設(shè)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(huì)融化成為一灘液體，但Stookey打開爐膛后才發(fā)現(xiàn)，這塊玻璃樣本不僅沒(méi)有融化，反而變成了一種奶白色的固體物質(zhì)。令人驚訝的是，這種奶白色的固體物質(zhì)似乎異常堅(jiān)硬，即便是從高處墜落到地面也不會(huì)破裂。
在此基礎(chǔ)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(zhì)都始終穩(wěn)定。
一度被美軍用在洲際彈道導(dǎo)彈彈頭上。 在微晶玻璃研制成功后，康寧公司又成立了一個(gè)名為“Projetc Muscle”（肌肉計(jì)劃）的項(xiàng)目組，并研制出了一種性能非常優(yōu)秀的Chemcor玻璃。在那個(gè)年代，這種高性能玻璃[敏感詞]的用途就是作為汽車擋風(fēng)玻璃。
▲ Pyroceram 陶瓷玻璃 然而，盡管Chemcor玻璃性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，銷量始終半死不活。無(wú)奈之下，在1971年，康寧公司封存了Chemcor玻璃的相關(guān)技術(shù)，解散了項(xiàng)目組。
直到三十四年之后，Chemcor終于迎來(lái)了屬于它的時(shí)代。
2005年，摩托羅拉發(fā)布了V3手機(jī)，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(dāng)年的V3手機(jī) 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(jīng)過(guò)一系列升級(jí)之后，基于Chemcor的“大猩猩”玻璃正式實(shí)現(xiàn)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(guò)十億美元。康寧公司也成為了市場(chǎng)上舉足輕重的屏幕玻璃供應(yīng)商。
這或許就是材料科學(xué)的宿命吧：一個(gè)傾注了無(wú)數(shù)智慧、資金、汗水的技術(shù)，或許在三十年之后才會(huì)被市場(chǎng)認(rèn)可。而當(dāng)年研究這項(xiàng)技術(shù)的工程師，也許已經(jīng)從風(fēng)華正茂的青年，變成了滿頭白發(fā)的老人。
如今，中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)整體上處于高速發(fā)展階段，各行業(yè)的更新速度都很快，這必然會(huì)帶動(dòng)材料行業(yè)的發(fā)展。某種意義上來(lái)說(shuō)，只有高科技材料的需求增長(zhǎng)，高科技材料企業(yè)才有出頭之日。
3 尾聲：中國(guó)材料企業(yè)如何突破
材料科學(xué)的技術(shù)突破的確沒(méi)有“彎道”可以“超車”，但材料企業(yè)在經(jīng)營(yíng)策略上卻可能會(huì)遇到很多“彎道超車”的機(jī)會(huì)。中國(guó)材料企業(yè)目前處于追趕的地位，技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)并不明顯，在高端市場(chǎng)上顯得有些競(jìng)爭(zhēng)無(wú)力。
今天，世界上的三大碳纖維生產(chǎn)商是日本的東麗、帝人、三菱，三家廠商生產(chǎn)的碳纖維占了全球50%的比重。但在碳纖維產(chǎn)業(yè)剛剛起步的時(shí)候，玩家反而是來(lái)自歐美的大型跨國(guó)企業(yè)。
人們很早就認(rèn)識(shí)到了碳纖維優(yōu)良性能在[敏感詞]上的用途，歐美企業(yè)也自然直截了當(dāng)?shù)孛闇?zhǔn)了[敏感詞]市場(chǎng)。但問(wèn)題是，當(dāng)時(shí)的[敏感詞]并不需要用碳纖維這樣優(yōu)秀的材料——鈦合金、鋁合金已經(jīng)足夠了。
因此，歐美廠商在碳纖維領(lǐng)域的推進(jìn)困難重重。
日本碳纖維廠商的切入角度是看上去平平無(wú)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(shù)量并不多，但這些產(chǎn)品的產(chǎn)量常常數(shù)以十萬(wàn)計(jì)，總體的需求量非常可觀。
在市場(chǎng)尚未成熟的時(shí)候，生存可能才是[敏感詞]要?jiǎng)?wù)。日本企業(yè)在消費(fèi)品市場(chǎng)上賺到了維持企業(yè)生存的資本，靜靜地等待時(shí)機(jī)。隨著技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)、市場(chǎng)越來(lái)越成熟，日本企業(yè)開始挺進(jìn)航空航天市場(chǎng)——1990年，東麗的產(chǎn)品成為了波音777型客機(jī)尾翼的一次材料，終于切入了高端領(lǐng)域。
此時(shí)，距離東麗制造碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)去了20年。
大國(guó)重器、軍國(guó)利器，當(dāng)然需要最[敏感詞]的材料。但對(duì)市場(chǎng)上絕大多數(shù)企業(yè)而言，僅僅服務(wù)于“大國(guó)重器”并不能保證企業(yè)的生存。在市場(chǎng)上，注定只有少數(shù)企業(yè)才能成為“大國(guó)重器”的供應(yīng)商。
對(duì)處于追趕地位的中國(guó)企業(yè)來(lái)說(shuō)，技術(shù)和市場(chǎng)都要追趕。
如果短時(shí)間內(nèi)追不上技術(shù)，那么就需要在市場(chǎng)上獲得足夠的進(jìn)步，哪怕只是低端的市場(chǎng)。 因此，中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)的突破點(diǎn)其實(shí)并不在材料產(chǎn)業(yè)本身，而在材料企業(yè)的下游——生產(chǎn)高端產(chǎn)品的下游企業(yè)，給企業(yè)提供高端產(chǎn)品的需求，推動(dòng)技術(shù)發(fā)展；生產(chǎn)低端產(chǎn)品的下游企業(yè)，給企業(yè)帶來(lái)簡(jiǎn)單持續(xù)的利潤(rùn)，帶來(lái)存活下去的資本。
中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)最需要解決的問(wèn)題其實(shí)并不是某個(gè)技術(shù)難題，而是“產(chǎn)學(xué)研”三者之間的松散聯(lián)系。
▲ 專利數(shù) = 研發(fā)量 從技術(shù)研發(fā)上來(lái)看，從2016年開始，中國(guó)新材料的專利就已經(jīng)超越美國(guó)和歐洲了，僅次于日本。但直到現(xiàn)在，中國(guó)材料企業(yè)的市場(chǎng)地位仍然不強(qiáng)——雖然我們手中掌握了大量的專利，
雖然世界[敏感詞]學(xué)術(shù)期刊里的材料學(xué)論文有一多半都是中國(guó)人寫的，但我們很難將實(shí)驗(yàn)室、學(xué)校里的研究結(jié)果轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品。 
▲河南人民狂喜！ 甚至更糟的是——不少科研人員以“論文”為導(dǎo)向，什么熱門就研究什么，成為了無(wú)情的論文生產(chǎn)機(jī)器，但而一線生產(chǎn)中所需要的工藝、技術(shù)突破，由于不屬于熱點(diǎn)課題，往往連校招生都招不到。
下游產(chǎn)業(yè)對(duì)上游產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)作用我們都知道，但很少有產(chǎn)業(yè)像材料行業(yè)這么需要下游的支持。
好在，我們一直在追趕世界最[敏感詞]的技術(shù)，現(xiàn)在也終于意識(shí)到了這些關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)替代的重要性。 
▲我們材料缺口非常嚴(yán)重 有需求，才能有發(fā)展。 
▲ 中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度很快 最近幾年，中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值增速非常喜人——達(dá)到了每年平均21.2%。中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值，占了全球產(chǎn)值的近四分之一，這都是中國(guó)材料產(chǎn)業(yè)逐漸走向正軌的標(biāo)志。
基礎(chǔ)不牢，地動(dòng)山搖，中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)能不能在如今這個(gè)風(fēng)雨交加的時(shí)期挺住，就看中國(guó)的新材料了。 今天，中國(guó)已經(jīng)達(dá)到世界一流水準(zhǔn)的材料主要還是各種鋼鐵和建筑材料——船用鋼、機(jī)械裝備用鋼、工程建筑材料......而這些材料的背后，無(wú)一不是中國(guó)已經(jīng)做大做強(qiáng)的企業(yè)。
作為一個(gè)仍然處于發(fā)展階段的國(guó)家，我們不能總是寄希望于彎道超車。因?yàn)楹芏囝I(lǐng)域是根本不存在彎道的。努力然后等待，才是[敏感詞]的出路。
不要問(wèn)中國(guó)材料什么時(shí)候可以做大做強(qiáng)。
當(dāng)中國(guó)材料企業(yè)的客戶更多來(lái)自于半導(dǎo)體、航空航天、[敏感詞]等高端產(chǎn)業(yè)的時(shí)候，中國(guó)材料的春天就來(lái)了。
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