今天，我們來聊一下材料科學(xué)的事情。
我們常說“材料科學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科”，但是這個“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)所支撐起來的。自來水、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，則會發(fā)現(xiàn)它們也別有洞天。
層層剖析下來，我們就會發(fā)現(xiàn)一些“基礎(chǔ)”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(yuǎn)距離的輸電，也就沒法建立一個龐大的全國電網(wǎng)。沒有特種鋼材，就沒法制造航空母艦，也就沒有一支強(qiáng)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(guān)技術(shù)，除非這個國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——簡單來說，只有通過它，才能將普通的激光轉(zhuǎn)化為176nm深紫外波長的激光，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，我國率先制成了這種晶體。2009年了，我國開始對外實施技術(shù)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(jìn)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(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......這些計劃重點發(fā)展行業(yè)無一不要求更先進(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(lǐng)域，只有兩個梯隊。 [敏感詞]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(chǔ)極其深厚，甚至在冷戰(zhàn)時期就已經(jīng)開始進(jìn)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(tài)，盡管第二梯隊在某些領(lǐng)域有非常領(lǐng)先的成果，但整體來看，不論是先進(jìn)程度還是研究覆蓋面都不如[敏感詞]梯隊的玩家。
不得不承認(rèn)，在先進(jìn)材料領(lǐng)域，中國還有很大的差距。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、日本、歐盟已經(jīng)掌握的材料技術(shù)的種類要比第二梯隊的中國和韓國更多，覆蓋的領(lǐng)域也更廣闊。
從類型來看，我們已經(jīng)可以很清楚地認(rèn)定一批將在未來發(fā)揮重要作用的“新材料”了。由上圖就可以看出，各個主要經(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。
未來的科技，就建立在這些材料的基礎(chǔ)之上。中國科技產(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亮這些科技樹的機(jī)會。
除了種類數(shù)量上的差距，同一個種類下，我們與世界先進(jìn)水平之間的差距也不容樂觀。
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。這對于提高產(chǎn)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(jìn)行獨立自主的研發(fā)和制造，但存在的問題是——
國產(chǎn)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(chǎn)量下，國產(chǎn)材料的性能不如日本東麗的產(chǎn)品，相同性能下，國產(chǎn)材料的產(chǎn)量又不夠。 目前，這個行業(yè)仍然是一個由歐美、日本等發(fā)達(dá)國家所掌控的行業(yè)：來自日本、美國、德國的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(jìn)”還有一定的距離。 之所以我們會在這個領(lǐng)域如此落后，
我認(rèn)為主要因為中國材料產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)。然而彼時，歐美已經(jīng)開始琢磨碳纖維和硅片了。
發(fā)展歷程短，就意味著我們沒有歐美產(chǎn)業(yè)那么多的時間。在漫長的發(fā)展過程中，歐美企業(yè)可以從容地進(jìn)行研究，可以不斷試錯，可以從失敗中吸取教訓(xùn)來改進(jìn)生產(chǎn)和技術(shù)。
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(chǎn)業(yè)進(jìn)行規(guī)范。 正因如此，中國的材料產(chǎn)業(yè)始終在解決“有無”的問題，對于性能、應(yīng)用、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、管理、計量等問題很少進(jìn)行周密詳細(xì)的安排。相應(yīng)地，國內(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)品過剩、高端產(chǎn)品稀缺的問題仍舊比較突出。
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，說好的“材料先行”的策略都沒有得到良好落實。
中國材料產(chǎn)業(yè)的競爭和安全，不容樂觀。 2 材料產(chǎn)業(yè)的迷局
在剛剛結(jié)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”，
[敏感詞]的癥結(jié)就是投入了沒回報。 其實，這并不是中國材料行業(yè)的問題。
企業(yè)投入和未來回報不確定性的矛盾，可能是全世界材料企業(yè)都發(fā)愁的事情。 1952年，就職于美國康寧玻璃公司的工程師Donald Stookey在對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)似乎異常堅硬，即便是從高處墜落到地面也不會破裂。
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名為“Projetc Muscle”（肌肉計劃）的項目組，并研制出了一種性能非常優(yōu)秀的Chemcor玻璃。在那個年代，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(guān)技術(shù)，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(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)過一系列升級之后，基于Chemcor的“大猩猩”玻璃正式實現(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(yīng)商。
這或許就是材料科學(xué)的宿命吧：一個傾注了無數(shù)智慧、資金、汗水的技術(shù)，或許在三十年之后才會被市場認(rèn)可。而當(dāng)年研究這項技術(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，這必然會帶動材料行業(yè)的發(fā)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(yè)才有出頭之日。
3 尾聲：中國材料企業(yè)如何突破
材料科學(xué)的技術(shù)突破的確沒有“彎道”可以“超車”，但材料企業(yè)在經(jīng)營策略上卻可能會遇到很多“彎道超車”的機(jī)會。中國材料企業(yè)目前處于追趕的地位，技術(shù)上的優(yōu)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(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)剛剛起步的時候，玩家反而是來自歐美的大型跨國企業(yè)。
人們很早就認(rèn)識到了碳纖維優(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。但問題是，當(dāng)時的[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[敏感詞]要務(wù)。日本企業(yè)在消費品市場上賺到了維持企業(yè)生存的資本，靜靜地等待時機(jī)。隨著技術(shù)越來越先進(jìn)、市場越來越成熟，日本企業(yè)開始挺進(jìn)航空航天市場——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，距離東麗制造碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)過去了20年。
大國重器、軍國利器，當(dāng)然需要最[敏感詞]的材料。但對市場上絕大多數(shù)企業(yè)而言，僅僅服務(wù)于“大國重器”并不能保證企業(yè)的生存。在市場上，注定只有少數(shù)企業(yè)才能成為“大國重器”的供應(yīng)商。
對處于追趕地位的中國企業(yè)來說，技術(shù)和市場都要追趕。
如果短時間內(nèi)追不上技術(shù)，那么就需要在市場上獲得足夠的進(jìn)步，哪怕只是低端的市場。 因此，中國材料產(chǎn)業(yè)的突破點其實并不在材料產(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)帶來簡單持續(xù)的利潤，帶來存活下去的資本。
中國材料產(chǎn)業(yè)最需要解決的問題其實并不是某個技術(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)上來看，從2016年開始，中國新材料的專利就已經(jīng)超越美國和歐洲了，僅次于日本。但直到現(xiàn)在，中國材料企業(yè)的市場地位仍然不強(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人寫的，但我們很難將實驗室、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，由于不屬于熱點課題，往往連校招生都招不到。
下游產(chǎn)業(yè)對上游產(chǎn)業(yè)的拉動作用我們都知道，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)在也終于意識到了這些關(guān)鍵技術(shù)國產(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。 
▲ 中國材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度很快 最近幾年，中國新材料產(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，這都是中國材料產(chǎn)業(yè)逐漸走向正軌的標(biāo)志。
基礎(chǔ)不牢，地動山搖，中國科技產(chǎn)業(yè)能不能在如今這個風(fēng)雨交加的時期挺住，就看中國的新材料了。 今天，中國已經(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，無一不是中國已經(jīng)做大做強(qiáng)的企業(yè)。
作為一個仍然處于發(fā)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(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。
不要問中國材料什么時候可以做大做強(qiáng)。
當(dāng)中國材料企業(yè)的客戶更多來自于半導(dǎo)體、航空航天、[敏感詞]等高端產(chǎn)業(yè)的時候，中國材料的春天就來了。
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