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中国工程院院士干勇:制造业强国新材料产业发展战略
来源:起点锂电大数据 发布时间:2019-04-17

4月17日下午,在江西上饶举行的江西星盈科技投产仪式暨2019中国新能源企业家高峰论坛上,中国工程院院士、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任、国家制造强国建设战略咨询委员会委员干勇先生,给与会嘉宾带来《制造业强国新材料产业发展战略》的主题演讲。

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以下为现场速记实录:

第一次到上饶这座美丽的城市,参加星盈科技集团的投产仪式和高峰论坛。新材料我在2010年马凯同志抓工业的时候发现,很多大的重要工程,比如高端装备、航空发动机等等受制于材料,所以他自己花了四整天考察新材料的城市,包括江苏、浙江、北京等,成立了国务院新材料发展领导小组。

2013年6月,新材料界的泰斗石老先生提出国家要建立新材料的重大专项来支撑制造强国的发展。有16个重大专项,没有新材料,他这个建议得到国务院的好评。2013年6月由工程院和科学院两院牵头编制新材料重大专项的实施方案,当时由我担任方案编制组的组长,由中科院12位副院长担任副组长,集结了20来名专家和院士。

今天搞新能源汽车,搞能源材料、能源装备、能源产业,能源为什么有这么大的问题?因为工业化耗能太大,他认为下一步还有很多的要工业化,气候受不了,环境会出问题。所以提倡坚持多元合理、绿色清洁、安全高效、可持续的发展方向。还有包括环境技术、电子信息技术、生物技术、材料技术、资源开发、医学、空间技术。制造强国去年发布了指数,这是中国在工程院制造强国过程中的一个很重要的创新,可以把制造强国整个发展定量化,而且这个得到了国际认可。

首先看一下指标体系,规模发展包括制造业的增加值,包括占全国出口的比重。第二个质量效益,第三个结构优化,第四个持续发展。第一步是2025年基本迈入制造业强国,进入德国和日本的方阵,德国和日本现在看来还在第二方阵,而且还是很强的,到2035年希望从第二方阵出来。看一下2012-2017年制造强国建设的综合指数,第一个是美国,2012年日本排第二,到2013年到2017年德国上来了排名第二,美国的指数算到170.99,德国到124.96,到2017年日本在111.84,中国排在第四108.94,而且很接近日本。

排第一的指数规模效益,后面是韩国、法国、印度、巴西,我们要进入第二方阵。进出口总量很大,制造业增加值在2011年超过美国,但是第二个指数质量效益指数,我们仅仅排在印度的前面,还落后于巴西。结构优化还不错,像上饶产业结构是很好的,没有太多的重化工,主要以高端产业为主,比如光伏电池、光学技术和新能源汽车。看看持续发展指数倒数第三,持续发展主要指的工业化和信息化融合程度和智能化水平,低于法国、英国、韩国,但是综合起来我们排在第四。

中国制造2025年的9大任务,10个重点领域,这可以分成四个方面。你看高端装备占了7个领域,新材料是国民经济的技术,高端装备是核心,高端装备包括高档数控机床和机器人、航空航天装备等等。

首先讲一下新型信息技术的材料,日本在硅晶圆、合成半导体晶圆等等14种重要材料方面均占有60%以上的份额,在全球范围内长期保持着绝对优势。这是新技术落后于国际上,网络与通信、先进计算、虚拟现实与数字媒体、信息安全、微电子与光电子,微电子落后比较多,我们网络与通信不错,信息安全勉勉强强。我们的需求300mm硅片每月缺口近80万片,每万片投资需10亿美元,这个不光是钱的问题,还有技术问题。所以核心芯片大量依赖进口,2017年服务器销售225万台,非常多,但是硬件98%以上都来自国外供应商。

另外核心芯片技术方面,国产化率低。国内半导体工艺有一个很大的问题,CPU公用的一个是仅飞腾采用的ARM指令集,如果封锁我们这个产业将会非常艰难。还有内存颗粒目前主要掌握在韩国和美国手里。我们进行调查发现,碳化硅半绝缘衬底、导电衬底及外延片,应用于衬底及外延,自给率0%主要从美国进口。光刻机用紫外线氟化钙晶体、高纯石英玻璃及制品、探测用人工晶体等等这些都可以看出这个问题。

我们的光电子对国外依赖度比较高,10Gb/S以上速率光电子期间国产化率基本上为0,现在20Gb/S刚刚出来。举个例子,中型通讯卡脖子产品,包括高速激光器芯片等等这个很麻烦。电子信息功能材料,包括电子材料,主要从美国、荷兰、日本进口。包括纳米钛酸钡、高热导LED等等,实际上我们可以在这些材料上大有作为。

高端新兴产业中国空白很多,所以我们要选择去突破,包括紫外深紫外晶体。包括高弹高导铜合金材料,包括超高纯稀有/稀贵材料,我们还要做很大量的工作。另外电子信息用化工材料,光刻胶、CMP抛光材料、超净高纯盐酸、硝酸等等。电子信息用稀土功能材料里面包括光学材料、磁性材料、稀土光功能材料,我们这里是光学之乡,光学技术很好,但是你的稀土光功能材料信息技术方面,包括这里面还要注意对发光材料器件现在主要依赖于进口。高品质显示技术用发光材料,包括高品质照明技术用发光材料,特种光源用发光材料。新一代高性能闪烁晶体,这里头的闪烁晶体是我们下面的重点。稀土功能晶体,所有的材料大部分掺杂稀土的。

接着讲到新型材料,这是下一步要争取的产业发展方向。新能源的发展跟人类是两个方向,第一个从化工能源消耗型向绿色能源再生型转变,第二碳氢燃料的利用方式从高碳燃料向低碳燃料转变。看看能源科技发展的规律,现在全世界有三十几个跨国集团成立了氢能源,他们预测到2050年只需要氢的设备,比尔盖茨讲的能源是核能,核能很干净,但是他说把核能技术建在你的后花园,你愿意吗?

比尔盖茨提的核能燃料上没有提纯,他认为2025年解决很难。所以2050年全球氢能将上来,要进入氢能的时代,因为整个地球的温度上升很厉害。减排60亿吨的二氧化碳的减排比较达到,有2.5万亿的美金产值,可以解决3000万人的就业。三条曲线深色的就是固体燃料,到2050年以后煤没有用,因为二氧化碳排放量太大。绿色是液体燃料,就是现在的汽油、柴油等等,现在汽车燃油车占的比例巨大,所以他现在是高峰,以后液体燃料也要慢慢降低。浅色加上后面粉红色上升的是气体,包括天然气,包括氢气等等。

为什么氢能现在作为灵活的载体,有四个特点,一个是零排放的二次能源,第二电网、天然气和热力网络可以连接。第三个储能,可以把氢作为永久储能。还有氢能交通。所以20世纪的“氧时代”进入21世纪的“氢时代”,20世纪氧气非常便宜,到了21世纪,氢将会和氧一样作为主要的能源。

在12年前国家立项,是由氢来还原,生成物不是二氧化碳,是水蒸气,这个不说了。氢成本很快,提出来反应速度很快,但是要怎么解决,一个是发电,我们有10千瓦的炉子,可以产生一边是氧气,一边是氢气,可以无限循环,这是产氢的过程。二一个核能产氢,我们现在氢燃料电池和锂动力电池的区别在哪里,是不是氢燃料电池要替代锂,不是,而且短期是不可能的。从近10年-15年来看,颜色比较深的地方重型的卡车、大型的公交车,包括一些物流车,因为他是动力大,续航里程长,但是问题是其他电池这么好的,锂离子动力电池是不是不行了。

较快的氢基础设施推广模式—液氢加氢站。全省有氢能的计划,包括山东、云南、山西等等开始,大功率电堆技术在中国突破。国家重点专项已经启动很久,包括双极板已经规模化。主要用在港口,可以用工业低成本在上面运用,大大降低污染,京津冀的雾霾会减轻。高速公路掌握在一家服务企业手里,国有企业对120高速公路上的服务站,每一个服务站管一个加油站是完全可能,而且他们来得快,并不是多方面的牺牲。

山东也搞了500个亿,这是前年12月份带着工业团代表团去考察,所以中国市场拖动巨大。氢能源技术前景广阔,最有可能筛选进入氢能时代。现在充电桩的布局都没有完成,而且差得很远。氢能源拥有巨大的产业链和经济模式,这是李克强和法国总统见证两个国家氢能材料电池合作的合同。

新材料产业发展战略,新一代信息技术、新能源等等起来以后,要提到一定的程度,所以两个方面,一个是抢占未来发展制高点。一代材料一代技术,微/光电子材料与器件提升现代信息技术,纳米材料提升生物技术与医疗技术。刷而且高端材料的技术并不是日趋呈现,跨国集团垄断高端材料的情况在加剧。固体物理的重大突破催生了系列拓材材料,包括石墨烯材料也在。我们论文和专利在材料界也是全世界排第一,先进半导体材料、新型电池材料等等。

我们需求很厉害,2030年大尺寸硅需求量达40亿平方英寸,第三代半导体等先进半导体抛光片的需求量达7.5亿片/库,其中照明和工业节能,年需第三代半导体材料外延芯片约6亿平方米。航空发展以后需要数千家的航空发电机,包括耐热合金数千万的。还有高端轴承,100米以上的动车组基本上100%用国外的。还有一些不细说了。

 一个是战略性材料占领制高点,高材料和信息技术材料。第二个转方式、调结构、保安全,包括核电用钢、耐蚀合金等等这些。这些零部件如果都是进口高附加值的零部件,由于材料解决不了,所以这些像平板显示、智能传感器等等,传感器是下一步自动化很重要的元器件,有3.5万的传感器,中国目前大概只有30%,其他全是进口的。所有的材料下面9类,下面4类,包括先进有色金属、高性能陶瓷与玻璃、新型高分子材料、绿色能源等等。

第一个高端特种合金这个不说了,能源装备、海工装备等等用得各种合金,中国是一个短板。研发和建设先进超超临界火电机组是优化我国能源结构、实现减排目标的重要举措。这个超超临界的特种合金非常重要,这是700度的耐热合金。这是1400年以下的深海勘察,高端空白,低端不合用等。我们中低端轴承上占比比较高,但是水平不高,还有高端齿轮、高端模具。

高温合金发动机作为关键材料,英国做了70多年非常稳定,同样一个合金我们也做了63年,现在看来还没有完全掌握。马凯同志说发动机出不来,大飞机发动机出不来,都不能叫做制造业强国,所以推迟到2025年实现。燃气发电机也是这个问题,包括涡轮盘兰,应该说在这方面中国在涡轮盘技术上的突破。高温合金非常重要纳入国家重大专项。

碳材料是国内目前的一个重点,石墨材料、石墨烯、碳纤维都是碳材料。我们的石墨存量是全世界75%,石墨产业发展的现状。核反应堆用石墨材料,这个已经在英国进行实验,最近穿来好消息完全达到要求要求。在60个院士投票过程当中,前沿材料排第一,所以石墨烯的这个材料两种,一种是解体石墨烯和石墨烯分体。

产业化的进程要进一步加快,在石墨烯上面的运作,包括导热、导电。碳纤维这是一个非常重要的战略材料,美国787飞机有52%用碳纤维解决。逐步碳纤维的产业一直很困难,生产管理、工业装备还有待于提升,这个作为主要方向纳入国家新材料重大项目里面。包括稀土新材料是我们国家的战略资源,资源很好,应用也非常好。稀土在军事上的应用极为广泛,没有稀土,就无法制造各种高科技武装装备。高静音潜艇用稀土永磁电系统,包括新能源汽车、机器人、数控机床,特别要注意一下永磁电机下一步的发展趋势。这是新能源汽车分布式驱动电动汽车的性能优势,因为这也是一个方向。分布式驱动电动汽车是电动汽车技术的制高点,,技术一步成型,高效性能。这两个联合起来可以提高电机的效率到96%以上。

中国下一个创新点是磁,大家看永磁调速、永磁发电机等等,每一个领域里面行业的产值都巨大,都是上千亿、万亿的产业。因为调速概念在变化,第二永磁同步电机起来了,现在大部分用在成绩列车。永磁的制动系统非常漂亮,如果加上永磁材料,电梯掉下来到地面上也是非常稳定的。加上材料,这个齿轮也没有磨损,包括核磁共振,所以磁很可能是一个很大的产业。

微电子光电子材料,这个不说了,咱们在这方面差距比较大的。现在5G的芯片要感谢华为。三大用途,一个光电应用,一个电力电子,还有射频应用,最近成立半导体研究院,所以这是重要材料,我们在半导体和器械上不能落后,如果再落后就跟不上就出局了。我们两个亮点,一个是华为的芯片做得不错,一个是主轴的中长ITBD在高铁上申请技术。超导材料,这一直是国际竞争力的重点,特别在低温超导和低温孔道上,我们有超强时长,这个领导算不错。

我们看到今天星盈集团的装备,和中南大学教授认为他很可能首先突破,第三代在电池方面,我们和我们中南大学都在进行看谁先天破。硅碳复合材料为主要方向,重点解决材料体积膨胀和表面结构问题,开发纳米原位生长和表面包覆新技术和新装备。星盈集团的郭总,希望早点看到这个技术。

新能源优先行动计划国家已经制定。钛合金是一个非常好的合金,全世界用不上去,中国就在5万吨到和7万吨徘徊,整个行业现在这个很薄。最后一个就是铝合金,要求成立矾肽研究院,应用20多万吨在汽车上。在汽车上现在用到5公斤,我们希望可以用到50公斤。镁合金粉末在烟火中易燃烧,美国以前不准这个,现在美国波音很感兴趣,如果有镁合金代替铝合金做,可以大大降低重量。镁合金的弹性模量与人骨相当,且易降解,于人体无害。

新材料太多了,先讲到这儿,有的不能展开讲,谢谢大家!

责编:刘苗苗




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