3、通往超精密抛光工艺之巅，路阻且长
在茫茫宇宙中，一个类金属合金宇宙探测器以超光速掠过，它由被强互作用力锁死的质子与中子构成，因表面绝对光滑而可以反射一切电磁波，并且无坚不摧……这是刘慈欣在科幻小说《三体》中提到的一种名叫“水滴”的宇宙飞行器。
事实上，人类对“绝对光滑”的追求也已经从科学幻想转变为实践，比如推动“集成电路变身革命”的超精密抛光技术。像《三体》中描述的一样，当前最为先进的化学机械抛光(chemical mechanical polishing，CMP)技术也已进入原子尺寸级。而当电子工业强国争相攀登或到达这一工艺巅峰之时，我们却还只能仰望。
现代电子工业，超精密抛光是灵魂
物理抛光是上世纪80年代之前最为常用的抛光技术，但是电子工业的高速发展对材料器件的尺寸、平整度提出越来越严苛的要求。当一块毫米厚度的基片需要被制成几十万层的集成电路时，传统老旧的抛光工艺已经远远不能达到要求。
“以晶片制造为例，抛光是整个工艺的最后一环，目的是改善晶片加工前一道工艺所留下的微小缺陷以获得最佳的平行度。”中科院国家纳米科学中心研究院王奇博士向记者介绍。
今天的光电子信息产业水平，对作为光电子基片材料的蓝宝石、单晶硅等材料的平行度要求越来越精密，已经达到了纳米级。这就意味着，抛光工艺也已随之进入纳米级的超精密程度。
超精密抛光工艺在现代制造业中有多重要，其应用的领域能够直接说明问题：集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天。
王奇说：“超精密抛光技术在现代电子工业中所要完成的使命，不仅仅是平坦化不同的材料，而且要平坦化多层材料，使得几毫米见方的硅片通过这种‘全局平坦化’形成上万至百万晶体管组成的超大规模集成电路。例如人类发明的计算机从几十吨变身为现在的几百克，没有超精密抛光不行，它是技术灵魂。”
核心技术被雪藏，国内需求受制于人
浙江晶盛机电股份有限公司是我国电子制造业追逐“全局平坦化”的开路先锋之一，公司多年从事抛光工艺研发的技术主管孙明告诉记者：“如果把抛光工艺比作做煎饼，卡我们脖子的就是锅，别人的锅不粘锅底，而我们做不到。”
孙明所说的“锅”就是抛光机的核心器件——“磨盘”。超精密抛光对抛光机中磨盘的材料构成和技术要求近乎苛刻，这种由特殊材料合成的钢盘，不仅要满足自动化操作的纳米级精密度，更要具备精确的热膨胀系数。
当抛光机处在高速运转状态时，如果热膨胀作用导致磨盘的热变形，基片的平面度和平行度就无法保证。而这种不能被允许发生的热变形误差不是几毫米或几微米，而是几纳米。
目前，美国日本等国际顶级的抛光工艺已经可以满足60英寸基片原材料的精密抛光要求(属超大尺寸)，他们据此掌控着超精密抛光工艺的核心技术，牢牢把握了全球市场的主动权。而事实上，把握住这项技术，也就在很大程度上掌控了电子制造业的发展。
孙明介绍，日本产抛光机的研磨盘均为定制，不进行批量生产，直接限制了他国仿制;王奇也告诉记者，美国的抛光设备销往中国，价格一般都在1000万元以上，而且销售订单已经排至2019年年底，此前不接受任何订单。
“面对如此严密的技术封锁，我们很急，春秋时期，鲁班为人类发明石磨助力了农耕文明，如今我们的电子工业进步却再次被一种磨盘卡住了脖子。但是再急，目前我们还得等，要么等进口，要么自主研发。”王奇说。
登顶技术巅峰，求人不如求己
其实在超精密抛光领域内，中国并非毫无建树。作为一套技术要求极高的合成工艺，超精密化学机械抛光工艺精必须由设备和材料(抛光液)组成，二者缺一不可。
2011年，王奇博士团队研发的“二氧化铈微球粒度标准物质及其制备技术”获得中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，相关纳米级粒度标准物质获得国家计量器具许可和国家一级标准物质证书。二氧化铈新材料的超精密抛光生产试验效果一举赶超了国外传统材料，填补了该领域空白。
但是王奇说：“这并不意味着我们已经攀登到了这一领域的顶峰，对于整体工艺来说，只有抛光液而没有超精密抛光机，我们最多还只是卖材料的。”
孙明认为，明确现代电子工业生产制造的具体要求，才能找准攻克超精密抛光工艺的方向：“抛光工艺需要满足目前电子工业制造的要求，可以概括为超精密、大尺寸。有了顶级的抛光材料仅仅是基础，以此为基础，我们还需要分两步走，首先解决磨盘问题，其次解决抛光面积扩大问题。”
孙明介绍，美国、日本抛光机磨盘的材料构成和制作工艺一直是个谜。换言之，购买和使用他们的产品，并不代表可以仿制甚至复制他们的产品，这是两回事。
“用什么材料和工艺才能合成这种热膨胀率低、耐磨度高、研磨面超精密的磨盘，是我们首先需要集中力量攻克的技术难题，这个问题一旦解决，60英寸抛光作业面也将不再是梦想。而这样的核心技术，永远不能指望从别人手中获得，除了依靠自己，我们别无选择。”孙明说。
4、拙钝的探测器模糊了医学影像
给奔跑的博尔特拍照，很容易“虚”。给跳动的心脏拍照，CT(电子计算机断层扫描)也有相似的难题。
雪上加霜的是，传统CT的断层“视野”太窄，就好比“门缝里看博尔特”，拍个全身还必须拍好几张拼出一幅图。
由于速度和视野的限制，给跳动的心脏准确成像是CT机诞生后几十年内没能达成的使命。近年来，一些进口高端CT机通过技术创新有所突破，主要是在探测器上下足功夫。“进口的高端CT机为什么贵，一些实力雄厚的医院购买也要掂量掂量，主要贵在探测器上。”一位医学影像设备研发人员介绍，每个探测器单元价值几万元，最高端的320排CT探测器要上千万元。
不掌握核心工艺
“排”是指CT扫描机探测器的阵列数，排数越多，探测器宽度越宽，一次扫描完成的宽度也就越大。如果CT探测器配备了320排探测单元，每排0.5毫米，一次扫描就可覆盖正常成年人的心脏。
在接收X射线的同时，探测单元还必须成矩阵地高速旋转，速度之快就像“武功高手”能让一个弧面围成一个“铁桶”，而每旋转一圈就要从2400—9600个不同角度对心脏的投影成像，感应速度要快，才能使整个心脏的一管一脉在这个“铁桶”里被捕捉。
工艺方面，探测器的拼接工艺要求极高，排数越多生产工艺复杂程度成倍数增加。两个探测单元排列在一起，中间的间隙如何做到最小，多个单元如何排列才能让探测器单位面积上接收到X光的效率最高，这些都是工艺上要考虑的问题。
中科院自动化研究所、中科院分子影像重点实验室副研究员王坤表示：“探测器具体的制造工艺是商业机密，企业是不可能披露的。就好比相机镜头在专利中可以呈现如何设计并描述抛面形状，但不会透露加工方法和镀膜材料。”
中科院分子影像重点实验室团队做过一次调研显示，在传统医学成像(CT、磁共振等)上，我国最早的专利比美国平均晚20年。在专利数量上，美国是我国的10倍。这意味着整个产业已经完全掌握在国外企业的手里了，所有的知识产权，所有的原创成果，所有的科研积累都在国外，中国只占很少的一部分。更现实的情况是，在这一“赛道”中，已领先发展50年的国外龙头企业布下大量的“专利”壁垒，限制了后来者的跟随和超越。
材质是机密
“X光射线穿过生物体后，由探测器捕捉。探测器捕捉灵敏度如何，单位面积上能获得X光的感应力度如何，决定了探测器的好坏。”王坤解释，这取决于探测器使用的感应材质。
业内一篇题为《谁是顶级CT的老大？》的文章中列举了飞利浦、西门子等顶级医学影像设备制造商的CT机。对于探测器选用的材质，各大国际生产企业都讳莫如深，犹如独门机密般以代号性词语描述——GE将其Revolution CT的探测器晶体命名为“宝石”，而西门子则称其为“独有光子晶片”。
相关资料显示，CT成像系统中探测器的首选方案为闪烁探测器，其中的关键部分是可将入射的不可见X光子转换为可见光的闪烁晶体或荧光物质，完成后续成像。中国闪烁晶体从业的科研人员较少，闪烁晶体方面的人才培养单位只有上海硅酸盐所等个别单位，自主开发的新型闪烁晶体较少，晶体生长和性能研究方面的结合较少。
在晶体材料研发和生产的困窘之下，也有企业试图从海外谋求出路。例如，东软医疗于去年对国外某领先的CT探测器核心材料制造商完成战略投资。这样的购买行为是否会买回核心技术还需时日验证。
苦追无益，换条赛道破题
“目前国产医学影像设备的大部分元器件依赖进口”，王坤说，国内企业如果从头研发将根本无法盈利，而且至少要花10年、20年才能达到别人的现有水平。而到那个时候，最先进的医学影像技术又发生了变化，还是竞争不过国外的企业。
如何摆脱跟着别人走的窘境？业内人士认为，与其在过去的传统影像上竞争，不如在新的、更前沿的影像领域直接和国外展开竞争。
可竞跑的新赛道中就有“分子影像”，即通过把造影剂打到人体内标记生物分子，进而看到人体内基因、蛋白等分子变化，可直接在活体上看到体内分子活动。分子影像的概念1999年才在国际上被提出，我国2002年跟进。现在在该领域的论文发表、知识产权积累、国际国内专利数量上我国跟国外差不多。
“分子影像这条道路上，我国目前与国外齐头并进。”王坤认为，科学研究有基础才能支撑起产业的持续发展与竞争力。据了解，中国科学院分子影像重点实验室已研发出可在手术中导航的成像仪，在等待国家食药监总局的认证批准，其元器件全部实现国产化。相关的分子探针也已进入新药审批流程。
除了在新领域上抢占先机，国家也已经启动了相关研发计划，立项提出了明确的目标，推动高端CT仪的生产和制造，以解决高端CT依赖进口的“卡脖子”问题。
5、攻克核心技术需建立“试用生态”
6月21日，中国工程院院士、中国工程院原副院长杜祥琬，中国工程院院士倪光南等多领域专家，出席“亟待攻克的核心技术”科学传播沙龙，共同探讨如何破解我国核心技术受制于人的困境。
在谈到我国网信领域“卡脖子”技术时，倪光南院士指出：“创新产品从起步到成熟，需要在应用中不断发展。”他认为，在一些核心技术领域，自主技术产品已经从“不可用”过渡到了“可用”阶段，如果有用户基础，并形成顺畅的反馈机制，我国网信领域的一些软硬件就会从“可用”向“好用”发展。
“在我国，尖端仪器设备多半靠进口。”杜祥琬表示，有些技术国内也有人做，但要想走向规模化的应用，需要有好的生态，“用起来”是关键。他表示，起步晚的国产仪器设备与成熟的国际产品相比会有这样那样的毛病，这些毛病只有用了才能发现，只有用了才能改进，只有用得够多才能赶上世界最好的、质量最高的仪器。因此获得试用机会是国产设备“入围尖端”所需的生态之一。
作为专注航空发动机技术20余年的专家，国家“千人计划”特聘专家、天骄航空创新研究院常务副院长王光秋指出，在航空发动机技术领域，近年来我国已取得了多项进展，但技术应用仍然是有待解决的关键问题之一。他举例说，在一些航空发动机型号中，喷油嘴制造采用了3D打印技术，虽然目前我国3D打印产业蓬勃发展，企业数量庞大，但还没能将相关技术应用于航空发动机零部件。
如何构建技术使用生态？中国科学技术发展战略研究院预测所所长王革认为，构建生态首先要强调企业主体，以企业为主体才能把核心技术变成产品走向市场;其次要创新体制机制，例如构建以应用为导向的评价体系等。
自主可控是达到技术安全和网络安全的必要条件。倪光南建议一些项目立项时应进行自主可控的评估。评估需要回答三个问题：有没有第二家供货商，是否掌握核心代码，没有供货怎么办。
“我们希望企业所有的产品都应该有备份能力，性能可以没有国外系统优秀，但可以应付市场上可能出现的各种情况。”倪光南表示，项目评估时，相关单位本着客观态度容许企业可以“有而不强”，将是生态建设的一个重要方面。
6、一层隔膜两重天：国产锂电池尚需拨云见日
“也不知道这辆车的电池能坚持多久？”
6月15日上午，望着窗外驶过的又一辆新能源汽车，南开大学新能源材料化学研究所所长、博士生导师周震习惯性地自语道。
从事新能源材料研究20多年，看着日渐增多的新能源汽车，周震欣喜之余，仍存忧虑，“锂电池的基础材料研究，我们与世界一流水平还有差距，尤其高端电池隔膜材料仍然依赖进口”。
在周震等业内专家看来，作为新能源车的“心脏”，国产锂离子电池(以下简称锂电池)目前“跳”得还不够稳。
跨越太平洋的“四国游戏”
去年全球动力电池销量前10的企业中，中国企业就占了7席，在市场份额上超越日本，占据了世界第一位;预计到2020年，我国在全球电池市场所占的份额将达七成以上;目前我国电池生产企业已超过了200家，是全球拥有锂电池生产企业最多的国家……然而这一串的数字，并没有让业内人士觉得骄傲，不少人接受采访时指出，虽然我国已经形成了比较完善的动力电池产业链，电池产业规模够大，但是还远称不上强。
在锂电池领域存在着一个跨越太平洋的“四国游戏”。“从行业角度来看，美国有比较强的研发设计能力，目前仍然引领锂电池原始创新、核心材料研发;日本作为电池材料制造大国，生产规范严格，能够最先制造出新的成品电池;我国和韩国作为第二梯队，后续跟进……”周震解释说，“相较日、韩，我国的低端锂电池产品更有优势，主要是由于人工和原始材料相对便宜，但是在部分高端产品，尤其是事关电池安全性的核心材料和制造工艺，仍有较大的差距。”
据了解，电池四大核心材料中，正、负极材料、电解液都已实现了国产化，唯独隔膜仍是短板。国产隔膜主要供应低端3C类电池市场，高端隔膜目前依然大量依赖进口。核心专利缺乏，隔膜等关键材料不给力，不仅成了国产锂电池难以承受之痛，也拖了国产锂电池企业“走出去”的后腿。
一层薄膜两重天
采访中，有电池材料专家告诉记者，隔膜是锂电池的关键组件之一，隔膜主要材质为多孔质的高分子膜，包括聚乙烯及聚丙烯。锂电池用的隔膜对安全性、渗透性、孔隙度及厚度都有严苛的要求。“在锂电池内部，带有电荷的离子，在正负极间流动穿梭，才能形成电流，而隔膜位于电池内部正负极之间，既要防止正、负极直接接触，又要确保电解质离子顺利通行。”周震形象地解释说，电池电解液犹如河流，锂离子好比河上行驶的小船，隔膜是拦腰而建的大坝，一个个隔膜孔就像是大坝上的闸门，正常情况下，离子自由穿梭到达正负极，完成充放电的循环。
“高端的隔膜一般附带有陶瓷材料，如果电解液温度过高，材料膨胀，孔隙会像闸门一样关闭，切断离子交流，从而避免电池因温度过高而起火爆炸。”周震介绍说，隔膜是锂电材料中技术壁垒最高的一种材料，其技术难点在于造孔的工程技术、基体材料，以及制造设备。“技术要求高，价格自然也就贵，差不多占到了电池总成本一成以上。”
目前，世界上最好的锂电池隔膜材料出自旭化成和东燃化学两家日本公司，而国内锂电池铝塑膜市场九成份额也被昭和电工等日本厂商垄断。天津力神公司的工程师告诉记者，与日本相比，我国的高端隔膜差距明显。国产隔膜产品一致性不高，存在孔隙率不达标，厚度、孔隙分布以及孔径分布不均等问题。
隔膜的品质直接影响电池容量、充放电循环寿命、阻燃止爆安全性能等指标。业内人士感慨：“一层隔膜两重天，迈过去就是晴天！”
国产隔膜急需突破
目前锂电池隔膜制造工艺主要分湿法和干法。记者采访中了解到，我国在干法工艺上已迈入了世界第一方阵，但在湿法隔膜领域，国内企业虽掌握方法，但整体仍难以与外国巨头抗衡，此外，核心生产设备也主要依赖进口。
数据显示，2017年，国内锂电市场规模达到了1130亿元左右，其中动力锂电池规模大约600亿元。而国家工信部印发的《节能与新能源汽车产业发展规划(2011—2020年)》也显示，到2020年我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆/年。有电池行业协会据此估算，我国未来每年需要的高品质车用动力电池隔膜材料需求量将达到数亿平方米。
“锂电池发展要想不受制于人，隔膜等高端材料无法回避！”天津巴莫股份有限公司总经理吴孟涛认为，如此巨大的市场需求，完全依赖外国厂商，不仅不现实，也将是国产动力锂电池最大隐忧。
高端隔膜技术具有相当高的门槛，不仅要投入巨额的资金，还需要有强大的研发和生产团队、纯熟的工艺技术和高水平的生产线。“对于湿法制造工艺来说，树脂材料与添加剂的挤出混合过程以及拉伸过程是两大核心难点。”周震认为，国内隔膜企业要想有更大的作为，必须要在基础材料表面处理工艺、胶粘剂配方工艺、产品冲压拉伸等涉及材料、设备和工艺控制等三大领域“补课”，此外，在隔膜产业链上游，包括国产涂布机等在内核心生产装备也需要迎头赶上，尽快实现国产化更大突破。
“好比登山，离山顶越近成功登顶的希望就越大，而这时需要付出的努力也多！”周震说道。
(责任编辑：安博涛)
