中国部分精密仪器与装备发展现状及展望

作者:查重猫     发表时间:2021-03-17 02:24:02   浏览次数:30



  摘要简要介绍了精密仪器与装备的作用和中国部分领域的发展现状,分析了紧密相关的几项关键技术发展概况,剖析了与国外发达国家的差距以及未来发展空间,结合国家“十三五”时期的发展规划,对精密仪器与装备未来的发展进行展望。

  关键词精密仪器;高端装备;智能制造

  精密仪器与装备广泛应用于科研、国防、工业制造及人民生活等领域,其研发与制造能力是国家高新技术发展水平的重要标志。先进制造技术,特别是未来的智能制造技术必须有大量精密测量仪器与装备作为支撑。大量具有世界先进水平的精密仪器与装备,尤其是国产仪器与装备,是实现制造大国向制造强国转变的必需基础,是实现《中国制造2025》战略的必要保障。但目前国内精密仪器与装备产业发展与国外还存在着巨大差距,是中国产业结构转型升级需要重点解决的问题之一。

  1精密仪器与装备的作用

  中国科学院、中国工程院院士王大珩曾精辟地总结仪器仪表的作用:“科学研究的先行官、工业生产的倍增器、军事上的战斗力、生活上的物化法官”。

  在科学研究最高荣誉诺贝尔奖中,近1/3的物理/化学奖与仪器紧密相关,在物理领域因仪器直接获奖者达21人。现代科学研究中,仪器不仅是人类认识自然的工具,其自身也是科学研究的重要内容。没有激光干涉引力波天文台(LIGO)就不可能成功探测引力波[1],没有大型强子对撞机(LHC)也无法实际观测到Higgs粒子[2]。

  在工业生产中,精密仪器与装备对国民经济有巨大的“倍增器”和拉动作用。据美国国家标准技术研究院统计,为了质量认证和控制、自动化及流程分析,每天要完成2.5亿次检测、占国民生产总值的3.5%。要完成这些检测,需要大量种类繁多的分析和检测仪器。20世纪90年代初,美国商业部国家标准局曾发表评估报告,专门评估仪器仪表工业对美国国民经济总产值的影响作用,其报告称:仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4%,但它对国民经济的影响达到66%。工业生产中应用的精密装备更是数不胜数,机床、光刻机、工业机器人等早已实现各种以往被认为不可能完成的任务,将人从繁重的体力劳动中解放出来。

  在军事应用中,精密仪器与装备的应用极大地提高了侦察、打击效率。现代侦察卫星活跃于太空之中,时刻监视着全球的军事动向。精确制导技术大幅提高了战术打击成功率。美国空军的一项研究发现[3],激光制导炸弹对“硬”目标的有效性是传统炸弹的100~200倍,对“软”和区域目标的有效性是传统炸弹的20~40倍。在攻击敌人坦克的战斗中,使用激光制导炸弹的次数约为总攻击次数的10%,但其战果却囊括了被摧毁坦克总数的22%。越战期间,为炸毁越南清化颔龙(又称龙之颚)大桥,美军出动采用常规炸弹的飞机873架次,最终损失11架飞机、104名飞行员,仍未能炸毁大桥,越军总能在最短的时间内成功恢复。采用激光制导智能炸弹后,仅出动4架飞机,第一次攻击就成功摧毁目标,直到战后,仍未能成功恢复。

  在现代生活中,刑事案件侦破、产品质量检查、环境污染监测、违禁药物服用、指纹假钞识别等,到处依靠先进仪器进行判断。1988—2002年间,甘肃省白银市有9名女性惨遭入室杀害,尽管在案发现场曾收集到犯罪分子的指纹和DNA,但当时囿于落后的技术,案件迟迟没有取得实质性进展。2016年,白银市警方开始建立Y-STR数据库,犯罪嫌疑人一位堂叔的DNA,因行贿被录入数据库中,警方通过基因对比,在海量的数据信息中找到了关键信息,通过指纹和DNA信息比对确定了嫌疑人身份。历经28年,曾引起巨大社会恐慌的白银连环杀人案终于告破。此外美国通过Y-DNA检验技术破获50年前凶案、四川遂宁警方通过Y染色体家系排查锁定逃亡11年疑犯、广东汕尾警方通过DNA比对查出潜逃7年命案嫌犯、湖北警方通过Y染色体STR分型比对一月内抓获凶手等事例均运用了先进的基因测序技术。

  无论是科学技术发展、国家重大需求,还是国民经济建设、人类的日常生活,精密仪器与装备均发挥着不可替代的作用。

  2各国竞相发展精密仪器与装备

  鉴于精密仪器与装备的不可替代作用,各国均把精密仪器与装备作为重要战略行业进行支持和发展。

  美国作为当今世界唯一的超级大国,虽然其经济地位先后受到日本、中国的激烈竞争,但多年以来,始终保持着在高技术领域的领先优势。即便如此,美国政府与科技界仍普遍存在危机感,通过制定各种战略规划,为高新技术发展保驾护航。2005年美国国家科学基金会(NSF)《NSF2020愿景》[4]启用的第一个策略,即:开发可用于生物技术、成像、纳米技术和通信等领域的新仪器,创造新奇研究机会和助燃技术创新。美国把科学仪器设备发展的总目标确定为保持美国在世界科学仪器领域的领先地位。NSF设立了主要科学仪器设备计划(MRI)、大型仪器设备计划(IMR-MIP)、地球科学仪器和设备(EAR-IF)等计划,支持先进科学仪器的研制工作[5]。此外美国卫生部(NIH)、能源部(DOE)、国防部(DOD)、海洋大气管理局(NOAA)、航空航天局(NASA)等部门亦有多种仪器计划。

  日本文部科学省从1995年开始制定科学基本计划,每5年1期,2016年发布的第5期[6],计划以制造业为核心,灵活利用信息通信技术,基于因特网或物联网,打造世界领先的“超智能社会(5.0社会)”。计划大力推进学术研究和基础研究及相关改革,强化战略性基础研究、打造世界顶尖研究基地,战略性地加强设施设备和信息基础。日本的先进科学仪器计划[7]主要分为3类,包括纳米材料研究仪器平台计划、先进测量和分析技术与仪器研发计划及高端基础研究科学仪器共享平台建设计划。

  作为第一次工业革命的发源地,欧洲各国在现代科技中也发挥着巨大作用。德国联邦教育研究部(BMBF)通过资助德国高校使用大型仪器来进行高水准的基础研究。德意志科学基金会(DFG)设立了“重大研究仪器计划”和“重大仪器创新计划”对科学仪器研究提供资助。英国科学技术办公室(OST)将“研究、人才、研究设施、知识转移”作为四大资助目标,建立了科学基础设施和科学仪器投资机制并确立了投资比例。英国研究理事会近年来也启动了一系列仪器计划。特别是工程与自然科学研究理事会(EPSRC)还成立了一个仪器设备战略咨询团队,针对重要的仪器设备形成了一系列仪器设备路线图,如核磁共振光谱仪路线图、光电子能谱仪路线图等。

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  新中国成立以来也十分重视精密仪器研制工作。1950年决定在中国科学院设立仪器馆,并于1952年在长春正式组建了仪器馆,即为现中国科学院长春光学精密机械与物理研究所前身。1956年,王大珩牵头将仪器仪表作为重要工作之一,列入中国第一个十二年科技远景规划中。2006年,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》明确将科学仪器创制列为优先发展的战略领域。2009年,国家自然科学基金委员会和中国科学院联合设立大科学装置联合基金。2011年,财政部设立国家重大科学仪器设备开发专项资金,以提高中国科学仪器设备的自主创新能力和装备水平。

  3中国精密仪器与装备发展现状

  精密仪器与装备涵盖面极广,以下通过几个具有较大影响力的具体市场案例对中国精密仪器与装备领域当前的发展情况略作分析。

  大型科研仪器方面,经过持续6年的调查、整理,由科技部计划司、财政部教科文司和国家科技基础条件平台中心联合编制的《国家重点科技基础条件资源调查年度报告》于2013年10月首次公开发布。统计结果表明,经过60多年的发展,中国大型科研仪器仍未完全摆脱建国初期就存在的主要依靠国外进口的尴尬局面。截至2012年底,通过购置方式获取的大型科学仪器占比达到95.9%,自研仅占2.4%。在购置的设备中,进口比例高达78.5%,国产部分占22.5%,其中还包含大量的外商独资、合资企业。在各研究领域,2012年中国新购置的大型科学仪器按产地来源分,各国占比情况如图1所示。在生物医药、现代农业、环保资源等新兴领域,进口比率甚至近90%。

  在半导体制造领域,2016年中国集成电路进口2270.7亿美元[8],连续4年超2000亿美元,与原油并列成为最大进口产品。作为半导体制造的核心装备,目前广泛应用的深紫外光刻机被阿斯麦(ASML)、佳能(Canon)、尼康(Nikon)等公司垄断,而在最先进的极紫外(extremeultravioletlithography,EUV)光刻机方面目前只有ASML公司能够提供商用产品。据其2017年第一季度财务报告[9]显示,EUV系统已累计出货18套,总价超过20亿欧元,累计未交货订单达到21套,总价值超过23亿欧元,单台均价超过1亿欧元。国产光刻机90nm光刻镜头2016年才研制成功,EUV尚停留在原理验证阶段。在半导体制造工艺方面,英特尔公司(In⁃tel)、三星集团、台湾积体电路制造等公司已经大规模应用14nm工艺,部分10nm工艺开始量产,正逐步研发7nm工艺。中芯国际集成电路制造有限公司作为国内半导体制造龙头企业,其制造工艺仅能达到28nm[10],与国外有2~3代的差距。

  在工业母机——机床方面,根据Gardner报告[11],2015年中国机床消费总额达275亿美元,占世界总量35%。中国机床生产量已达到221亿美元,其中绝大部分用于满足国内需求。而德、日、意等国家生产的机床60%以上用于出口。中国机床行业经过几代人的拼搏,从1949年只能生产简易皮带机床到如今成为世界第一大机床生产国,进步明显,但与国外相比仍有巨大差距,中国仍然是世界最大的机床进口国,仅2015年,贸易逆差就达到54亿美元。高档机床基本依靠进口,自产中、高档机床中80%的数据系统也要依赖进口,一套复杂数控系统软件包的费用甚至接近母机费用。

  工业自动化方面,机器人已开始大规模应用于各个行业。曾生产出中国第一辆汽车的中国第一汽车集团公司已经开始在生产线上大量应用各种机器人,包括点焊、弧焊、涂胶、喷漆等。然而所采用的机器人绝大部分为进口设备,仅有的少部分国产机器人也即将面临淘汰[12]。虽然中国机器人产业已经取得了长足进步,但与工业发达国家相比,还存在较大差距[13]。主要表现在:机器人产业链关键环节缺失,零部件中高精度减速器、伺服电机和控制器等依赖进口;核心技术创新能力薄弱,高端产品质量可靠性低;机器人推广应用难,市场占有率亟待提高;企业“小、散、弱”问题突出,产业竞争力缺乏;机器人标准、检测认证等体系亟待健全。

  中国是一个农业大国,但在农业仪器方面,自主化水平远远无法与中国农业大国的地位相匹配。2015年6月3日,农业部重点实验室建设项目仪器设备统一招标采购——农田观测和实验室分析仪器部分中标结果公布[14],其中涉及质谱、色谱、光谱、聚合酶链式反应(PCR)等279套分析仪器设备,金额共计1.2亿元。国产仅北京海光仪器有限公司中标一台原子荧光光谱仪,价值18万元。6月12日另外一批中标结果公布[15],金额共计8385万元,152台/套仪器中,只有6台来自国产,包括3套全球定位系统(GPS)和3套果蔬加工设备。精密检测与计量方面完全被进口设备所垄断。

  基因测序方面,近几年基因测序市场规模飞速发展,根据BCCResearch数据[16],从2007年的7.94亿美元增长至2015年的59亿美元,全球基因测序市场年均增长28.5%,预计未来几年全球市场仍将继续保持快速增长,2020年将达到138亿美元,年复合增长率在18.5%左右。在基因测序市场中,测序仪器设备及耗材位于行业上游,市场为Illumi⁃na公司垄断,其毛利率一度高达71.3%(2016年第一季度)[17]。中国在测序仪器的研发方面还处于初级阶段,仅有低通量的产品,且核心部件也大部分进口,在高通量测序仪器方面处于空白。

  从以上几个不同的行业、领域发展现状可见,虽然中国的精密仪器与装备整体规模已经有了极大提高,成为名符其实的世界工厂,但中国相关产业实际上存在极大的核心技术危机,低端产能过剩、高端依赖进口,核心技术亟需突破,“制造业空心化”风险不断加大。这一危机不解决,将极大影响中国制造业发展进步,由“中国制造”向“中国创造”的转变也将仅仅是一个口号,难以真正实现。这一问题必须引起有关部门,包括国家政府、科研部门、产业部门等的重视,并下大决心、大气力予以解决。

  4核心关键技术国内外对比

  精密仪器与装备涉及众多学科且相互交叉,系统整体差距往往源于核心技术的落后。以下主要从材料科学、光学技术、精密机械、电子技术、通信与控制等方面进行简要分析和探讨。

  4.1材料科学

  在精密仪器与装备中,材料的性能具有决定性的影响。既包括发光材料、光学传输材料、光电转换材料等功能性材料,也包含用于构建仪器本体的结构材料。

  反射镜是各种大型天文望远镜的关键技术,随着口径的提高,温度变化对反射镜面型的影响越明显。目前大口径地基望远镜反射镜材料均为低膨胀系数材料,主要有德国肖特集团的微晶玻璃和康宁公司的超低膨胀系数(ULE)玻璃两类,最大单体口径均达到8m以上,拼接口径最大达30m。而目前国内用于天文观测的望远镜最大单体口径仅为2.16m[18],拼接口径最大仅6.7m[19],与国际天文观测水平差距明显。在空间应用方面,采用SiC材料,口径达到3.5m的Herschel望远镜已于2009年升空,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2016年研制成功4m级SiC材料[20],实现了大口径SiC反射镜的国际领先,但仍难以弥补大口径反射镜材料方面的巨大差距。

  在结构材料方面,碳纤维强度是钢的20倍,拉伸模量是钢的2~3倍,比重仅为钢的1/4,抗拉强度是钢的7.9倍,是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。碳纤维材料主要有高拉伸强度T系列和高弹性(拉伸模量)M系列两大类,其主要性能参数如图2所示。

  中国碳纤维虽然产量不小,但产品应用主要集中在体育休闲、高尔夫和钓鱼竿等低端产品领域,航空航天领域应用仅占2%,难以满足高端产品中的碳纤维需求。近年国内陆续有企业报道研制成功高强度T800[21]、T1000材料[22]。但在高弹性碳纤维方面,国内仍有较大差距。在国产T800的材料测试中[23],采用的仪器绝大多数为进口产品:直径测量仪来自日本、表面粗糙度和力学测试仪来自美国、表面成分和力学性能测试仪来自英国,只有剪切强度采用国产仪器。

  4.2光学技术

  光学技术在精密仪器与装备中应用广泛,许多精密测量依赖光学技术。激光器作为一种理想的测量用光源,2016年中国产业市场规模在236亿元左右[24],但在精密仪器与装备领域所需要的高性能激光器仍主要依赖进口,包括高功率、高稳定性、窄线宽等特殊性能激光器。在工业上广泛应用的大功率光纤激光器,近年来虽国产屡有突破,成本优势明显,但高端产品方面,仍需要后续市场检验。

  光学系统的创新设计,不断提高仪器系统的整体性能。美国的空间监视望远镜(SpaceSurveillanceTelescope,SST)创新性地采用曲面焦平面电荷耦合元件(CCD)[25],结合3.5m大口径,F1.0大光圈设计,在紧凑的体积内,实现了6°的大视场,使其成为世界上最快和最敏捷的大型望远镜,一晚能对整个地球同步轨道带进行多次观测,而以往常需要数周时间。从同轴系统到离轴系统[26],从球面到自由曲面[27],中国科技长期处于“跟跑”状态,虽不断取得技术突破,但在创新性方面仍有较大差距。特别是如今光学设计主要工具软件,包括成像、照明、仿真等基本都被国外产品所垄断。——论文作者:贾平

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