我国部分精密仪器及装备的发展路径探索

作者:查重猫     发表时间:2021-03-17 05:24:21   浏览次数:30



  摘要:文章简要介绍了精密仪器设备的作用,分析了相关关键技术发展概况,剖析了与国外发达国家的差距,结合十三五时期发展规划,探讨了精密仪器设备的发展路径。

  关键词:精密仪器装备;发展战略

  精密仪器装备广泛应用于科研等领域,大量具有世界先进水平的精密仪器,是实现制造大国向制造强国转变的必要基础。目前国内精密仪器产业发展与国外存在巨大差距。重大科学仪器设备研发项目以国家战略目标为导向,建设创新型国家,迫切需要进一步加强重大科学仪器设备的研发创新。我国科学仪器设备发展面临由于基础薄弱带来的巨大挑战。必须从国家战略层面探索发展路径,创造良好环境。

  1精密仪器装备的作用

  中国科学院院士王大珩总结仪器的作用说,仪器仪表是科研的先行官,军事的战斗力。在科研最高荣誉诺贝尔奖中,近1/3的物理化学家那个与仪器紧密相关,现代科研中,仪器是科研的重要内容,没有激光干涉引力波天文台就不能成功探测引力波[1]。

  精密仪器装备对国民经济有巨大的拉动作用,为自动化及流程分析,需要大量种类繁多的分析检测仪器完成。90年代初,仪器仪表工艺总产值对国民经济的影响达66%,工艺生产中应用大量的精密装备,机床,工业机器人等实现各种以往人工无法完成的任务。

  精密仪器装备在军事领域的应用,极大的提高了侦查效率,侦查卫星活跃在太空中,精确制导技术大幅提高了战术打击成功率。激光制导炸弹对目标的有效性是传统炸弹的200倍。使用激光制导炸弹的次数约为总攻击次数的10%。越战期间,美军出动采用常规炸弹的飞机873架次,未能炸毁大桥,采用激光制导智能炸弹,第一次攻击就成功摧毁目标。无论科技发展,或是国民经济建设,都精密仪器都发挥不可替代的作用。

  2各国精密仪器装备的发展

  各国将精密仪器装备作为重要战略行业支持发展。美国经济地位受到中日的激烈竞争,但始终保持高技术领域的领先优势,美国政府仍为高新技术发展提供支持。美国科学基金会《NSF2020愿景》开发可用于生物技术等领域的新仪器。NSF设立了主要科学仪器设备计划,地球科学仪器设备等计划,美国卫生部,国防部等部门均有多种仪器计划。

  日本文科部省自1995年开始制定科学基本计划,基于因特网,大力推进学术研究,先进科学仪器计划主要包括纳米材料研究仪器平台计划,高端基础研究科学仪器共享平台建设计划。

  德国教育研究部资助高校使用大型仪器进行高水准的基础研究。英国科技办将研究,研究设施作为资助目标,建立工程与自然科学研究理事会,针对重要的仪器设备形成系列仪器设备路线图。

  3中国精密仪器装备的发展现状

  新中国成立以来十分重视精密仪器研制工作,1950年在中科院设立仪器馆,为现中科院光学仪器精密机械研究所,《国家中长期科技发展规划纲要》明确将科学仪器创新作为优先发展战略领域,2011年,财政部设立国家重大科学仪器设备开发专项资金[2]。

  大型科研仪器方面,2013年,由科技部计划司编制的《国家重点科技基础条件资源调查报告》首次公布,统计表明,中国大型科研仪器未完全摆脱主要依靠国外进口的尴尬局面,购置设备进口比例达78%,在生物医药等新型领域进口比率近90%。

  2016年中国集成电路进口超2000亿美元,目前广泛应用的深紫光刻机被阿斯麦,尼康等公司垄断,2017年一季度财务报告显示,EUV系统进口未交货定单总价值超23亿欧元。英特尔公司,台湾积体电路制造等公司大规模应用14nm工艺,中芯国际集成电路公司制造工艺仅能达到28nm。

  2015年中国机床消费总额达275亿美元,德日意等国家生产机床60%以上用于出口,中国机床行业从只能生产简易皮带,到成为世界第一机床生产国进步巨大,但目前仍是世界最大的机床进口国。高档机床基本依靠进口,一套复杂数控系统软件包的费用接近母鸡费用。

  从不同的行业领域发展现状可见,中国的精密仪器装备规模得到极大提高,但相关产业实际存在极大的核心技术危机,低端产能过剩,制造业空心化风险加大,极大影响中国制造业的进步发展。

  4国内核心关键技术与国外对比

  在精密仪器装备涉及的多个核心关键技术中,中国精密仪器装备整机行业落后,原因在于中国科技基础的薄弱,中国实验发展资金投入高于基础应用研究,但基础投入的不足导致多种基础关键技术的缓慢发展,产品竞争力不足。中国的科技水平向并跑转变,必须不断加强基础研发投入。才能支撑创新性社会的发展,为国家战略安全提供可靠的原始创新动力

  4.1材料科学

  精密仪器装备系统整体差距源于核心技术落后。材料性能具有决定性的影响,包括光学传输材料等功能性材料,及构建仪器本体的结构材料。

  反射镜是大型天文望远镜的关键技术,目前大口径望远镜反射镜材料主要有德国肖特极端的微晶玻璃,目前国内用于天文观测的望远镜最大单体口径仅为2.16m,采用sic材料的Her⁃schel望眼镜在2009年声控,长春光学精密机械研究所206年成功研制4msic材料,但难以弥补大口径反射镜材料方面的巨大差距。

  相关期刊推荐:《化工管理》杂志(月刊)创刊于1986年,是国家新闻出版总署正式批准的唯一化工企业综合管理类期刊,面向国内外公开发行。主要栏目设置:咨询、热点聚焦、专家访谈、产业发展、管理创新、人物企业、领导艺术、管理学堂等。

  碳纤维强度拉伸模量是钢的2~3倍,抗拉强度是钢的7.9倍,是尖端武器装备必不可少的战略基础材料,但产品应用主要集中于高色粉与钓鱼杆等地段产品领域,难以满足高端产品的碳纤维需求。国内在高弹性碳纤维方面仍有较大差距。国产T8000材料中,直径测量仪来自日本,表面成分与力学性能测试仪来自英国[3]。

  4.2光学技术

  光学技术在精密仪器装备中应用广泛,在精密仪器装备领域所需的高性能激光仍主要依赖进口,在工业上广泛应用的大功率光线激光器,高端产品方面仍需后续市场检验。

  美国空间监视望远镜创新采用曲面焦平面电荷藕元件,在紧凑的体积内,实现6°大视场,一晚能对整个地球同步轨道待进行多次观测,中国科技长期处于跟跑状态,在光学设计主要工具软件基本被国外产品垄断。

  4.3精密机械

  精密仪器装备起源于精密机械,轴承是机械支撑最基础的部件产品,目前中国轴承行业产品结构,主要是通用轴承。高精度高技术含量的轴承无法与国外企业相比。

  美国劳伦斯利福摩尔国家实验室等在国际超精密加工技术领域久负盛名,中国科学院长春光学精密机械研究所等单位自主研制了系列精密精加工装备,但整体与国外相比差距较大。

  5中国精密仪器装备的未来发展

  对精密仪器装备的未来发展,从发展战略与应用领域方面进行探讨。精密仪器装备发展,要开展适应国家科技发展需求的集成创新研究,为确保中国仪器装备行业竞争力,必须提升装备关键技术自主化水平,国家科技创新规划将科研仪器设备放到科研条件保障专栏第一位,提出聚焦高端通用与专业重大科学仪器设备研发,提高高端通用科学仪器的产品质量。

  精密仪器与装备发展表现出极端化,集成化,网络化等趋势。仪器测量等方面加入更多智能化手段,具有更多的智能化功能,实现一机多能,测量精度等方面要求不断提高,物联网应用将越来愈多。

  十三五时期,生物医药,战略前沿等战略新兴领域是产业发展的重点,规划预计产业总产值规模将超过40亿万元,涉及的轨道交通,医学影像,生物检测都对精密仪器装备有巨大的潜在需求。目前国外进口产品成本高昂,发展能够替代进口设备的国产化精密仪器装备具有重大市场需求。

  6结语

  在几代科技工作者的不懈努力下,中国已成为仪器装备生产大国,但远远不是仪器装备强国,高端制造中广泛应用的精密仪器抓昂宝,与国外水平有很大的差距。中国正处于向制造强国转变的关键历史时期,必须在自主发展精密仪器产业上做好顶层设计,扎实推进,在核心关键技术上充分发挥中国社会体制优势,需要科研机构各方面共同努力。——论文作者:张海涛

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