10、微球：民族工业不能承受之轻

这种球，直径是头发粗细的三十分之一。少了它，你正盯着的液晶屏幕将无法生产。微球，现代工业的基础材料，被国外企业垄断。仅微电子领域，中国每年就要进口价值几百亿元人民币的微球。

　　液晶屏的骨头，芯片的脚

“2017年中国大陆的液晶面板出货量达到全球的33%，产业规模约千亿美元，位居全球第一。但这面板中的关键材料——间隔物微球，以及导电金球，全世界只有日本一两家公司可以提供。这些材料也像芯片一样，给人卡住了脖子。”国家“千人计划”专家、苏州纳微科技公司董事长江必旺博士说。

手机屏幕里，每平方毫米要用一百个微球。“间隔物微球撑起了两块玻璃面板，相当于骨架。在两块玻璃面板的缝隙里，再灌进液晶。”江必旺说。

“微球决定液晶屏的厚度和均匀性，因此所有球要大小一样。微球还得足够强韧、光滑，不含一点金属杂质。”江必旺说，否则会影响显示质量。

除此以外，还有一种“光扩散微球”，大量涂抹在光扩散膜，用于液晶背光模组。

微球另一个重要的用途，是芯片的引脚。电路常用焊锡连接，但现在的芯片太小，引脚小到看不清，导电金球就替代了焊锡。

几微米直径的微球，混在绝缘胶里，构成“各向异性导电膜”。这层膜贴在芯片和主板之间，需要接脚的地方给予压力，小小金球就会在两者之间导电，这是现在微电子业标准的办法。中国从日本进口导电胶膜每年要花费上百亿元人民币。

　　微球太小，筛分困难

江必旺说，无论是间隔物微球，还是导电金球，粒径要非常精确和均匀。

微球的材料是塑料或二氧化硅。制作微球，第一步，在反应液里，塑料或者硅烷变成液球，并且固化。“就好像油快速搅拌在水里，会分散成小球一样。”江必旺说。

这种方法做出的微球有大有小，需要精密筛分。“用一般的筛子是做不到的，因为微球每隔0.2微米是一个规格。2微米和2.2微米的两种球，要分开是极其困难的。世界上只有日本的公司可以筛分这种微球，周期长达6个月。”江必旺说。

筛分工艺是行业秘密，大概原理是利用大小球的浮力不同，下沉有快有慢，在液体中分离。

生产导电金球，还得多几道工序：表面处理后，镀上一层金或者镍。100纳米厚的这层金属，必须薄厚均匀;球和球互不粘连。普通镀金工艺是行不通的。

由于技术门槛极高，导电金球生产被日本的积水公司垄断。

　　没有微球就造不出生物药

江必旺博士经过十多年研发，绕过“筛分法”，发明“种子法”，打破了日本的技术垄断，将让下游产业极大受益。

种子法是让几纳米大的塑料或者二氧化硅充当种子，在适当的化学环境下慢慢长成微球。长出来的微球个头一样大，不需要筛分。生产周期只有6天。

没有微球，食品安全检测、疾病诊断、环境监测……许多行业都会陷入窘境。制药厂尤其离不开微球。江必旺说，用于提取生物药的微球，表面有很多孔道，可以吸附特定大小的分子。

“一克微球的表面积，相当于一个足球场，如果微球表面有一些特殊基团，就可以选择性吸附药物有效成分。”江必旺说，全世界的生物制药都必须使用微球做色谱填料。

这类微球不仅需要控制大小、均匀性，还需要控制孔道结构，难度很大，过去只有欧美几家公司能生产，现在苏州纳微也已经可以量产。

　　国产原材料不纯影响微球性能

尝试生产微球的江必旺，遇到了想象不到的困难。

“在开发液晶间隔物微球材料时，首先就遇到国内基础原料质量差的问题。”江必旺说，“苯乙烯是通用的化工单体，国内产能位居世界首位。但国产苯乙烯和二乙烯基苯杂质含量高，尤其是萘含量高，用其生产出来的间隔物微球机械强度低、变形大，不能满足控制液晶显示的要求。”最终，纳微公司只得选用国外的原料。

“另外，生产高性能微球需要用不锈钢反应釜。经多次试验，发现用国产反应釜生产的微球，铁含量超标;我们花了一年的时间，尝试了很多家的国产反应釜，都是一样的问题。而用进口的铁含量就达标。”江必旺说。

“虽然纳微开发了比日本先进的微球制造技术，但由于国产的原料质量及不锈钢性能问题，浪费了大量时间和精力。”江必旺说，“从这个案例可以看到，中国做关键材料和关键部件的难度有多大。”

　　11、自家的掘进机却不得不用别人的主轴承

主轴承，有全断面隧道掘进机(简称掘进机)的“心脏”之称，承担着掘进机运转过程的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件，工作所处状况十分恶劣。

掘进机采用液压、机械和电气等诸多领域的高科技成果，运用计算机自动控制、工厂化作业、在线实时监测与导向，是集掘进、出渣、运输、支护于一体的成套设备，长度由几十米到200多米，总重量可达几百吨至5000多吨，是当前地下空间施工最先进的装备。每台价值从数千万元至两三亿元不等。

“就整机制造能力而言，国产掘进机已接近世界最先进水平，但最关键的主轴承全部依赖进口。”中国铁建重工集团中央研究总院梅勇兵博士告诉记者。

　　承受巨大载荷和强烈温升

掘进机主轴承工作环境非常恶劣，要承受高速旋转、巨大载荷和强烈温升。

“掘进机工作的地质具有未知和突变的特点，加上刀盘滚刀破岩时的突变载荷，使得主轴承必须承受住持续、突变和各个方向的载荷。”洛阳轴承研究所有限公司李云峰博士说。

以直径15米掘进机为例，整机重4500吨，主轴承所在主机重2800吨，轴承连接的前部刀盘就达520吨;掘进机动力来自28组千斤顶，最大推力达22500吨，掘进速度最大每分钟5厘米。“要传送这样大的推力，掘进机需配备7米大直径的主轴承，滚动体沿圆周滚动的线速度为220米/分钟。”李云峰说。

在地下密闭的工作空间，主轴承还因长时间连续工作产生摩擦热，温度从20摄氏度最高升至120摄氏度。“巨大载荷和强烈的温升，不仅极大地降低了轴承材料的刚度，也使其强度大幅退化。”李云峰认为，这种工况，对掘进机主轴承的可靠性指标要求十分严苛。因技术含量高，单个主轴承成本约占掘进机的1/20左右，是掘进机所有零件中最值钱的。

“在既定施工段，若掘进机主轴承出现故障，进行现场维修或更换极为困难，甚至不可行。”梅勇兵说，这要求主轴承不能出任何故障，掘进机制造商宁愿出高价，选择配置高可靠性的国外知名品牌主轴承。

据介绍，我国掘进机年生产规模约为450台，仅进口轴承一项即达近10亿元。

　　尺寸巨大结构最复杂，制造需要上百道工序

与直径仅有几百毫米的传统滚动轴承相比，掘进机主轴承直径一般为几米，是结构最复杂的一种轴承，制造需要上百道工序，主要由套圈、滚子和保持架3部分组成。

“掘进机主轴承尺寸庞大，在安装方式上迥异于传统滚动轴承，必须采用螺栓与主机联接的方式，这样就需要安装孔。”李云峰说，安装传统应用领域的轴承，一般采用通过内、外圈与主机部件配合的方式，孔的数量通常是个位数。

以直径6.34米掘进机配套主轴承为例，其直径3米，有20个安装孔、40个注油孔、20个连接孔和10个定位孔，整套轴承零件总数达到600多个。

“这么多的孔，使设计和加工过程如趟雷区，务必时刻保持高度小心，避免相互干涉。”李云峰说，如果因设计人员有一丁点疏忽，在安装孔的位置圆周基准上出现丝毫错误，依图加工后都会造成大量废品。

除规模庞大的孔外，因尺寸原因，掘进机主轴承的截面与节圆的直径比，远小于传统滚动轴承。“掘进机主轴承套圈属于薄壁环构件，在重载条件下，难以避免套圈的结构变形，这些都增加了其力学响应的复杂性。”李云峰说。

国外现代掘进机实践已近百年，除原材料的强度远超国产外，在设计和工艺上更具超强的实力。“无论是主轴承工作载荷的确切理论数据，还是工程实测数据，都非常完善，为其设计和建模提供了真实而丰富的依据。”李云峰说。

当前，世界上能研制掘进机主轴承的企业仅四家，分别是德国的罗特艾德、IMO、FAG和瑞典的SKF，其中，罗特艾德占有全球全断面隧道掘进机领域绝大部分市场份额。

据悉，罗特艾德公司制造的主轴承技术和工艺水平最高，其生产的主轴承直径已突破7米多，装配于多台14米直径的掘进机，掘进隧道长度累计已超过50公里。

随着隧道建造技术的发展，隧洞设计的里程和直径也越来越大，往往要求单个主轴承的设计寿命达20公里以上，轴承直径6米以上，从而进一步加大了掘进机主轴承的技术研发难题。“直径若超过8米，轴承结构就需要分块设计了。”李云峰说。

　　掌握直径3米核心技术，实验寿命等同国外同类产品

除受材料因素制约外，在设计和工艺上，国产掘进机主轴承与国外产品都存在很大差距。

“国内现有的滚动轴承理论，是基于刚性套圈假设，不适于分析掘进机主轴承的内部受力状况。”洛阳轴承研究所有限公司董事长王景华说，我国掘进机制造历史仅十余年，所有数据都非常匮乏，设计计算只能输入估算的载荷，如此设计的轴承难以匹配实际的工况。

王景华还介绍说，国外知名轴承企业更注重轴承与主机结构的匹配，在设计时，将轴承视为主机的组成部分，二者协同进行。反观国内，轴承与主机的设计则“各自为政”，相互独立。“相互不熟悉，主轴承根本无法响应主机环境的力学行为。”李云峰说，要适应主机环境的力学行为，需要十分复杂的动力学模型、工程数据和数值计算平台，国外轴承设计的合理性，是通过大量实验验证的，并积累了大量工程数据，这些方面在我国几乎全是空白。

说到掘进机主轴承的制造工艺，李云峰罗列出包括机加工工艺、热处理工艺和焊接工艺等因素。“国外的热处理工艺已发展到无软带表面淬火，而国内还没有这样的工艺。”李云峰说，经无软带表面淬火处理，主轴承的滚道表面会全部硬化。如此，因重载造成的软带区域塑形、变形和过早疲劳剥落等故障隐患，都将彻底消除。

　　掘进机主轴承国产化曙光正在初现

“我们已开始与国产掘进机领军企业——铁建重工紧密合作，率先开展了掘进机主轴承的研究工作。”王景华透露，作为国内唯一的滚动轴承综合性研究机构，覆盖基础及应用研究，拥有盾构及掘进技术(轴承)国家重点实验室，洛阳轴承研究所正加速实现技术研发步伐，目前已掌握直径3米的主轴承核心技术，实验寿命等同国外同类产品，力争2018年装机试用。

　　12、我们的蛋白质3D高清照片仰赖舶来的透射式电镜

5月29日，清华大学生命科学院博士生张森森的蛋白样品9时准时在液氮环境下进入冷冻电镜。几天后，埃(10-10)级精度的蛋白质“高清3D彩照”将出炉。研究人员可以“直视”单个蛋白质的分子结构，并解出生命运转机理。

这期间，冷冻电镜中的电子枪将持续发射电子，每次看一个小单元。为了解释这个“小单元”，张森森为记者示意了一个“镊子尖”大小的小金片，“金片上约有200个左右的均匀小孔，每个小孔中再分150个小孔，电子束一次只‘看’其中一个小孔。”金片类似蛋白质的“载玻片”，与光学显微镜不同的是，载玻片透光，小金片要透电子，容许电子束透过样品时受到散射。散射信号被捕捉记录下来，计算后可呈现分子结构。

透射式电镜的生产能力是冷冻电镜制造能力的基础之一。“国内没有一家企业生产透射式电镜。”赛默飞公司技术支持陈宝庆说得不假思索，他毕业于北京大学地球物理专业，对行业非常了解，他介绍，“之前还有几个企业制造，比如原江南光学仪器厂现在就不造了。”

　　能做到单电子束控制的灯丝，只有进口

“理论上说，只要施加足够强的电场，电子就会从材料中‘游’出来。”陈宝庆说。但“游”的状态与可以使用的电子状态相距甚远。

什么样的电子才能为蛋白质拍摄高清3D彩照呢？东南大学材料科学与工程学院万克树教授描述了理想的状态：速度完全一样的电子，从“源头”的一个点上、非常多地发射出来。

“这些要求是相互矛盾的。”万克树解释，电子从材料表面溢出，要发射电子多，面积就要大，但是面积大了就难以满足一致性要求。

如果把电子枪想象成一把枪，它必须以“狙击”的精度完成机枪的扫射，“子弹”的角度、速度完全一致。

“电子的能量要做到高度一致，虽还达不到激光的程度，但也必须是很窄的分布。”陈宝庆解释，电子“子弹”一致性是提高图像分辨率的前提。

为此，电子枪的核心构造其实是一根极细的“陀螺针”，形似陀螺，尖端却比针还细。电子从尖端出发，在真空的环境下，前去与大分子“相撞”，进而反映出分子构象。

“之前的技术路线是通过加热让电子枪发射电子，发射源(俗称“灯丝”)用钨丝或六硼化镧，需要2500℃左右，高温促使电子发射，但也使电子异常活跃、难以控制，因此热发射电子枪的电镜精度低。”万克树说。

“场发射是通过高压电场，把电子从‘灯丝’里拉出来，室温下可完成。”万克树说，“所用灯丝国内没有生产，全部依赖进口，每根上万美元左右。”

他提到的常温场发射枪(肖特基电子枪)是将氧化锆沉积在单晶钨的晶体的特定面上。FEI公司后来在电子枪生产上又有了新的突破，将热和场结合起来，稳定性进一步提升。在清华大学冷冻电镜实验室的仪器介绍中可以看到，一台2013年购买、2015年到货的最新型号电镜在电子枪一栏标明“X-FEG”，有中文翻译为超稳定高亮度电子枪。“所用灯丝在材质上与之前的一致，工艺不同能够使亮度更强。”陈宝庆介绍。

　　上了邮票的科研成就，被中断

场发射的另一个关键部分是牵拉出电子的外加电场，电场电压高达300千伏。“在这样的高压下保持电压稳定，才能‘拉’出稳定一致的电子，专业上称为‘单色性好’。”万克树说。

据题为《中国透射式电子显微镜发展的历程》的文章记载，1963年，我国就开始了高压100kV电子枪稳定因素探讨的实验，1965年完成样机，中国自主研制透射式电镜于1979年达到当时的国际先进水平，还专门为国产的电子显微镜发行过纪念邮票。

该领域的研发却由于种种原因一度中断。“直到几年前，中国也试图重启这方面的公司，也曾立项想要完成场发射透射电镜的自主研发。”陈宝庆回忆，曾经有相关的科研人员，辗转找到他询问，为什么FEI公司没有相关专利。

“他们想到的捷径之一是把生产厂商的专利拿来参考，但是其中很多生产工艺是秘方级别的，根本不会外传。”陈宝庆说。

　　从“看人影”到“辨雀斑”，中国研发没使上劲

“如今，中国只有一家企业生产扫描电镜，透射电镜完全不生产了。”陈宝庆说，德国蔡司公司也停止了透射电镜的生产，目前世界上生产透射电镜的厂商只有3家，分别是日本电子、日立、FEI(2016年被赛默飞公司以42亿美元收购。)

没有市场是设备巨头纷纷放弃透射电镜的原因。“透射电镜之前的清晰度，使得冷冻电镜在科学研发上基本没有实际作用。”陈宝庆说。可以理解为，以前只能看清楚个人影，现在却能辨认清楚脸上的雀斑。

除了电子枪的原理变化，冷冻电镜上其他的技术精进，例如三维重建算法的实现、样品制作机器人的研发成功等，使得冷冻电镜的分辨率大规模提升，成为生命科学研究的利器。

在冷冻电镜从“看人影”到“辨雀斑”的发展历程中，中国没有使上劲。在冷冻电镜实验室中，从耗材到配件都必须进口。“加样台10万元一个、小金片50元一个、外托150元一个……”张森森说，所有匹配冷冻电镜使用的工具都需要原装，根本不存在“山寨版”。零件坏了找不到人修理，只能等待零件邮寄到货后进行更换。对于中国的冷冻电镜使用者们来说，这样的体验可能还要持续不短的时间。

(责任编辑：安博涛)