第3章 材料发展的差距、问题及面临的挑战和机遇
3.1 材料发展的差距、问题及面临的挑战
我国材料几乎是从无到有，在引进产品和技术的过程中引进材料并逐步国产化，以粗放型增长方式发展起来的，在取得辉煌的历史性成就的同时，存在不少重要的差距和问题，主要是：发展的材料多属于中低档水平，高、精、尖、关键材料少；自主创新能力低，仿制品牌多、自主创新品牌少；尖端、核心材料和制造技术以及测试设备几乎全部依赖国外。与世界先进水平比较，投入大、消耗多、质量差、污染环境严重、延寿滞后。
3.1.1 材料多属于中低档水平
“中国材料”不强、不优，处在国际产业链中、低端。以钢铁为例：我国钢材已占国内市场的92％～97％，工业产值已占全国总量的1％，但其中仅有30％产品能达到国际先进水平，只能满足中低档的材料需求。基础件综合技术水平落后于发达国家10～15年。优质钢、高性能钢、特种钢和特殊用途钢种制造技术尚未过关。甚至同样牌号、同样成分、同样制造技术和方法就是生产不出国外同样质优、可靠、使用长寿命的先进优质材料。
伴随产品引进而引进的材料及其技术不可能是一流的。以汽车为例，我国引进世界汽车生产中，首先使用他国的二、三流汽车用钢系列，如德国、美国、日本、法国和韩国等系列，在逐步国产化过程中，国外又已研制、应用汽车新型高强度钢、轻量化的铝合金、镁合金和复合材料，而我国一直生产汽车使用的还是原先材料，至于关键件、核心件、重要件的关键材料和制造技术更是依赖他国。
又如，为发展军用飞机，我国仿制了俄罗斯、美国、英国、法国等国家10～30年前研制的机种应用的材料，是属于中低档材料，而不是最先进的材料。当我国研制涡轮叶片用单晶合金合格率只有20％时，国外则达到80％，并且国外又已经在试用第三代单晶叶片。
3.1.2 材料牌号呈现“万国牌”、自主创新不足
材料多头引进、低水平重复引进，多国材料同时涌入、并存，甚至同一个牌号、同一个性能水平材料同时多次被仿制、生产和使用（如某高强度变形铝合金，美国称为7075、俄罗斯称为B-95、中国称为Lc-9），呈现“万国牌号”现状，缺少自主创新的新材料和自主品牌。
重复引进、重复建设、重复仿制影响了自主创新。20世纪引进苏-27飞机生产线，尽管许多制造工艺技术已经落后于我国，但强调确保引进成功，还是采取“不准修改”的原则，照搬照抄。
3.1.3 材料及制品过早失效、损失严重
中国工程院调查发现：材料及制品遭遇使用中自然环境和运行环境的协同作用，每年“腐蚀”损失约占当年GDP的5％；“磨损”损失约占当年GDP的4.5％；按照2012年我国GDP总量为51.9万亿元人民币计算，则腐蚀损失约为2.6万亿元人民币、磨损损失约为2.3万亿元人民币，断裂未做系统调查，估计在同数量级，约为2万亿元人民币，则三项相加为6.8万亿元人民币，相当于1996年我国GDP的总和，远超过我国每年发生地震、风灾、水灾、旱灾等自然灾害损失的总和。
3.1.4 材料及制品使用寿命较短
我国工程结构件的寿命通常是发达国家的1/6～1/3。航空工业部在1980年前后花费3年的时间，采用了8项表面防护技术将海军某型飞机发动机首翻寿命从100h延长到了300h，已经前进了一大步，但国外军用发动机同期的首翻寿命是800～1000h，某涡桨发动机设计寿命为3000h，国外为6000h，国外改型民用发动机可达10000h；某型直升机发动机设计寿命为2000h，国外达到6000h。总体上国外产品的使用寿命是我国的2～3倍；齿轮、轴承等基础件服役寿命是国外同类产品的30％～50％；进口采煤机截割减速器使用寿命超过1000万吨、行走减速器使用寿命300万吨以上、整机设备无故障运行时间≥95％，而国产的高端采煤机的截割减速器使用寿命为600万吨、行走减速器使用寿命为200万吨、整机设备无故障运行时间约80％；刮板输送机中部槽使用寿命为美国同类机械的65％左右，链轮使用寿命为其产品的60％～70％；汽车发动机的使用寿命大约在20万公里，国外可以达到30万公里以上；小型渔船使用年限为15～20年，国外同类渔船可高达30～40年；美国规范规定公路桥梁设计寿命为75年，欧洲规范设计寿命多数桥梁结构为50年、重要桥梁为100年，而我国近5年竟有13座桥梁在施工过程中倒塌，使用寿命为零；我国拖拉机大约使用2000h大修，而发达国家使用5000～6000h大修，使用寿命高于我国1倍多。国产联合收割机平均故障间隔时间是国外同类产品的1/3，平均无故障工作时间只有30～40h，远低于国外的70～100h等。
3.1.5 材料制品事故比较多
例如压力容器和管道，我国1976～1986年间，爆炸事故2254起，死1200多人、受伤4900人。数据显示，我国油气管道事故率平均为3次/1000千米年，远高于美国的0.5次/1000千米年和欧洲的0.25次/1000千米年。
又如公路桥梁倒塌事故，仅2007～2012年5年间，全国就有37座公路桥梁垮塌，平均桥龄仅20～30年，其中13座是在建中倒塌。其中有设计问题、施工的粗制滥造问题，也有材料问题，造成了重大灾难和资源、能源的巨大损失。
3.1.6 高端材料和制品依赖进口
我国材料主要满足中低端需求，高性能材料、高新技术的核心部件和重大装备材料大多严重依赖进口，使得“中国制造”总体水平处于国际产业链中低端。高速、超高速轴承，高承载轴承依赖进口；汽车、工程机械、高铁、煤机和大型农机等的高端齿轮传动装置大量依赖进口；车辆齿轮主要依赖国外，国产不到22％，工业通用齿轮和工业专用齿轮自给率仅为38％和32％；大型、精密、高效、高性能模具为主要代表的高技术含量模具自给率不足70％；高强和超高强度紧固件全部依赖进口；每年需要进口大量的高端橡塑密封件。
我国高速铁路建设居世界第一，但是大功率机车车轮、动车组车轮和车轴钢坯、轴承主要依靠进口，关键制造技术如车轮、车轴、轴承的制造技术依赖进口。
我国汽车2011年产量世界第一，但发动机电子控制单元和自动变速箱的传动链、双离合器、传动系统电子控制单元、五速以上的自动变速箱主要依赖进口；胀断连杆用钢、高寿命的冲压模具用钢、高寿命的气阀钢等需要进口。
航空工业方面，近代先进航空发动机和飞机关键轴承、紧固件、密封件、精密控制系统及关键高性能材料依赖进口。
第三代核电机站的部分关键设备和材料尚不具备制造能力；采煤机轴承、变频器、刮板输送机的轴承、调速型液力耦合器、变频电动机以及高强度圆环链条钢依赖国外。
3.1.7 材料关键制造技术不够成熟
（1）冶炼技术。我国是粗钢的生产大国，2013年粗钢产量达到7.86亿吨，但实际质量整体水平低于国外，仅有约30％可以达到国际先进水平，一些行业关键品种钢材仍需要进口，冶炼能源、资源消耗大，废弃物排放多、污染严重。
（2）锻造技术。1974年我国建成300MN模锻水压机、120MN自由锻水压机，德阳二重等设计了650MN模锻压机之后，处于停顿不进的状态。三/四/五代军用飞机、大型轰炸机、大型民用客机和运输机、先进航空发动机、百万千瓦核电低压转子锻件、重型核电容器锻件、超大型支承辊、大型天然气传输管道、大型汽车底盘等大型锻件的关键装备及其相关技术都受制于人。虽然800MN模锻液压机于2013年3月投入试运行，但总体水平与先进国家差距依然存在。
（3）铸造技术。我国的铸件产量自2005年以来，已经连续多年位居世界首位，铸造企业超过26000家，除少数大型企业铸造技术先进、设备精良、环保措施基本到位外，大多数铸造企业技术落后、生产设备陈旧、环保问题较多。铸造行业整体生产技术水平落后发达国家大约20年。
（4）焊接技术。我国焊接技术已完成大量的产品、设备、装备或重大工程的连接，并得到不断提高和发展。但与发达国家相比，高端焊接材料品种缺乏、焊接材料制备技术与装备落后。
（5）热处理。据2008年统计，我国有热处理企业约18000家，年处理各类零件约2500万吨，热处理工艺加工生产量约5000万吨/年，年耗电200亿度（约合800万吨标准煤），约占机械工业生产能耗用电量的25％～30％，消耗燃油约100多万吨，天然气和液化煤气约400亿立方米。平均每吨工件热处理能耗约660kWh/t（约合0.26t标准煤/t），万元产值能耗约3870kWh/t（约合1.55t标准煤/t）。而美国、日本和欧盟等发达国家热处理行业平均能耗在450kWh/t以下，我国热处理能耗是工业发达国家的1.6倍。
3.1.8 高端材料检测设备受制于人
整体上看，国产检测仪器设备的技术和应用与国际先进水平差距甚大，国产品牌市场占有率仅为14％，主要分布在中低端市场。高档精密检测设备，如等离子体质谱仪、核磁波谱仪、高档激光干涉仪、扫描电镜、透射电镜、扫描隧道显微镜、电子探针以及液压疲劳试验机等附加值高的科学仪器与设备，国内基本处于空白，严重依赖进口；中档科学仪器，如液相色谱仪、生化分析仪器、X射线晶体定向仪等，国内产品稳定性和重现性不高，应用软件等配套性较差，导致市场占有率不高；中低档科学仪器，如气相色谱仪、紫外吸收光谱仪、持久试验机、静力拉伸机以及制样设备等附加值不高的科学仪器，基本处于低价恶性竞争状态。
据不完全统计，近年我国每年上万亿科研固定资产投资中，有60％用于进口设备，部分领域高端仪器100％依赖进口，严重制约了自主创新。
3.1.9 材料生产消耗大、效率低、环境污染严重
从资源消耗看，我国5类主要资源（淡水、一次能源、钢材、水泥、常用有色金属）的节约指数为1.8％，意味着这5类资源的平均消耗强度高出世界平均水平约90％；综合能源效率约为33％，比发达国家低10％。工业部门的能源消耗占全国能源消费总量的70％以上，而钢铁、有色金属、化工、建材等高能耗行业的能源消费又占整个工业终端能源消费的70％以上。也就是说，高能耗行业差不多消耗了全国能源总量的一半。
从产出效率看，资源生产率相当于美国的28.6％、欧盟的16.8％、日本的10.3％。
从污染排放看，单位GDP的废水排放量比发达国家高4倍，单位工业产值产出的固体废弃物比发达国家高10多倍，单位GDP二氧化硫和氮氧化物排放强度分别是经济合作发展组织国家的9倍和8倍。以我国2001～2012年生产粗钢51.55亿吨进行计算：消耗矿石77.325亿吨、煤炭36.08亿吨、使用新水283.80亿吨；排放CO287.64亿吨、固体颗粒87.64亿吨、污水257.77亿吨。按照2005年钢铁消耗能源和排放比例进行计算，这十二年期间，我国工业总能耗为245.27亿吨标准煤、消耗新水2027.14亿吨、工业废水排放达到3021.92亿吨、工业排放CO21327.88亿吨、工业粉尘排放量为577.33亿吨。
具体分析材料污染的来源，钢铁、化工、石化和水泥四个行业，2005年能源消耗约占全国总能耗的37.2％，CO2排放总量占全国化石燃料燃烧引起的CO2排放总量的27.5％，是除电力之外工业行业中重要的排放大户。
宝钢公司发表的《钢铁业可持续发展的实践和展望》文中指出：“钢铁工业是资源能源消耗密集型产业，每生产1t钢，需要消耗0.6～0.8t标准煤、1.5～1.55t铁矿石、3～8t新水。即使最先进的工厂，每生产1t钢也要排放1.7t左右的二氧化碳及大量的废气、废渣、粉尘、污泥和其他污染物，技术落后的钢铁厂产生的废弃物更多。”2012年我国钢铁的产量为7.12亿吨，消耗铁矿石10.86亿吨、消耗能源4.98亿吨、排放CO212.10亿吨。
材料经过制造成为制品。制造工艺包括热工艺（冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理和表面处理）和冷工艺（车、铣、镗、饱、磨和装配）。制造加工中的能源消耗和环境的污染主要由热工艺造成，大量的污染物排放是热工艺过程引发的。
3.1.10 我国资源能源耗竭更为突出
46万年地球生成、储存的各种矿物，经过人类的开采，尤其是18世纪工业革命以来对资源和能源的大量消耗，正面临枯竭。2000年公布的相关资料表明：铁的储量还有为1×108百万吨，还可开采109年；铝的储量为1.2×106百万吨，还可开采35年；钛的储量为1.5×105百万吨，还可开采51年；铜的储量为3.1×104百万吨，还可开采24年；镍还可开采77年；锡还可开采28年；锌还可开采27年；锑还可开采15年；铟还可开采10年；银还可开采10年；铂还可开采15年；石油还可开采60年；煤炭还可开采169年。能源、资源不可再生，全球在不断耗费能源和资源，而后代将无以为继，严重威胁人类的可持续发展。
中国面临资源耗竭，比世界上许多国家更严重、更迫切，一是人均资源和能源更为匮乏。以能源为例，能源蕴藏量居世界前列，还是世界第二大能源生产国与消费国，目前探测出的能源资源总储量估计为4万亿吨标准煤，而人均资源占有量和消费量远低于世界平均水平，中国人均探明煤炭储存147t，为世界平均值的60％、人均探明石油储量2.9t，为世界平均值的11％、人均探明天然气为世界平均值的4％。尽管我国铅、锌、镁、煤炭、锡、铟、锑、银等资源的储量居世界前列，但人均可开采储量却很低，储量贫瘠的铁、铜、钛、镍、铟、铂等人均可开采储量则更为匮乏。一些用量特大、最重要、国计民生不可或缺的资源、能源可能成为制约发展的“瓶颈”；二是经济高速发展，中国成为世界加工厂，因而加工世界所需物品最多，资源、能源消耗量最大，耗竭也最快；三是十三亿国民生活水平的不断提高，资源能源消耗大，从而使材料延寿问题特别紧迫。
3.2 材料延寿与可持续发展的机遇
为实现党的十八大和十八届三中全会确定的加快增长方式根本转变和可持续科学发展战略，应对我国材料发展的差距、问题和面临挑战，材料延寿与可持续发展显得十分现实和紧迫。
一是实践表明，实施材料延寿工程及技术、措施，可以有效预防和控制材料和制品的腐蚀、老化、磨损和断裂而引发的提前损坏。中国工程院调查指出：正确应用摩擦学、腐蚀学和断裂力学知识，可挽回约占我国GDP4.5％的摩擦磨损中的34.4％、相当于GDP的1.55％损失；能节约腐蚀、断裂各1/3的损失，即材料延寿可挽回相当于GDP4.65％（3×1.55％）的损失。以2012年GDP51.9万亿元计，其值高达2.4万亿元。
二是材料延寿工程的实施能加快增长方式由粗放型向集约型转变。材料及制品在制造过程中无论是经济投入、质量保证、资源与能源消耗还是污染物排放量，都占相当分量的比重。材料延寿工程技术可以明显实现减少投入、提高质量、降低消耗、降低污染。因此，可以说，材料延寿成功之日，就是增长方式转变之时。
三是材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是可持续发展的支柱。不断发现新矿藏、不断研究出新材料、不断延长材料使用寿命、不断实施材料的再制造/再循环/再利用，就能确保这个支柱的可靠和牢固。