新材料研究用分析儀器政策支持方向建議

王郅媛，孫立桐，吳愛華，楊鵬宇

（1.北京科學(xué)儀器裝備協(xié)作服務(wù)中心，北京 100035； 2.中國儀器儀表學(xué)會分析儀器分會，北京 100085）

材料在人類發(fā)展過程中有不可替代的作用和地位。材料過去是、今天是、將來也必然是一切科學(xué)技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)和柱石［1］。

新材料與傳統(tǒng)材料之間并沒有截然的分界，新材料在傳統(tǒng)材料基礎(chǔ)上發(fā)展而成，傳統(tǒng)材料經(jīng)過組成、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和工藝上的改進(jìn)從而提高材料性能或出現(xiàn)新的性能都可發(fā)展成為新材料。材料科學(xué)研究特別是新材料研究離不開分析儀器，目前我國高檔、大型材料檢測儀器設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口，中檔產(chǎn)品及許多關(guān)鍵零部件也嚴(yán)重依賴進(jìn)口［2］。一旦國外禁運(yùn)將嚴(yán)重影響我國新材料產(chǎn)業(yè)的生存與發(fā)展。因此調(diào)研新材料研究用分析儀器，并對其進(jìn)行政策扶植有著重要戰(zhàn)略意義。

1 分析儀器在材料研究中的應(yīng)用

新材料研究中不同的分析內(nèi)容用到的分析儀器有所不同。

微觀分析包括元素分析、化學(xué)價鍵分析、結(jié)構(gòu)分析、形貌分析、表面與界面分析等，涉及到的典型分析儀器包括電感耦合等離子體–發(fā)射光譜（ICP–AES）儀、電感耦合等離子體–質(zhì)譜（ICP–MS）儀、原子吸收光譜儀、熒光光譜儀、光電直讀光譜儀、X射線光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、激光拉曼光譜儀、核磁共振波譜分析儀、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）、X 射線光電子能譜（XPS）及俄歇電子能譜（AES）等［3–4］。

宏觀分析包括力學(xué)性能分析、熱分析、電學(xué)性能分析、光電性能分析、物理結(jié)構(gòu)分析等，涉及到的典型分析儀器有差式掃描量熱儀、差熱分析儀、疲勞試驗(yàn)機(jī)、熱重分析儀、顆粒度分析儀、比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析儀、孔隙度分析儀、比表面積測定儀、孔徑分析儀等［4–5］。

2 典型新材料研究用分析儀器市場情況

在材料的形貌分析中，掃描電子顯微鏡（SEM）應(yīng)用比較廣泛［6–7］，據(jù)2018 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其在國內(nèi)銷售額達(dá)5.2 億元。

熱分析儀器也是材料研究用分析儀器的重要組成部分，相關(guān)設(shè)備包括差示掃描量熱儀（DSC），熱重分析儀（TGA），同步熱分析儀（STA），差熱分析儀（DTA），熱機(jī)械分析儀（TMA），動態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）等單一或同步熱分析儀器。2017 年全球熱分析儀器銷售額為5.1 億美元，2018 年全球熱分析儀器銷售額為5.4 億美元，2019 年全球熱分析儀器銷售額為5.6 億美元，到2022 年全球熱分析市場容量預(yù)計(jì)增加至6.5 億美元，復(fù)合年增長率為4.6%。

典型新材料研究用分析儀器2018 年在國內(nèi)的銷售總量統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表1。

表1 2018 年典型新材料研究用分析儀器市場情況

除電鏡類儀器外，表面分析儀器還包括X 射線光電子能譜儀、俄歇電子能譜儀、輝光放電光譜(GDS)儀、二次離子質(zhì)譜(SIMS)儀等。X 射線光電子能譜儀與俄歇電子能譜儀是重要的表面分析儀器，二者通常結(jié)合起來使用［8－9］。這幾類表面分析儀器的主要供應(yīng)商有美國賽默飛世爾科技有公司、日本島津企業(yè)管理有限公司、日本ULVAC–PHI、日本電子株式會社、瑞典VG Sceinta、波蘭PreVac、德國SPECS、（奧地利）Omicron 等，國內(nèi)還沒有企業(yè)在生產(chǎn)。

3 新材料研究用分析儀器技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 向聯(lián)用、原位分析方向發(fā)展

分析測試儀器的聯(lián)用可以大幅提高分析測試的速度、結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性［10–11］。例如，美國珀金埃爾默公司推出了熱重分析與質(zhì)譜聯(lián)用、熱重與紅外聯(lián)用、熱重與氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀聯(lián)用、熱重與紅外、氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀串聯(lián)聯(lián)用、熱裂解儀與氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀聯(lián)用等儀器，可以讓用戶在了解材料物性變化的同時進(jìn)一步了解官能團(tuán)、化合物結(jié)構(gòu)隨之變化的結(jié)果。

分析儀器聯(lián)用、原位分析技術(shù)將兩步或多步操作簡化為一步操作，不僅可消除分析步驟銜接過程中人為操作的誤差，同時滿足多方面分析需求，實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)測量范圍［10–11］，是未來發(fā)展趨勢之一。

3.2 向?qū)Ｓ眯头较虬l(fā)展

材料種類繁多，通用型分析儀器已經(jīng)越來越不適應(yīng)專業(yè)化的需求。在通用型分析儀器的基礎(chǔ)上，簡化其結(jié)構(gòu)，開發(fā)出適用某一具體分析檢測目的的專用型分析儀器，既可降低成本，又可提高分析儀器的可靠性和使用壽命，操作也簡單了許多，例如手持式X 射線熒光光譜儀［12］。

同時，針對單一領(lǐng)域、專業(yè)性的軟件要求越來越高。因此，在通用分析儀器的基礎(chǔ)上研制開發(fā)專用型分析儀器也是今后新材料研究用科學(xué)儀器發(fā)展的一個趨勢。

3.3 向高分辨率和加工型工具的方向發(fā)展

材料分析涉及微觀的觀察和分析，針對電子、離子、原子、分子等微觀粒子的分布、組成、結(jié)構(gòu)等，且隨著研究的深入，對高分辨率儀器的需求越來越廣泛。

電子顯微鏡在新材料研究中的應(yīng)用越來越廣泛。場發(fā)射槍透射電鏡能夠提供高亮度、高相干性的電子光源，因而能在原子／納米尺度上對材料的原子排列和種類進(jìn)行綜合分析［13－14］。目前掃描電鏡主要在微細(xì)加工技術(shù)中作為工藝監(jiān)測、產(chǎn)品檢驗(yàn)和實(shí)效分析的有力工具，但已經(jīng)顯露出作為可視加工工具的能力。例如掃描隧道顯微鏡，在低溫(4 K)下可以利用探針尖端精確操縱原子或分子，實(shí)現(xiàn)對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)［15］，因而在納米科技中既是重要的分析工具又是加工工具。

4 國家立項(xiàng)支持的新材料研究用分析儀器

我國近幾年出臺的資助項(xiàng)目，支持的材料分析儀器多集中在微觀形貌表征檢測分析方面，應(yīng)用于宏觀性能的分析儀器支持項(xiàng)目較少。

例如2017 年科技部出臺的《“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)2017 年度項(xiàng)目申報(bào)指南》中，涉及分析儀器方面的是“納米結(jié)構(gòu)的表征與檢測技術(shù)”；在《“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)2018 年度項(xiàng)目申報(bào)指南》中，涉及的內(nèi)容有“寬光譜高靈敏電子倍增CCD 成像探測器”（高靈敏度顯微鏡、微光探測儀、光譜分析儀等儀器中的應(yīng)用）、“高分辨率多功能原子探針”（原子力顯微鏡、磁力顯微鏡等儀器中的應(yīng)用）、“高速高精度二維掃描微鏡”（在共聚焦顯微鏡、3D 激光掃描儀、微型激光雷達(dá)等儀器中的應(yīng)用）、“寬譜段高分辨中階梯光柵單色器”（在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、原子吸收光譜儀、拉曼光譜儀、原子熒光光譜儀等儀器上的應(yīng)用）等。

統(tǒng)計(jì)2011～2018 年科技部支持的項(xiàng)目，總計(jì)351 項(xiàng)，其中應(yīng)用于材料分析的總計(jì)67 項(xiàng)。涉及材料宏觀性能檢測的有9 項(xiàng)，集中在無損檢測、試驗(yàn)機(jī)、熱分析等方面；涉及材料微觀分析的有58 項(xiàng)，集中在拉曼光譜、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、X 射線衍射儀、紅外光譜儀、電子顯微鏡、飛行時間二次離子質(zhì)譜儀、探針顯微鏡等儀器及其關(guān)鍵部件或關(guān)鍵器件。

5 政策支持方向及支持策略建議

5.1 新材料研究用分析儀器產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)分布

國家出臺政策支持新材料研究用分析儀器，除了經(jīng)濟(jì)效益層面的考慮，還要考慮國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)，從而評估技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大小和項(xiàng)目實(shí)施的可行性。表2 列出了我國新材料研究用分析儀器的典型生產(chǎn)企業(yè)。由表2 可知，在一些典型的新材料研究用分析儀器方面，我國具有一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)，盡管取代進(jìn)口品牌還有較長的路要走，但值得國家、行業(yè)給予重點(diǎn)關(guān)注和支持。

表2 我國新材料研究用分析儀器的典型生產(chǎn)企業(yè)

5.2 新材料研究用分析儀器支持策略

在針對新材料研究用分析儀器制定支持政策時，有如下建議：

（1）支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套?，F(xiàn)階段的分析儀器研發(fā)多處于追趕階段，而我國基礎(chǔ)材料薄弱，有些分析儀器用到的制作材料或結(jié)構(gòu)性材料，國內(nèi)沒有生產(chǎn)或產(chǎn)品質(zhì)量不合格，導(dǎo)致儀器研發(fā)困難，因而需要制定政策支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套。

（2）支持關(guān)鍵部件。材料分析用儀器的某些關(guān)鍵部件我國嚴(yán)重依賴進(jìn)口，其中不少價格高昂，有些還在禁運(yùn)范疇，這嚴(yán)重制約了我國分析儀器的研發(fā)。

（3）持續(xù)進(jìn)行資助。分析儀器研發(fā)周期長，從技術(shù)首創(chuàng)到產(chǎn)品上市，以及產(chǎn)業(yè)化和升級迭代，每個環(huán)節(jié)都很重要，都需要資金支持。對于分析儀器的資助周期應(yīng)延長到能產(chǎn)生穩(wěn)定利潤、自主生存發(fā)展為止。

（4）對技術(shù)人員進(jìn)行定向或?qū)ｍ?xiàng)資助?？茖W(xué)家的想法要通過技術(shù)人員來實(shí)現(xiàn)，原創(chuàng)性科研儀器往往是特別“定制”的單型號“孤品”。很少有企業(yè)會承擔(dān)這種“定制”任務(wù)，一是覺得科學(xué)家們的要求很“怪異”；二是工程化成本較高。因此，原創(chuàng)性科研儀器的研發(fā)需要一支特殊的技術(shù)人才隊(duì)伍。有必要制定相關(guān)政策對技術(shù)人員進(jìn)行定向或?qū)ｍ?xiàng)資助。