新材料产业化过程各阶段与产业发展超研发阶段

宋锡滨

材料是现代社会发展的支柱之一，关乎着国家发展和可持续创新的源泉，尤其是新材料驱动并成就未来。考察新材料产业化过程的5个阶段和产业发展（超研发）阶段的特点并进行国际比较，有助于我国新材料产业补足短板，集中优势，逐个突破。

材料、能源和信息是现代社会发展的3大支柱，未来的还债经济（医疗、环保）、智能制造、能源科技等发展和应用都和材料密切相关。材料也是科技进步的基础，技术提升的关键，技术变革的里程牌，是关乎着国家发展和可持续创新的源泉，所以說材料驱动并成就未来，新材料尤其如此。

研发、应用新材料既困难又辛苦，总结起来是三高三长：高投入、高难度、高门槛;长研究周期、长验证周期、长应用周期。如果要做材料，不论是研发，还是应用生产，都要做好打持久战的准备，20年以上的时间是最基本的考虑。因为每个过程都要十年磨一剑，没有足够的思想准备、资源投入和信心决心，就不要想去从事材料的工作。

在新材料产业上，中国到底欠缺什么？

以笔者从事材料工作多年的亲身观察，以及国瓷公司多年与国内外的考察交流，明显感觉国外的材料应用企业对材料的理解之深，研究之透彻让人赞叹，尤其是研发投入非常巨大，其中很多企业确定了10年、20年，甚至30年的研发项目。

新材料产业化过程的5个阶段

笔者个人将新材料产业化过程分为5个阶段：预先研发阶段（从0-1）;小试研发阶段（从1-2）;中试产业化阶段（从2-3）;精益量产阶段（从3-4）;精益研发阶段（从4-10）。

最后，还有一个产业发展阶段（10-100），笔者称之为超研发阶段，仍然离不开研发，是前期研发的升级版。

预先研发阶段（从0-1）

这个阶段是对新材料方向的筛选和新材料理论的建立阶段。相比而言，我国在这方面非常欠缺，因为国外的预先研发理念是以市场为驱动，基本紧扣市场前沿和研发尖端，对应用的理解也非常透彻，所以就能够创造出很多新的原创方向和新的理论。在这方面需要长期以市场为驱动的理念渗透到预先研究逐步积累而成，而我国目前是以客户、技术尖端为驱动，因而很难去研究和考虑一个行业未来几十年的发展趋势和可能的方向。

从与日本科学家的交流中，笔者体会到能看多远，就要有多高的格局，只有心存高远才能站得高看得远。所做的方向越是能够体现科技进步、社会发展和人民幸福，那么这个方向才是正确的和有远景的项目，而不是把个人荣辱、自身利益和竞争隔阂放在首位，这样才能看到20年，30年或者更长久的项目。这些科学家通过几十年的努力，带领研究团队把一个行业发展到世界第一，并占据近30%-50%的市场份额，不停地引领这个行业前进，因为他们的眼光不是要完成当前的任务，而是放在未来发展的引领和开拓上。

基础性、理论性、系统性和模型性研发都属于这一阶段。其实近20年来，我国的进步已经很大了，但和发达国家相比我们依然有很大的差距，甚至有些差距还在加大。例如2016年初的日本第一届高性能陶瓷展，就让笔者惊叹不已。日本企业研发投入之大，投入之深已经远远超出我们的想象。在他们看来，从0-1的预先研发，是对现有研发和应用研发的基础支撑，在2000年以后质变的结果显现出来，多次获得诺贝尔奖就是体现。

预先研发如果成功，其价值就比较大，贡献也比较大，但出成果较慢，成功几率较小，投入却较大。所以，对我国企业来说，投入要十分慎重，要规划好，在合适的发展阶段才能进行这方面的工作，要更多借鉴国外研发的经验。当然，到了一定阶段，必须适当进行预先研发，否则就很难保持自己的技术和方向的领先。

国瓷材料最初前5年的发展，在这方面的投入几乎为零。因为先要解决生存问题，5-10年阶段投入也不多，但对于自己核心的水热技术进行了一些工作，使得来后很多产品能够有效进行水热法的拓展。而随着公司的发展，有些产品和技术已处于世界前列，所以在10-20年阶段，会选择一些对自己产品和技术有重大支撑作用的方向适当做预先研发。

小试研发阶段（从1-2）

本阶段的材料研发，我国还是比较强的。院校、研究院所等做得不错，因为容易书写更多影响因子比较高的论文，也符合现有的绩效考核导向。很多技术、产品及方向，我国已处于世界领先的水平。我国的研发更偏重配方、体系和材料自身的研发，而与之相配套和促进的设备研发、工艺研发却很薄弱，很大原因可能是不易书写高影响因子的论文，而德国、日本在这方面是有优势的。

材料、工艺和设备研发是密不可分的，设备是工艺和材料载体，而又是为材料和工艺实现服务的。这几个方面的关系是三角形，只有形成闭环，小试研发才有意义，而缺少任何一个方面都是行不通的，要想把这几个方面都研发好，必须具备以下几个条件：

一是要有能够共同研发（材料、工艺和设备）的思想;

二是要有工业化的思维，必须了解工业化到底是如何实现一个产品的;

三是要清楚小试到工业化到底是什么样的联系。

后两点对于我国院校和研究院所仍非常困难，出现院校、研究院的研发与工业化脱节的现象。扭转则需要在未来新材料产业化方面多做工作，一旦建立起思维模式、研发方法，才会使我国整体研发能力在10年内有很大提升。

设备和工艺研发实际上并不像大家认为的那么简单，只靠聪明才智、只靠见多识广、只靠经验积累都难以实现。需要对几乎所有类型的设备原理、构造进行系统的学习和研究才能明白，只凭想象的东西与实际规律差异很大，甚至是相反的。比如，设备传热原理、搅拌原理、热效应原理、过滤原理、干燥原理，只有对每一类设备的四懂三会（懂原理、构造、用途和性能，会操作、维护和排除故障），才有可能开始去做设备设计、设备研发。

再如大学学习的化工原理，在某一阶段是适用的，但对于小试研发及其以后的阶段就不适用了。其实，原理没有变，实际并没有体现出设备都是为工艺和材料服务的理念，更没有说明如何进行体现及与设备关联，而这一点对于研发就太重要了，很多研发人员竟没有注意和意识到这个问题。德国的研发体系对这方面的阐述就很明确，对装备的认识比我们深刻得多。

笔者花很多时间和精力在设备和工艺研发方面进行积累，甚至从抄写设备说明书开始。结果发现，研究的东西越多，需要与材料、工艺融会贯通的东西就越多，这其间的联系是没有多少书籍可做参考。但日本却可以找到很多这方面的书籍，即使有些出版社赔钱也坚持出版，因为这才是工业之光，是研发不可或缺的。

中试产业化阶段（从2-3）

很多人一直认为中试和放大阶段只是企业的事情，实际上这个阶段与小试息息相关，而且也是小试阶段就要开展的。

还有就是大家对于中试和产业化的概念有不同认识。在我国，大部分人认为在小试基础上放大数量就是中试。但实际上在国外，放大到同样大小的工业装置才是中试，而所谓的产业化是在同样大小的工业装置上连续稳定进行生产。这也是国内大部分实验室技术很难产业化的原因。因为中间环节做得比较差，甚至不知道如何进行。实际上，这个环节牵扯到的研发非常多，如人机料法环测的全方位，还包括产品的放大效应。这个阶段不是倍数相似效应，而是非体积相似效应、动力相似效应、流体相似效应，甚至有一些是多个动力相似效应的复合。

而在这个方面国内的研究工作非常薄弱。所以，我国好的小试技术看似不少，但是由于这些技术在研发时工业化思想引入的不足，后期放大效应又做得不好，好的技术只能束之高阁了。

所以，这个方面就成为新材料产业化的另一个短板和关键。要想改变，比较现实的做法就是让有能力的企业多参与新材料产业的前期小试阶段。另外，也应该在高校建立工业放大的学科进行推广和宣导，让更多未来的研发工程师学会这样的思想和方法，这方面需要企业进行有效的配合和参与。

小试可分三个层次：首先要用可以实现工业化的小试参数范围去试验，如果出不了满足性能的产品，就进行第二个层次，使用可改造工业化设备的小试拓展参数去试验。如果仍出不了满足性能的产品，就进行第三个层次，使用可重新设计工业化设备的小试拓展参数去试验。这样就可以大大缩短小试到中试产业化的进程，并有效控制产业化过程。

精益量产阶段（从3-4）

产业化完毕后，能够批量生产出产品，很多企业认为就差不多了，或万事大吉了，但实际上离稳定生产还有很长的一段距离，这个阶段就是精益量产阶段。如何来保证产品的良率，如何一年四季、白天黑夜都是稳定的，又有很多工作要做，这个就是另一个影响新材料产业发展的瓶颈和关键因素，也是很多国外企业诟病中国材料的地方。说中国材料不稳定，这一批和上一批难说是一批产品。

国瓷材料几乎花了10多年才理解到底什么是“稳定”。

首先，要认识什么是稳定。

稳定实际上就是人机料法环测全质量的稳定，而不仅仅是狭隘的工艺和设备参数不变的稳定。简单地说，当设備发生老化时，按照原来参数所反映出来的，已经不是设备真实的参数了，工艺和设备参数稳定就变成了不稳定。

以环境为例，10摄氏度和40摄氏度的温度，设备稳定性也是不同的。稳定一定是人机料法环测全质量的稳定才是真正的稳定。

其次，材料物化指标稳定或者偏差很小就是稳定吗？

一种材料的指标分为：物化指标、功能性指标和应用指标，必须是以应用指标稳定才是最终的目标和目的。材料物化指标几乎没有变化，而应用指标发生很大变化时仍是不稳定的。所以，产品检测就要分为性能检测（物化指标和功能性指标）和应用检测两部分。有能力的企业一定要多做物化指标和功能性指标与应用指标关联的研究，只有这样才知道什么样的材料物化指标和功能性指标才是应用最好的材料，材料物化指标和功能性指标变化多少对应用指标有多大的影响，才能确定人机料法环应有参数和工艺窗口有多大，以上这些都是精益量产阶段进行的研发和优化。

国外有的企业，除工业化思想外还把它关联和影响的研发理念应用到小试和中试阶段，例如APQA（先期产品质量策划）， DFMEA（设计失效模式分析），这样在小试和中试研发阶段就进行了这方面的研发，使得精益量产阶段的时间也大幅缩短。但国内还有一种现象就是什么都围绕着工具来进行，而忽略了工具是加速器和催化剂，所以变成了为工具而工具了，看似使用了工具但效果却比较差。

再次，中国材料被贴上了“不稳定”的标签。

向国外客户推销中国材料，一开始是非常困难的。因为中国材料在国外早已经被打上了“不稳定”的烙印，与其说是推销产品，不如说是改变国外对中国材料的不良印象，其中的难度可想而知，痛苦非亲历者难以体会。

改变是必须的，也是缓慢的。每一个企业不仅代表的是自己，而且代表的还是中国。这需要每一个中国企业从一点一滴做起，即使很艰难，也决不能放弃。

精益研发阶段（从4-10）

建立全世界或全行业为之研发的平台就是精益研发，这样的研发方式是比共建研发（与代表技术和行业方向的客户共建研发）和杂化研发（协同发生化合作用的研发）更高层次的研发。当然，还会有更高层次的研发，笔者目前还搞不清它应该是一个什么样子，姑且称之为超研发。精益研发是建立在精益生产基础上，与之相互紧密相连的一种研发方式，它的放大效应是非常强的，在很多方面都可以产生质变和飞跃。

精益量产思想在现有经济下滑阶段是非常重要的。精益生产对日本所谓停滞的20年影响巨大。2008年，笔者在清华大学学了2年的精益思想，给了我很大的触动和震撼。

当时特别想把这里面的很多思想应用到国瓷材料的生产中去。进行了半年应用，才发觉国瓷材料的基本条件并不具备，人员的基本素养不足。国瓷材料还在生存发展的边缘，而不是在发展完善阶段，那时正值学习结业，而倒数第二堂课是号称大野耐一的一位徒弟上的一堂课，让我陷入了深思。他整堂课都在讲精益生产的局限性和缺点，才这让我从疯狂学习精益思想的热情中冷静下来。他当年预测精益生产用的比较好的丰田还会很好地存在，而索尼会走下坡路，就像他说的日本精益生产可以挖掘的潜力已经很小了，如果不把创新独立于精益体系之外，创新会受到很大的限制。而丰田早早地看到了这一点，建立起强矩阵结构而把全部的研发看似在精益思想体系内但独立运转。如果不这样做，就会变成两张皮。马自达只独立没有建立强矩阵结构，结果也不妙。

大部分没有独立的索尼，一部分独立为一个研究所而又没有建立强矩阵，就无法发挥其创新竞争力。但索尼近几年的变化，基本是朝着这个方向努力的，做了很多减法和加法，把自身核心竞争技术挖掘出来，并进行放大和发展。索尼之外，很多日本企业做出了类似改变，如日本的半导体行业，基本放弃了后道，而更专注于核心的前道和设备。

从原来的大精益小研发转向大研发小精益，对技术沉淀的积累和战略布局更加重视。其实就是管理的预案。我结业时，正遭遇苹果公司的转型，乔布斯团队在精益思想的基础上提出了平台型精益研发。

现在，中国企业也面临转型。原来靠市场机会和性价比优势带动的发展机遇已经慢慢消失。个人认为，精益思想是目前中国制造业近期有效的解决方案。当然，也要同时学习日本后面应对变化的方法，进行研发创新的独立和扎实积累，并建立强矩阵，在精益做到一定阶段时，让平台的精益研发发挥驱动力，不同阶段相互发挥它们各自的驱动力，在量变中形成质变。

产业发展的超研发阶段（从10-100）

高层次的研发或者姑且称之为的超研发，就是利用科学、量子计算或数学模型建立的研发系统，它由大数据库和原理公式的作为支持、计算和调用，在输入研发信息后，可以计算出或推导出是否可以研发成功、推论出研发过程和输出研发成果，这样就更加节约时间和资源。不用进行大量试验，也可以快速得到结果。这种方式只是笔者设想的一种方式，主要一种新的研发模式，在大量的无机试验数据和工艺方法中建立这样的研发系统。例如，可以建立固相反应的研发系统、水热反应研发系统等，大量的试验过程可以去掉，仅仅做有必要的验证试验就可以。当然，建立这样的研发系统也是个大量试验、大量数据模拟、大量验证完善模型的过程，需要十几年和几十年的积累，但一旦建成基本的研发体系，就将是革命性的。美国基因工程也仅仅是其中的一部分应用而已。

具体来说，需要对新材料产业分类进行再思考。按照材料的研发周期、难度、核心点和应用评价的不同而制定具体计划和措施。从现有认识出发，对材料方向进行10年、20年、30年及30年以上分类，并按照可以确定目标和不能确定目标、只能确定方向三个维度进行再分类。研发核心是设备方面的、基础原料、产业化问题的，还是跨多平台的再行分类，依据以上分类进行布局相关研发主体、资源等。每年进行跟踪，每3-5年评估后，进行调整和优化，逐步实现良性循环和持续改善。

材料行业必须集中优势，逐个攻破。目前，我国科技经费和项目经费注重了平衡发展和多组竞争发展。但这对于材料行业是不现实的。材料行业对于技术的积累和沉淀要求最高，没有捷径可走，更不不能投机取巧。想快速突破，只有集中优势加大投入，做更多和更高效的试验，不停试错，才有可能实现突破，雨露均沾和大锅饭都不行，尤其对新进展的方向。日本对于很多企业或研究所承担新材料方向的支持力度是几十年一贯制，并把很多其他人员、技术等资源协调进去，真正做到竞合、共享和集中资源。

树立新材料研发以企业为主体的思路。按照先进国家的研发经验，很多情况下要以企业为主体，当然这些企业的研发力量都很强，不像中国企业研发只是充门面，很难完全照搬，但可以借鉴。因为以企业为主体能够把工业化思想和市场为驱动的思想带到材料的研发过程中，能够从一开始就种下可能成长为大树的种子，下一步就是如何进行生根发芽。中国企业为了生存和利润最大化，短期效应为先所以形不成注重研发投入的机制，希望寄托在那些有远见卓识、长远布局、认识到创新驱动未来的企业身上。逐步以这样的企业为材料研发的参与者和主导者就非常必要的。不断的积累会让更多企业重视材料，也会使材料产业化走得更快。

另外，对于高校科研院所来说，也要进行许多变革。简要来说，要进行工业化教学，重新梳理研究分类，建立實践平台等。

要大量培养材料匠人。其实，各行各业都需要匠人，材料产业更是如此。早年曾认识一位京瓷事业部长，他烧了30年炉子，在国瓷材料看烧结体发热的颜色就能准确判断实际炉温。我问他如何能练成这样的水平，他说你烧结30年炉子也能这样。实际上，所谓匠人的诞生就是在一个岗位熟能生巧的过程，但中国缺少这样的土壤，没有人愿意在一个岗位上做操作几十年，更没有人重视他们，口头上表面上重视而内心仍认为这是低等的和无关紧要的。中国原创的八级工制度，却被日本学去并发扬光大。材料产业要想做好，没有他途，就是要大量培养材料匠人，与科技人员一样重视，待遇上看齐。企业选拔匠人，要评选先进个人一样重视。很多企业里并不缺少匠人，只是他们的技能没有得到有效传递，也没有动力让他们继续提升技能。这需要从体制上、认识上有大的转变，让更多的匠人脱颖而出，让匠人培养更多的匠人。