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材料检测仪器装备发展研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-12-03  浏览次数:722
核心提示:刘高扬,陶春虎,缪宏博0引言著名科学家王大衍先生指出,机器是改造世界的工具,仪器是认识世界的工具。而我们的至圣先师孔子同
 刘高扬,陶春虎,缪宏博

0 引言

著名科学家王大衍先生指出,“机器是改造世界的工具,仪器是认识世界的工具”。而我们的至圣先师孔子同样说过:“工欲善其事,必先利其器”,足见,如果想更好地认识世界,必须要不断地研究与发展仪器装备。

世界是一个无穷大的多面体,需要不断地探索与观察,从多角度和多方面认识世界,检测正是人们认识世界的重要途径之一。要想通过检测去认识世界,就需要更多更好的检测仪器装备作为技术支撑。例如,法兰表面及近表面检测,目前采用渗透和磁粉检测,而这2种方法效率低,结果误差较大,难以满足国家电网公司对特高压输电项目中钢管塔的法兰盘安全服役的要求,而根据具体检测需求研发的阵列涡流设备具有检测效率高,表面及近表面缺陷检测盲区小,灵敏度高等多种优点,确保了可靠的检测效果[1]。

随着材料检测服务市场日益壮大以及国家政策的持续支持,我国材料检测仪器装备行业遇到了前所未有的发展前景和机遇,凭借勇于创新的精神,大力推进了我国材料检测仪器装备行业的发展,在一定程度上提升了国际竞争力。

尽管如此,我国国产材料检测仪器装备厂商同样面临着激烈竞争,在产品技术、产品性能、技术支持、售后服务、市场运作等方面与国外先进仪器装备相比存在较大差距,部分产品关键技术和核心技术仍受制于人。高档、大型材料检测仪器装备几乎全部依赖进口,中档产品以及许多关键零部件也严重依赖进口,高端仪器装备处于被动状态,依赖进口产品导致我国的检测成本大大提高。

本文从材料检测仪器装备行业和典型应用领域的角度,深入研究了材料检测仪器装备行业的发展现状,对国内典型应用领域的材料检测仪器装备如物理性能测试、化学分析、无损检测以及力学性能测试等仪器装备的发展情况进行了分析,阐明国内材料检测仪器装备技术的发展水平,指出存在的主要问题,并从产业政策、技术以及实施等角度提出了发展思路。

1 国内外检测仪器市场发展分析

1.1  全球检测仪器装备行业发展趋势和特点

全球仪器仪表行业经过了几十年的快速发展,已经形成了不同的层面和特点:

(1)并购扩张,进军新兴市场

全球仪器行业经历了2009年的下滑,2010年的反弹,2011年实现了较快增长,其中在2011年全球仪器市场的一个重大特点就是各公司通过并购实现扩张,促使全球仪器公司布局发生了重大变化,在欧美市场进行裁员的同时,充分开辟出了以巴西、俄罗斯、印度和中国为代表的一片庞大的新兴市场。

2011年,全球知名仪器装备企业积极进军新兴市场。如安捷伦科技有限公司(Agilent)总收入17亿美元中即有25%来自于新兴市场,这一比例在随后的几年被不断的刷新。

(2)重视产品的高端设计,引导产业的发展

国外仪器厂商非常重视科学仪器的高端设计,占领了高端仪器市场。我国以及其他发展中国家的高端仪器严重依赖进口。

(3)加大对科学仪器产业共性关键技术的研发投入,降低企业技术创新的成本。

(4)重视科学仪器产业技术和管理人员队伍的建设,如定期安排培训,制定科学的考核标准、分类制定薪酬标准等。

1.2  国内仪器仪表行业发展

1.2.1  国内检测仪器进出口情况

近年来,随着我国经济的发展,工业的进步,对产品质量水平的不断追求,国内对检测仪器的市场需求越来越大,国内和国际市场持续不断的需求,促使我国检测仪器进出口产品品种、进出口额和进出口量也在不断增加。

2006年以来,我国检测仪器除2009年受总体经济环境影响稍有下降外,不论是进口还是出口数额都在不断增加,但是总体情况是出口额远低于进口额,这就意味着我国很大一部分仪器投资流入到了国外仪器厂家当中。中国环境监测总站的研究指出:“我国整个全国性的监测网络所需购置设备总值估计近28亿元,但是就中国环境保护产业的发展水平来看,符合使用标准和要求的国产产品并不多,届时这28亿的投资当中的70%将会投给国外仪器厂商。”

目前,我国中高档检测仪器依然需要进口,并且比重不断提高,充分反映了我国对各类检测仪器需求极大,而同类国产仪器显然满足不了国内需求。

1.2.2  检测仪器装备市场竞争格局发展趋势

(1)国际市场格局

1)PerkinElmer、Thermo Fisher、Agilent、岛津集团、日立、Bruker Optics、MTS等大企业集团将继续主导国际材料检测仪器装备的市场;

2)中小型材料检测仪器装备企业向“专、精、特”方向发展;

3)通过并购,形成材料检测仪器装备大集团是国际检测仪器产业发展的重要趋势。

(2)国内市场格局

1)高端材料检测仪器装备依赖进口的状况短期内仍难以改变,仍将由国际厂商主导;

2)中小型材料检测仪器装备企业向“专、精、特”方向发展的趋势也必然出现;

3)随着改革开放程度的加深,市场竞争将更加激烈;

4)国内厂商将向中高端产品和服务方向转移,国际竞争力持续提升;

5)体制改革、兼并重组的趋势将愈演愈烈,呈现集团化发展趋势。

1.2.3  国内材料检测仪器装备市场政策导向

根据国家发布的仪器仪表行业发展规划以及产业调整战略预测,未来材料检测仪器装备的应用领域将重点围绕重点工程、战略新兴领域、国民经济和民生重大问题这3个领域展开,主要的发展重点将分布在先进自动控制系统、大型精密测试设备以及新型仪器仪表及传感器方面。

2 国内典型材料检测仪器装备现状

在材料测试领域中,涉及面广,领域交叉纷繁复杂,本文以材料测试方法为分类进行典型仪器装备的现状分析,具体从物理性能测试、化学分析、力学性能测试以及无损检测等仪器装备分别进行分析。

2.1  物理性能测试仪器

物理性能测试仪器常用的有光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、能谱、电子探针等。光学显微镜简便易用,能对平整面进行局部观察,对组织结构进行偏振光分析;扫描电镜的分辨率高,放大倍数高,范同广,景深大,图像的立体感强;另外,用复型的方法将断口形貌拓下,也可用透射电镜对断口的形貌进行分析[2]。能谱和电子探针用于分析材料的微区成分,X射线仪和透射电镜用来分析材料的结构、取向等[3]。

图片1

图1  电子探针显微分析仪 

我国是发展中国家中物理性能测试仪器装备行业最大最齐全、综合实力最强的国家,2007-2011年连续四年实现了20%左右的年增长率,而世界物理性能测试仪器装备的增长率为6%~9%。

我国物理性能测试仪器装备总体有发展,但基本体现在常规检测装备方面,如金相制样设备等,与发达国家相比仍有较大差距,如产品工艺粗糙,外观设计不够人性化,产品耐用性差。中高端产品关键技术依然受制于人,市场几乎完全被国外先进厂家垄断,包括在中端装备中的传感器研发、稳定性和精度方面差距较大。

2.2  化学分析仪器

目前应用较为广泛的、具有代表性化学分析仪器主要包括质谱仪器、光谱仪器、色谱仪器、电化学分析仪器和样品前处理及制备仪器。

图片2

图2  电感耦合等离子体质谱仪

国产化学分析仪器产品在技术水平、品种、质量、自动化、智能化及成套性等方面与国际同类产品水平相比存在一定差距,导致我国化学分析仪器产品进口量多年居高不下。从进口产品性能水平档次分析,中、高档产品所占比例达40%以上。

预计未来五年,石油、化工、冶金、电力等主要用户部门的需求量中,要求具有九十年代后期技术水平的中档成套化学分析仪器占60%、低档分析仪器仅占25%、高档分析仪器占15%。国家及企业的研究机构和技术中心对数字化、智能化、自动化程度较高的分析仪器需求量较大。对高水平分析仪器产品的需求日益增长,但主要依靠进口,如质谱仪、核磁共振波谱仪、色谱仪、色谱质谱联用仪、等离子光谱仪、污水监测仪、气体和烟雾监测仪、高性能荧光光谱仪等。

2.3  力学性能测试仪器

力学性能检测仪器是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器。

图片3

图3  高温蠕变持久试验机

在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中,试验机是一种不可缺少的重要测试仪器。近几年,国内对各类试验机存在着大量需求,这使得国内制造企业的数量持续增多。据不完全统计,2008年,国内生产试验机的厂家不会低于200家,已经形成了一个企业群,其中骨干企业近20家。2010年,100家规模以上企业的工业总产值已达到60亿元人民币,当年市场销售额也已超过59亿元人民币,出口额接近1亿美元。

但是多数企业规模偏小,产品定位低端,关键部件通过进口、外购等方式获得,采用低价策略“分抢”国内市场,竞争十分激烈。如此混乱的市场状态显然不利于我国整个试验机行业发展。高端的液压疲劳机和用于结构试验的大型疲劳机等几乎全部依赖进口。

2.4  无损检测仪器

近年来,随着无损检测技术在我国各个领域应用的普及,涉及的仪器装备已多种多样,既包括超声、射线、渗透、涡流和磁粉5大常规检测仪器装备,也包括红外、激光错位散斑检测等多种其他无损检测仪器装备,得到普及应用的主要是超声、射线和渗透检测这3种仪器装备。

图片4

图4  水浸超声检测系统

目前,我国在各类无损检测仪器装备的研制方面能力均有不足,一方面高端技术未取得突破,相关产品属于空白,另一方面,已有的中、低端技术产品不论在稳定性、精度、信噪比方面与国外同类产品也存在明显差距。以上情况导致我国无损检测仪器装备主要依赖进口,无法自给自足,而且每年消耗大量外汇,规模达上亿美元。

3 我国材料检测仪器产业现存问题

与世界先进国家相比,我国材料检测技术尚有较大差距,虽然在这些年有了迅猛的发展,然而在检测领域内的高、精、尖技术还需要进一步加强,而检测技术提升的最直接表现就是检测仪器装备的发展[4]。我国目前已成为仅次于日本的亚洲第二大仪器仪表生产国,年产值达6000亿,但从整体上看,与国际先进水平相比还有较大差距。国产品牌占有率仅为14%,且主要分布在中低端市场,关键技术受制于人,且制造业、材料业等与科学仪器装备产业密切相关的产业总体水平不高。

3.1  行业及外部环境

(1)行业内低水平重复建设情况严重,恶性竞争加剧

我国仪器装备生产企业规模小、数量多,投入的研发资金和人才较少,不具备规模化优势,市场呈现竞相压价的恶性竞争现象,不仅减少了企业利润,更严重的是由于长期恶性压价,很多企业被拖垮,无法继续投入更多的人力、物力、财力进行创新和规模化发展。

(2)国际市场竞争激烈

我国分析仪器装备市场近年来不断壮大,已经成为很多跨国公司青睐的市场对象,近几年跨国公司在我国市场上也实行压价,范围涵盖所有高中低档产品,我国面临国际跨国公司的严酷竞争。

(3)科研成果产品转化率低

国家科技部相关部门支持了一些分析仪器关键部件的研发,并取得一些科研成果,但是产业化程度低。主要体现在:

1)国家科研创新主要集中在科研院所,注重学术研究和创新,很少将成果向产业转化;

2)由于企业缺乏资金和人才的支持,对科研成果的二次开发能力较弱。

3.2  生产厂家

(1)规模小,企业水平参差不齐,缺少产值大的龙头企业

国内检测仪器装备生产厂家达7千余家,但规模5000万以上企业占比不到20%,几个龙头企业的年产值尽管有十几亿,但检测装备所占的年产值比例很低,如上市公司银星能源2011年营业收入15亿元,但其主要产品包括风电设备制造和太阳能发电制造,而自动化仪表等计量检测设备收入仅占20%;凤凰光学2011年营业收入14.83亿元,检测类的精密仪器仪表收入占不到6%。

(2)研发投入严重不足、企业自主创新能力较弱

资金投入不足,国家科研经费主要投入高校和科研机构,投入企业的较少,企业研发经费主要依靠自筹,导致研究和生产脱离。加之国内市场存在竞相压价的恶性竞争现象,致使企业利润有限,投入到研发部分的资金较少,对于高中端大型仪器装备的研发基本处于空白,甚至连基本的技术改造和提升都难以进行。

(3)缺乏优秀人才,专业人员配套不够,缺乏整体技术能力

我国仪器装备生产企业的经济基础和研发基础较弱,难以吸引优秀人才,有经验的仪器装备研发、应用工程师以及高水平的工程师十分缺乏。

由于人才和资金的不足,创新性的技术成果少,很多企业多是模仿,没有自主创新能力,工艺设计粗糙。

另外,近年来国际著名跨国公司在我国建立基地,不仅高薪挖走我国优秀人才,还兼并收购成长性好的企业,如美国MTS公司在收购原国内一家公司后成立了美特斯公司。

3.3  产品

(1)高档精密检测装备大多处于空白,严重依赖进口

据不完全统计,近年来,我国每年上万亿的科研固定资产投资中,有60%用于装备进口,部分领域高端仪器100%依赖进口,高端仪器依赖进口严重制约了我国科研创新。在一些重点仪器装备领域,目前我国国内很多中档以上仪器装备的关键部件还依赖进口。尤其是涉及军事、材料、生命科学等前沿领域的具有战略意义的科学仪器及关键部件,发达国家一直对我国实行封锁。

(2)国产中端装备性能技术指标低,可靠性差

与国外同类产品相比,国产装备的价格低得多,但普遍存在不稳定、可靠性差的问题,加之国有企业的技改投入一般要求选择成熟产品,导致检验测试机构仍倾向于选择国外产品。性能提升是国产中端仪器装备所面临的首要问题。

(3)低端仪器装备占比大、价值低、同质产品多

国产设备80%以上属于低端仪器装备,出口产品占比更大(几乎100%),同质产品低价甚至出现恶性竞争,盈利能力差,导致企业扩张困难,生产规模普遍偏小,难以催生龙头企业。这种局面需要引起相关部门的关注,引导和帮助相关企业进行结构调整,促进企业转型升级。

4 材料检测仪器产业发展思路

要使我国材料检测仪器装备快速发展,在核心技术上赶超国际先进水平,在产业化上做大做强,形成国际竞争能力,需要在产业政策积极引导推进,技术难题上组织突破,产业协作上形成平台机制等,形成体系化的一揽子解决方案和建立可持续科学发展的长效机制。

4.1  产业政策上积极引导推进

(1)贯彻执行国家关于仪器仪表行业发展战略

全行业将以中高端产品市场为目标,大力加强设计、制造和质量检验能力,使国产产品稳定性和可靠性得到大幅度提高;瞄准国家重大工程和战略性新兴产业,把行业的服务领域从面向传统领域拓展为面向多个新兴领域;大力推进企业结构调整,着力打造若干龙头企业和形成一批具有国际竞争力的骨干企业;加强对已取得成果的持续推进和长期投入,保持核心技术的不断积累,形成行业可持续发展的机制。

(2)坚持以生产企业作为检测装备的研发主体进行国家投入

国家有关部门设立持续性的专项经费,对检测装备的研发给予资金支持,建议慎重筛选,选择一批有创新性、有希望走向国际市场的仪器装备企业和项目,进行持续性支持,推动相关企业工程化研究和核心技术研究,促进产品商业化。

(3)充分利用国家技改资金购置检测装备的杠杆

政府应制定相关政策,对利用国家资金购置检测仪器装备的企业与相关机构进行监督与检查,鼓励在同等条件下优先选购国产检测仪器装备,特别是加大各类科技计划(专项)对自主研发科学仪器的采购力度。

(4)对高中低端检测装备分别制定相应的政策

针对我国材料检测仪器装备高、中、低端的实际情况,分别采取不同的激励政策。

1)高端检测装备:国家科技部门专项投资,组织进行技术攻关;

2)中端检测装备:国家相关部门设立专项经费,组织进行技术和可靠性提升;

3)低端检测装备:制定激励政策引导和帮助企业进行结构调整,促进企业转型。

(5)结合材料检测需求行业发展政策进行产业联动发展

在国家重点工程、新型战略产业发展和民生工程建设时将所需的检测装备需求及技术难题纳入其体系,进行统筹解决,以产业联动促进材料检测仪器装备业的发展。

4.2  技术难题上组织资源突破

(1)成立材料检测仪器装备专项创新基金,促进自主创新

成立专项创新基金,加大自主创新的支持力度,重点支持以下三个方面。

1)对严重依赖进口高端检测装备、关键部件和关键技术,解决有无问题,以解决当前对我实行技术壁垒限制的新型仪器和关键部件,解决国民经济和社会发展急需解决的科学仪器的重大技术问题,以提高设备的精度和可靠性为目标,重点应推进共性关键技术的解决,如新型传感器、一体化集成、便携式、与工业设备集成的在线检测及工业设计技术等;

2)支持产品化,解决进口设备消化创新、科研成果产品化,包括高端军用技术民用化等已有技术的产品化问题;

3)在中高端产品领域,支持企业设计、制造和质量检验能力的提升的技改项目,提高国产产品稳定性和可靠性。

(2)形成解决跨领域技术难题的协作创新机制

依托行业联盟、协会的力量,组织攻克共性跨领域的联合研究团队,促进领域共性关键技术难题的解决,尤其是结合新的检测技术方法和检测标准的制定同时解决所需检测设备的技术问题。

4.3  产业协作上形成平台机制

通过搭建“四个”平台来促进材料检测仪器装备生产企业与测试机构、科研院所等关联单位对接,形成产业协作的平台机制。

(1)一是检测行业公共服务平台,建立材料检测仪器装备生产企业与行业联盟、测试机构(客户)、科研院所等协作平台,促进产业链协作,促进专业分工,减少低水平竞争。首先采用电子商务方式帮助仪器装备生产厂商及时获取并应对检测设备的市场需求,扩大其市场空间,引导生产企业投向战略新兴产业、国民经济亟需方向;其次,建立测试机构和科研院所与仪器装备生产厂商的产业协作机制,测试机构和科研院所及时将设备改进意见、新的检测技术和方法需求协作给仪器装备生产厂商,或以定制的方式生产仪器装备,促进设备改进及新产品研发。同时,促进仪器装备生产配套企业和配套部件的协作。

(2)二是国际交流平台,这是个软平台,以加强国际合作与交流,在进口科学仪器的同时,引进先进设计制造技术,鼓励我国科技人员与国外共同研发检测仪器和设备;

(3)三是投融资平台,促进投资机构与生产企业的对接,促进产业结构调整,为企业创立、兼并、融资上市提供辅导和支持,孵化创新企业,催生百亿龙头企业。

(4)四是行业协会平台,充分发挥现有行业协会如中国分析测试协会、中国仪器仪表协会等行业协会平台作用,搭建信息交流平台,为相关机构、企业和用户提供更加优质的服务。

4.4  需要重点支持领域和产品

(1)物理性能测试仪器装备

1)提高传感器类关键部件的研制能力,促进试验机测量精度的提高;

2)发展介入治疗植入材料的检测仪器,如关节类植入物疲劳试验机、膝关节、髋关节磨损试验机等;支架测试仪器装备重点发展形状记忆合金特性测试仪;

3)重点支持热学测试仪器发展,其中热模拟试验机在我国国内仍属于空白领域,而其对于现代钢铁材料的技术创新不可或缺,需要优先解决;

4)以量大面广的扫描电镜作为突破口,以解决微观组织检测高端仪器处于空白的问题。

(2)化学分析仪器

1)重点突破解决光栅、CCD、四级杆、色谱柱、固相微萃取装置、微波消解及微波辅助萃取装置、超临界流体萃取装置等关键核心技术。

2)重点发展ICP质谱仪、ICP全谱光谱仪、高效液相色谱仪、激光光谱仪、X射线光谱仪、电化学传感器等设备。

3)对于我国有自主知识产权优势的分析仪器,如原位分析仪、原子荧光光谱仪、激光光谱仪等,加大支持力度,促使其实现产业化,扩大国际领先优势,将技术优势转化为产业优势。

(3)力学性能测试仪器装备

重点发展与国外差距较大的中低频(150Hz以下)液压疲劳机的研制,尤其在控制系统、液压系统、密封技术等方面开展技术研究。

开发研究超高频(1000~3000Hz左右)疲劳机。

(4)无损检测仪器装备

1)超声检测装备领域重点发展超声检测仪器的相控阵技术,而高性能超声检测探头和相控阵探头,是检测系统的关键部件,往往决定着整个系统的检测能力。个别厂家探头制造水平虽已接近国际先进水平,但仍未能满足涉及国防建设的高端装备检测需求,需从技术研发和产业化方面给予支持,使其具备国家关键装备保障能力。

2)重点发展高端、高性能的数字射线检测系统,同时促进常规射线检测系统的性能和稳定性的提高和产业化提升。数字射线检测系统的应用和推广是射线检测领域的发展趋势,目前国内基本没有成熟产品,主要依赖进口。常规射线检测系统市场需求量大,但国内设备的性能和稳定性与国外设备仍有差距。

3)重点发展静电喷涂渗透检测设备的研发,国内尚无生产渗透检测静电喷涂装备的厂家,国内市场被国外厂家占据,急需填补国内空白。

5 结束语

材料检测仪器装备的发展能够更好地促进科学研究。没有先进的仪器装备,很多检测实验和研究都无法进行,科技创新也会遭遇阻碍。

材料检测仪器装备的发展,在生产领域,能够促进工业生产效率提升、降低劳动强度、提升自动化水平、改善产品工艺、增加产量等;在军事领域,能够促进我国科技军事技术的进步;在日常生活中,能够为人们的生活提供安全保障。

当今材料检测仪器装备行业的首要任务就是摆脱相关产品严重受制于人的局面,其有效途径积极推动和引导产业政策积极,组织突破技术难题,形成产业协作平台机制等一揽子解决方案和建立可持续科学发展的长效机制,推动材料检测仪器装备行业的自主创新能力,提升国产材料检测装备水平。

 

 
 
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