新材料研究用分析仪器政策支持方向建议

王郅媛，孙立桐，吴爱华，杨鹏宇

（1.北京科学仪器装备协作服务中心，北京 100035； 2.中国仪器仪表学会分析仪器分会，北京 100085）

材料在人类发展过程中有不可替代的作用和地位。材料过去是、今天是、将来也必然是一切科学技术发展的先导和柱石［1］。

新材料与传统材料之间并没有截然的分界，新材料在传统材料基础上发展而成，传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。材料科学研究特别是新材料研究离不开分析仪器，目前我国高档、大型材料检测仪器设备几乎全部依赖进口，中档产品及许多关键零部件也严重依赖进口［2］。一旦国外禁运将严重影响我国新材料产业的生存与发展。因此调研新材料研究用分析仪器，并对其进行政策扶植有着重要战略意义。

1 分析仪器在材料研究中的应用

新材料研究中不同的分析内容用到的分析仪器有所不同。

微观分析包括元素分析、化学价键分析、结构分析、形貌分析、表面与界面分析等，涉及到的典型分析仪器包括电感耦合等离子体–发射光谱（ICP–AES）仪、电感耦合等离子体–质谱（ICP–MS）仪、原子吸收光谱仪、荧光光谱仪、光电直读光谱仪、X射线光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、激光拉曼光谱仪、核磁共振波谱分析仪、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）、X 射线光电子能谱（XPS）及俄歇电子能谱（AES）等［3–4］。

宏观分析包括力学性能分析、热分析、电学性能分析、光电性能分析、物理结构分析等，涉及到的典型分析仪器有差式扫描量热仪、差热分析仪、疲劳试验机、热重分析仪、颗粒度分析仪、比表面积和孔结构分析仪、孔隙度分析仪、比表面积测定仪、孔径分析仪等［4–5］。

2 典型新材料研究用分析仪器市场情况

在材料的形貌分析中，扫描电子显微镜（SEM）应用比较广泛［6–7］，据2018 年数据统计，其在国内销售额达5.2 亿元。

热分析仪器也是材料研究用分析仪器的重要组成部分，相关设备包括差示扫描量热仪（DSC），热重分析仪（TGA），同步热分析仪（STA），差热分析仪（DTA），热机械分析仪（TMA），动态热机械分析仪（DMA）等单一或同步热分析仪器。2017 年全球热分析仪器销售额为5.1 亿美元，2018 年全球热分析仪器销售额为5.4 亿美元，2019 年全球热分析仪器销售额为5.6 亿美元，到2022 年全球热分析市场容量预计增加至6.5 亿美元，复合年增长率为4.6%。

典型新材料研究用分析仪器2018 年在国内的销售总量统计结果列于表1。

表1 2018 年典型新材料研究用分析仪器市场情况

除电镜类仪器外，表面分析仪器还包括X 射线光电子能谱仪、俄歇电子能谱仪、辉光放电光谱(GDS)仪、二次离子质谱(SIMS)仪等。X 射线光电子能谱仪与俄歇电子能谱仪是重要的表面分析仪器，二者通常结合起来使用［8－9］。这几类表面分析仪器的主要供应商有美国赛默飞世尔科技有公司、日本岛津企业管理有限公司、日本ULVAC–PHI、日本电子株式会社、瑞典VG Sceinta、波兰PreVac、德国SPECS、（奥地利）Omicron 等，国内还没有企业在生产。

3 新材料研究用分析仪器技术发展趋势

3.1 向联用、原位分析方向发展

分析测试仪器的联用可以大幅提高分析测试的速度、结果的准确性和重复性［10–11］。例如，美国珀金埃尔默公司推出了热重分析与质谱联用、热重与红外联用、热重与气相色谱–质谱联用仪联用、热重与红外、气相色谱–质谱联用仪串联联用、热裂解仪与气相色谱–质谱联用仪联用等仪器，可以让用户在了解材料物性变化的同时进一步了解官能团、化合物结构随之变化的结果。

分析仪器联用、原位分析技术将两步或多步操作简化为一步操作，不仅可消除分析步骤衔接过程中人为操作的误差，同时满足多方面分析需求，实现宽动态测量范围［10–11］，是未来发展趋势之一。

3.2 向专用型方向发展

材料种类繁多，通用型分析仪器已经越来越不适应专业化的需求。在通用型分析仪器的基础上，简化其结构，开发出适用某一具体分析检测目的的专用型分析仪器，既可降低成本，又可提高分析仪器的可靠性和使用寿命，操作也简单了许多，例如手持式X 射线荧光光谱仪［12］。

同时，针对单一领域、专业性的软件要求越来越高。因此，在通用分析仪器的基础上研制开发专用型分析仪器也是今后新材料研究用科学仪器发展的一个趋势。

3.3 向高分辨率和加工型工具的方向发展

材料分析涉及微观的观察和分析，针对电子、离子、原子、分子等微观粒子的分布、组成、结构等，且随着研究的深入，对高分辨率仪器的需求越来越广泛。

电子显微镜在新材料研究中的应用越来越广泛。场发射枪透射电镜能够提供高亮度、高相干性的电子光源，因而能在原子／纳米尺度上对材料的原子排列和种类进行综合分析［13－14］。目前扫描电镜主要在微细加工技术中作为工艺监测、产品检验和实效分析的有力工具，但已经显露出作为可视加工工具的能力。例如扫描隧道显微镜，在低温(4 K)下可以利用探针尖端精确操纵原子或分子，实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础［15］，因而在纳米科技中既是重要的分析工具又是加工工具。

4 国家立项支持的新材料研究用分析仪器

我国近几年出台的资助项目，支持的材料分析仪器多集中在微观形貌表征检测分析方面，应用于宏观性能的分析仪器支持项目较少。

例如2017 年科技部出台的《“纳米科技”重点专项2017 年度项目申报指南》中，涉及分析仪器方面的是“纳米结构的表征与检测技术”；在《“重大科学仪器设备开发”重点专项2018 年度项目申报指南》中，涉及的内容有“宽光谱高灵敏电子倍增CCD 成像探测器”（高灵敏度显微镜、微光探测仪、光谱分析仪等仪器中的应用）、“高分辨率多功能原子探针”（原子力显微镜、磁力显微镜等仪器中的应用）、“高速高精度二维扫描微镜”（在共聚焦显微镜、3D 激光扫描仪、微型激光雷达等仪器中的应用）、“宽谱段高分辨中阶梯光栅单色器”（在电感耦合等离子体发射光谱仪、原子吸收光谱仪、拉曼光谱仪、原子荧光光谱仪等仪器上的应用）等。

统计2011～2018 年科技部支持的项目，总计351 项，其中应用于材料分析的总计67 项。涉及材料宏观性能检测的有9 项，集中在无损检测、试验机、热分析等方面；涉及材料微观分析的有58 项，集中在拉曼光谱、电感耦合等离子体发射光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、X 射线衍射仪、红外光谱仪、电子显微镜、飞行时间二次离子质谱仪、探针显微镜等仪器及其关键部件或关键器件。

5 政策支持方向及支持策略建议

5.1 新材料研究用分析仪器产业基础分布

国家出台政策支持新材料研究用分析仪器，除了经济效益层面的考虑，还要考虑国内相关产业的研发技术基础，从而评估技术风险大小和项目实施的可行性。表2 列出了我国新材料研究用分析仪器的典型生产企业。由表2 可知，在一些典型的新材料研究用分析仪器方面，我国具有一定的产业基础和技术研发基础，尽管取代进口品牌还有较长的路要走，但值得国家、行业给予重点关注和支持。

表2 我国新材料研究用分析仪器的典型生产企业

5.2 新材料研究用分析仪器支持策略

在针对新材料研究用分析仪器制定支持政策时，有如下建议：

（1）支持相关产业配套。现阶段的分析仪器研发多处于追赶阶段，而我国基础材料薄弱，有些分析仪器用到的制作材料或结构性材料，国内没有生产或产品质量不合格，导致仪器研发困难，因而需要制定政策支持相关产业配套。

（2）支持关键部件。材料分析用仪器的某些关键部件我国严重依赖进口，其中不少价格高昂，有些还在禁运范畴，这严重制约了我国分析仪器的研发。

（3）持续进行资助。分析仪器研发周期长，从技术首创到产品上市，以及产业化和升级迭代，每个环节都很重要，都需要资金支持。对于分析仪器的资助周期应延长到能产生稳定利润、自主生存发展为止。

（4）对技术人员进行定向或专项资助。科学家的想法要通过技术人员来实现，原创性科研仪器往往是特别“定制”的单型号“孤品”。很少有企业会承担这种“定制”任务，一是觉得科学家们的要求很“怪异”；二是工程化成本较高。因此，原创性科研仪器的研发需要一支特殊的技术人才队伍。有必要制定相关政策对技术人员进行定向或专项资助。