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仪器仪表和仪器仪表材料的发展趋势

行业聚焦点中国仪表网2008年03月01日 10:32人气:4369

一、仪器仪表工业的特点、作用和地位

仪器仪表工业不仅当属信息产业,而且是信息产业的基础与源头。仪器仪表技 术,既是现代科技的前沿技术,亦是信息产业的关键技术。现代的一切高新技术, 如航空航天、宇宙开发、遥感遥测、生物工程、医疗医药、环境保护、新材料等科 技领域,以及各类科学实验,无一不是直接依靠仪器仪表来实现或完成的。   

在工业化时代,仪器仪表是作为发展大产业和保证产品质量的工具而受到影响 的。可随着信息时代、知识经济时代的来临,仪器仪表便逐渐超越了一般工具的范 畴,变成了支撑人类有序。高效生产活动与现代社会生活的物质基础,成为了推动 信息社会和知识经济发展的技术保障。

二、仪器仪表工业的发展动向

1、仪器仪表产品的高科技化,必将成为日后仪器仪表科技与产业的发展主流 ,世界近二十年来,微电子技术、计算机技术、精密机械技术、高密封技术、特种 加工技术、集成技术、薄膜技术、网络技术、纳米技术、激光技术、超导技术、生 物技术等高新技术获得了迅猛的发展。这一背景和形势,不但地仪器仪表提出了更 高更新更多样的要求,如要求速度更快、灵敏度更高、稳定性更好、样品量更少、 检测微损甚至无损、遥感遥测遥控更远距、使用更方便、成本更低廉、无污染等等 ,同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力,并成了仪器仪表进一 步发展的物质、知识和技术基础。尤其需要指出的是:近十年来,由于包括纳米级 的精密机械研究成果,分子层次的现代化学研究成果、基因层次的生物学研究成果 、新型传感器技术与智能化技术研究成果,以及高精密超性能特种功能材料研究成 果和全球网络技术推广应用成果等在内的一大批当代最新科技成果的竞相问世,使 得仪器仪表领域发生了带根本性的变革——这些新成果,不仅成了现代仪器仪表及 其产业赖以生存与发展的土壤、基础、支撑与动力,而且还正在迅速改变仪器仪表 的工作原理与本质特征,并使其具备和拥有了传统仪器仪表根本无法企及与实现的 众多的、全新的、超高的功能。可以说,现代仪器仪表产品已成为最具典型性的高 科技产品。目前,它不但已经完全突破了传统的光、机、电的框架,向看计算机化 、网络化、智能化、多功能化的方向迅速发展;而且由于大量采用高新科学技术的 研究成果,跨学科的综合设计、高精尖的制造技术与严格科学的实际应用,因而使 得它还正朝着更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取被分析、检测、控制对象全 方位信息的方向阔步前进。能过以上分析可以看出,高科技化不但是现代仪器仪表 的主要特征,而且是振兴仪表工业的必由之路,也是新世纪仪器仪表及其产业的发 展主流。   

2、伴随现场总线的问世,过程测控仪表发展历程出现了重大转折和难得机遇   目前,现场总线已成为全球自动化技术的热点。现场总线是用于现场智能化仪 表与控制室之间的一种开发、全数字化、双向、多站的通信系统。它的产生,既是 广大用户的实际需求、制造厂商间的技术竞争的结果,也是计算机技术、通信技术 和控制技术在工业控制领域相结合的产物。现场总线的出现,为仪器仪表的更新换 代、产品升级,以及实现进一步的高精度、高性能(特别是多参数在线实时测控与 自动测控)、高稳定、高可靠、高适应性、多功能、低消耗等,提供了巨大动力和 发展空间。   

3、应用领域,特别是非传统应用领域的进一步拓展,为仪器仪表工业的持续 发展注入了新活力、新动力回顾仪器仪表工业的发展进程,可以清晰地看出:时至 今日,仪器仪表的应用范围已经覆盖了人类活动的所有领域;并且正从传统的化学 成分分析、物理量检测、机械量测量、天文地理观测、工业生产过程自动控制、产 品质量测控等传统应用领域,进一步向生物医学、生物工程、生态环境等非传统应 用领域扩展;同时,随着新世纪高分子化学、分子生物学、生命科学、临床医学、 药学、材料、环境监测与控制等高新科技与产业的发展,仪器仪表的应用领域还将 获得更为迅速的拓展。例如,去年在匹兹堡召开的国示化学与应用光谱学学术会议 上,就提出了有关人体“综合形态分析”的概念,并希望尽快研制与开发出可“直 接”观察人体各组成部分及其化学成分图象的仪器仪表系统。可以说,现代科技的 进步,使仪器仪表的应用领域越来越广阔,越来越深入。这一切,无疑为仪器仪表 的进一步发展提供了又一强大动力,并展示了光明美好的前景。   

4、仪器仪表产品的总体发展趋势是“六高一长”和“二十化”   纵观历史,剖析现状,展望将来,可以得出如下的结编:日后,传统的仪器仪 表将仍然朝着高性能、高精度、高灵敏、高稳定、高可靠、高环境和长寿命的“六 高一长”的方向发展。新型的仪器仪表与元器件将朝着小型化(微型化)、集成化 、成套化、电子化、数字化、多功能化、智能化、网络化、计算机化、综合自动化 、光机电一体化;专门化、简捷化、家庭化、个人化、无维护化,以及组装生产自 动化、无尘(或超净)化、专业化、规模化的“二十化”的方向发展。在这“二十 化”中,占主导地位、起核心或关键作用的是微型化、智能化和网络化。

三、仪器仪表工业的发展对仪器仪表材料的要求

仪器仪表材料,不仅对制造仪器仪表及其他高科技产品来说,是必不可少的; 而且对它们的性能起着关键的、决定性的作用。可以说,仪器仪表材料是仪器仪表 工业的先导、信息产业的源头、人类文明的基石;也是一切高新技术的物质基础、 推进各类科学研究的必备条件、支撑现代社会进步的坚强柱石。现代仪器仪表工业 的发展,对仪器仪表材料提出了日益多样、日益苛刻的要求。尽管不同的用户、不 同的使用场合与条件,对同一或不同种类的仪器仪表材料产品有着不同的要求(而 且其差异甚大),但亦有共同之处,那就是:要求特别高——无论是在使用性能、 外观质量,还是在品种、规格、数量及其他方面都是如此。归纳起来,有关要求主 要有五:   

其一:要求仪器仪表材料产品的性能必须达到国际标准或国外先进标准的水平 。例如,其火力发电厂在技术的改造中需用温度传感器1000余支、压力变送器715 支。前者包括:锅炉等设备温控热电偶(精度0.5%)、0-600℃测温用铂电阻(精 度0.2-0.5%)和在100℃以下使用的铜电阻三种。由于国内生产的这三种产品均已 达到国际标准或国外先进标准,完全能满足使用要求,故不再进口;可后者则因国 产品半数达不到国际标准或国外先进标准,故仍从国外进口了50%。   

其二:要求仪器仪表材料产品必须进一步具有轻、薄、细、短、小、微、高纯 等特征,以满足小型化、粉体化、纤维化、薄膜化、多也化、复合化、多功能化、 智能化、型材化和材料元件一体化的要求,从而全方位地适应新型仪器仪表与元器 件小型化、轻量化、薄型化、数字化、智能化、网络化、多功能化和组装生产过程 自动化等各种需要。例如,由于国产的电子浆料、厚膜与薄膜材料、微细粉、超薄 带、复合材料等产品,在品种、规格、材质等方面的水平,往往低于国外,达不到 使用要求,故用户大多通过进口满足需求。“轻、薄、细、短、小、微”,既体现 了用户对仪器仪表材料及其制造装备与工艺水平的要求,又反映了仪器仪表元器件 的发展趋势。例如1998年,世界片式化元器件的产量已达3000亿只以上,品种约有 3万种。现在,日本电子元件的片式化率已高达60-70%,其体积也由原来的3.2×1 .6mm缩小到1.6×0.8mm,甚至到1.0×0.5mm。我国目前在地震石油探矿仪上使用的 上万支二、三极管,其体积也只有芝麻粒大小。   

其三:要求仪器仪表材料产品在性能、品质和价格方面必须具有高性能、高可 靠、高稳定、高环境适应性、长寿命、品质均一和低成本的特点。事实表明,我国 仪器仪表材料产品往往难以达到这一要求。这也是国产仪器仪表材料产品通常存在 的主要问题,亦是不少材料需要进口的主要原因。尤其应强调的是材料的品质均一 性。因为这是实现元件一致性的前提。只有当不同批号、不同炉号和同一炉号锭头 锭尾的材料都具有良好的性能一致性)即品质均一性)时,才能保证制造出来的元 件亦具有良好的性能一致性。在这一点上,其实并不存在什么深奥的理偏问题,然 而它恰恰是一个常常遇到的非常难以解决的现实问题。这既是我国仪器仪表材料科 研与新品开发领域中的热点、焦点、难点所在;亦是仪器仪表材料各主要产品能否 尽快实现工程化、规模化、产业化的关键所在。   

其四:要求仪器仪表材料产品在尺寸、板型、平直度、翘曲度、粒度、加工成 型性等方面必须达到进口产品或进口实物的水平。或者说,要求仪器仪表材料产品 必须具有尺寸精度、平直度、光洁度高;加工成型性佳;形状与尺寸稳定性好等特 征。仪器仪表材料的许多品种,甚至包括若干科技含量甚高的新产品,国内企业都 能生产,但往往由于在上述几方面不能达到国外产品的水平,因而迟迟无法大规模 投产。因为,这方面的问题不能解决,不但会大大影响仪器仪表和元器件的使用性 能;而且也无法适应现代仪器仪表与元器件制造新技术与新工艺的要求。例如,我 国目前每年需要的汽车用高性能灯丝共约数十亿米。但是,由于国产灯丝在尺寸、 翘曲度、加工性等方面满足不了生产与使用的要求,再加上灯泡加工制造技术落后 ,因而我国大部分国库车灯性能不佳,后不得已改用日本、德国进口产品。   

其五,要求仪器仪表材料产品必须适应国际化的崭新形势,满足国际化的种种 要求。今天,全球经济一体化风起云涌,我国改革开放高潮迭起,外资企业与国外 产品大量拥进中国和中国市场,中国已成为国际市场的一部分。在这种背景下,我 国国民经济各主要领域都先后大量引进国外仪器仪表和元器件,从而使我国仪器仪 表行业面临着严峻的挑战;国产仪器仪表产品受到强烈的冲击——其性能、质量、 包装、价格、交货期、售后服务等各方面都务必全部达到国际化的要求,符合国际 标准的规定,否则,产品便会失去市场,企业便难以立足。尤其是在加入WTO后, 技术密集型的、包括仪器仪表材料在内的仪器仪表行业,无疑将受到进一步的、更 大的冲击。所以,仪器仪表材料产品只有在适应前述四项客观要求,并满足国际化 的需要后,才能在风云变幻无穷、竞争极其激烈的全球性市场竞争中,求得一席之 地,获得生存与发展的空间。

四、新型仪器仪表材料的特点及其科技成果“五化”的内涵

新型仪器仪表材料产品与产业具有一系列引人注目的特点,那就是:科技水平 高、技术高度密集、更新换代较快、研究开发投入大、保密性强、产品附加值高、 生产与市场具有强烈的国际性、产品质量与性能在市场中具有决定性的作用等。   

要想加速新型仪器仪表材料的研究开发,满足现代仪器仪表与元器件提出的苛 刻要求,适应仪器仪表工业迅速发展的迫切需要,仪器仪表材料与元器件提高度重 视并集中力量狠抓仪器仪表材料科技成果的“五化”,即:产品化、商品化、工程 化、产业化与国际化。这“五化”各有特点与侧重,并相互渗透与关联,有的还互 为因果。在“五化”中,产品化是前提,商品化是方向,工程化是手段(措施、方 法),产业化是核心,国际化是目标。所谓国际化,是指成果与产品,应能适应国 际市场的需要,尤其是应适应我国加入WTO后的新形势的需要。具体地说,就是无 论其科技水平、技术含量、内在质量、使用性能、市场需求,以及价格、交货期、 售后服务水平等,均应得到国际社会与国际市场的公认,或者说,具有国际信誉度 和竞争力。

五、仪器仪表材料与材料科学的发展趋势

日超高科技化、国际化的现代仪器仪表工业,对仪器仪表材料提出了日益繁多 、苛刻,甚至全新的要求。这对仪器仪表材料行业来说,无疑是一次严峻的挑战, 也是一次难得的机遇。面对现实,决策多多。其中,最关键的一条就是要看力推进 新型仪器仪表材料的研制与开发。为此,就务必密切关注并随时把握21世纪包括仪 器仪表材料在内的全球材料科学的发展趋势。只有这样,才能确保科技成果和产业 化成果具有实用性、新颖性、先进性、前沿性和竞争性;只有这样,也才能有效地 加速科技成果的产品化、商品化、工程化、产业化与国际化。   

纵观仪器仪表材料科技与产业,以及材料科学的发展历程,可以看出,包括仪 器仪表材料在内的全球材料科学的发展趋势主要有十方面:1.结构材料趋向结构功 能化,或者说,结构材料向结构功能材料的方向发展。2.功能材料趋向功能多样化 ,或者说,功能材料由单一功能向多功能材料的方向发展。3.一般功能材料朝超功 能材料,即朝智能材料的方向发展,或者说,被动型的功能材料朝主动型的智能材 料方向发展。4.在结构层次方面,由宏观尺寸的材料向细观、介观(亚微观)、微 观尺寸的材料方向发展。5.在材料成品方面,由常规材料产品向具有轻、薄、细、 短、小、微、高纯等特规、特纯材料产品的方向发展。6.在材质方面,由单一材质 的材料向多种材质的材料,或者说,由均质材料向非均质的复合材料的方向发展。 7.在复合材料方面,由简单复合材料向复杂体系复合材料的方向发展——这是跨世 纪材料科学发展的重要趋势,应该给予特别的关注。今后,多功能复合、仿生复合 、智能复合、梯度复合、纳米复合、分子复合等可能形成新的研究与开发热点;通 过纤维(晶须)复合、颗粒复合、多相复合等方式使材料补强、增韧,仍然保持良 好的发展势头;低维、非线性、无序和非平衡态等,将为开创新型高性能和多功能 复合材料提供新思路;物理学和化学中的新概念,亦将为复合体系复合材料提供新 的机遇。8.生物材料的阔步发展,将使之成为材料领域中的新的重要领域,并为人 工器官和人体替代材料提供物质基础。9.随着环保意识的强化,生态环境材料将成 为材料科学中的又一重要分支。10.关于材料的物理状态、能量转移和信息传递等 问题,将成为新世纪材料科学的重要课题。

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