突破技术之一：半球谐振陀螺仪

早在年中国航天基金会颁奖大会上，中国自主研发的半球谐振陀螺仪（HRG）曾经获得了“钱学森杰出贡献奖”，以表彰科研人员为中国航空航天事业发展做出的巨大而卓越贡献。众所周知，中国高精尖技术一直受到发达国家的封闭及打压，我国现代陀螺仪技术发展一直步步艰辛，但最终仍然获得突破。

什么是半球谐振陀螺仪？半球谐振陀螺仪(简称HRG)是哥式振动陀螺仪中的一种具有惯导级性能的高精度陀螺仪，随机漂移可达到10/hr量级，寿命高达15年。

HRG由激励电极、检测电极和半球谐振子所构成，半球谐振子是HRG的核心部件，其性能决定了HRG的性能。谐振子的性能主要由品质因子(Q值)和n=2谐振频率分裂值(△fn=2)决定。目前精密机械加工的HRG品质因子高达26E6，HRG主要由熔融石英制备而成。

美国是全球第一个研制HRG的国家，目前其HRG性能最佳，最终体现在哈勃望远镜的HRG模块上。世界上，俄罗斯、法国、英国、日本、中国台湾省等先后研究HRG，尤其是俄罗斯的理论研究比较成熟。我国HRG的研制起步相对较晚。美国正在大力研制基于MEMS技术的半球陀螺仪(HRG)。MEMS技术有望实现半球陀螺仪的批量生产，无疑将大大降低成本，缩小体积。

说到陀螺仪，很多人会想起小时候玩过的陀螺，事实上，大多数人都曾经体验过陀螺仪带来的功能，比如在不锁定手机的情况下，手机翻转，手机界面也能跟着翻转，实际上，这就是手机内置的陀螺仪在起作用。从上个世纪七十年代，现代陀螺仪的快速发展，陀螺仪的结构和原理都发生了很大的变化，尤其是出现了高精度陀螺仪这一概念。

什么是高精度陀螺仪？它是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，直接决定了惯性导航系统的精度以及制导和自动控制系统的性能品质。高精度的陀螺仪大致可以分为微机械陀螺、压电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等，是现代航空，航海，航天、兵器、汽车、生物医学、环境监控等领域广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有非常重要的战略意义。

现代光纤陀螺仪早在年提出了基本设想，到了八十年代以后，现代光纤陀螺仪获得了十分迅速的发展，光纤陀螺仪的突出优点是它在航天航空、机载系统和军事技术上的应用非常广泛，特别是受到军方的高度重视。之前，以美、日、法为主体的光纤陀螺仪研究工作进展快速，而于此同时，西方国家也对我国进行了技术围堵，且不允许一项专利一份技术进入我国，因此，我国传统对于机械陀螺仪一用就是几十年。

尽管如此，我国加大了现代光纤陀螺技术的研究，并且在年由航天总公司最终成功研制光纤陀螺，一举打破了西方发达国家的技术壁垒及封锁，值得一提的是，我国海军新型导弹曾经配置光纤陀螺仪发射试验3发3中，标志我国的光纤陀螺仪技术获得了极大成功。

半球谐振陀螺仪重要性在于，它不需要对卫星数据产生高强度的依赖，就算北斗卫星被破坏，部队的导航定位系统也不会出现有错漏。因为半球谐振陀螺仪的工作状态十分稳定，可以长期服役15年之久，精确度毋庸置疑。最突出的是，半球谐振陀螺仪的抗冲击水平比其他导航系统更高，因为它没有采用机械振子，就算是最终断电，它也能够依靠惯性完成工作，不过有15分钟的时间限制。

在激光陀螺仪方面，美国在80年代空军就把激光陀螺应用到其空军系统中去；到了90年代，美国先进的巡航导弹和战术飞机导航用的都是激光谐振陀螺仪。国外激光陀螺仪发展十分迅猛，尤其是以美国和法国研制的水平较高，此外，还有俄罗斯、德国等国。

西方国家在激光陀螺仪技术方面仍然是对我国进行了强制性的技术封锁，而我国依然攻坚克难、花费很长时间及大量投资最终突破了闭锁，最终在上世纪80年代初研制出来，从而取代了传统的动力调谐陀螺和积分机械陀螺仪，被广泛用于导航、雷达和制导等领域，中国在航海、航空、航天以及军事领域从此不再受制于人。比如我国的反舰弹道导弹东风-21D导弹和东风-26中程弹道导弹拥有对美军航母编队实施精确打击能力，其中安装的就是我国自主研发的高精度激光陀螺仪。

半球谐振陀螺仪的作用原理最早是英国科学家提出并论证的，而美国却是全球第一个研制半球谐振陀螺仪的国家，并且是一种世界上十分具有发展前景的高精度陀螺仪，尤其是在精度最高的固态角速率陀螺仪上，使得陀螺技术性能再上一个台阶，与之前提到的其他几种高精度陀螺仪相比，具有如下独特优点：

首先是无活动部件、无磨损、工作温度范围宽、长期稳定性、对运动反应速度、对外界加速度和振动的敏感低于机械陀螺。其次是讯号频率宽、抗干扰能力强，在电源瞬间中断期间（比如核辐射冲击）能连续工作，具有全转角记忆能力。不像激陀螺、压电陀螺那样必须连续供电。再次是体积小而精度高，重量轻且快速性能好（可在1秒钟内全启动）最后是内部密闭性良好、使用周期很长，适用于15年以上长寿命的卫星，尤其在深空探测器上优势更为明显。

正因如此明显之优点，半球谐振陀螺仪一经问世就被美国立即应用在空间飞行器导航、战术导弹导航、通讯卫星姿控系统、精确指向、太阳系行星穿越等深空探测任务中，在此之后，美国正开始大力研发新一代半球陀螺仪。美国业内人士曾经评论道：这种陀螺可用于要求高性能的军事用途，先进的巡航导弹、战斗机、洲际弹道导弹、以及航空、宇航等高精度导航和制导系统。可见半球谐振陀螺仪的发展对于一个国家的战略性意义。

美国早前的宇航项目大都使用的是半球谐振陀螺仪，比如人类天文史上最重要的仪器哈勃望远镜；比如观测土卫六任务的太空观测器；再比如NASA实施水星探测任务的飞行器；还有撞击一号彗星任务的飞行器等。

全球半球谐振陀螺仪的研制技术主要集中在美国、俄国、法国这3个国家，其中，美国技术上最为先进。因此，中国突破了此项技术，充分说明中国在陀螺仪领域保持在全球领先水平，这样一来，世界上只有4个国家已掌握了这个技术。中国于年发射的“高分五号”卫星，成为世界首颗实现对大气和陆地综合观测的全谱段高光谱卫星，重要的是，它填补了国产卫星无法有效探测区域大气污染气体的空白，而“高分五号”卫星的陀螺仪，使用的是由我国自主研发的半球谐振陀螺仪，令人自豪。

突破技术之二：锂电池及锂电提取技术

欧盟委员会副主席马罗斯·塞夫科维奇曾经表示，希望到年，欧盟能够生产足够的电池，而不需要依赖进口。由于中国是锂电池的最大生产国，也是最大的出口国，依照目前趋势，欧洲想摆脱对于中国的依赖，没那么容易。

中国目前垄断着锂电池产能。动力电池的品种很多，锂电池是其中最重要的一类。年，日本化学家吉野彰制造出了全球第一个可充电锂离子电池的原型，开启了锂电池时代，他也由此获得了年诺贝尔化学奖。年，日本索尼与旭化成株式会社共同推出了全球第一块商业化的锂离子电池，成功实现量产。

长期以来，日本依靠其技术及产业上的先发优势，在锂电池领域，长期占据着全球第一。从年开始，中国及韩国开始起步追赶。到了年，中国的锂电池产量超过了日本及韩国，并且跻身全球第一。

数据显示，年初，全球锂电池制造能力达千兆瓦时(GWh)。其中，中国锂电池产能位居全球首位，占比达73%。美国排名第二，仅占12%。若具体到企业市场份额，世界十大锂电池生产企业，中国就占据6家。由此，在全球前十大锂电池企业市场份额，说中国垄断了锂电池产能并非夸张。

值得一提的是，年上半年，欧洲新能源汽车销量大涨52%，以40.33万辆超过中国，一举冲到全球第一，由此看来，未来欧洲新能源车市场前景不容小觑。由于欧洲是汽车和汽车工业的发源地，在燃油车领域占据着十分重要的重要地位。

而欧洲进入新能源车时代，尤其在动力电池领域都无法自给自足，欧洲国家更担心的是自己会被中日美等对手甩在其后。由此，欧洲正在开始“狂补功课”，同时推进建设了15家大型电池工厂。塞夫科维奇称，到年，欧洲工厂计划将生产足够的电池，为至少万辆电动汽车提供动力。尽管欧洲信心满满，但是想摆脱对于中国的依赖，远非那么简单。一个重要原因，生产锂电池，控制最上游的锂矿资源是重中之重。

据年中国锂业大会信息，世界上现已探明的锂矿资源总量大约在万吨，主要在南美洲和澳大利亚，欧洲国家锂资源几乎忽略不计。而包括中国、美国、日本、韩国在内的锂电池生产大国锂矿资源都不算很丰富，因此，都在争先海外布局。比如中国的天齐锂业斥资亿元人民币收购了智利锂业巨头SQM公司的24%股份，成为该公司第二大股东。同时天齐锂业还持有澳大利亚泰利森51%股份。泰利森是当下世界最大的固体锂精矿拥有者及供应商，拥有全球正开采的储量最大、品质最好的锂辉石矿——西澳大利亚Greenbushes。

中国的赣锋锂业是全球第三大及中国最大的锂化合物生产商及全球最大的金属锂生产商，拥有位于澳大利亚、阿根廷、中国及爱尔兰等地的6个优质锂资源的股权。还有青岛乾运、江特电机、中矿资源、宝威控股等公司也积极布局全球锂资源市场。同时，以金沙江资本、歌石投资为代表的投资机构也瞄准了国外锂矿资源。根据数据统计，中国已经掌握了全球一半的锂矿资源。

另外，锂电池全产业链布局也十分重要。比如中国A股上市的锂电池企业就达92家，当然还有很多未上市的中小企业。

欧洲投资的15家大型电池工厂中，除瑞典的Northvolt外，投资方大部分来自中国、韩国和美国。比如中国宁德时代在德国的工厂，韩国SKInnovation在匈牙利的第二家工厂，美国特斯拉在柏林建设的全球最大的电池工厂。

中国同时在锂矿提取技术上获得了关键性的突破。据外媒的报道，中国之前一份报告显示，中国已经在锂提取技术上取得重大突破——新工艺开采提取锂的成本已经降到每吨元人民币，达到美元的历史低位水平。

从之前外的报道来看，锂提取技术主要是盐湖提锂的技术。根据地方政府的报告，青海锂业一家以中国科学院青海盐湖研究所科研技术成果为依托而成立的企业，它利用新工艺，在过去三年的平均利润率超过50%，总收入超过30亿元。该公司的高管LiJian曾经说，以上对生产成本的估算非常准确，但不包括税后和银行贷款利息。他预测，随着技术的不断进步，生产成本可能会在未来进一步下降。全球最大的锂业公司智利SQM，其核心资产就是智能北部高原的阿塔卡玛盐湖。

从技术上看，从盐水中提取锂一直存在很难将锂与其他元素分离的困难挑战，特别是镁极难与锂分离，因为这两种矿物具有相似的离子性质。

从报道来看，这项由中国科学院资助的为期15年的研究项目，已经找了一种经济有效的办法，从其他矿物、尤其是镁中提取锂。从此前比较来看，电池级碳酸锂的价格，未来将出现很大幅度的下降。（新技术开采提取成本为美金/吨，世界上较低的是FMC、ALB和SQM等盐湖碳酸锂-美元/吨现金成本，全球碳酸锂价格一直在——万美金上下浮动）

报道还引用中国国家发展和改革委员会可再生能源发展中心主任任东明博士的话，认为更低价格的锂电池将使特斯拉等电动汽车制造商收益，最终使消费者获得收益。

中国是全球最大的电动汽车产销大国，也被称为全球含锂量最高的国家之一。而电动汽车的总成本中，电池成本占了大约30%-50%。任博士说，更低的价格，更长的航程、更好充电站基础设施，将使得零排放车辆成为汽车购买者更具吸引力的选择。早在年，中国企业已开始在全球锂矿资源上广泛布局，天齐锂业已成为全球排名前三的锂业巨头，全球唯二（另一家是美国雅保）同时拥有这个世界最大的盐湖锂矿阿塔卡玛盐湖和最大的固体锂矿格林布什矿的锂业公司。

据BenchmarkMineralsIntelligence的数据，中国已主导了锂金属最终产品的供应，生产了全球近三分之二的锂离子电池（美国为5%），中国控制着全球大部分的锂加工设施。在此背景下，美国已开始抵制中国在电动汽车供应链中的主导地位，并正在推动有助于美国企业开采锂和其他可用于电动汽车材料的法案：theMineralsSecurityAct。美国共和党参议员LisaMurkowski曾经说，中国在电动汽车供应链领域的领先优势使其在持续的贸易争端中占据优势地位。

另外据外媒报道，按年中国政府的统计，青藏高原上的盐湖将占到全球锂储量的60%以上。也有研究机构认为，中国的锂资源储量全球第二，仅次于智利。

尽管如此，中国国内的锂矿产量依然很低，尤其是年，中国锂矿产量仅占全球锂矿产量的9%。近年来，中国企业一直在阿根廷和澳大利亚等锂资源丰富的国家购买矿山。中国的锂储备可能很丰富，但许多比较难开采。其中包括青藏高原的盐湖，高海拔和低氧水平使得无法进行大规模开采。

突破技术之三：微晶钢技术（超级钢）

中国的微晶钢（超级钢）居于世界领先地位。超级钢的特点是：一是低成本，二是高强韧性，三是环境友好，四是节省合金元素和有利于可持续发展，超级钢被视为钢铁领域的一次重大革命；中国是目前世界上唯一实现超级钢的工业化生产的国家，而其他国家的超级钢尚未走出实验室。（来自央视《创新中国》栏目报道）

什么是超级钢？所谓超级钢就是在压轧时把压力增加到通常的5倍，并且提高冷却速度和严格控制温度的条件下开发成功的。其晶粒直径仅有1微米，为一般钢铁的1/10~1/20，因此，超级钢组织细密，强度高，韧性也大，即使不添加镍、铜等元素也能够保持很高的强度。

超级钢在摄氏度下施加压力，这种超级钢组织内部的微粒不变形，而是会斜向滑动，因此两块钢板表面的微粒能够相互渗入，密切接合，呈现出2倍于一般钢铁的超可塑性。这种技术叫做扩散接合技术。同高温焊接技术相比，突出的优点是没有焊接痕迹，没有因此而发生的强度劣化现象。这将大大提高各种钢铁加工产品的质量。

尤其是钢材的控轧控冷技术，是在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数，改善钢材的强度、韧性、焊接性能。而钢铁轧制就是通过施加一定的压力，使钢锭、钢坯在旋转的轧辊间改变形状和性能。在钢铁生产技术中，轧制控制是使粗钢变成高精度、高性能、高效益的钢铁产品的一个关键工艺。

超级钢的开发应用已经成为世界钢铁领域令人瞩目的研究热点。由于微晶钢具有任何钢材都不具有的优异性能——超强的坚韧性,因此，被认为是钢铁领域的一次重大革命。超级钢是通过各种工艺方法将普通的碳素结构钢的铁素体晶粒细化，让它的强度大幅度提高的钢材。超级钢90年代研发的初踪，是为了减少材料消耗，降低能耗而研制的新材料，其主要目的是为了解决传统钢铁材料在强度、寿命上的不足，与传统钢铁材料相比，超级钢具有高性能、低成本的特点。

超级钢的突出优点是细晶粒、高强度、低成本、环境友好，自本世纪初，中国在宝钢、鞍钢、本钢等实现工业生产之后，在钢铁企业掀起一阵阵超级钢旋风，各厂竞相开发超级钢板带材、棒线材等产品，超级钢产量由最初的几千吨试制品迅速大幅飙升到数千万吨。中国的超级钢已由企业单独行动升级为行业规范和国家标准。

开发超级钢的历程可以追溯到年，当时中国钢产量已经跃居全球第一，但品种质量与国外差距仍然存在很大差距。科技部曾经在年和年启动了计划：《新一代钢铁材料研究》和计划：《MPa碳素钢先进制造技术》。早在年成功实现了超级钢的工业生产并用于汽车制造，标志着我国超级钢开发应用走到世界前列。

特别是中国超过美国成为汽车生产量第一大国后，汽车用钢品种及质量快速发展。汽车用钢的主导产品的强度等级由—MPa向—MPa的方向发展，个别部件甚至超过了MPa。低成本、高性能的技术路线获得成功。　

突破技术之四：激光直接制造技术

中国已具备采用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，成为全球唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国家。

所谓激光直接制造技术，是20世纪90年代在快速成形技术的基础上，结合激光熔覆技术发展起来的一种无模快速制造技术。同立体光刻成形（SL）等只能够进行有机材料成形的传统工艺不同，激光直接制造技术在对3D-CAD模型切片分层和截面填充以后，能够借助激光熔覆方法快速制造出致密的近净形金属零件。因此，激光直接制造技术具有无可比拟的优势，使得激光直接技术在航空、航天、造船、模具等关系到国家竞争力的重要工业领域内具有非常大的使用价值。

激光直接制造技术具体应用场合主要有：

1、快速模具制造，尤其是塑料注射成形用模具的制造；

2、航空航天等武器装备领域内的高精复杂零件的快速制造和修复；

3、梯度功能材料的设计与制造；

4、超硬、稀有金属材料的零件制造和修复；

5、高度/壁厚比大于10的薄壁零件的制造和修复，尤其适用于涡轮发动机领域。

中航激光技术团队早在0年就开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，并且解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空力量的一项独特的优势，比如中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。

中国在民用航空制造业上也开始应用这一技术。尤其是在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，他们通过激光立体成型技术为将于年投入运营的国产客机C-制造了钛合金翼梁，长度超过5米。除了制造之外，这些零部件即使在使用中出现问题，也可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，无疑这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。

凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域首次达到世界先进水平，基于此“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖。值得一提的是，中国首次研制成功的满足工业需求的5千瓦级全固态激光器，在打破国际禁运、实现激光先进制造装备工程化方面实现了重大突破。