前沿拓展：

5G時代已經拉開了序幕。就在今年3月初，中國移動啟動23萬個5G基站的集中采購，濾波器行業開啟了千億元“大蛋糕”。

作為信號基站的核心器件，濾波器主要作用是使發送和接收信號中特定的頻率成分通過，極大衰減其他頻率成分。5G時代，面對無線環境干擾愈加復雜的情況，陶瓷介質濾波器應運而生，其發展速度遠超金屬腔體濾波器，一騎絕塵。

“實際上微波介質陶瓷在國內到了爆發的階段，”致力于于高性能電子功能陶瓷研究工作20余年的中南大學粉末冶金研究院博士生導師劉紹軍教授表示，目前業界對于微波介質陶瓷的基礎研究熱度已然下降，“基礎研究成果開始往產業界轉移了。”

作為中國信息功能電子陶瓷和陶瓷增材制造領軍人物之一，喜歡刨根問底的劉紹軍對于基礎研究有著深深的熱愛。赴美求學的經歷，更堅定了他投身基礎研究的想法，并最終帶著這份信念回到了國內。5G時代推動了陶瓷介質濾波器的發展，在與國內企業的合作中，他更深刻地感受到了基礎研究的魅力。

“基礎研究魅力無邊”

在劉紹軍的簡歷上，有著一連串的研究方向名稱。

好奇心強烈的他，在大學期間就開始“折騰”，不斷拓視新領域。本科專業就讀的是中南工業大學材料科學與工程專業，研究生階段則選擇了我國具有很高知名度的中南工業大學粉末冶金專業。

正是緣于研究生期間的專業學習，他接觸到了粉末冶金和金屬注射成型技術領域。劉紹軍提到他非常幸運，所在的課題組一直是頂尖團隊。在中南工業大學粉末冶金研究所期間，他師從國內著名的粉末冶金專家，黃伯云院士和曲選輝教授，周圍也聚集了一大幫優秀的師兄弟。

碩士畢業后，劉紹軍萌生了出國深造的想法， 1999年憑借優異的成績拿到了全額獎學金前往美國亞利桑那州立大學攻讀博士學位。在亞利桑那州立大學師從的是在半導體材料研究享有世界聲譽的Nathan Newman教授，他也是為數不多的同時為美國物理學會和IEEE學會Follow的學者。當時，他剛剛從美國西北大學過來，同時也帶來了2個有關微波陶瓷和陶瓷濾波器的基金項目。這也是劉紹軍博士學位論文的主要研究內容。這時起，他一頭扎入了電子陶瓷領域，一晃眼就是20年。

“我喜歡做一些刨根問底的東西。”劉紹軍的博士生導師Newman教授對探索材料物理起源相關的問題非常執著，材料機理相關的研究也非常透徹，對材料從制備工藝、材料表征、結構表征和性能表征之間相互的關聯性的理解，做得非常深，這深刻地影響了劉紹軍對基礎研究的看法。

在亞利桑那州立大學期間，Newman教授正處在職業生涯的高峰時期，整個課題組的戰斗力也非常強悍。在這段時間，劉紹軍在科學思維、研究能力、實驗操作能力和嚴謹性等方面，都得到了非常系統和嚴格的訓練。這些訓練養成的科研習慣也延續至今。

在與企業的合作中，他進一步感受到基礎研究的魅力。通過機理的方式解剖材料，好處是能在實際工程領域快速找到問題的關鍵并提出解決難題的方法。

令劉紹軍記憶深刻的是與深圳大富科技合作研發陶瓷濾波器的那段時期。大富科技是國內較早做陶瓷濾波器項目的企業之一，彼時他們選擇研發的是鈦酸鈣和鋁酸釹微波陶瓷體系，燒結難度很大，花了大半年時間一直沒有取得實質性進展。劉紹軍接手項目初期，對這材料也比較陌生，但憑借多年俯身基礎研究鍛煉的理學邏輯思維，他還是很快找到了癥結所在。

熟悉陶瓷燒結機理研究的劉紹軍清楚，燒結本質是原子擴散的過程，他快速找到了多種方式來解決難題。通過降低粉末粒度，優化粒徑分布以及通過成分設計等各方面的工藝改進，最終順利完成了燒結。

▲(Ca,Nd)(Ti,Al)O3外延薄膜/LaAlO3異質結構的選取電子衍射及高分辨透射電鏡圖

這樣的甜頭不止一次。在與南方航空動力的一次合作中，對方想合成具有特定粉末粒度分布的材料。通常為獲得特定粒度分布的粉末，需要把不同粒徑、大小的粉末進行分篩，細分出很窄的粒度范圍后再進行調配，進而通過測試得到曲線，如此至少要花費半年的時間。

而經常做材料晶體結構分析的劉紹軍靈光一閃，聯想到X射線衍射Kα衍射峰的雙線分離。采用逆向思維的方法，利用2種不同正態分布的粉末，以計算機模擬的方式獲得對應的分配曲線，很快就調配出所需粒度分布曲線的粉末。這令中航工業南方航空動力的工程師驚訝不已。

▲亞微米結構Ba(Zn1/3Ta2/3)O3微波陶瓷有序疇結構的高分辨電鏡照片

劉紹軍感嘆道，國內材料大而不強，實則有待加強基礎研究的“源頭供給”。

“緊盯可以落地的基礎研究”

除了深刻剖析材料結構，劉紹軍還認為，作為連接基礎科學和應用科學的橋梁，材料科學與工程學科具有其鮮明的特色，也決定了材料科學基礎研究成果應當具備很好的應用背景。劉紹軍教授課題組也一直在開展有很強應用背景且能落地的新材料研究方向。

2007年9月，在美國完成博士學位和博士后訓練后，劉紹軍回到國內，繼續電子陶瓷的研究工作。在此期間，他主持完成了包括國家自然科學基金項目、粉末冶金國家重點實驗室自主課題和開放課題、深圳市重點科技攻關計劃項目和深圳市自然科學基金項目等在內的多個基金項目，展開對電子陶瓷的基礎和應用基礎研究。雖然與企業的合作不多，但劉紹軍始終盯著有強大應用背景的材料基礎研究。

他認為信息功能陶瓷是移動通信中的革命性材料，應用領域及其廣泛，可以實現機械能和電能轉化、光能和電能轉化、熱能和電能轉化等。移動通訊需要微波傳輸和接收，微波通訊基站首當其沖，其核心就是微波電子陶瓷所制備的濾波器和天線。

“可以說，電子陶瓷材料是信息時代的基石。”劉紹軍對《大國之材》說道。他帶領的項目組針對功能電子陶瓷在移動通信中的應用展開了深入的材料基礎研究。

實際上，回到國內后，劉紹軍意識到國內在電子陶瓷材料產業方面的發展仍比較滯后，他一直尋找機會想宣傳和推廣微波陶瓷材料在微波通信基站上的應用，然而國內整體市場還不夠成熟，并沒有人“搭理”他。

不過，隨著5G時代的來臨，近兩年劉紹軍與企業打交道的次數漸漸多了起來。他發現一個現象，從基礎研究角度看，在歐美日韓等微波陶瓷發達地區開展微波介質陶瓷基礎研究的團隊已經開始減少。“通常而言，假如一款材料的基礎研究不熱門了，只有兩個原因。一是大家覺得這材料近期內沒前途了，二是大家認為基礎研究工作已經大體完成，相關研究成果開始轉移到產業界去了。”劉紹軍說道。

劉紹軍感覺到，微波介質陶瓷已經進入到爆發的階段。近些年的數據也佐證了他的預感。相關數據顯示，2014年，中國微波介質陶瓷行業市場規模為18.9億元，至2018年中國微波介質陶瓷市場規模達到41.8億元，2014年至2018年，年復合增長率達到21.9%。

因此，他也在抓緊與相關企業合作，將研究成果推向落地。事實上，在深圳市重點科技計劃項目支持下，項目組合作開發的一款陶瓷濾波器產品已通過了華為公司的商業合格認證，正在批量生產。

▲項目組合作研發的已通過華為商業合格認證的應用于6-8G頻段的陶瓷濾波器

除了電子陶瓷，劉紹軍近兩年關注的另一個重要方向是陶瓷增材制造技術。實際上，增材制造的概念在上世紀90年代已出現，從原材料區分來看，增材制造包括高分子增材制造、金屬增材制造和陶瓷增材制造。陶瓷增材制造因陶瓷的難成型性，發展明顯落后于前兩者。但基于以前對注塑成型的研究經驗和對電子陶瓷的了解，劉紹軍還是在短時間內成功介入了陶瓷增材制造領域。

在他看來，陶瓷增材制造相對于高分子和金屬增材制造，品種更多，應用范圍更廣。除了可以打印結構陶瓷，在信息功能陶瓷和光子晶體制備等領域也擁有廣闊的應用面，在醫療領域也有發揮的舞臺。

▲利用項目組自主設計和制備的光固化增材制造機打印和燒結的致密氮化硅陶瓷

“只要解決了陶瓷增材制造的生產速度和成本問題，它就變為常規的材料制備技術，并演變成真正革命化的技術。”劉紹軍憧憬道。

“做強材料需轉變觀念”

近兩年，劉紹軍在與企業合作時也遇到了不少“摩擦”。

“剛開始的合作不是特別愉快。”劉紹軍有些感慨。他對《大國之材》表示，很多企業追求的是“短、平、快”的項目。比如一些做代工的企業，任務節點十分明確。

而高端材料如半導體材料、高性能功能電子陶瓷等需要深厚積累，達到質量穩定、高成品率和高性能才能真正滿足客戶的需求。積累則意味著需要資金、時間和人力的持續高強度投入，這時候材料研究人員與企業的矛盾便出現了。

劉紹軍分析道，材料的好壞由很多因素決定。如原材料的產出、設備、人員素質、管理水平等，某一環節產生一個小誤差就會傳遞到下游，如果細小誤差進行疊加，最終就會產生大影響。

他以航空發動機的渦輪盤舉例。渦輪盤是經典的粉末冶金工藝，包括原材料制粉、粉末處理、熱等靜壓、擠壓成型等多個工藝，這些都對材料制備、設備控制、人員素質、管理水平甚至下游應用有著很嚴格的要求。

“為什么現在國內很多材料能做出來，卻質量穩定性不足？材料工藝水平在很大程度上體現了一個國家工業技術的水平。”劉紹軍對《大國之材》表示。材料的研制工作不一定是花費時間夠長就可以的，基于扎扎實實做事基礎上的持續高強度投入才能縮小與國外的差距。

“教育理念和思維方式都需要轉變。”

在教育層面，劉紹軍對比了美國大學與國內大學教授的背景。美國的材料系教授大多為物理和化學等理科背景出身，對基礎性材料科學問題的研究很扎實。大學教育更注重培養學生提出和解決問題的科學思維能力；相比較，國內材料學科的教授大多是工科背景出身。在人才培養方面更多是往“工匠”的方向培養，缺少思考“為什么”。“只有具備扎實的專業基礎和科學的思維方法，才能成為具有創新能力的人才。”

在“計劃經濟”思維層面，他分析道，材料的品種很多，但每個品種的量比較少，需要長期的技術積累過程，通過“計劃”的方式來實現是比較難的。只有通過與企業合作，針對企業需求開展產學研，才是最有效率的方式。“這跟種莊稼一樣，你現在問我要糧食，但我什么都還沒種，怎么給得出來呢？”

拓展知識：