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揭秘“卡脖子”的特种高分子材料光敏性聚酰亚胺有哪些独特优良?

时间:2025-01-13 11:17:48 作者:147小编 点击:

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嘉宾介绍

虞鑫海东华大学应用化学系任教。现任东华大学金鹏电子化学品技术中心专家、美国SAMPE协会专业会员、中国电工技术学会绝缘材料与绝缘技术专业委员会委员、上海市知识产权法院新材料专家构成员;上海市科委、上海市经信委、浙江省科技厅、江苏省科技厅等新材料专家库成员。重点从事功能高分子与精细化学品的科研研发与应用科研工作。

本期专题

00:48 中国的基本材料真的不行吗?

04:42 光敏性聚酰亚胺:傲立高分子材料金字塔顶端的材料

09:01 碳纤维——材料届“黑色黄金”将来的N种可能

15:56 研究工作者怎样做好“产学研”转化推动?

中国的基本材料真的不行吗?

幻实(主播):

欢迎大众关注芯片揭秘,本期节目的嘉宾是来自东华大学应用化学系的虞鑫海教授,请虞教授和咱们芯片揭秘的伴侣们打个招呼。

虞鑫海(嘉宾):

大众好,我是东华大学应用化学系虞鑫海。

幻实参观东华大学化学与工程学院时合影留念

幻实(主播):

您是咱们国家功能高分子与精细化工行业的专家,因此想和您多讨教有些行业发展,请您先系统地说说您此刻从事的方向以及详细开展的研究技术方向的应用有那些

虞鑫海(嘉宾):

重点研究方向能够合成、聚合、成型、应用这8个字来概括,但真正做研究的时候不是按这个次序来。

幻实(主播):

这是咱们产业人的理解。

虞鑫海(嘉宾):

没错,咱们自下而上,以应用为导向,按照用户对材料性能的详细需要,再设计相应的分子结构和高分子材料。而这种高分子材料要用怎么样的原料来合成,咱们需要进一步往前推,就得到了有机合成,假如它能在市场上买到,那样咱们第1选取必定是买,倘若买不到,就不得不进行有机合成的工作,尤其有些高精尖的材料,如聚酰亚胺类,尤其是用在半导体行业的光敏聚酰亚胺(PSPI)。

幻实(主播):

咱们始终被卡脖子的方向。

虞鑫海(嘉宾):

实质上这是当年日本卡韩国脖子的一个方向,即含氟的光敏性聚酰亚胺体系,当然有氢氟酸之类的超纯试剂,其中含氟的光敏聚酰亚胺是一种很重要的关键性材料,尤其是在层间绝缘、α射线屏蔽层、钝化涂层、缓冲层等,以及芯片制造过程的平坦化等方面的应用,有些液晶表示方面以及PCB行业的。当然,半导体行业需求是最高等级的,很容易被人家卡脖子,此刻咱们国内有非常多材料都不得不依赖进口,因此咱们研究工作者必须全力去解决的难关。

PSPI结构示意图(图源:金瓯新材料科研院)

幻实(主播):

咱们行业内经常会说中国的基本材料科研不行,您做为科研这个方向的教授是怎么样理解这句话的?咱们和国外的差距到底在哪里

虞鑫海(嘉宾):

虽然咱们非常多方面可能落后于人家,但说咱们不行,我不认同。

1998年,我博士毕业就到华谊集团任职,2000年,被安排了上海化学试剂科研所所长的位置,那时候我争取到了国家“863计划”,超大规模集成电路配套材料需求达到semi- C12标准。但真正拨款下来已然到2002年了。因此不是不行,而是有时候咱们高校和企业之间的有些成果转化,开发方面有些脱节,正由于有这方面的脱节,引起有些材料的发展跟不上。如今咱们新材料的发展非常快速尤其是聚酰亚胺材料,单体种类非常多。

实质上,以前我在化学试剂科研所的时候,咱们非常多制品是出口到日本、美国的电子行业,然则咱们自己国内并用上,很大都是咱们出口到国外之后,再经由有些企业从国外进口回来,只是贴了个标签或换了个包装。总而言之,是由于有些信息不对叫作,从而造成为了这般的局面,因此有芯片揭秘这般的平台做衔接媒介,会对咱们这个行业的发展起很大的功效

幻实(主播):

您说的恰恰是咱们尤其想去促成的,由于行业内的确存在着非常多不确定性,包含咱们从日本、韩国等国家买材料,其实大部分材料已然和工艺绑在一块了。因此引起咱们终端的应用不敢轻易替换材料,这就会给这个行业带来更加多的封闭性,因此新进入的角色想要去打破这种垄断有必定的难度。

这两年随着国家的大力推动,可能这种状况有好转,咱们还是非常愿意去促成这般的平台,创立一个能够让大众互相探讨的机制。我看您曾经主持过国家的“863计划”,还有国防军工这种重大的项目,在您科研的这些行业里,有那些方向能够直接赋能半导体行业?应用场景又有那些呢?

光敏性聚酰亚胺:

傲立高分子材料金字塔顶端的材料

虞鑫海(嘉宾):

咱们课题组做的光敏性聚酰亚胺能够直接应用于半导体行业,我的专利授权大概有300多项,其中有10多项是做光敏性聚酰亚胺。另一,还有导电胶黏剂是面向该行业咱们重点以环氧类为主,还有有机硅导电胶黏剂,这两类用在二极管、三极管等分立器件,以及谐振器这方面的导电连接。另外,还有有些钝化涂层,当然这些都是用光敏性聚酰亚胺来做,并且含氟。日前,在光敏性聚酰亚胺中最有表率性的案例已然纳入东华大学教材中。

我在东华大学有三门课,一门是功能高分子材料,受众是本科生,另一门是面向科研生的电子化学的制造与应用,还有一门课是科研生专业实验技术。其中科研生专业实验技术完全是按照我的发明专利编写而成。从合成、聚合到成型、应用,重点是聚酰亚胺体系、聚酰亚胺单体经过合成与聚合,做成聚酰亚胺薄膜,最后形成FCCL(挠性覆铜板)。

PSPI产业链基本结构(图源:金瓯新材料科研院)

电子化学品的制造与应用这方面有一个案例,是咱们自己做的一个发明专利,超支化的dendrimer体系的光敏性聚酰亚胺,这类聚酰亚胺特别有特点,它所有的感光性基团都在大分子的外表面,因此呢在光照射之后,很容易进行光化学反应。另外,它的灵敏度非常高,链缠结少,粘度较低,且拥有很好的热稳定性。它不仅能够做为光刻胶的工艺性材料,同期其非光刻部分还能够做为它的层间绝缘、钝化涂层、α射线屏蔽层继续运用这般一来,能够给芯片的加工省下若干段的工序,而芯片的加工成本重点便是工艺成本,占到总成本的50~60%,因此倘若能减少工序,那成本就能大大下降。另外区别于普通的光刻胶,光敏性聚酰亚胺不需要去胶和清洗,一旦经过光照,其光刻部分自然就会形成线路,而非光刻部分则做为绝缘层、平坦层运用

幻实(主播):

清洗环节都能够省去了。

虞鑫海(嘉宾):

没错,非常先进,这是美国、德国、日本、韩国等有些国家,包含咱们中国这几年都在大力发展光敏性聚酰亚胺的原由

幻实(主播):

这个材料在半导体行业已然起始应用了吗?

虞鑫海(嘉宾):

是的,在我的印象中,最早投入运用的应该是美国和日本,用在二极管、三极管、分立器件等半导体元器件。回到此刻,市场针对感光性、灵敏度的需求越来越高,所有的材料都在升级。

幻实(主播):

您刚才说到了树脂和耐高温性,这个是怎么样的一种材料?应用在那些地区呢?

虞鑫海(嘉宾):

耐高温的场合太多了,不仅在半导体行业,还在集成电路行业。就芯片而言,随着集成度的增多,其线宽越来越窄,工作过程中发热就越来越厉害。

幻实(主播):

没错,散热是个大问题。

虞鑫海(嘉宾):

工作过程中它会发热得很厉害,因此呢选取的材料必定要耐高温,保证在高温状况下能正常工作,否则,就会导致绝缘击穿,便是把芯片烧坏了。另一方面便是材料本身的耐热性要非常好,这两方面都至关重要。

幻实(主播):

因此这是一个基本功能。

虞鑫海(嘉宾):

是的,咱们还有其他如新能源汽车、IGBT模块等以及印制线路板,随着印制线路板层数的持续增多,其耐高温性的场合应用会越来越多。

碳纤维——材料届“黑色黄金”将来的N种可能

幻实(主播):

这是一个很基本的材料,另一,我晓得接触耐高温、无溶剂的环氧树脂,它有碳纤维电缆这个应用方向,近几年碳纤维这个词频频被提起,乃至还有有些段子说以前碳纤维在日本被垄断,国内有一家做钓鱼竿的机构咱们的国防部的人员发掘了,把它变成为了歼20的一家很重要的供应商,其真实性有待考量,但您是科研这个方向的,正好想请教一下您,此刻这种碳纤维以及您说的电缆芯有怎么样相关性,它在这个行业的应用前景怎样

虞鑫海(嘉宾):

日前来讲,国际上在该行业的头部企业当属日本的东丽机构,当然,咱们不要茫然地崇拜,更不要妄自菲薄,国内这几年发展确实火速,刚才你说到用碳纤维做钓鱼竿的机构叫光威,我曾经去过,他们原来的碳纤维是买进来的有些边角料制作钓鱼竿,后来她们自己起始做碳纤维,后来又做成预浸料再做成钓鱼竿。当然钓鱼竿只是一部分,还有其他的有些制品

2017-2023中国碳纤维国产化占比(数据源自:网络)

除了光威,还有上海的金山石化做碳纤维材料,咱们此刻应该能做到T700的水平了,原来是只能到T300,金山石化有它的自己优良,它原来是做聚丙烯腈的长丝,而这便是做碳纤维的原丝,他原来做丙烯腈的量很大,因此进一步延伸到碳纤维有其本身的优良同期,上海有科技优良,以及政府的大力支持。另一,还有如吉林石化、丹阳恒神等企业都在碳纤维材料方面做得比很强

幻实(主播):

此刻把握做碳纤维技术的企业应该蛮多了。

虞鑫海(嘉宾):

没错,国内这几年发展非常快。

幻实(主播):

那您觉得日前咱们和国外的差距在哪?

虞鑫海(嘉宾):

在高品质、高性能的碳纤维方面咱们没法与国外相媲美,尤其是哪些特种的,模量非常高,有些是强度非常高。当然,我相信随着国家的注重和科技的投入,以及咱们技术人员的奋斗,在不久的将来咱们必定能赶上她们

幻实(主播):

成本有机会降下来吗?

虞鑫海(嘉宾):

只要中国去生产都会大规模的下降成本,这是美国、日本最害怕的事情。

幻实(主播):

没错,我记得新能源汽车还思虑用碳纤维做车架,但后来好似由于成本问题再谈下去,您觉得它在工艺的可能性上是不是有降本的空间呢?

虞鑫海(嘉宾):

肯定有,实质上,新能源汽车的电池箱非常多已然在用碳纤维了,它是用碳纤维的短纤维做BMC材料(块状模塑料),即模压成型,来做为它的外壳材料。

2022年国内碳纤维企业的原丝及碳纤维产能(数据源自:网络)

幻实(主播):

这般一来就处理了自重的问题。

虞鑫海(嘉宾):

没错。另外,我曾到德州专门去看了全碳纤维的自动车瑞豹,一辆自动车价格大概在1万到10万之间,它连轮毂都用到了碳纤维复合材料,由于刹车的一瞬间,温度会有改变,因此呢需要运用耐高温的材料,当时,我就在思考,怎样咱们的耐高温环氧树脂用到轮毂上。

瑞豹super sport全碳纤无线电子变速超轻直把公路车 (图源:瑞豹官网)

幻实(主播):

这般一来,刹车时会更安全。

虞鑫海(嘉宾):

没错,可惜的是它供不该求,非常多被用在了体育竞技行业。不外在淄博,有一家做OLED表示屏的企业已然运用咱们合作企业供给的无色聚酰亚胺材料。

幻实(主播):

这个材料做屏有什么优良吗?

虞鑫海(嘉宾):

它无色透明且耐高温,柔性非常好,可能在不久的将来,电视、手机便是“一张纸”。

幻实(主播):

那电缆芯上又有怎么样的应用呢?

虞鑫海(嘉宾):

电缆芯的项目是在2012年,以我为项目组长,并联合上海电气、上海电缆科研所。这个项目是咱们三家单位一起申报的上海市科委的重大专项行动计划的产业化项目,我重点负责的是特种树脂的制备工作,它是拉挤成型的,为何要做碳纤维电缆芯呢?实质上电缆芯最早是美国CTC机构在生产,重点用于代替高压输变电里的钢筋,钢筋的重量很重,密度高达7.8,而碳纤维电缆此刻的密度是2.1,二者比重相差非常多

钢芯铝导线和CFRP芯铝导线的截面对比(图源:网络)

碳纤维电缆和钢筋相比,有以下几个优良第1,重量轻、强度大,这就寓意着两个电线杆之间的距离能够拉大,以此减少占地面积。一个电线杆的制导致本很高,减少一个电线杆,对输变电而言,价格能够大大下降;第二,碳纤维电缆不会出现悬垂的状况,而钢筋容易出现悬垂,这般一来,特别有可能直接引起线与线之间的接触,导致短路,从而导致重大的事故。尤其是电网,一旦国家电网断电,损失不可估量;第三,碳纤维电缆不会产生磁场,而普通钢筋则否则,一旦产生磁场,就会把电能损耗掉,因此用碳纤维电缆芯还能够节能。

比强度:比强度是材料的强度(断开时单位面积所受的力)除以其表观密度。又被叫作为强度-重量比,其国际单位为(N/m2)/(公斤/m3) 或N·m/公斤。材料的抗拉强度与材料表观密度之比叫做比强度,比强度的法定单位为牛/特(N/tex)习惯上,有时将比强度叫作为强度,材料在断裂点的强度(通用拉伸强度)与其密度之比,用厘米(米2 /秒2 )暗示

综上来看,碳纤维电缆芯的优良非常显著,当然,它必定的缺陷,通常来讲,在室外的运用最少要20年以上,因此呢,这对材料的需求就非常高。例如它端部的连接很重要,倘若连接欠好,就很容易断开。再例如,它对树脂的需求非常高,由于碳纤维电缆芯重点由碳纤维和树脂形成,而它需要耐高温要耐低温,还要耐得住风吹日晒雨淋,耐盐雾耐紫外等,因此材料的耐老化性要非常好。

咱们当时承接了上海市科委的重大专项,拉伸强度能够做到2000多兆帕,当然这个拉伸强度的重点贡献是碳纤维,咱们当时用的是T700型号的碳纤维,拉挤成型的工艺性非常好。

幻实(主播):

此刻这种电缆芯已然在应用了吗?

虞鑫海(嘉宾):

是的,重点应用于国家电网,日前只能说是试挂运行,由于要考察它的老化性,在自然状况下经过20年,倘若实现预期,才可大规模地投入运用

幻实(主播):

因此材料的推广非常不易

虞鑫海(嘉宾):

没错,在我的印象中最早的试挂运行是在福建龙岩,当然那个时候是从美国CTC机构进口的,但国产的始终在做,并且始终处在提升的过程中,这是新材料研发的一种科学恰当的规律。

研究工作者怎样做好“产学研”转化推动?

幻实(主播):

因此还是要耐得住寂寞,那我想再和您请教下转化的问题,您始终奔赴在“产学研”转化的前线,经常去拜访关联企业,关于这块您有什么想借助咱们平台对外呼吁的,咱们非常愿意搭建这般一个平台,促成更加多的产业方和您取得联系。

虞鑫海(嘉宾):

好的,其实在这方面我自己深有体会,由于做过法人,在国企科研所当过所长,做过管理,我认识企业尤其看重市场的需要不仅是对制品需要,还有对性能的需要因此咱们很关注这方面。

幻实(主播):

因此您这是从务实的方向出发。

虞鑫海(嘉宾):

是的,咱们研究工作必定要以这些做为基点,我在金华市做报告的时候曾讲过,咱们习总书记对政府官员的需求这般的,一是“问需于民”、二是“问计于民”、三是“问效于民”,而咱们做为研究工作者,这三个词能够对应转换为“问需于企业”、“问计于企业”、“问效于企业”。企业认可你,实质上就等于市场认可你,刚才讲到的成果转化实质便是,转化的好欠好由企业和市场说了算,不仅要有经济效益,还要有社会效益,二者是相辅相成的。

因此咱们此刻研究理念中,不仅要注重市场需要,还要注重绿色生产、清洁生产、低能耗、低排放,因此刚才讲到碳纤维的电缆芯,咱们都是无溶剂体系的,即零排放、拉挤成型,这咱们理念的真实表现

而和半导体行业关联便是光敏性聚酰亚胺体系或光刻胶体系,实质上,非常多人可能还不太认识光刻胶,认为咱们的光刻胶都是被卡脖子的,那就大错特错了。

实质上,咱们的光刻胶分为四类,原先是三类。第1类是印制线路板行业,即PCB、 FCCL行业包含阻焊油墨、uv胶等,这一类在光刻胶行业处在最低端,它的技术含量最低,需求最低,咱们PCB占全世界市场份额的85%以上,然则咱们的光刻胶在这方面的应用占据65%上下。其中有有些企业非常值得骄傲,如长兴化学,它是台资企业,总部在上海漕泾研发区,生产和科研分部在苏州,是一家很典型的机构,我把它吸纳到了上海市粘接技术协会(隶属于上海市科学技术协会)做为专家单位。

第二个层次的光刻胶用在光伏行业包含线路的制备。再高一个层次便是表示行业LCD、 LED、OLED,包含黑胶、彩色胶等,这些光刻胶咱们国内非常多厂家做得不错,国外卡不了咱们的脖子。日前真正卡咱们脖子的光刻胶是半导体行业尤其是DUV、EUV光刻胶,迄今咱们EUV光刻胶这般制品

像DUV深紫外的光刻胶重点有三个类型,一个是157纳米,一个248纳米,一个193纳米,这方面咱们开发其中包含彤程、新阳、徐州博康、南大光电等,其中有部分经过了试用,有小批量的应用,但还有待改善,并未达到真正的稳定大批量生产,说完全替代进口还需要必定的过程。由于EUV光刻机被ASML垄断,因此咱们光刻机的状况下去科研EUV光刻胶,难度就非常大,有光刻机才可去验证。

光刻胶产业链分布图(资料源自:UIV CHEM 国投证券科研中心)

而光刻胶的验证成本非常高,不是每一个企业都买得起光刻机,因此我想经过芯片揭秘平台,呼吁创立公共验证平台,各个企业做的光刻胶都能够到公共平台上进行验证。如此一来,一方面能够降低成本,另一方面验证结果比较真实靠谱另外,第三方检测用户运用起来会更方便,并且能够把高校的有些力量做为评估体系引入到公共平台中。这有利于咱们国家整体光刻胶产业的发展提高。一旦光刻胶发展提高咱们的芯片技术就随之提高了,由于光刻胶是芯片制造中非常关键的一种功能化学品材料。

幻实(主播):

谢谢虞教授给咱们的产业发展提出了这么中肯的意见,确实有些产业报国的事情,说起来容易,实现可能要非常多年。

虞鑫海(嘉宾):

没错,我深有体会,咱们国家对超大规模集成电路芯片以及有些配套材料非常注重。我之前有说到过,1998年我博士毕业就加入了华谊集团,2000年组织安排我担任所长一职,当时正逢国家科技部筹办超大规模集成电路方面的攻关项目,去北京出差时,从北京化学试剂科研所得知这状况

由于华谊集团的前身是化工医药局,咱们有硫酸、硝酸、甲醇、异丙醇、醋酸、氨水、氢氟酸、双氧水等等,而这些都是超纯试剂的原料,于是咱们就有了把它们高纯化,打造高质量电子级的、微电子级体系的想法。从北京回上海后,我随即征求了当时的董事长俞德雄先生的意见,他的回答是只要有自信心拿下来,华谊集团肯定支持。得到了正向的支持后,我便到科技部去找关联人员洽谈,我说北京能够科研超纯试剂,上海一样能够,我把华谊集团的优良一一讲述给她们,并且提议能够进行南北方良性竞争,开发资金能够由财政部统一,这般的竞争对国家而言大有裨益。

后来我请她们到上海考察各个企业,包含新傲科技,SOI材料进入了该项目,当时的“863计划”中很大一部分和硅片材料关联,12英寸硅片要达到semi- C12标准,那时候已然提出最高等级的需求了。当然咱们负责的超纯试剂是semi -C12标准。后来,上海市科委立了重大专项,政府非常支持、注重这方面。乃至科委曾经出面请台积电的人过来,让她们试用咱们研制的超纯试剂,还向她们保准导致的损失由上海市政府承担弥补,但最后她们还是拒绝了,由于一旦用欠好她们整条生产线都会受到严重影响,因此呢她们不敢轻易运用。由此可见,像这种高端制品要去产业化是何其困难。实质上,咱们当时连包装器具都做得很困难,其离子含量要达到ppb(十亿分之一),乃至是ppt(万亿分之一)级别,需求非常高。

“863计划”的八个行业(图源:网络)

幻实(主播):

因此产业发展迄今真的是靠无数代人一点一滴的奋斗才实现,您见证了国内基本化工在产业应用上的发展,我非常开心有您这般又懂研究、又懂产业应用、又愿意去做产业结合的教授级名人,和咱们行业做更加多的沟通,咱们国家对研究的拨款和咱们产业急需的东西更加紧密地贴合在一块这般咱们的方向性都会更加知道减少咱们投资的浪费。

虞鑫海(嘉宾):

始终秉承着一个理念,在这儿大众分享一下,咱们“产学研”合作有过失败的经历,虽然制品做出来在售卖,但企业投资人会把你独吞,这种状况咱们遇到过不止一次,因此咱们思虑合作时会把品德放在第1位。企业和高校之间脱节有多种原由,有些便是由于企业家缺少品德,这对研究工作者而言打击非常大,对全部产业发展成果的转化的影响不小,研究成果产业化,作为商品,这中间包含了无数人的艰辛,因此始终保持“4+16”个字,“4”便是“德正业盛”,“16”便是“教书育人、科学科研、社会服务、文化融合”。

虞鑫海教授在东华大学接受专访现场照

做为大学老师,教书育人、培养人才,这是咱们的首要责任;科学科研是为了产业报国,尤其有些卡脖子、最热门的行业咱们要投身其中,做科技攻关,包含技术科研、应用科研;而社会服务的范围就比较广泛,就例如芯片揭秘这般的节目运作就属于社会服务,处理企业的技术困难,还供给了平台供大众相互交流,促进了全部行业的发展;最后,文化融合很重要,这个方面通常大众都容易忽略,尤其是在当前的形势下,西方有些国家始终在对中国做打压遏制,她们认为咱们剽窃抄袭人家,因此咱们必定要把这个观念扭转过来,那样谁能去做?仅有大学老师、科技工作者有这个机会和能力去和她们咱们原创性的东西。

有一年,我到德国亚琛工业大学去讲课,专门拿了我发明的一个化合物专利讲给她们听,我说这便是咱们的原创,在2008年之前这个东西。美国的化学文摘号的第1篇文献就出自中国发明专利,是咱们课题组的,我告诉她们,我只是中国很小的一个研究工作者,中国有这么多研究工作者,可想而知,中国的原创性发明有多少。

幻实(主播):

能够说这是您“产学研”转化过程中得到的心得,谢谢虞教授的精彩分享,期待您后续多来咱们芯片揭秘和咱们分享最新的研究案例。

光敏聚酰亚胺(PSPI)是兼有耐热性能与感光性能的一类高分子材料,因拥有电绝缘性,可守护半导体电路免受理学和化学要求的影响。因为其具备优异的热稳定性、良好的机械性能、化学和感光性能等优良,在航空航天、微电子、OLED表示行业持有广阔应用前景。

PSPI的生产技术与市场重点由美国及日本企业所掌控和垄断,全世界PSPI生产企业重点包含HDM机构、东丽Toray、富士胶片等企业。国内PSPI行业起步较晚,且因为PSPI生产壁垒较高等原因,产业呈现“进口依赖度高、产业规模小、且制品多集中在中低端行业”等特点。

2022年全世界光敏聚酰亚胺(PSPI)市场规模达到了421百万美元,预计2029年将达到2032百万美元,年复合增长率(CAGR)为25.16%。地区层面来看,中国市场在过去几年变化较快,2022年市场规模为74.35百万美元,约占全世界的17.63%,预计2029年将达到560百万美元。国内PSPI行业已有多家企业布局,鼎龙股份、国风新材等机构持续实现PSPI 的国产化突破,国产制品放量可期。

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