它山之石可以攻玉：日本新材料产业为何能称雄全球？- 大数跨境

2019年，日本经济总量为5.18万亿美元（IMF数据），排名世界第三，超过德国、印度、英国，是法国的1.87倍；日本人均GDP为40802美元（IMF），甚至是咱们10121美元的约4倍左右。

虽然日本经济发展停滞了20年，但其科技水平及科技实力上仍然是十分强大的，特别是某些领域其实力水平仍然处于世界领先。

下面介绍一下日本新材料产学研政的现状。

日本的10大新材料政策和代表性企业

日本政府曾经发布过《日本产业结构展望2010》的报告以新成长战略为指导，将包括：高温超导、纳米、功能化学、碳纤维、IT 等新材料技术在内的10 大尖端技术产业确定为未来产业发展主要战略领域，就相关领域的现状和问题、发展方向进行了分析，并提出了相应的行动计划。

新材料产业，被国际上认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的产业。日本是新材料生产技术最先进的国家。日本政府十分重视新材料技术的发展，重点把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标，因此，日本材料企业在全球新材料产业界形成一枝独秀领先局面。

日本内阁会议于2016年1月22日审议通过了《第五期科学技术基本计划(2016-2020)》，日本政府未来5年将确保研发投资规模占GDP比例的4%以上。日本机械制造工业长期保持世界先进水平与其发达的材料产业密不可分。比如日本在新材料占有率方面，日本的新材料产业凭借其超前的研发优势、研发成果、实用化开发力度，在环境、新能源材料全球市场占据绝对的优势地位。

日本拥有了全球领先的代表性新材料企业：比如京瓷株式会社；三井化学株式会社(Mitsui Chemicals)等；

重要的是日本还拥有了享誉世界的代表性大学：

1.东京大学。东京大学共培养了十六名总理大臣、二十一名(日本)国会议长，十三名富比世500大企业首席执行官。十一名诺贝尔奖得主、六名沃尔夫奖得主、一名菲尔兹奖、三名罗伯·柯霍奖、四名盖尔德纳国际奖及四名普立兹克建筑奖得主。

2.名古屋大学。是一所日本顶尖、世界一流的著名研究型国立综合大学，是日本中部地区最高学府。根据2018QS世界大学排名显示，名古屋大学世界排名第116名。截止目前，名古屋大学共培养出6名诺贝尔奖得主、1名菲尔兹奖得主。

日本的材料学已成为最顶尖技术。材料学的水平将极大程度决定了一个国家的最高科技水平。比如最先进的装甲车必需优质材料；最先进的导弹之外壳必须采用极优质材料。特别是飞机发动机叶片更需要出色而优异的新材料。再比如最高精尖的军用雷达半导体元器件也需要优中选优的材料。

在三种顶级科技方面遥遥领先

在新材料方面，日本已经远远领先最发达国家美国非常大的身位，剩下的包括俄罗斯及欧洲发达国家之类也和日本远远不在一个档次。比如在最高精尖的三种材料技术方面：制造洲际弹道导弹喷管和壳体以及飞机骨架——高强度碳纤维材料；制造最高性能主动相控阵军用雷达的——宽禁带半导体收发组件材料；制造最新式涡轮发动机涡轮叶片的——高性能单晶叶片。

日本在这三种顶级科技方面遥遥领先，让地球上其他国家望其项背。

首当其冲的是——最新型涡轮发动机叶片的五代单晶材料。由于涡轮叶片工作环境非常恶劣，需要极度高温高压之下仍然保持数万转的极高转速，因此，对于高温高压下的抗蠕变性能的条件及要求是十分苛刻的。当今科技最优的解决手段就是让晶体约束朝一个方向伸展，相比于常规材料来说无晶界，这样就大大提升高温高压下的强度和抗蠕变性能。

世界上单晶材料共有五代。越到最后一代，就越根本看不到老牌发达国家美国和英国的影子，军事超级大国俄罗斯更不在话下。假如四代单晶还有法国能够勉强支撑的话，而第五代单晶技术水平就只能是日本的天下。因此，全球最顶级的单晶材料就是日本研发的第五代单晶TMS-162/192，日本已成为全球唯一一个能制造第五代单晶材料的国家，在世界市场上具有绝对的话语权。

再拿美国F-22和F-35使用的F119/135发动机的涡轮叶片材料CMSX-10三代高性能单晶作为对比，通过比较数据如下，三代单晶的经典代表CMSX-10的抗蠕变性能是：1100度，137Mpa，220小时。这已是西方发达国家最顶级水平了。

反观日本，其第五代的TMS-162，在相同条件之下，第五代的TMS-162寿命高达959小时，甚至于接近1000小时寿命，相比于美国材料的使用寿命高达4倍有余，令人震撼。

再比如世界传统材料学和发动机技术的欧洲最顶尖水平公司——英国著名的发动机公司罗尔斯·罗伊斯（RR），也是欧洲最大的航空发动机企业，旗下产品包括航空发动机、船舶发动机以及核动力潜艇的核动力装置，其中航空发动机是世界久负盛名的拳头产品，它研制的各种航空发动机广为世界民用和军用飞机所采用。

即使这样一家全球技术最顶尖公司，在日本的新材料面前只能选择膜拜及臣服。英国RR甚至于大批进口日本的单晶材料用于制造自己的世界先进的Trent涡轮风扇发动机。日本的新材料技术，让很多国家离不开它，离开了就寸步难行，要么使用性能差一点的材料去替代，而对于追求品质的欧洲发达国家根本不现实，宁愿去花大价钱买日本的新材料，这样用的放心也省心，因为十分“恐怖”的使用寿命放在那里。

其次是日本领先世界的碳纤维材料。碳纤维由于质量轻，强度高而被军工产业视为制造导弹、尤其是最顶尖洲际弹道导弹的最理想材料。比如美国的“侏儒”导弹是美国的小型固体洲际战略导弹，能够在公路上机动，以提高导弹的射前生存能力，主要用来打击导弹地下井。该导弹也是目前世界上最早采用全程制导的洲际战略导弹，其中用到了日本的新材料及技术。

比如美国的“三叉戟II”D-5型潜射导弹，是由洛克希德•马丁公司研制。该弹1990年服役，主要装备了“俄亥俄”级核潜艇，每艇载弹24枚，曾经是世界上最先进的潜射弹道导弹。“三叉戟II”D-5，射程更远，命中精度更高。每枚导弹最多可载12枚分导式弹头，后来根据美俄间的协议，改为限载8枚，可分别攻击8个目标，采用星光惯性制导系统。它打击诸如地下导弹发射井、加固的地下指挥所等坚固目标的能力要比“三叉戟I”导弹提高3至4倍，因而被誉为美海军战略核力量的“骄子”。此导弹采用了日本的新复合材料。

再比如法国M51的新式洲际弹道导弹，M51潜射弹道导弹曾经是法国原子能军需事务局和法国原子能总署研制的新一代战略核导弹。导弹上安装电力喷嘴调节器、惯性制导与天文制导系统，展开式减阻帽能够降低发射后的空气阻力;它的整流罩由复合碳基材料制造。至少到2030年，以M51导弹为主体的海基核力量将成为法国核力量的主体，可巩固法国在欧洲防务独立中的领导地位。法国的导弹同样采用了日本的复合新材料。

笔者想提醒的是，以上先进的战略导弹无一例外都采用碳-碳和碳-树脂复合材料用于制造洲际导弹的壳体和喷管。在这项技术上日本同样是世界领先水平。

碳纤维主要分为两类：高强度和高拉伸模量。比如日本东丽公司的T1000强度高达7060mpa，其拉伸模量在高强度碳纤维中也非常高（甚至达到了284Gpa），这些技术指标都远远超过了美国IM9的最高水平。

纤维有机复合材料，在当今飞机上获得了十分广泛的应用。军事大国俄罗斯对于这种材料的研究及应用时间要晚一些，基本上是在上世纪70年代才开始开始研发的。前苏联国家石墨结构材料研究所、前苏联聚合物纤维研究所，全俄航空材料研究院，能够生产出拉伸强度2500～3000MPa、拉伸模量250GPa的高强度碳纤维，以及模量400～600GPa的高模量碳纤维。此后，又研发出4000～5000MPa的中模量碳纤维。虽然如此，俄罗斯的碳纤维产品在性能及水平上仍然远不如日本的技术水平先进。

从高强度纤维产品观察，俄罗斯的YKH、BMH比世界上通用的T300大约要低1000Mpa。俄罗斯高模量纤维400～600GPa差不多与日本M40J、M60J相近。但是在中模碳纤维方面与美国的T800H及T1000G有一定技术差距，在模量相同的条件下，美国的强度大约高出 500～1000MPa。

综上所述，俄国人制造出最强的水准在5000mpa之内封顶，和日本美国完全不在一个档次上，而且这还是俄罗斯的实验室的水平。

在全球碳纤维生产制造厂家中，日本拥有著名的东丽、东邦和三菱3家顶尖公司，他们代表了世界最顶级技术水平。

中国在碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距是很大的，特别是高性能碳纤维技术完全被欧美发达国家所垄断甚至封锁。我们虽经过多年研发及试生产，至今尚未掌握高性能碳纤维的最核心技术，所以碳纤维要实现国产化仍然需要时间。值得一提的是，我们的T800级别的碳纤维曾经只能在实验室里生产。而日本技术远超T800及T1000碳纤维早已占领市场并大量制造了。实际上，T1000还只是日本东丽在80年代的制造水平。由此可见，日本在碳纤维领域的技术至少要领先其他国家20年以上。

再次是军用雷达上使用的独领风骚的新材料。主动相控阵雷达的最关键技术体现在一个个T/R收发组件上。特别是AESA雷达都是由数千个收发组件单元组建成的一台完整的雷达。而T/R组件往往是由最少一个，最多4个MMIC半导体晶片材料封装而成。这个芯片是将雷达的电磁波收发组件集成起来的一个微型电路，不但负责电磁波的输出，同时也负责接收。这个芯片就是在整个半导体晶元上蚀刻出电路来的，因此，这个半导体晶圆的晶体生长是整个AESA雷达最关键的技术部分。

比如美国F-35的诺斯罗普.格鲁曼公司的APG81雷达的MMIC芯片，其中APG81雷达就是由数千个一模一样的这样的MMIC芯片组成。这个芯片是以GaAs为基体蚀刻构成的。

GaAs材料由于其禁带过窄，击穿电压过低，往往发射功率上不去。因此，极需要新一代宽禁带的半导体材料，这个材料就是GaN材料。

GaN材料的晶体生长十分困难，当今世界只有日本率先攻克了GaN薄膜的大规模制造工艺，其他国家仍然在摸索之中。

日本日亚化工是在1994年攻克了GaN材料成核生长关键技术，此后，P型GaN又采用退火技术加以实现，最终GaNled研制成功。通过外延技术的提升，GaNLED的内量子效率大大提升，结合粗化、倒装、PSS衬底等提高光输出效率的技术，GaN基LED已广泛应用在汽车灯具、全彩显示、交通信号灯、液晶背光、室内照明和路灯照明等领域，半导体照明已家喻户晓。事实上，绝大多数GaN基LED都是采用价格相对低廉的蓝宝石为衬底材料制备。但是，蓝宝石衬底与GaN材料有高达17%的晶格失配度，如此大的晶格失配往往造成很高的位错密度，导致GaNLED中的非辐射复合中心增多，限制了其内量子效率的进一步提升。

SiC衬底与GaN材料的晶格适配度只有3%，远小于蓝宝石衬底与GaN材料间的晶格适配度，所以在SiC衬底上外延生长的GaN材料的位错密度会更少，晶体质量会更高，同时SiC的热导率（4.2W/cm.K）远大于蓝宝石，有利于器件在大电流下工作。

但是SiC衬底的制备难度较高，外延生长GaN的成核也具有一定难度。因此，SiC衬底上制备GaNLED的技术仅限于以美国CREE为代表的少数掌握SiC衬底囗制备技术的公司手中。值得一提的是，美国Cree公司生产的GaNLED封装成白光后，流明效率已经超过200lm/W，远超世界上其他同行厂家。

美国由于无法大规模制造SiC基体的GaN材料，因此，只能反过来求助于日本。根据专家预测，下一代美国的雷达的材料将会是“日本制造”。

世界LED产业上游大公司美国Cree曾经表示，公司已与日本三菱化学签订独家授权合约。根据双方协议，日本三菱化学将可制造、贩卖独立的氮化镓（GaN）基板，并有权签订类似专利范围的再授权协议。

日本三菱化学光电事业部门总经理Yasuji Kobashi在声明中指出，上述授权合约可望帮助该公司在光电产品领域中拓展氮化镓基板业务。

实际上，美国的F-22的雷达采用日本技术已非秘密。早在90年代初，日本率先攻克了GaAs晶圆的生长工艺后，自然会造成逼着美国购买日亚化工的GaAs晶圆技术用来制造F-22的 APG77雷达。也正是日本日亚化工对美国的半导体材料进行的技术许可和转让，才让美国在90年代后半期技术大幅提升，从而利用军用雷达的AESA革新遥遥领先世界其他国家。

新材料是高新技术的重要组成部分，又是高新技术发展的基础和先导，也是提升传统产业技术能级，调整产业结构的关键因素。新材料产业被认为是21世纪最具发展潜力并对未来发展有着巨大影响的产业。值得一提的是，世界发达国家在争夺高技术产业发展制高点中，都把新材料产业放到非常重要的战略地位来优先发展。日本是全球新材料生产技术最先进国家，日本政府高度重视新材料技术的发展，尤其把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标。

在高端材料产业化上再发力

日本传统的机械制造工业之所以能够长期保持全球领先水平，与日本发达的材料产业密不可分。由于中国等新兴国家的材料产业迅猛发展，日本很早就未雨绸，在高端材料的实用化开发再次加快步伐。

比如日本机械工业联合会早在2007、2008年发表的“新材料现状与工业化调查”，并且对先进材料技术的种类、特性、应用可能性及工业化前景等进行评估，日本评估的新材料领域包括: 耐高压、耐腐蚀性、高敏感、超薄、超轻，具备很多金属特性的金属玻璃，广泛用于电子产品的镁合金，用于水力发电机组轴承的树脂系复合材料，碳纤维复合材料，用于建筑、桥梁、船舶、汽车的超级钢铁材料，新光源材料有机EL、富勒烯、固体燃料电池材料、高温超导材料、超耐热合金、生物能源材料、硅材料、双层电容器用碳素纳米细孔电极材料等。

日本新材料政策目标是占有全球市场，因此，日本选择的重点是市场潜力巨大和高附加值的新材料领域，并且日本在尽量短的时间内加快专业化、工业化进程。日本在全球新材料目标明确且已保持领先优势的领域有: 精细陶瓷、碳纤维、工程塑料、非晶合金、超级钢铁材料、有机EL材料、镁合金材料。

日本新材料产业，凭借其超前的研发优势、研发成果、实用化开发力度，在环境、新能源材料全球市场占有绝对的优势地位。值得一提的是，全球多数工业化国家已针对节能减排，应对气候变化问题达成基本共识，并积极推动建立减少污染、资源可回收利用的循环型经济模式，制定经济的可持续发展政策措施，无疑为新材料产业创造了巨大市场潜力空间。

日本新材料的领先优势具体如下: 锂电池隔板占比达50%，飞机及汽车用碳纤维占比达70%，海水淡化逆渗透薄膜占比50%，高端多层陶瓷电容器用纳米级钛酸钡占比80%，300mm太阳能电池半导体电路板占比达70%，有机EL材料占比达90%，聚乙烯醇胶卷占比达80%，用于燃料电池的氧化锆占比达60%，用于汽车、电子的合成镁氧占比达70%。可见，日本在新材料产业方面是一个令人震撼的对手。

日本的产官学合作体制发挥极为重要发动机作用，并且日本政府处于主导地位。1995年，日本就制定了《科学技术基本法》，第二年开始实施为期5年的科学技术基本计划。日本为了推动循环经济，建立循环型社会，日本还制定了一系列相关法规，比如《环境基本法》、《循环型社会形成推进基本法》、《资源有效利用促进法》、《绿色购入法》等，为新材料的研发、实用化起到了十分积极的推动作用。日本的产官学合作体制，实际上就是产业界、政府和学术界合作的科技发展体制在促进科研成果产业化方面发挥了重要作用。

日本十分重视新材料的基础研究，日本为了给未来的科学技术进步打下基础，以保证在今后的尖端技术中发挥其主导作用，日本认识到基础研究的重要性，特别是新材料方面的研究。

日本建立大批新材料研究所，着重对电子、新材料、生物工程等方面开展研究活动。其中，特别是对新材料的研究，日本给予相当的重视。

日本十分重视新材料方面的人才资源，日本认识到培养材料科学家和材料工程师的重要性，认为现有的大学中许多课程远远满足不了当前培养高级科技人才的需要，不断加以完善调整。因此，日本为了发展新材料所需的资源业采取以下重点政策:

1.政府出资储备；

2.政府对民营企业的库存给予资助；

3.与国外资源国建立巩固关系；

4.采取各种渠道输人资源的政策；

5.加强矿渣的综合利用和回收有用金属；

6.开发锰团矿等海洋资源。

日本在研究经费方面给予大力支持。1985年，日本政府在新材料方面的研究经费预算金额共计为7,810百万日元，占科学技术振兴费的2.04%。日本政府在新材料方面的研究开发费相当于大型工业技术研究开发费(7,698百万日元)和海洋开发经费(7,984百万日元)。比太阳能、地热能、氢能等新能源的开发研究费3,022百万日元高50%以上、比电子计算机产业的研究开发费4,779百万日元高38.7%。为促进新材料的发展，日本甚至采取欧美各国所采取的在税制上支持的政策。对研究经费的增加额减税20%，减税限额最多只能相当于所得税的10%，对新材料试验研究费的税收，若有理由延期缴纳，可延至任何时候偿还。对新材料的开发投资减税10%。

日本的新材料研究体制采取了新方式。日本企业对新材料的开发采取产学结合或企业间合作的体制。产学结合就是企业与学校结合，1984年大学和住友电公司就开发新材料方面进行合作研究，成功地开发出瞬时合成烧结精细陶瓷的方法。

在竞争剧烈的时代，日本很多企业认识到，为了缩短开发周期，为了企业的生存，应共同进行研究，共同生产。

近年来日本新材料不断出现重大科学进展，比如：

1、日本开发出世界上最耐热的生物塑料、高强度医用凝胶和更节省稀土的磁石制造技术。

2、日本北陆先端科技大学院与筑波大学的研究人员利用转基因大肠菌制造出具有坚硬构造的桂皮类物质，并使用光化学手段对其进行加工，成功制造出世界上最耐热的生物塑料。该物质有望在未来成为汽车和电器零部件中金属和玻璃的替代品。

3、日本东京大学的研究人员成功开发出一种即使放入水中也不会膨胀的高强度医用凝胶，这种物质未来可用于制造人工软骨等医疗器材，并在干细胞治疗中发挥重要作用。

4、日本立命馆大学的研究人员开发出一种低费用的深紫外发光体，该发光体使用LED光源，未来作为杀菌处理的新型光源代替目前使用的水银灯。

5、日本产业技术综合研究所的研究人员用沙子的主要成分硅石与酒精进行反应，成功制出了硅化学产业的主要原料四乙氧基硅烷。这种新技术不但效率高，而且由于是直接合成，也相对简便，对未来的硅化学产业可能产生重大影响。

6、日本九州大学的研究人员开发出一种新工艺，通过减少作为触媒的白金粒子直径和其在固体表面上的固化密度，大大减少燃料电池中白金的使用量，达到目前的十分之一。这项成果的出现意味着未来燃料电池的费用可能会大大削减。

7、日本物质材料研究机构的研究人员成功合成一种新的磁石化合物NdFe12Nx，这种新型磁石与目前在混合动力汽车驱动马达中使用的钕磁石相比，使用的稀土量更少，而且具备更优良的磁力特性。

日本如何一步步垄断半导体材料

再说一下日本垄断全球半导体材料的过程。日本是全球半导体材料的制造大国。

在1970-1980年时期，日本半导体产业进入了兴盛期，半导体存储尤其是DRAM(即电脑内存)成为了日本第一产业，日本甚至把曾经的霸主美国被拉下马。在1986年，日本半导体芯片占世界份额高达40%，特别是在DRAM领域最高占据了80%市场份额。当时，英特尔主营正在从DRAM转移到CPU，CPU尚未成为引领行业的产品，所以，世界半导体芯片生产的重心逐渐倾向日本。日本半导体材料和设备伴随日本半导体芯片的崛起成为全球一支极为强势力量。

索尼公司创始人盛田昭夫和井深大花在1955年花费2500美元，从AT&T下属的贝尔实验室购买到晶体三极管的专利许可，开始制造半导体收音机，从而日本的半导体产业开始起步。

相对于CPU，DRAM的结构比较简单，且门槛低，日本几乎稍有点实力的公司都争相挤入。在日本半导体产业最高峰时期，不但有NEC老牌半导体厂商，也有家电出身体的松下和钢铁巨头新日铁。

尤其是新日铁，主业和半导体没有半毛钱关系，但也要来分一杯羹，不仅抢DRAM蛋糕，甚至连半导体材料也不放过，但2003以失败退出后，2009年再次进入碳化硅晶圆领域，期望在功率半导体底板材料领域大有作为，誓要成为仅次于美国可瑞(Cree)公司的企业。当时可瑞(Cree)公司是碳化硅晶圆市场的全球龙头，新日铁有意在做行业老二。

日本半导体芯片在奠定世界领先地位后，日本相关半导体材料及设备也迅速崛起。另外还有日本传统制造业，比如电子计算器、家电、照相机、汽车、手机(包括功能机)、显示器等产业相继崛起，几乎每个产业都把美国强摁下去。在核心半导体芯片的引领下，全日本的制造业实现全面腾飞。

但上世纪80年代中期爆发了日美贸易摩擦，叠加韩国和台湾省（中国）的参与，日本半导体芯片立即由盛转衰。因此，在今天的半导体产业版图上，仅剩美国、韩国、中国台湾省中国大陆。

半导体材料品类十分繁多，但日本人手中的王炸品种是高纯度氟化氢、光刻胶和氟化聚酰胺。而其它半导体材料，日本与美国、欧洲和韩国共同瓜分世界市场。

日本的工匠精神来自于传统文化及传统制造业，讲求个人经验的积累，尤其在精密复杂的工序基础上改进其生产品质，这成为日本在许多领域保持领先的重要原因。

日本断供韩国的高纯度氟化氢、光刻胶和氟化聚酰胺事件，韩国的这些产业很难从材料逆向分析出制造技术，也很难提高竞争的门槛，特别是这些材料的制造不仅需要精细的工艺、严密的操作步骤，更需要大量的时间成本去沉淀出技术经验，这就是日本人的特有优势。

由于制造高性能半导体的高纯度氟化氢，需将杂质浓度控制在低于万亿分之一，特别是其中的杂质砷仅靠温度分离很难清除干净，需要采用特殊方法，日本人不但靠时间及耐心去琢磨其中的奥秘，而且依靠工匠精神完成了降低杂质浓度的过程。

让日本人更“自恋”的是，半导体芯片存在摩尔定律，几乎是两年更换一代，这个更新节奏快到甚至于日本人也接受不了，但是半导体材料，自从晶体三极管发明以来，就从未改变过，不用担心颠覆式创新，由此，日本人依靠慢工出细活地不断地改进制造工艺。

半导体行业进入美中日三国演义时代，比如集成电路产业链，芯片设计基本上由高通、博通、苹果、英伟达等美国企业独霸;芯片制造剔除纯代工厂，完全由海思、夏普、AMD等中日美占据;中国台湾企业在半导体封装测试方面保持全球优势;在工业半导体领域，特别是材料半导体和半导体设备两个领域，日本公司占据全球领绝对优势。

根据国际半导体产业协会(SEMI)的数据显示，日本企业在全球半导体材料市场占比份额高达52%，而北美和欧洲仅仅各占才15%左右; 特别是日本企业在全球新购半导体制造设备市场占有率超过了30%，一直稳居在产业链上游。

日本在半导体材料行业发展上值得借鉴的几个方面。首先，日本始终采取产官学一体化进行国家级基础攻关研究。其次，切准具有高附加值的核心产品，从而避免产品分散。再次，积极进行海外研发与合作研发。第四，经营模式的及时转型。