日本新材料產(chǎn)業(yè)為何能稱雄全球？
發(fā)布時(shí)間：2022-02-12 09:19
日本，位于東亞，是世界上經(jīng)濟(jì)十分發(fā)達(dá)的國(guó)家。日本國(guó)土由7200多個(gè)小島及北海道、本州、四國(guó)、九州四大島組成，總面積37.8萬(wàn)平方千米。主要民族為大和族，總?cè)丝诩s1.26億。2019年，日本經(jīng)濟(jì)總量為5.18萬(wàn)億美元（IMF數(shù)據(jù)），排名世界第三，超過(guò)德國(guó)、印度、英國(guó)，是法國(guó)的1.87倍；日本人均GDP為40802美元（IMF），甚至是咱們10121美元的約4倍左右。雖然日本經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯了20年，但其科技水平及科技實(shí)力上仍然是十分強(qiáng)大的，特別是某些領(lǐng)域其實(shí)力水平仍然處于世界領(lǐng)先。
下面介紹一下日本新材料產(chǎn)學(xué)研政的現(xiàn)狀。
日本的10大新材料政策和代表性企業(yè)
日本政府曾經(jīng)發(fā)布過(guò)《日本產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)展望2010》的報(bào)告以新成長(zhǎng)戰(zhàn)略為指導(dǎo)，將包括：高溫超導(dǎo)、納米、功能化學(xué)、碳纖維、IT 等新材料技術(shù)在內(nèi)的10 大尖端技術(shù)產(chǎn)業(yè)確定為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要戰(zhàn)略領(lǐng)域，就相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀和問(wèn)題、發(fā)展方向進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的行動(dòng)計(jì)劃。
新材料產(chǎn)業(yè)，被國(guó)際上認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Σ?duì)未來(lái)發(fā)展有著巨大影響的產(chǎn)業(yè)。日本是新材料生產(chǎn)技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家。日本政府十分重視新材料技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)把開(kāi)發(fā)新材料列為國(guó)家高新技術(shù)的第二大目標(biāo)，因此，日本材料企業(yè)在全球新材料產(chǎn)業(yè)界形成一枝獨(dú)秀領(lǐng)先局面。日本內(nèi)閣會(huì)議于2016年1月22日審議通過(guò)了《第五期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃(2016-2020)》，日本政府未來(lái)5年將確保研發(fā)投資規(guī)模占GDP比例的4%以上。日本機(jī)械制造工業(yè)長(zhǎng)期保持世界先進(jìn)水平與其發(fā)達(dá)的材料產(chǎn)業(yè)密不可分。比如日本在新材料占有率方面，日本的新材料產(chǎn)業(yè)憑借其超前的研發(fā)優(yōu)勢(shì)、研發(fā)成果、實(shí)用化開(kāi)發(fā)力度，在環(huán)境、新能源材料全球市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。日本擁有了全球領(lǐng)先的代表性新材料企業(yè)：比如京瓷株式會(huì)社；三井化學(xué)株式會(huì)社(Mitsui Chemicals)等；重要的是日本還擁有了享譽(yù)世界的代表性大學(xué)：1.東京大學(xué)。東京大學(xué)共培養(yǎng)了十六名總理大臣、二十一名(日本)國(guó)會(huì)議長(zhǎng)，十三名富比世500大企業(yè)首席執(zhí)行官。十一名諾貝爾獎(jiǎng)得主、六名沃爾夫獎(jiǎng)得主、一名菲爾茲獎(jiǎng)、三名羅伯·柯霍獎(jiǎng)、四名蓋爾德納國(guó)際獎(jiǎng)及四名普立茲克建筑獎(jiǎng)得主。2.名古屋大學(xué)。是一所日本頂尖、世界一流的著名研究型國(guó)立綜合大學(xué)，是日本中部地區(qū)最高學(xué)府。根據(jù)2018QS世界大學(xué)排名顯示，名古屋大學(xué)世界排名第116名。截止目前，名古屋大學(xué)共培養(yǎng)出6名諾貝爾獎(jiǎng)得主、1名菲爾茲獎(jiǎng)得主。日本的材料學(xué)已成為最頂尖技術(shù)。材料學(xué)的水平將極大程度決定了一個(gè)國(guó)家的最高科技水平。比如最先進(jìn)的裝甲車(chē)必需優(yōu)質(zhì)材料；最先進(jìn)的導(dǎo)彈之外殼必須采用極優(yōu)質(zhì)材料。特別是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片更需要出色而優(yōu)異的新材料。再比如最高精尖的軍用雷達(dá)半導(dǎo)體元器件也需要優(yōu)中選優(yōu)的材料。 在新材料方面，日本已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先最發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)非常大的身位，剩下的包括俄羅斯及歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家之類(lèi)也和日本遠(yuǎn)遠(yuǎn)不在一個(gè)檔次。比如在最高精尖的三種材料技術(shù)方面：制造洲際彈道導(dǎo)彈噴管和殼體以及飛機(jī)骨架——高強(qiáng)度碳纖維材料；制造最高性能主動(dòng)相控陣軍用雷達(dá)的——寬禁帶半導(dǎo)體收發(fā)組件材料；制造最新式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的——高性能單晶葉片。
日本在這三種頂級(jí)科技方面遙遙領(lǐng)先，讓地球上其他國(guó)家望其項(xiàng)背。首當(dāng)其沖的是——最新型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的五代單晶材料。由于渦輪葉片工作環(huán)境非常惡劣，需要極度高溫高壓之下仍然保持?jǐn)?shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的極高轉(zhuǎn)速，因此，對(duì)于高溫高壓下的抗蠕變性能的條件及要求是十分苛刻的。當(dāng)今科技最優(yōu)的解決手段就是讓晶體約束朝一個(gè)方向伸展，相比于常規(guī)材料來(lái)說(shuō)無(wú)晶界，這樣就大大提升高溫高壓下的強(qiáng)度和抗蠕變性能。世界上單晶材料共有五代。越到最后一代，就越根本看不到老牌發(fā)達(dá)國(guó)家美國(guó)和英國(guó)的影子，軍事超級(jí)大國(guó)俄羅斯更不在話下。假如四代單晶還有法國(guó)能夠勉強(qiáng)支撐的話，而第五代單晶技術(shù)水平就只能是日本的天下。因此，全球最頂級(jí)的單晶材料就是日本研發(fā)的第五代單晶TMS-162/192，日本已成為全球唯一一個(gè)能制造第五代單晶材料的國(guó)家，在世界市場(chǎng)上具有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)。再拿美國(guó)F-22和F-35使用的F119/135發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片材料CMSX-10三代高性能單晶作為對(duì)比，通過(guò)比較數(shù)據(jù)如下，三代單晶的經(jīng)典代表CMSX-10的抗蠕變性能是：1100度，137Mpa，220小時(shí)。這已是西方發(fā)達(dá)國(guó)家最頂級(jí)水平了。
反觀日本，其第五代的TMS-162，在相同條件之下，第五代的TMS-162壽命高達(dá)959小時(shí)，甚至于接近1000小時(shí)壽命，相比于美國(guó)材料的使用壽命高達(dá)4倍有余，令人震撼。再比如世界傳統(tǒng)材料學(xué)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的歐洲最頂尖水平公司——英國(guó)著名的發(fā)動(dòng)機(jī)公司羅爾斯·羅伊斯（RR），也是歐洲最大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)，旗下產(chǎn)品包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶發(fā)動(dòng)機(jī)以及核動(dòng)力潛艇的核動(dòng)力裝置，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)是世界久負(fù)盛名的拳頭產(chǎn)品，它研制的各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣為世界民用和軍用飛機(jī)所采用。即使這樣一家全球技術(shù)最頂尖公司，在日本的新材料面前只能選擇膜拜及臣服。英國(guó)RR甚至于大批進(jìn)口日本的單晶材料用于制造自己的世界先進(jìn)的Trent渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。日本的新材料技術(shù)，讓很多國(guó)家離不開(kāi)它，離開(kāi)了就寸步難行，要么使用性能差一點(diǎn)的材料去替代，而對(duì)于追求品質(zhì)的歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家根本不現(xiàn)實(shí)，寧愿去花大價(jià)錢(qián)買(mǎi)日本的新材料，這樣用的放心也省心，因?yàn)槭帧翱植馈钡氖褂脡勖旁谀抢铩?/span>其次是日本領(lǐng)先世界的碳纖維材料。碳纖維由于質(zhì)量輕，強(qiáng)度高而被軍工產(chǎn)業(yè)視為制造導(dǎo)彈、尤其是最頂尖洲際彈道導(dǎo)彈的最理想材料。比如美國(guó)的“侏儒”導(dǎo)彈是美國(guó)的小型固體洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈，能夠在公路上機(jī)動(dòng)，以提高導(dǎo)彈的射前生存能力，主要用來(lái)打擊導(dǎo)彈地下井。該導(dǎo)彈也是目前世界上最早采用全程制導(dǎo)的洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈，其中用到了日本的新材料及技術(shù)。
比如美國(guó)的“三叉戟II”D-5型潛射導(dǎo)彈，是由洛克希德?馬丁公司研制。該彈1990年服役，主要裝備了“俄亥俄”級(jí)核潛艇，每艇載彈24枚，曾經(jīng)是世界上最先進(jìn)的潛射彈道導(dǎo)彈?！叭骊狪I”D-5，射程更遠(yuǎn)，命中精度更高。每枚導(dǎo)彈最多可載12枚分導(dǎo)式彈頭，后來(lái)根據(jù)美俄間的協(xié)議，改為限載8枚，可分別攻擊8個(gè)目標(biāo)，采用星光慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。它打擊諸如地下導(dǎo)彈發(fā)射井、加固的地下指揮所等堅(jiān)固目標(biāo)的能力要比“三叉戟I”導(dǎo)彈提高3至4倍，因而被譽(yù)為美海軍戰(zhàn)略核力量的“驕子”。此導(dǎo)彈采用了日本的新復(fù)合材料。再比如法國(guó)M51的新式洲際彈道導(dǎo)彈，M51潛射彈道導(dǎo)彈曾經(jīng)是法國(guó)原子能軍需事務(wù)局和法國(guó)原子能總署研制的新一代戰(zhàn)略核導(dǎo)彈。導(dǎo)彈上安裝電力噴嘴調(diào)節(jié)器、慣性制導(dǎo)與天文制導(dǎo)系統(tǒng)，展開(kāi)式減阻帽能夠降低發(fā)射后的空氣阻力;它的整流罩由復(fù)合碳基材料制造。至少到2030年，以M51導(dǎo)彈為主體的?；肆α繉⒊蔀榉▏?guó)核力量的主體，可鞏固法國(guó)在歐洲防務(wù)獨(dú)立中的領(lǐng)導(dǎo)地位。法國(guó)的導(dǎo)彈同樣采用了日本的復(fù)合新材料。筆者想提醒的是，以上先進(jìn)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈無(wú)一例外都采用碳-碳和碳-樹(shù)脂復(fù)合材料用于制造洲際導(dǎo)彈的殼體和噴管。在這項(xiàng)技術(shù)上日本同樣是世界領(lǐng)先水平。碳纖維主要分為兩類(lèi)：高強(qiáng)度和高拉伸模量。比如日本東麗公司的T1000強(qiáng)度高達(dá)7060mpa，其拉伸模量在高強(qiáng)度碳纖維中也非常高（甚至達(dá)到了284Gpa），這些技術(shù)指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了美國(guó)IM9的最高水平。
纖維有機(jī)復(fù)合材料，在當(dāng)今飛機(jī)上獲得了十分廣泛的應(yīng)用。軍事大國(guó)俄羅斯對(duì)于這種材料的研究及應(yīng)用時(shí)間要晚一些，基本上是在上世紀(jì)70年代才開(kāi)始開(kāi)始研發(fā)的。前蘇聯(lián)國(guó)家石墨結(jié)構(gòu)材料研究所、前蘇聯(lián)聚合物纖維研究所，全俄航空材料研究院，能夠生產(chǎn)出拉伸強(qiáng)度2500～3000MPa、拉伸模量250GPa的高強(qiáng)度碳纖維，以及模量400～600GPa的高模量碳纖維。此后，又研發(fā)出4000～5000MPa的中模量碳纖維。雖然如此，俄羅斯的碳纖維產(chǎn)品在性能及水平上仍然遠(yuǎn)不如日本的技術(shù)水平先進(jìn)。從高強(qiáng)度纖維產(chǎn)品觀察，俄羅斯的YKH、BMH比世界上通用的T300大約要低1000Mpa。俄羅斯高模量纖維400～600GPa差不多與日本M40J、M60J相近。但是在中模碳纖維方面與美國(guó)的T800H及T1000G有一定技術(shù)差距，在模量相同的條件下，美國(guó)的強(qiáng)度大約高出 500～1000MPa。綜上所述，俄國(guó)人制造出最強(qiáng)的水準(zhǔn)在5000mpa之內(nèi)封頂，和日本美國(guó)完全不在一個(gè)檔次上，而且這還是俄羅斯的實(shí)驗(yàn)室的水平。在全球碳纖維生產(chǎn)制造廠家中，日本擁有著名的東麗、東邦和三菱3家頂尖公司，他們代表了世界最頂級(jí)技術(shù)水平。
中國(guó)在碳纖維的質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模與國(guó)外差距是很大的，特別是高性能碳纖維技術(shù)完全被歐美發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷甚至封鎖。我們雖經(jīng)過(guò)多年研發(fā)及試生產(chǎn)，至今尚未掌握高性能碳纖維的最核心技術(shù)，所以碳纖維要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化仍然需要時(shí)間。值得一提的是，我們的T800級(jí)別的碳纖維曾經(jīng)只能在實(shí)驗(yàn)室里生產(chǎn)。而日本技術(shù)遠(yuǎn)超T800及T1000碳纖維早已占領(lǐng)市場(chǎng)并大量制造了。實(shí)際上，T1000還只是日本東麗在80年代的制造水平。由此可見(jiàn)，日本在碳纖維領(lǐng)域的技術(shù)至少要領(lǐng)先其他國(guó)家20年以上。
再次是軍用雷達(dá)上使用的獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的新材料。 主動(dòng)相控陣?yán)走_(dá)的最關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在一個(gè)個(gè)T/R收發(fā)組件上。特別是AESA雷達(dá)都是由數(shù)千個(gè)收發(fā)組件單元組建成的一臺(tái)完整的雷達(dá)。而T/R組件往往是由最少一個(gè)，最多4個(gè)MMIC半導(dǎo)體晶片材料封裝而成。這個(gè)芯片是將雷達(dá)的電磁波收發(fā)組件集成起來(lái)的一個(gè)微型電路，不但負(fù)責(zé)電磁波的輸出，同時(shí)也負(fù)責(zé)接收。這個(gè)芯片就是在整個(gè)半導(dǎo)體晶元上蝕刻出電路來(lái)的，因此，這個(gè)半導(dǎo)體晶圓的晶體生長(zhǎng)是整個(gè)AESA雷達(dá)最關(guān)鍵的技術(shù)部分。比如美國(guó)F-35的諾斯羅普.格魯曼公司的APG81雷達(dá)的MMIC芯片，其中APG81雷達(dá)就是由數(shù)千個(gè)一模一樣的這樣的MMIC芯片組成。這個(gè)芯片是以GaAs為基體蝕刻構(gòu)成的。
GaAs材料由于其禁帶過(guò)窄，擊穿電壓過(guò)低，往往發(fā)射功率上不去。因此，極需要新一代寬禁帶的半導(dǎo)體材料，這個(gè)材料就是GaN材料。GaN材料的晶體生長(zhǎng)十分困難，當(dāng)今世界只有日本率先攻克了GaN薄膜的大規(guī)模制造工藝，其他國(guó)家仍然在摸索之中。日本日亞化工是在1994年攻克了GaN材料成核生長(zhǎng)關(guān)鍵技術(shù)，此后，P型GaN又采用退火技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，最終GaNled研制成功。通過(guò)外延技術(shù)的提升，GaNLED的內(nèi)量子效率大大提升，結(jié)合粗化、倒裝、PSS襯底等提高光輸出效率的技術(shù)，GaN基LED已廣泛應(yīng)用在汽車(chē)燈具、全彩顯示、交通信號(hào)燈、液晶背光、室內(nèi)照明和路燈照明等領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明已家喻戶曉。事實(shí)上，絕大多數(shù)GaN基LED都是采用價(jià)格相對(duì)低廉的藍(lán)寶石為襯底材料制備。但是，藍(lán)寶石襯底與GaN材料有高達(dá)17%的晶格失配度，如此大的晶格失配往往造成很高的位錯(cuò)密度，導(dǎo)致GaNLED中的非輻射復(fù)合中心增多，限制了其內(nèi)量子效率的進(jìn)一步提升。SiC襯底與GaN材料的晶格適配度只有3%，遠(yuǎn)小于藍(lán)寶石襯底與GaN材料間的晶格適配度，所以在SiC襯底上外延生長(zhǎng)的GaN材料的位錯(cuò)密度會(huì)更少，晶體質(zhì)量會(huì)更高，同時(shí)SiC的熱導(dǎo)率（4.2W/cm.K）遠(yuǎn)大于藍(lán)寶石，有利于器件在大電流下工作。
但是SiC襯底的制備難度較高，外延生長(zhǎng)GaN的成核也具有一定難度。因此，SiC襯底上制備GaNLED的技術(shù)僅限于以美國(guó)CREE為代表的少數(shù)掌握SiC襯底囗制備技術(shù)的公司手中。值得一提的是，美國(guó)Cree公司生產(chǎn)的GaNLED封裝成白光后，流明效率已經(jīng)超過(guò)200lm/W，遠(yuǎn)超世界上其他同行廠家。美國(guó)由于無(wú)法大規(guī)模制造SiC基體的GaN材料，因此，只能反過(guò)來(lái)求助于日本。根據(jù)專家預(yù)測(cè)，下一代美國(guó)的雷達(dá)的材料將會(huì)是“日本制造”。世界LED產(chǎn)業(yè)上游大公司美國(guó)Cree曾經(jīng)表示，公司已與日本三菱化學(xué)簽訂獨(dú)家授權(quán)合約。根據(jù)雙方協(xié)議，日本三菱化學(xué)將可制造、販賣(mài)獨(dú)立的氮化鎵（GaN）基板，并有權(quán)簽訂類(lèi)似專利范圍的再授權(quán)協(xié)議。日本三菱化學(xué)光電事業(yè)部門(mén)總經(jīng)理Yasuji Kobashi在聲明中指出，上述授權(quán)合約可望幫助該公司在光電產(chǎn)品領(lǐng)域中拓展氮化鎵基板業(yè)務(wù)。實(shí)際上，美國(guó)的F-22的雷達(dá)采用日本技術(shù)已非秘密。早在90年代初，日本率先攻克了GaAs晶圓的生長(zhǎng)工藝后，自然會(huì)造成逼著美國(guó)購(gòu)買(mǎi)日亞化工的GaAs晶圓技術(shù)用來(lái)制造F-22的 APG77雷達(dá)。也正是日本日亞化工對(duì)美國(guó)的半導(dǎo)體材料進(jìn)行的技術(shù)許可和轉(zhuǎn)讓，才讓美國(guó)在90年代后半期技術(shù)大幅提升，從而利用軍用雷達(dá)的AESA革新遙遙領(lǐng)先世界其他國(guó)家。
新材料是高新技術(shù)的重要組成部分，又是高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，也是提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)能級(jí)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。新材料產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Σ?duì)未來(lái)發(fā)展有著巨大影響的產(chǎn)業(yè)。值得一提的是，世界發(fā)達(dá)國(guó)家在爭(zhēng)奪高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)中，都把新材料產(chǎn)業(yè)放到非常重要的戰(zhàn)略地位來(lái)優(yōu)先發(fā)展。日本是全球新材料生產(chǎn)技術(shù)最先進(jìn)國(guó)家 ，日本政府高度重視新材料技術(shù)的發(fā)展，尤其把開(kāi)發(fā)新材料列為國(guó)家高新技術(shù)的第二大目標(biāo)。
在高端材料產(chǎn)業(yè)化上再發(fā)力
日本傳統(tǒng)的機(jī)械制造工業(yè)之所以能夠長(zhǎng)期保持全球領(lǐng)先水平，與日本發(fā)達(dá)的材料產(chǎn)業(yè)密不可分。由于中國(guó)等新興國(guó)家的材料產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，日本很早就未雨綢，在高端材料的實(shí)用化開(kāi)發(fā)再次加快步伐。比如日本機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)早在2007、2008年發(fā)表的“新材料現(xiàn)狀與工業(yè)化調(diào)查”，并且對(duì)先進(jìn)材料技術(shù)的種類(lèi)、特性、應(yīng)用可能性及工業(yè)化前景等進(jìn)行評(píng)估，日本評(píng)估的新材料領(lǐng)域包括: 耐高壓、耐腐蝕性、高敏感、超薄、超輕，具備很多金屬特性的金屬玻璃，廣泛用于電子產(chǎn)品的鎂合金，用于水力發(fā)電機(jī)組軸承的樹(shù)脂系復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料，用于建筑、橋梁、船舶、汽車(chē)的超級(jí)鋼鐵材料，新光源材料有機(jī)EL、富勒烯、固體燃料電池材料、高溫超導(dǎo)材料、超耐熱合金、生物能源材料、硅材料、雙層電容器用碳素納米細(xì)孔電極材料等。日本新材料政策目標(biāo)是占有全球市場(chǎng)，因此，日本選擇的重點(diǎn)是市場(chǎng)潛力巨大和高附加值的新材料領(lǐng)域，并且日本在盡量短的時(shí)間內(nèi)加快專業(yè)化、工業(yè)化進(jìn)程。日本在全球新材料目標(biāo)明確且已保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域有: 精細(xì)陶瓷、碳纖維、工程塑料、非晶合金、超級(jí)鋼鐵材料、有機(jī)EL材料、鎂合金材料。
日本新材料產(chǎn)業(yè)，憑借其超前的研發(fā)優(yōu)勢(shì)、研發(fā)成果、實(shí)用化開(kāi)發(fā)力度，在環(huán)境、新能源材料全球市場(chǎng)占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。值得一提的是，全球多數(shù)工業(yè)化國(guó)家已針對(duì)節(jié)能減排，應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題達(dá)成基本共識(shí)，并積極推動(dòng)建立減少污染、資源可回收利用的循環(huán)型經(jīng)濟(jì)模式，制定經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展政策措施，無(wú)疑為新材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了巨大市場(chǎng)潛力空間。日本新材料的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)具體如下: 鋰電池隔板占比達(dá)50%，飛機(jī)及汽車(chē)用碳纖維占比達(dá)70%，海水淡化逆滲透薄膜占比50%，高端多層陶瓷電容器用納米級(jí)鈦酸鋇占比80%，300mm太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體電路板占比達(dá)70%，有機(jī)EL材料占比達(dá)90%，聚乙烯醇膠卷占比達(dá)80%，用于燃料電池的氧化鋯占比達(dá)60%，用于汽車(chē)、電子的合成鎂氧占比達(dá)70%?？梢?jiàn)，日本在新材料產(chǎn)業(yè)方面是一個(gè)令人震撼的對(duì)手。日本的產(chǎn)官學(xué)合作體制發(fā)揮極為重要發(fā)動(dòng)機(jī)作用，并且日本政府處于主導(dǎo)地位。1995年，日本就制定了《科學(xué)技術(shù)基本法》，第二年開(kāi)始實(shí)施為期5年的科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃。日本為了推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建立循環(huán)型社會(huì)，日本還制定了一系列相關(guān)法規(guī)，比如《環(huán)境基本法》、《循環(huán)型社會(huì)形成推進(jìn)基本法》、《資源有效利用促進(jìn)法》、《綠色購(gòu)入法》等，為新材料的研發(fā)、實(shí)用化起到了十分積極的推動(dòng)作用。日本的產(chǎn)官學(xué)合作體制，實(shí)際上就是產(chǎn)業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界合作的科技發(fā)展體制在促進(jìn)科研成果產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)揮了重要作用。日本十分重視新材料的基礎(chǔ)研究，日本為了給未來(lái)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步打下基礎(chǔ)，以保證在今后的尖端技術(shù)中發(fā)揮其主導(dǎo)作用，日本認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)研究的重要性，特別是新材料方面的研究。日本建立大批新材料研究所，著重對(duì)電子、新材料、生物工程等方面開(kāi)展研究活動(dòng)。其中，特別是對(duì)新材料的研究，日本給予相當(dāng)?shù)闹匾暋?/span>日本十分重視新材料方面的人才資源，日本認(rèn)識(shí)到培養(yǎng)材料科學(xué)家和材料工程師的重要性，認(rèn)為現(xiàn)有的大學(xué)中許多課程遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前培養(yǎng)高級(jí)科技人才的需要，不斷加以完善調(diào)整。因此，日本為了發(fā)展新材料所需的資源業(yè)采取以下重點(diǎn)政策:2.政府對(duì)民營(yíng)企業(yè)的庫(kù)存給予資助；3.與國(guó)外資源國(guó)建立鞏固關(guān)系；5.加強(qiáng)礦渣的綜合利用和回收有用金屬；6.開(kāi)發(fā)錳團(tuán)礦等海洋資源。
日本在研究經(jīng)費(fèi)方面給予大力支持。1985年，日本政府在新材料方面的研究經(jīng)費(fèi)預(yù)算金額共計(jì)為7,810百萬(wàn)日元，占科學(xué)技術(shù)振興費(fèi)的2.04%。日本政府在新材料方面的研究開(kāi)發(fā)費(fèi)相當(dāng)于大型工業(yè)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)費(fèi)(7,698百萬(wàn)日元)和海洋開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)(7,984百萬(wàn)日元)。比太陽(yáng)能、地?zé)崮?、氫能等新能源的開(kāi)發(fā)研究費(fèi)3,022百萬(wàn)日元高50%以上、比電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的研究開(kāi)發(fā)費(fèi)4,779百萬(wàn)日元高38.7%。為促進(jìn)新材料的發(fā)展，日本甚至采取歐美各國(guó)所采取的在稅制上支持的政策。對(duì)研究經(jīng)費(fèi)的增加額減稅20%，減稅限額最多只能相當(dāng)于所得稅的10%，對(duì)新材料試驗(yàn)研究費(fèi)的稅收，若有理由延期繳納，可延至任何時(shí)候償還。對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)投資減稅10%。日本的新材料研究體制采取了新方式。日本企業(yè)對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)采取產(chǎn)學(xué)結(jié)合或企業(yè)間合作的體制。產(chǎn)學(xué)結(jié)合就是企業(yè)與學(xué)校結(jié)合，1984年大學(xué)和住友電公司就開(kāi)發(fā)新材料方面進(jìn)行合作研究，成功地開(kāi)發(fā)出瞬時(shí)合成燒結(jié)精細(xì)陶瓷的方法。在競(jìng)爭(zhēng)劇烈的時(shí)代，日本很多企業(yè)認(rèn)識(shí)到，為了縮短開(kāi)發(fā)周期，為了企業(yè)的生存，應(yīng)共同進(jìn)行研究，共同生產(chǎn)。近年來(lái)日本新材料不斷出現(xiàn)重大科學(xué)進(jìn)展，比如：
1、日本開(kāi)發(fā)出世界上最耐熱的生物塑料、高強(qiáng)度醫(yī)用凝膠和更節(jié)省稀土的磁石制造技術(shù)。2、日本北陸先端科技大學(xué)院與筑波大學(xué)的研究人員利用轉(zhuǎn)基因大腸菌制造出具有堅(jiān)硬構(gòu)造的桂皮類(lèi)物質(zhì)，并使用光化學(xué)手段對(duì)其進(jìn)行加工，成功制造出世界上最耐熱的生物塑料。該物質(zhì)有望在未來(lái)成為汽車(chē)和電器零部件中金屬和玻璃的替代品。3、日本東京大學(xué)的研究人員成功開(kāi)發(fā)出一種即使放入水中也不會(huì)膨脹的高強(qiáng)度醫(yī)用凝膠，這種物質(zhì)未來(lái)可用于制造人工軟骨等醫(yī)療器材，并在干細(xì)胞治療中發(fā)揮重要作用。4、日本立命館大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種低費(fèi)用的深紫外發(fā)光體，該發(fā)光體使用LED光源，未來(lái)作為殺菌處理的新型光源代替目前使用的水銀燈。5、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的研究人員用沙子的主要成分硅石與酒精進(jìn)行反應(yīng)，成功制出了硅化學(xué)產(chǎn)業(yè)的主要原料四乙氧基硅烷。這種新技術(shù)不但效率高，而且由于是直接合成，也相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)未來(lái)的硅化學(xué)產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生重大影響。6、日本九州大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新工藝，通過(guò)減少作為觸媒的白金粒子直徑和其在固體表面上的固化密度，大大減少燃料電池中白金的使用量，達(dá)到目前的十分之一。這項(xiàng)成果的出現(xiàn)意味著未來(lái)燃料電池的費(fèi)用可能會(huì)大大削減。
7、日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)的研究人員成功合成一種新的磁石化合物NdFe12Nx，這種新型磁石與目前在混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)中使用的釹磁石相比，使用的稀土量更少，而且具備更優(yōu)良的磁力特性。再說(shuō)一下日本壟斷全球半導(dǎo)體材料的過(guò)程。日本是全球半導(dǎo)體材料的制造大國(guó)。在1970-1980年時(shí)期，日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了興盛期，半導(dǎo)體存儲(chǔ)尤其是DRAM(即電腦內(nèi)存)成為了日本第一產(chǎn)業(yè)，日本甚至把曾經(jīng)的霸主美國(guó)被拉下馬。在1986年，日本半導(dǎo)體芯片占世界份額高達(dá)40%，特別是在DRAM領(lǐng)域最高占據(jù)了80%市場(chǎng)份額。當(dāng)時(shí)，英特爾主營(yíng)正在從DRAM轉(zhuǎn)移到CPU，CPU尚未成為引領(lǐng)行業(yè)的產(chǎn)品，所以，世界半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的重心逐漸傾向日本。日本半導(dǎo)體材料和設(shè)備伴隨日本半導(dǎo)體芯片的崛起成為全球一支極為強(qiáng)勢(shì)力量。索尼公司創(chuàng)始人盛田昭夫和井深大花在1955年花費(fèi)2500美元，從AT&T下屬的貝爾實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)到晶體三極管的專利許可，開(kāi)始制造半導(dǎo)體收音機(jī)，從而日本的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開(kāi)始起步。相對(duì)于CPU，DRAM的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且門(mén)檻低，日本幾乎稍有點(diǎn)實(shí)力的公司都爭(zhēng)相擠入。在日本半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最高峰時(shí)期，不但有NEC老牌半導(dǎo)體廠商，也有家電出身體的松下和鋼鐵巨頭新日鐵。尤其是新日鐵，主業(yè)和半導(dǎo)體沒(méi)有半毛錢(qián)關(guān)系，但也要來(lái)分一杯羹，不僅搶DRAM蛋糕，甚至連半導(dǎo)體材料也不放過(guò)，但2003以失敗退出后，2009年再次進(jìn)入碳化硅晶圓領(lǐng)域，期望在功率半導(dǎo)體底板材料領(lǐng)域大有作為，誓要成為僅次于美國(guó)可瑞(Cree)公司的企業(yè)。當(dāng)時(shí)可瑞(Cree)公司是碳化硅晶圓市場(chǎng)的全球龍頭，新日鐵有意在做行業(yè)老二。
日本半導(dǎo)體芯片在奠定世界領(lǐng)先地位后，日本相關(guān)半導(dǎo)體材料及設(shè)備也迅速崛起。另外還有日本傳統(tǒng)制造業(yè)，比如電子計(jì)算器、家電、照相機(jī)、汽車(chē)、手機(jī)(包括功能機(jī))、顯示器等產(chǎn)業(yè)相繼崛起，幾乎每個(gè)產(chǎn)業(yè)都把美國(guó)強(qiáng)摁下去。在核心半導(dǎo)體芯片的引領(lǐng)下，全日本的制造業(yè)實(shí)現(xiàn)全面騰飛。但上世紀(jì)80年代中期爆發(fā)了日美貿(mào)易摩擦，疊加韓國(guó)和臺(tái)灣?。ㄖ袊?guó)）的參與，日本半導(dǎo)體芯片立即由盛轉(zhuǎn)衰。因此，在今天的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)版圖上，僅剩美國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣省中國(guó)大陸。半導(dǎo)體材料品類(lèi)十分繁多，但日本人手中的王炸品種是高純度氟化氫、光刻膠和氟化聚酰胺。而其它半導(dǎo)體材料，日本與美國(guó)、歐洲和韓國(guó)共同瓜分世界市場(chǎng)。日本的工匠精神來(lái)自于傳統(tǒng)文化及傳統(tǒng)制造業(yè)，講求個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的積累，尤其在精密復(fù)雜的工序基礎(chǔ)上改進(jìn)其生產(chǎn)品質(zhì)，這成為日本在許多領(lǐng)域保持領(lǐng)先的重要原因。日本斷供韓國(guó)的高純度氟化氫、光刻膠和氟化聚酰胺事件，韓國(guó)的這些產(chǎn)業(yè)很難從材料逆向分析出制造技術(shù)，也很難提高競(jìng)爭(zhēng)的門(mén)檻，特別是這些材料的制造不僅需要精細(xì)的工藝、嚴(yán)密的操作步驟，更需要大量的時(shí)間成本去沉淀出技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，這就是日本人的特有優(yōu)勢(shì)。由于制造高性能半導(dǎo)體的高純度氟化氫，需將雜質(zhì)濃度控制在低于萬(wàn)億分之一，特別是其中的雜質(zhì)砷僅靠溫度分離很難清除干凈，需要采用特殊方法，日本人不但靠時(shí)間及耐心去琢磨其中的奧秘，而且依靠工匠精神完成了降低雜質(zhì)濃度的過(guò)程。讓日本人更“自戀”的是，半導(dǎo)體芯片存在摩爾定律，幾乎是兩年更換一代，這個(gè)更新節(jié)奏快到甚至于日本人也接受不了，但是半導(dǎo)體材料，自從晶體三極管發(fā)明以來(lái)，就從未改變過(guò)，不用擔(dān)心顛覆式創(chuàng)新，由此，日本人依靠慢工出細(xì)活地不斷地改進(jìn)制造工藝。
半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入美中日三國(guó)演義時(shí)代，比如集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，芯片設(shè)計(jì)基本上由高通、博通、蘋(píng)果、英偉達(dá)等美國(guó)企業(yè)獨(dú)霸;芯片制造剔除純代工廠，完全由海思、夏普、AMD等中日美占據(jù);中國(guó)臺(tái)灣企業(yè)在半導(dǎo)體封裝測(cè)試方面保持全球優(yōu)勢(shì);在工業(yè)半導(dǎo)體領(lǐng)域，特別是材料半導(dǎo)體和半導(dǎo)體設(shè)備兩個(gè)領(lǐng)域，日本公司占據(jù)全球領(lǐng)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)的數(shù)據(jù)顯示，日本企業(yè)在全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)占比份額高達(dá)52%，而北美和歐洲僅僅各占才15%左右; 特別是日本企業(yè)在全球新購(gòu)半導(dǎo)體制造設(shè)備市場(chǎng)占有率超過(guò)了30%，一直穩(wěn)居在產(chǎn)業(yè)鏈上游。日本在半導(dǎo)體材料行業(yè)發(fā)展上值得借鑒的幾個(gè)方面。首先，日本始終采取產(chǎn)官學(xué)一體化進(jìn)行國(guó)家級(jí)基礎(chǔ)攻關(guān)研究。其次，切準(zhǔn)具有高附加值的核心產(chǎn)品，從而避免產(chǎn)品分散。再次，積極進(jìn)行海外研發(fā)與合作研發(fā)。第四，經(jīng)營(yíng)模式的及時(shí)轉(zhuǎn)型。
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