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    日本領先世界的新材料產業

    2021-02-23?? 來源:網絡?? 作者:羅云堅整理?? 閱讀:

            新材料是高新技術的重要組成部分,是高新技術發展的基礎和先導,也是提升傳統產業技術能級、調整產業結構的關鍵因素。新材料產業被認為是21世紀最具發展潛力并對未來發展有著巨大影響的產業,材料學的水平在很大程度上代表了一個國家的科技水平。日本十分重視新材料技術的發展,把開發新材料列為國家高新技術的第二大目標,日本材料企業在全球新材料產業中形成一枝獨秀的領先局面。日本機械制造工業長期保持世界先進水平與其發達的材料產業密不可分。

    1.日本新材料發展狀況

            日本評估的新材料領域有: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;用于電子產品的鎂合金,水力發電機組軸承用樹脂系復合材料、碳纖維復合材料,用于建筑、橋梁、船舶、汽車的超級鋼鐵材料;新光源材料有機EL、富勒烯、固體燃料電池材料、高溫超導材料、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孔電極材料等。
            日本在全球新材料中具有領先優勢的有:精細陶瓷、碳纖維、工程塑料、非晶合金、超級鋼鐵材料、有機EL材料、鎂合金材料。其領先優勢具體如下: 鋰電池隔板占比達50%,飛機及汽車用碳纖維占比達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鈦酸鋇占比80%,300mm太陽能電池半導體電路板占比達70%,有機EL材料占比達90%,聚乙烯醇膠卷占比達80%,用于燃料電池的氧化鋯占比達60%,用于汽車、電子的合成鎂氧占比達70%。在半導體材料領域,日本企業在全球新購半導體制造設備和生產半導體芯片的材料(高純度氟化氫、光刻膠和氟化聚酰胺),市場占有率超過了30%,穩居在產業鏈上游。
     

     

    2.日本三大高精尖材料

            日本的材料學已成為先進技術,其中高精尖的三種材料技術:制造洲際彈道導彈噴管和殼體以及飛機骨架——高強度碳纖維材料;制造高性能主動相控陣軍用雷達的——寬禁帶半導體收發組件材料;制造新式渦輪發動機渦輪葉片的——高性能單晶葉片。
            1)渦輪葉片由于特殊的工作環境,對于高溫高壓下的抗蠕變性能的條件及要求是十分苛刻的。其解決手段就是讓晶體約束朝一個方向伸展,可以極大提升高溫高壓下的強度和抗蠕變性能。目前,全球領先的單晶材料就是日本研發的第五代單晶TMS-162/192,并且是全球唯一能制造第五代單晶材料的國家。第五代的TMS-162壽命接近1000小時壽命,相比于美國材料的使用壽命高達4倍。
     
     
            2)碳纖維由于質量輕、強度高而被軍工產業視為制造導彈、尤其是洲際彈道導彈的理想材料。在全球碳纖維生產制造廠家中,日本的東麗、東邦和三菱代表著世界的最高技術水平。日本東麗公司的T1000強度高達7060MPa,其拉伸模量達到284GPa,其技術指標遠超過美國IM9。而俄羅斯的YKH、BMH(拉伸強度2500~3000MPa)比世界上通用的T300大約要低1000MPa。日本碳纖維在技術、質量和規模上均處于世界領先地位。
            3)主動相控陣雷達的關鍵體現在一個個T/R收發組件上。T/R組由MMIC半導體晶片材料封裝而成,而半導體晶圓的晶體生長是整個AESA雷達關鍵的技術部分。GaN材料由于禁帶寬,擊穿電壓高,發射功率大,是MMIC芯片基體的理想材料。但是GaN材料的晶體生長十分困難,目前只有日本率攻克了GaN薄膜的大規模制造工藝。
     

    3.日本新材料的重大進展

            1)有望替代汽車和電器零部件中金屬和玻璃的高耐熱生物塑料。
            2)未來可用于制造人工軟骨的高強度醫用凝膠,這種凝膠放入水中也不會溶解,并在干細胞治療中發揮重要作用。
            3)使用LED光源的低費用的深紫外發光體,未來作為殺菌處理的新型光源代替目前使用的水銀燈。
            4)簡便、高效率、直接合成(硅石與酒精反應)硅化學產業的主要原料四乙氧基硅烷。
            5)通過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使用量的新工藝,使未來燃料電池的費用極大降低。
            6)與混合動力汽車驅動馬達中的釹磁石相比,稀土用量更少、磁力更強、新的磁石化合物NdFe12Nx。
     

    4.日本的新材料政策

            1995年,日本就制定了《科學技術基本法》,第二年開始實施為期5年的科學技術基本計劃。日本為推動循環經濟,建立循環型社會,日本制定了一系列的相關法規,如《環境基本法》、《循環型社會形成推進基本法》、《資源有效利用促進法》、《綠色購入法》等,為新材料的研發、實用化起到了積極的推動作用。此外,日本的產官學合作體制(即產業界、政府和學術界合作的科技發展體制)在促進科研成果產業化方面發揮了重要作用。
            日本新材料政策目標是占有全球市場,特別是具有巨大市場潛力和高附加值的新材料領域,并且使其在短時間內實現專業化、工業化。日本政府發布的《日本產業結構展望2010》以新的戰略為指導,其中包括高溫超導、納米、功能化學、碳纖維、IT等新材料技術在內的10大尖端技術產業確定為未來產業發展主要戰略領域。
            日本內閣會議于2016年通過的《第五期科學技術基本計劃(2016-2020)》,日本政府未來5年將確保研發投資規模占GDP比例的4%以上。
     

    5.經驗啟示

            日本新材料領域全球遙遙領先,有其深層次的原因:
            1)日本十分重視新材料的基礎研究,特別是新材料方面的研究,為科學技術進步打下基礎,保證在尖端技術中發揮其主導作用。
            2)日本建立大批新材料研究所,著重對電子、新材料、生物工程等方面開展研究活動。
            3)重視新材料方面的人才資源,日本認識到培養材料科學家和材料工程師的重要性,并不斷加以完善調整。
            4)日本在研究經費方面給予大力支持,在新材料方面的研究開發費相當于大型工業技術研究開發費和海洋開發經費。
            5)建立新的材料研究體制方式,采取產學結合或企業間合作的體制。產官學合作體制發揮極為重要發動機作用,并且日本政府處于主導地位。
            總之,日本在新材料行業發展上值得借鑒的幾個方面:首先,日本獨特的“產官學”合作體制推動科研成果高效轉化;其次,政府在產業化過程中提供稅收優惠及研究經費支持;再次,建立產業聯盟來推進上下游協作、實現高質量增長;最后,日本的商社文化、產融結合為日本新材料企 業提供了成長的肥沃土壤。

    參考資料:


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