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日本领先世界的新材料产业

2021-02-23   来源:网络   作者:罗云坚整理   阅读:

        新材料是高新技术的重要组成部分,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,材料学的水平在很大程度上代表了一个国家的科技水平。日本十分重视新材料技术的发展,把开发新材料列为国家高新技术的第二大目标,日本材料企业在全球新材料产业中形成一枝独秀的领先局面。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。

1.日本新材料发展状况

        日本评估的新材料领域有: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;用于电子产品的镁合金,水力发电机组轴承用树脂系复合材料、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。
        日本在全球新材料中具有领先优势的有: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。其领先优势具体如下: 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%。在半导体材料领域,日本企业在全球新购半导体制造设备和生产半导体芯片的材料(高纯度氟化氢、光刻胶和氟化聚酰胺),市场占有率超过了30%,稳居在产业链上游。
 

 

2.日本三大高精尖材料

        日本的材料学已成为先进技术,其中高精尖的三种材料技术: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;制造新式涡轮发动机涡轮叶片的——高性能单晶叶片。
        1)涡轮叶片由于特殊的工作环境,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。其解决手段就是让晶体约束朝一个方向伸展,可以极大提升高温高压下的强度和抗蠕变性能。目前,全球领先的单晶材料就是日本研发的第五代单晶TMS-162/192,并且是全球唯一能制造第五代单晶材料的国家。第五代的TMS-162寿命接近1000小时寿命,相比于美国材料的使用寿命高达4倍。
 
 
        2)碳纤维由于质量轻、强度高而被军工产业视为制造导弹、尤其是洲际弹道导弹的理想材料。在全球碳纤维生产制造厂家中,日本的东丽、东邦和三菱代表着世界的最高技术水平。日本东丽公司的T1000强度高达7060MPa,其拉伸模量达到284GPa,其技术指标远超过美国IM9。而俄罗斯的YKH、BMH(拉伸强度2500~3000MPa)比世界上通用的T300大约要低1000MPa。日本碳纤维在技术、质量和规模上均处于世界领先地位。
        3)主动相控阵雷达的关键体现在一个个T/R收发组件上。T/R组由MMIC半导体晶片材料封装而成,而半导体晶圆的晶体生长是整个AESA雷达关键的技术部分。GaN材料由于禁带宽,击穿电压高,发射功率大,是MMIC芯片基体的理想材料。但是GaN材料的晶体生长十分困难,目前只有日本率攻克了GaN薄膜的大规模制造工艺。
 

3.日本新材料的重大进展

        1)有望替代汽车和电器零部件中金属和玻璃的高耐热生物塑料。
        2)未来可用于制造人工软骨的高强度医用凝胶,这种凝胶放入水中也不会溶解,并在干细胞治疗中发挥重要作用。
        3)使用LED光源的低费用的深紫外发光体,未来作为杀菌处理的新型光源代替目前使用的水银灯。
        4)简便、高效率、直接合成(硅石与酒精反应)硅化学产业的主要原料四乙氧基硅烷。
        5)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使用量的新工艺,使未来燃料电池的费用极大降低。
        6)与混合动力汽车驱动马达中的钕磁石相比,稀土用量更少、磁力更强、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。日本为推动循环经济,建立循环型社会,日本制定了一系列的相关法规,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、实用化起到了积极的推动作用。此外,日本的产官学合作体制(即产业界、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。
        日本新材料政策目标是占有全球市场,特别是具有巨大市场潜力和高附加值的新材料领域,并且使其在短时间内实现专业化、工业化。日本政府发布的《日本产业结构展望2010》以新的战略为指导,其中包括高温超导、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。
        日本内阁会议于2016年通过的《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。
 

5.经验启示

        日本新材料领域全球遥遥领先,有其深层次的原因:
        1)日本十分重视新材料的基础研究,特别是新材料方面的研究,为科学技术进步打下基础,保证在尖端技术中发挥其主导作用。
        2)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。
        3)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,并不断加以完善调整。
        4)日本在研究经费方面给予大力支持,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和海洋开发经费。
        5)建立新的材料研究体制方式,采取产学结合或企业间合作的体制。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。
        总之,日本在新材料行业发展上值得借鉴的几个方面:首先,日本独特的“产官学”合作体制推动科研成果高效转化;其次,政府在产业化过程中提供税收优惠及研究经费支持;再次,建立产业联盟来推进上下游协作、实现高质量增长;最后,日本的商社文化、产融结合为日本新材料企 业提供了成长的肥沃土壤。

参考资料:


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