日本的材料科学

日本的材料科学

日本的材料科学

如果单纯看材料科学的学科世界排名，好像日本和中国差不多，都仅落后于美国，但日本的材料科学 应用特别好，比如 金属材料学，日本是世界第一，延伸出 冶金技术是世界第一， 车用钢材质量世界第一。其他像电子信息材料、纳米材料、半导体材料、碳纤维复合材料、陶瓷材料等领域，日本高校的学科排名未必世界第一， 但应用领域均做到极致。

先看陶瓷。日本的陶瓷科学，一直位居世界的前沿，尤其在新型陶瓷材料，特别是先进 陶瓷敏感元件等领域，占有绝对领先的优势，热敏、压敏、磁敏、气敏、光敏等各种先进陶瓷产品 垄断全球市场。

日本村田制作所成功量产手机里的“超小型”关键电子组件—— 微型多层陶瓷电容器，所占空间只有原来的五分之一，但其 蓄电量却是高出10倍。

陶瓷电容

iPhone11中已经大量使用村田制作所的电容器。不出意外的话， 其他5G版手机也会很快使用这种多层陶瓷电容器。

再看抗震。我们都知道，日本是个地震多发的国家。为了抗震，日本在材料上绞尽脑汁。日本人用5000元1公斤的黑科技材料造了一款奇葩泡沫“乳房”，不仅绝缘隔热，还能抗7级地震！

外形酷似乳房的泡沫抗震房

最后看芯片。众所周知，在芯片生产中最重要的设备是 光刻机，而在OLED显示屏生产中，最重要的设备则是 蒸镀机。这台设备是用来完成OLED屏最重要的一道工序：蒸镀。 而目前只有采用日本 CanonTokki公司生产的蒸镀机才能蒸镀出品质最高的OLED屏幕。

OLED屏不仅可以弯曲而且画面色彩更丰富

在蒸镀工序中，除了需要蒸镀机，还需要一个非常重要的小部件： 蒸镀掩膜板。这个小部件， 直接决定了最终面板的分辨率，以及生产OLED面板的 良率。在市场上，同样只有一家日本公司—— 大日本印刷，才能生产这种最高精度的蒸镀掩膜板。

为什么这种高精度蒸镀掩膜板 只有一家公司能生产呢？这又涉及到一种特殊的金属原材料： 超因瓦板。掩膜板要经历蒸镀的高温环境，容易变形，而只有 热膨胀系数接近0的超因瓦板，才能生产出符合需求的高精度蒸镀掩膜板。巧合的是，这种特殊材料同样只有一家日本公司—— 日立金属才能生产。

日本的材料科学凭什么？

二战以后，特别是伴随着20世纪六七十年代的经济腾飞，日本的 无机非金属材料产业迅速发展。其科学研究和技术研发在产学官研的合力推动下， 达到世界领先地位。

在政策层面，日本科学发展规划历来重视材料科学，特别重视基础材料科学研究的“育种”。上世纪80年代，日本科学技术厅（后并入文部科学省）和通产省拟定的高技术规划中，在“创造科学技术推进事业”的 8个项目中，新材料的基础研究占5个。

1992年，日本科学技术振兴调整费（国家给的科研经费）新增 八个项目，前三个都是材料科学方面的。

靠着40多年的不懈努力， 日本的材料科技在全球独占鳌头。目前，不论是传统的日用 陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，还是新型无机非金属材料，日本都位居世界前列，不少技术 更在欧美之上。

进入21世纪，日本政府在第二次科技发展五年计划中提出， 科学技术的三大战略任务，即：知识创新——把科技进步 作为立国之本； 知识转化——将科技进步转化为生产力，增强国际竞争力，实现可持续发展； 造福社会——依靠科技进步维护国民健康和生活质量、保障国家安全、防止灾害侵袭。

这份计划将 纳米技术和 材料方向称为“包含上述３个重点领域，支撑科学技术整体发展基础的重要领域， 在21世纪有望成为科学技术的主干”。

除了政策扶持外， 在学术研究方面，日本政府还专门牵头成立了在材料科学领域 享誉全球的国立物质材料研究所。日本国立物质材料研究所（National Institute for Material Science， NIMS），是日本唯一的专门从事材料科学的国家研究与开发机构，由 日本国家金属研究所（成立于1956年）和 国家无机材料研究所（成立于1966年），这两个国家研究开发机构合并而来，作为独立行政机构进行材料科学的基础研究和开发。

NIMS的使命是“ 从材料研究创造未来”，研究方向不仅包括金属或陶瓷，还包括金属、半导体、超导体、陶瓷、有机材料和纳米材料等等，涵盖电子、光学、涂料、燃料电池、催化剂、生物技术等范围的应用。

除了直接研究材料科学之外，NIMS也 进行相关的理论研究和配套的仪器技术研究，如电子显微镜、高能离子束、强磁场等技术。

总之，就是个材料科学研究的巨无霸。

NIMS在筑波的三个分所

搞高精尖的科学研究，是需要花费 巨量资金的。日本政府投入的科研经费，也只能视为发展的种子。 大部分经费来源还是要民间，尤其来自 各大财团的大力投入。

日本新材料企业 KUREHA、可乐丽（KURARAY）和 伊藤忠商事与日本官企投资基金-产业革新机构合作，形成合作联盟，全面推进高端新材料产业发展。KUREHA等企业与产业革新机构共同出资成立新的高新技术投资公司，其中产业革新机构约占49%股份，KUREHA等企业联合将拥有剩余股份， 总投资额为200亿日元。

企业之间的合作也不少。 比如在碳纤维行业，日本较早形成了产业联盟，联盟成员覆盖了整个碳纤维产业链，能够全面了解产业中存在的问题和需求，有效服务于产业的各个环节。

集成电路

咱们看看集成电路产业就知道了。集成电路材料是集成电路产业发展的基础。集成电路技术每前进一步都会对材料提出新的要求，而材料技术的每一次发展也都为集成电路新结构和新技术提供基础。

先来看看集成电路衬底材料。全球硅片的供应商，主要有日本的 信越化学和 胜高、德国的 世创、中国台湾的 环球晶圆以及韩国的 SKSiltron，这全球前 五大公司的市场份额约92%，其中12英寸硅片市场的份额约98%。

再看光刻胶和配套材料。全球光刻胶市场基本被日本JSＲ、东京应化、住友化学、信越化学、日本TOK、美国陶氏杜邦、德国默克等几家大型企业所垄断，市 场份额占比九成以上。

除此之外， 还有湿化学品。日本企业拥有28%的市场份额，代表性公司包括 关东化学、三菱化学、三菱瓦斯、东京应化等。还有其他，比如掩模版、电子气体和源、抛光材料、靶材及蒸发材料等生产环节上， 日本在每个环节都有好几个世界知名的大公司。

所以说，日本材料学在芯片行业称霸， 靠的不是某一家公司或机构，而是集团化作战。

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