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最近幾年，“卡脖子”是中國(guó)科技領(lǐng)域出現(xiàn)最多的詞匯之一。

細(xì)看廣為流傳的“卡脖子”清單，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)被卡最嚴(yán)重的技術(shù)里，有一大半涉及材料領(lǐng)域。我們有能力設(shè)計(jì)芯片，卻造不出高純的芯片原料；我們有能力設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)，卻造不出耐用的缸體材料；我們有能力設(shè)計(jì)高精密機(jī)床，但卻連一把高強(qiáng)度的刀具都搞不定。

面對(duì)這樣的情況，不禁要問(wèn)，中國(guó)該怎么辦？從近鄰日本的材料科技發(fā)展中，或許能找到答案。

1、日本的材料科學(xué)到底有多厲害？

如果單純看材料科學(xué)的學(xué)科世界排名，好像日本和中國(guó)差不多，都僅落后于美國(guó)，但日本的材料科學(xué)應(yīng)用特別好，比如金屬材料學(xué)，日本是世界第一，延伸出冶金技術(shù)是世界第一，車用鋼材質(zhì)量世界第一。其他像電子信息材料、納米材料、半導(dǎo)體材料、碳纖維復(fù)合材料、陶瓷材料等領(lǐng)域，日本高校的學(xué)科排名未必世界第一，但應(yīng)用領(lǐng)域均做到極致。

日本的材料科學(xué)到底有多厲害呢？我們來(lái)看幾個(gè)例子。

先看陶瓷。日本的陶瓷科學(xué)，一直位居世界的前沿，尤其在新型陶瓷材料，特別是先進(jìn)陶瓷敏感元件等領(lǐng)域，占有絕對(duì)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)，熱敏、壓敏、磁敏、氣敏、光敏等各種先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品壟斷全球市場(chǎng)。

日本村田制作所成功量產(chǎn)手機(jī)里的“超小型”關(guān)鍵電子組件——微型多層陶瓷電容器，所占空間只有原來(lái)的五分之一，但其蓄電量卻是高出10倍。

陶瓷電容

iPhone11中已經(jīng)大量使用村田制作所的電容器。不出意外的話，其他5G版手機(jī)也會(huì)很快使用這種多層陶瓷電容器。

再看抗震。我們都知道，日本是個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家。為了抗震，日本在材料上絞盡腦汁。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”，不僅絕緣隔熱，還能抗7級(jí)地震！

外形酷似乳房的泡沫抗震房

最后看芯片。眾所周知，在芯片生產(chǎn)中最重要的設(shè)備是光刻機(jī)，而在OLED顯示屏生產(chǎn)中，最重要的設(shè)備則是蒸鍍機(jī)。這臺(tái)設(shè)備是用來(lái)完成OLED屏最重要的一道工序：蒸鍍。而目前只有采用日本CanonTokki公司生產(chǎn)的蒸鍍機(jī)才能蒸鍍出品質(zhì)最高的OLED屏幕。

OLED屏不僅可以彎曲而且畫面色彩更豐富

在蒸鍍工序中，除了需要蒸鍍機(jī)，還需要一個(gè)非常重要的小部件：蒸鍍掩膜板。這個(gè)小部件，直接決定了最終面板的分辨率，以及生產(chǎn)OLED面板的良率。在市場(chǎng)上，同樣只有一家日本公司——大日本印刷，才能生產(chǎn)這種最高精度的蒸鍍掩膜板。

為什么這種高精度蒸鍍掩膜板只有一家公司能生產(chǎn)呢？這又涉及到一種特殊的金屬原材料：超因瓦板。掩膜板要經(jīng)歷蒸鍍的高溫環(huán)境，容易變形，而只有熱膨脹系數(shù)接近0的超因瓦板，才能生產(chǎn)出符合需求的高精度蒸鍍掩膜板。巧合的是，這種特殊材料同樣只有一家日本公司——日立金屬才能生產(chǎn)。

以上，雖然我們僅就幾個(gè)方面，對(duì)日本的材料科學(xué)和成果做了個(gè)瀏覽，但已經(jīng)能看出這個(gè)國(guó)家在材料科學(xué)方面的厲害之處。

2、日本的材料科學(xué)憑什么？

日本的材料科學(xué)之所以牛，正是舉國(guó)體制結(jié)出的碩果。

二戰(zhàn)以后，特別是伴隨著20世紀(jì)六七十年代的經(jīng)濟(jì)騰飛，日本的無(wú)機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。其科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)在產(chǎn)學(xué)官研的合力推動(dòng)下，達(dá)到世界領(lǐng)先地位。

在政策層面，日本科學(xué)發(fā)展規(guī)劃歷來(lái)重視材料科學(xué)，特別重視基礎(chǔ)材料科學(xué)研究的“育種”。上世紀(jì)80年代，日本科學(xué)技術(shù)廳（后并入文部科學(xué)?。┖屯óa(chǎn)省擬定的高技術(shù)規(guī)劃中，在“創(chuàng)造科學(xué)技術(shù)推進(jìn)事業(yè)”的8個(gè)項(xiàng)目中，新材料的基礎(chǔ)研究占5個(gè)。

1992年，日本科學(xué)技術(shù)振興調(diào)整費(fèi)（國(guó)家給的科研經(jīng)費(fèi)）新增八個(gè)項(xiàng)目，前三個(gè)都是材料科學(xué)方面的。

靠著40多年的不懈努力，日本的材料科技在全球獨(dú)占鰲頭。目前，不論是傳統(tǒng)的日用陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，還是新型無(wú)機(jī)非金屬材料，日本都位居世界前列，不少技術(shù)更在歐美之上。

進(jìn)入21世紀(jì)，日本政府在第二次科技發(fā)展五年計(jì)劃中提出，科學(xué)技術(shù)的三大戰(zhàn)略任務(wù)，即：知識(shí)創(chuàng)新——把科技進(jìn)步作為立國(guó)之本；知識(shí)轉(zhuǎn)化——將科技進(jìn)步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；造福社會(huì)——依靠科技進(jìn)步維護(hù)國(guó)民健康和生活質(zhì)量、保障國(guó)家安全、防止災(zāi)害侵襲。

這份計(jì)劃將納米技術(shù)和材料方向稱為“包含上述３個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，支撐科學(xué)技術(shù)整體發(fā)展基礎(chǔ)的重要領(lǐng)域，在21世紀(jì)有望成為科學(xué)技術(shù)的主干”。

日本新世紀(jì)五年計(jì)劃介紹

可見，日本是從國(guó)家的高度，傾舉國(guó)之力將材料科學(xué)，作為未來(lái)發(fā)展的重心在布局。這樣的認(rèn)知高度和巨大的投入，形成了日本現(xiàn)在在材料科學(xué)方面占據(jù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

除了政策扶持外，在學(xué)術(shù)研究方面，日本政府還專門牽頭成立了在材料科學(xué)領(lǐng)域享譽(yù)全球的國(guó)立物質(zhì)材料研究所。日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所（National Institute for Material Science，NIMS），是日本唯一的專門從事材料科學(xué)的國(guó)家研究與開發(fā)機(jī)構(gòu)，由日本國(guó)家金屬研究所（成立于1956年）和國(guó)家無(wú)機(jī)材料研究所（成立于1966年），這兩個(gè)國(guó)家研究開發(fā)機(jī)構(gòu)合并而來(lái)，作為獨(dú)立行政機(jī)構(gòu)進(jìn)行材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究和開發(fā)。

日本國(guó)立材料科學(xué)研究所官網(wǎng)

NIMS的使命是“從材料研究創(chuàng)造未來(lái)”，研究方向不僅包括金屬或陶瓷，還包括金屬、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、陶瓷、有機(jī)材料和納米材料等等，涵蓋電子、光學(xué)、涂料、燃料電池、催化劑、生物技術(shù)等范圍的應(yīng)用。

除了直接研究材料科學(xué)之外，NIMS也進(jìn)行相關(guān)的理論研究和配套的儀器技術(shù)研究，如電子顯微鏡、高能離子束、強(qiáng)磁場(chǎng)等技術(shù)。

總之，就是個(gè)材料科學(xué)研究的巨無(wú)霸。

NIMS在筑波的三個(gè)分所

搞高精尖的科學(xué)研究，是需要花費(fèi)巨量資金的。日本政府投入的科研經(jīng)費(fèi)，也只能視為發(fā)展的種子。大部分經(jīng)費(fèi)來(lái)源還是要民間，尤其來(lái)自各大財(cái)團(tuán)的大力投入。

日本新材料企業(yè)KUREHA、可樂(lè)麗（KURARAY）和伊藤忠商事與日本官企投資基金-產(chǎn)業(yè)革新機(jī)構(gòu)合作，形成合作聯(lián)盟，全面推進(jìn)高端新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。KUREHA等企業(yè)與產(chǎn)業(yè)革新機(jī)構(gòu)共同出資成立新的高新技術(shù)投資公司，其中產(chǎn)業(yè)革新機(jī)構(gòu)約占49%股份，KUREHA等企業(yè)聯(lián)合將擁有剩余股份，總投資額為200億日元。

企業(yè)之間的合作也不少。比如在碳纖維行業(yè)，日本較早形成了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，聯(lián)盟成員覆蓋了整個(gè)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，能夠全面了解產(chǎn)業(yè)中存在的問(wèn)題和需求，有效服務(wù)于產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

有政策扶持，有科研平臺(tái)，有資金支持，有聯(lián)盟合作，日本的材料科學(xué)就是這樣做強(qiáng)做大的。

3、集團(tuán)化作戰(zhàn)

無(wú)利不起早，大財(cái)團(tuán)投入這么多，肯定是要進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的，把材料科學(xué)的用途發(fā)揮到最大。

想要產(chǎn)業(yè)化，只有研發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須有相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)，才能讓科研成果轉(zhuǎn)化成實(shí)際的產(chǎn)品。具體到制造過(guò)程，一定涉及到方方面面的技術(shù)融合、設(shè)備儀器、不同材料的成熟使用。

沒(méi)有配套的產(chǎn)業(yè)，是不可能僅憑研發(fā)就得到好產(chǎn)品的。同時(shí)，研發(fā)也需要進(jìn)行市場(chǎng)化的檢驗(yàn)，以促進(jìn)研發(fā)的快速迭代。比如集成電路產(chǎn)業(yè)，從純凈的硅片到完整的產(chǎn)品，至少需要2000步，如果每一步的良品率都有99.99%，兩千步下來(lái)就僅剩不到82%。這樣低的良品率，做任何制造都是要虧本的。

集成電路

日本的材料產(chǎn)業(yè)到底有多牛？咱們看看集成電路產(chǎn)業(yè)就知道了。集成電路材料是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。集成電路技術(shù)每前進(jìn)一步都會(huì)對(duì)材料提出新的要求，而材料技術(shù)的每一次發(fā)展也都為集成電路新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)提供基礎(chǔ)。

先來(lái)看看集成電路襯底材料。全球硅片的供應(yīng)商，主要有日本的信越化學(xué)和勝高、德國(guó)的世創(chuàng)、中國(guó)臺(tái)灣的環(huán)球晶圓以及韓國(guó)的SKSiltron，這全球前五大公司的市場(chǎng)份額約92%，其中12英寸硅片市場(chǎng)的份額約98%。

再看光刻膠和配套材料。全球光刻膠市場(chǎng)基本被日本JSＲ、東京應(yīng)化、住友化學(xué)、信越化學(xué)、日本TOK、美國(guó)陶氏杜邦、德國(guó)默克等幾家大型企業(yè)所壟斷，市場(chǎng)份額占比九成以上。

除此之外，還有濕化學(xué)品。日本企業(yè)擁有28%的市場(chǎng)份額，代表性公司包括關(guān)東化學(xué)、三菱化學(xué)、三菱瓦斯、東京應(yīng)化等。還有其他，比如掩模版、電子氣體和源、拋光材料、靶材及蒸發(fā)材料等生產(chǎn)環(huán)節(jié)上，日本在每個(gè)環(huán)節(jié)都有好幾個(gè)世界知名的大公司。

所以說(shuō)，日本材料學(xué)在芯片行業(yè)稱霸，靠的不是某一家公司或機(jī)構(gòu)，而是集團(tuán)化作戰(zhàn)。

4、中國(guó)追趕

新材料是現(xiàn)代工業(yè)的先導(dǎo)，已成為當(dāng)今世界各國(guó)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，具有知識(shí)密集、技術(shù)密集、資金密集的特點(diǎn)，其研發(fā)水平和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。

雖然在材料技術(shù)方面，咱們和日韓歐美仍存在著不小的差距，但中國(guó)已經(jīng)在迎頭追趕?？蒲蟹矫?，中國(guó)已成為材料學(xué)領(lǐng)域一支強(qiáng)大的科研力量。根據(jù)自然指數(shù)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)論文數(shù)量在2018年首次超過(guò)美國(guó)。材料學(xué)領(lǐng)域，論文貢獻(xiàn)最多的100家科研機(jī)構(gòu)中，有35家為美國(guó)科研機(jī)構(gòu)；中國(guó)居第二位，有34家機(jī)構(gòu)上榜。

自然指數(shù)官網(wǎng)

產(chǎn)業(yè)方面，我們也在加大投入，市場(chǎng)逐步擴(kuò)大。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國(guó)新材料行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值僅僅為0.6萬(wàn)億元，2017年增長(zhǎng)至2.6萬(wàn)億元，2020年總產(chǎn)值超過(guò)6萬(wàn)億元。

當(dāng)然，必須要看到，我們?nèi)匀贿€有很多短板。比如在新科技高品質(zhì)的材料方面，我們?nèi)匀缓苈浜?，沒(méi)有掌握核心技術(shù)和專利，目前主要以仿制為主。這也將是我國(guó)材料產(chǎn)業(yè)在短期內(nèi)必須要邁過(guò)的一個(gè)坎。這個(gè)坎邁過(guò)了，我們將迎來(lái)一片新天地。

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