《全方位解读为何日本新材料产业这么强》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-04-18
  • 新材料是高新技术的主要组成部分,又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。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,当今世界发达国家争夺高技术产业发展制高点的种类中,均把新材料产业放到重要战略地位来优先发展。日本是新材料生产的主要国家,日本政府高度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。

    一.日本新材料政策

    日本政府发布的《日本产业结构展望2010》的报告以新成长战略为指导,将包括高温超导、纳米、功能化学、碳纤维、IT 等新材来技术在内的10 大尖端技术产业确定为未来产业发展主要战略领域,就相关领域的现状和问题、发展方向进行了分析,并提出了相应的行动计划。

    日本新材料五大关键领域思维导图

    资料来源:《日本新材料产业发展政策及启示》

    日本内阁会议于2016年1月22日审议通过了《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。

    二.日本新材料产业状况

    1. 新材料工业化现状

    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。近年,随着中国等新兴国家的材料产业迅猛发展,日本迫切感到高端材料的实用化开发必须加快步伐。日本机械工业联合会2007、2008年发表的“新材料现状与工业化调查”对先进材料技术的种类、特性、应用可能性及工业化前景等进行评估,评估的新材料领域包括: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,广泛用于电子产品的镁合金,用于水力发电机组轴承的树脂系复合材料,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。

    2. 日本新材料优势领域

    日本的新材料政策是以其工业政策为导向的,其目标是占有世界市场,因此选择的重点是使市场潜力巨大和高附加值的新材料领域尽快专业化、工业化。目前,日本目标明确且已保持领先优势的领域有: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。

    3. 新材料市场占有状况

    目前,多数工业化国家已针对节能减排,应对气候变化问题达成基本共识,并积极推动建立减少污染、资源可回收利用的循环型经济模式,制定经济的可持续发展政策措施。形势的发展为新材料产业创造了巨大市场空间。日本的新材料产业凭借其超前的研发优势和研发成果的实用化开发力度,在环境、新能源材料世界市场占有绝对的优势地位,具体如下:锂电池隔板50%,飞机、汽车用碳纤维70%,海水淡化逆渗透薄膜50%,高端多层陶瓷电容器用纳米级钛酸钡80%,300mm太阳能电池半导体电路板70%,有机EL材料90%,聚乙烯醇胶卷80%,用于燃料电池的氧化锆60%,用于汽车、电子的合成镁氧70%。

    4. 产官学合作体制推动新材料产业发展

    1995年日本制定了《科学技术基本法》,次年开始实施为期5年的科学技术基本计划。为推动循环经济,建立循环型社会,日本制定了一系列相关法规如《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。

    5.上世纪八九十年代日本对开发新材料采取了相应的对策

    在1984年的科学技术白皮书中大力强调重视新材料的基础研究,尤其是新材料方面的研究。同时新建了一批新材料研究所,主要是为了进入新的阶段,着重对电子、新材料、生物工程等方面开展研究活动,并大大增加了材料科学家和材料工程师的培养力度。1985年日本政府在新材料方面的研究经费预算金额共计为7,810百万日元,占科学技术振兴费的2.04%。

    由此可见,日本对材料这一行业极为重视,同时,日本在材料领域的发展也是越来越进步。希望我们国家能够在材料领域也有如此多的措施,促进材料行业的发展。

    三.日本代表性企业介绍

    三井化学株式会社(Mitsui Chemicals)

    公司简介:三井化学是日本第二大综合性化工公司,是从事增值特殊化学品,塑料及其他材料的领先生产商和供应商,产品面向汽车,医疗,包装,农业,建筑,工业,造纸,纺织,以及半导体和电子市场。2017年净销售额为12123亿日元,利润为1021亿日元。

    主营业务:医疗保健事业、移动事业、食品&包装事业、基础材料事业

    欧姆龙株式会社(OMRON Corporation)

    公司简介:欧姆龙集团始创于1933年,总部位于京都市,率先研发生产了无触点接近开关,电子自动感应信号机,自动售货机,车站自动售检票系统,癌细胞自动诊断等一系列产品与设备系统,为社会的进步与提高人类的生活水平作出贡献的同时,欧姆龙集团迅速发展成长为全球知名的自动化控制及电子设备制造厂商,掌握着世界领先的传感与控制核心技术。2016年全网销售额高达7940亿日元,利润为640亿日元。

    主营业务:工业自动化控制系统、电子元器件、汽车电子、社会系统以及健康医疗设备等广泛领域

    四.日本代表性高校介绍

    东京大学

    简介:东京大学创办于1877年,是日本第一所国立综合性大学。根据2018QS世界大学排名显示,东京大学世界排名第28名,亚洲排名第5名。截止目前,东京大学共培养了十六名总理大臣、二十一名(日本)国会议长,十三名富比世500大企业首席执行官。十一名诺贝尔奖得主、六名沃尔夫奖得主、一名菲尔兹奖、三名罗伯·柯霍奖、四名盖尔德纳国际奖及四名普立兹克建筑奖得主。

    优势学科: 理学、医学、文学、工学、政治学、土木、建筑学。

    名古屋大学

    简介:名古屋大学创立于1871年, 是一所日本顶尖、世界一流的著名研究型国立综合大学,是日本中部地区最高学府。根据2018QS世界大学排名显示,名古屋大学世界排名第116名。截止目前,名古屋大学共培养出6名诺贝尔奖得主、1名菲尔兹奖得主。

    优势学科:物理学、理学、化学、工学、医学、农学、法学、经济学、文学、教育学。

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=170714
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还有一些核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人,包括产业的体系、算法、设计、代工、生态环境等,已经是核心短板中的重灾区,包括人工智能高端传感智能也垄断在国外的企业手里。我们统计了130多种高端技术材料,32%是空白,特别是信息技术的特种材料。 中国制造10个重点领域里面有7个领域,包括装备、数控机床、机器人航空航天、海洋工程、新能源汽车、电力装备、智能电网等,信息技术和新材料是基础,包括生命科学。现在信息技术和能源技术的发展,新材料的开篇已经有所变化,正在提升,现在提出“超高性能”“超高纯度”,这是新材料发展的特点,要做中长期的打算和战略安排,很多地方是拼命赚钱都赚不到钱,但是也砸,不砸就跟不上。 新材料是国家高端材料的壁垒,垄断性越来越强,日本东丽垄断了碳纤维,美国铝业垄断了飞机使用金属材料80%的专利。 学科的交叉,包括基础学科的突破,使材料有了新的变化,物理深度融合诞生了高温超导材料。 当然中国的材料体系非常完整,我们是大国,将近20多种材料在全世界的数量都是第一,钢铁占了52%,水泥占了56%。 数量和材料的专利的任务也达到了全世界第一。这些过程中,特别是锂电池、新型电池材料等发展很快。半导体照明、高性能钢材料等,我们都有长足的进步。 抢占未来制高点,新材料还在不断涌现,我们不能放过。转方式、调结构,由于重大工程、高端装备的需求,中国必须突破新材料核心技术。 高端新材料是重大工程成功的保障,材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。 最近正在做2030的重大课题专项,对新材料,中国的任务很重,这是强国的表征。数万台发动机在今后十年当中表现出来。 所有的制造业核心元器件的应用,这些高附加值产品往往都是国外提供,我们做集成、装配、加工中心。材料分成13类。 高端装备特种合金,先进钢铁,还有海洋的深海用材。 我们晚了20年,目前600度超强零件的基础中国改造了3亿多千瓦,占全世界80%以上,非常成功,而且出口占据国际市场的30%左右。 深海油气开采的关键材料,这些核心的高端空白,低端不能用。 高端装备,特别是轴承,包括汽车轴承、高铁轴承、数控机场轴承,几乎全部都是进口,160公里以上的动车组所有的高端轴承全部进口,每年高铁进口8万到9万套轴承。包括汽车自动变速器。 为了适应汽车批量化,中国吉帕级高性能汽车钢板,而且迅速占领了国际国内的大量市场,都是以强化为主,包括淬火配分,对汽车的轻量化起了决定性的作用,性价比非常好。车身制作284公斤,减轻了17%到29%的重量。 所以在与其他钢,其他国内外厂商,206家在应用,累计供货141万吨,占领国内市场超过60%。 高温合金,这是发动机核心材料,我也不谈了。 钛合金、铝合金,这里面已经制定了轻量化的规划包括先进民用飞机、海洋石油工程。 钛合金是非常遗憾的领域,钛合金的性能非常好,海洋、天空、陆地,这是第四代革命性的材料,轻,比强度高。但是长时间来,就在5万吨、7万吨徘徊,去年达到了7.4万吨,而且包括湖南的众多高端钛合金生产装备已经起来,但是很奇怪,钛在地球的储量是铜的80倍,全世界用钛合金在用到20万吨,在地球上什么储量最大,什么东西才便宜,像铁。只有钛储量多,但是价格昂贵。一定有一种低成本的技术没有被突破,现在正在找这种技术。原来使用镁还原得到海盐钛,中国的技术还在继续进行,我们走在前面。 镁合金,有两个问题,腐蚀性、强度,这两个问题都得到解决,丁院士在镁系统合金中采用各种技术,非常好的协同强化效应。包括耐蚀性,现在通过超声阳极氧化法,和镁合金完全一样,我们每年供应95%以上,国内的镁大量的应用,最近应用到20多万吨,每辆汽车上平均应用不到5公斤。所以希望通过一系列技术来减轻重量。 现在飞机上如果用镁合金将是极大的减重,镁合金有一个致命缺点高温自燃,所以波音他们最近签订了协议,美国的FAA计划将于年内取消商业飞机禁镁的禁令。 在高铁、地铁、摩托车、3C产品的应用,包括电池上的应用,镁干电池,海水激活电池,这非常有前景。 镁合金的弹性模量与人的骨头相当,易降解。我们希望10到15年后镁合金汽车行业用到150万吨左右,这是庞大的减重计划和目标,国家的轻合金制造创新中心正在筹备。 2020年要有20万吨左右用到车身板,到2050年大概有30万吨左右用到车身板。 铝加工,大型的铝的挤压件完全国产化,而且都是由很多民营集团来实现的。 新一代飞机大型整体式的结构件。高性能陶瓷与玻璃这里面对陶瓷材料不讲了。范景莲教授做了很多工作,最近2个陶瓷材料的院士,很厉害。 2020年需求预测,能量转化1.5万吨。新型高分子材料,民用交通和医疗卫生用聚烯烃材料,食品安全用钛系催化环保型聚酯。 高性能纤维与复合材料,碳纤维符合材料一定是各种交通工具应用的材料主体。国产化碳纤维低成本化,特别是汽车领域的应用,最近看到宁波所,他们在碳纤维汽车上面的应用做了大量的工作,中车也在大型的高铁上采用车体材料碳纤维的实验,将会为我们大规模的发展。 稀土新材料,资源第一、产量第一,是重要的战略优势资源,5月20号习总书记视察了基地,使用了4公斤的稀土,猛禽战斗机实现了超音速巡航功能。惯性导航的系统材料。 卫星、飞船的姿态控制、轨道调控都是材料的应用。先进战机多用发动机,包括机器人、数控机床。 包括了催化材料、高性能的稀土永磁材料用于全车数十个电机和传感系统,特别是磁动力系统。 现在在城际列车上大量应用,千瓦的电机已经出来节能18%到30%左右。 下一步创新点,是磁在新能源汽车里面得到大量的应用。 磁的创新点在哪里?磁动力体系上,永磁调速之后,中间可以是柔性连接,这样没有摩擦、没有接触、没有润滑。永磁轴承有悬浮轴承,应用转子动力学、机械学、电工电子学,无噪音、噪音小、耗能低。潜艇的隐身能力大大加强。 永磁制动,应用在电梯安全永磁制动系统、汽车永磁缓速器、轨道交通永磁制动器。 永磁齿轮、变速已经完全不用齿轮摩擦了。 所以永磁的产业非常大,我认为应该发展起来,磁产业应用方向,涉及战略性达9个门类。 混合动力技术可用于氢燃料汽车,这是非常好的方案。 每辆混合动力汽车要超过10公斤,价格很低,这非常有用。 包括催化剂,催化剂材料给我们压力很大,基础研究不足,国六突围,必须在轻稀土上打一个漂亮仗,在北京催化剂的研究院。 新型显示材料,主要是激光显示材料。 第三代半导体材料,支撑绿色、智能、泛在技术,满足国防安全、信息安全、智能制造、节能减排。第三代半导体的需求将会上来。美国2030年的用电,他与2018年相比,发电量降低11%。 新能源汽车发展趋势,美国DOE规划2020年到2025年,效率、密度、成本必须要达到新的高度,效率、电控达到98%,密度100千瓦每升,成本2.7每千瓦每美元。 所以第三代半导体优势就出来了,相比SI,有3倍的热导率,有3倍带宽度,10倍击穿场强,高电流密度、高开关速度高温,低导通电阻,冷却系统简化,更高效率。体积可以减少到三分之一到五分之一。系统的物料成本大幅度的下降。 电动汽车用功率半导体模块的占比,到2023年要达到50%。车联网和能源互联网是相通的,有巨大的结合作用,对国内碳化硅的发展历程,国家材料委员会和重大专项的编制组做了新的安排,所以电力电子技术启动,碳化硅6英寸产品成熟,国际有一些差距,但是我们的水平正在提升,包括株洲团队,他们在高铁的IPTV上做的很漂亮,在6寸的碳化硅上做了很多工作,20多家汽车厂商已经在车载充电机中使用碳化硅。主要用于电能转换、电机驱动、充放电、电源变换三大产品领域,这是我们的方向。 绿色能源,2020年锂离子动力电池单体的比能量达到300万。新型锂离子电池,国家成立了锂电电池的创新中心,现在是在高容量三元材料大量应用,硅碳符合材料必须上来,可能突破350瓦时的能量,最后是全部钛电池已经接近成熟。探索富锂锰基固态电池,锂硫电池。 新能源汽车发展将推动全球能源资源需求发展重大变化。 全球新能源汽车产业已进入快速发展期,2035年中国新能源汽车产量将占汽车总产量60%。 全球新能源汽车产业进入高速发展阶段,2018-2035年,中国汽车产量将从2781万辆快速增至4600万辆,新能源汽车产量将从127万辆快速增至1700万辆。到2020年,新能源汽车产量将达到200万辆,新能源汽车的发展将使全球石油消费的顶点和提前到来,中国少用2亿吨石油,因为用电代替的石油,中国的电是用煤,所以是煤电转换比,威胁美国的石油体系,甚至影响俄罗斯、中东地区的经济发展,进而影响全球能源格局,这是新能源汽车带来的冲击,如果2035年达到这样的产能,中国石油消费顶点提前到来,拉动铝、铜消费的需求,将使铜需求量从8万吨增长180万吨。 锂、钴搭起了煤炭和石油转换的桥梁,是国家能源安全的重要组成部分。而且全球资源分布集中,国际市场垄断程度很高,所以我们要小心,垄断程度高于石油,现在到各个地方可以买到石油,但是钴、锂垄断性还是很厉害的,所以要培养世界级大新新能源汽车企业,实现汽车产业弯道超车。积极寻求境外石油合作开发,提高多元化供应水平,这里面潜力巨大。 我在每一次会议上都补充新能源电池,从氢还还原氧化铁,二氧化碳减到零,二次能源成本偏高,高碳向低碳发展这是必然的,在韩国召开的世界气侯大会委员会上,1888年到2018年,地球的维度提升了0.86度,这温度的提升,看气侯的变化非常奇特,非常恶劣的天气不断出现。所以到本世纪末,如果温度提高2度,最多1.5度,这是什么概念,10年之内要出现一圈北极冰没有了,2050年二氧化碳排放要大幅度减少,全球进入氢能时代,占能源比重的18%,所以氢时代的到来,固体能源到液体能源到气体能源的转换,从不可持续到可持续,从集中式到分布式,从多碳到无碳。减排60亿吨的温室气体。 氢能未来,抓住当下的机遇,他认为聚焦四个机会,充分利用现有的工业港口,将其转变为低成本、低碳、氢能的枢纽,支持运输车队、货运通道使产生更大的竞争力,柴改氢。国外氢能的发展我不说了,氢能作为极具发展潜力的二次能源,具备转换灵活、容易获取等特征,国际能源署和全球氢能委员会均发布的路线图和相关文件。 包括各国的氢能发展,2018到2050,我就不细说了,美国到3个30万辆,在路上跑的氢燃的汽车,现在现在只说到2030,100到150万辆。 如果作为基础设施部分,2030年到100万辆,大概是5000多座,每年需要大概400万吨所有的氢能利用。日本到2025年到3个30万台新燃料电池。 国内已经形成6个集群,完整的产业链正在形成。 京津冀、华东、东南、华北,动作非常快,因为各省的资源禀赋不一样,要因地制宜。为什么山东这么积极全省做规划,有两横两纵的交通线的氢走廊,化工大省,是因为氢气产能庞大,巨型车企引领,山东重工目前投500个亿建立氢能的平台。 山西每年6亿吨煤输出来,他准备将1亿吨煤变成氢气输到周边的省市。 四川,建设全国优质清洁能源。 海南,2030年不准燃油车进入海南,对氢能的发展已经全面的规划,内蒙也是,煤气也是丰富的。在氢的利用上,我认为是在中型卡车、大巴的应用,乘用车的布局非常困难,首先是要补贴下去。中国燃料电池汽车和氢能的现状,41家整车企业,56款燃料电池汽车车型,25家燃料电池系统公司。 港口的重型机械,也可以利用,重卡、柴油这是一个方向,集中布局氢燃料电池,全国汽车保有量,柴油车占了9.6%,但氮氧化物占了78%。 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