如果單純看材料科學的學科世界排名，好像日本和中國差不多，都僅落后于美國，但日本的材料科學應用特別好，比如金屬材料學，日本是世界第一，延伸出冶金技術是世界第一，車用鋼材質量世界第一。
其他像電子信息材料、納米材料、半導體材料、碳纖維復合材料、陶瓷材料等領域，日本高校的學科排名未必世界第一，但應用領域均做到極致。
三種新材料全球頂尖
日本的材料學已成為最頂尖技術。材料學的水平將極大程度決定了一個國家的最高科技水平。比如最先進的裝甲車必需優質材料；最先進的導彈之外殼必須采用極優質材料。特別是飛機發動機葉片更需要出色而優異的新材料。再比如最高精尖的軍用雷達半導體元器件也需要優中選優的材料。
在某些新材料方面，日本已經遠遠領先最發達國家美國非常大的身位，剩下的包括俄羅斯及歐洲發達國家之類也和日本遠遠不在一個檔次。比如在最高精尖的三種材料技術方面：1）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；制造最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；制造最新式渦輪發動機渦輪葉片的——高性能單晶葉片。
日本在這三種頂級科技方面遙遙領先，讓地球上其他國家望其項背。
首當其沖的是——最新型渦輪發動機葉片的五代單晶材料。
由于渦輪葉片工作環境非常惡劣，需要極度高溫高壓之下仍然保持數萬轉的極高轉速，因此，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。當今科技最優的解決手段就是讓晶體約束朝一個方向伸展，相比于常規材料來說無晶界，這樣就大大提升高溫高壓下的強度和抗蠕變性能。
世界上單晶材料共有五代。越到最后一代，就越根本看不到老牌發達國家美國和英國的影子，軍事超級大國俄羅斯更不在話下。假如四代單晶還有法國能夠勉強支撐的話，而第五代單晶技術水平就只能是日本的天下。因此，全球最頂級的單晶材料就是日本研發的第五代單晶TMS-162/192，日本已成為全球唯一一個能制造第五代單晶材料的國家，在世界市場上具有絕對的話語權。
再拿美國F-22和F-35使用的F119/135發動機的渦輪葉片材料CMSX-10三代高性能單晶作為對比，通過比較數據如下，三代單晶的經典代表CMSX-10的抗蠕變性能是：1100度，137Mpa，220小時。這已是西方發達國家最頂級水平了。
反觀日本，其第五代的TMS-162，在相同條件之下，第五代的TMS-162壽命高達959小時，甚至于接近1000小時壽命，相比于美國材料的使用壽命高達4倍有余，令人震撼。
再比如世界傳統材料學和發動機技術的歐洲最頂尖水平公司——英國著名的發動機公司羅爾斯·羅伊斯（RR），也是歐洲最大的航空發動機企業，旗下產品包括航空發動機、船舶發動機以及核動力潛艇的核動力裝置，其中航空發動機是世界久負盛名的拳頭產品，它研制的各種航空發動機廣為世界民用和軍用飛機所采用。
即使這樣一家全球技術最頂尖公司，在日本的新材料面前只能選擇膜拜及臣服。英國RR甚至于大批進口日本的單晶材料用于制造自己的世界先進的Trent渦輪風扇發動機。日本的新材料技術，讓很多國家離不開它，離開了就寸步難行，要么使用性能差一點的材料去替代，而對于追求品質的歐洲發達國家根本不現實，寧愿去花大價錢買日本的新材料，這樣用的放心也省心，因為十分“恐怖”的使用壽命放在那里。
其次是日本領先世界的碳纖維材料。
碳纖維由于質量輕，強度高而被軍工產業視為制造導彈、尤其是最頂尖洲際彈道導彈的最理想材料。比如美國的“侏儒”導彈是美國的小型固體洲際戰略導彈，能夠在公路上機動，以提高導彈的射前生存能力，主要用來打擊導彈地下井。該導彈也是目前世界上最早采用全程制導的洲際戰略導彈，其中用到了日本的新材料及技術。
比如美國的“三叉戟II”D-5型潛射導彈，是由洛克希德?馬丁公司研制。該彈1990年服役，主要裝備了“俄亥俄”級核潛艇，每艇載彈24枚，曾經是世界上最先進的潛射彈道導彈?！叭骊狪I”D-5，射程更遠，命中精度更高。每枚導彈最多可載12枚分導式彈頭，后來根據美俄間的協議，改為限載8枚，可分別攻擊8個目標，采用星光慣性制導系統。它打擊諸如地下導彈發射井、加固的地下指揮所等堅固目標的能力要比“三叉戟I”導彈提高3至4倍，因而被譽為美海軍戰略核力量的“驕子”。此導彈采用了日本的新復合材料。
再比如法國M51的新式洲際彈道導彈，M51潛射彈道導彈曾經是法國原子能軍需事務局和法國原子能總署研制的新一代戰略核導彈。導彈上安裝電力噴嘴調節器、慣性制導與天文制導系統，展開式減阻帽能夠降低發射后的空氣阻力;它的整流罩由復合碳基材料制造。至少到2030年，以M51導彈為主體的?；肆α繉⒊蔀榉▏肆α康闹黧w，可鞏固法國在歐洲防務獨立中的領導地位。法國的導彈同樣采用了日本的復合新材料。
筆者想提醒的是，以上先進的戰略導彈無一例外都采用碳-碳和碳-樹脂復合材料用于制造洲際導彈的殼體和噴管。在這項技術上日本同樣是世界領先水平。
碳纖維主要分為兩類：高強度和高拉伸模量。比如日本東麗公司的T1000強度高達7060mpa，其拉伸模量在高強度碳纖維中也非常高（甚至達到了284Gpa），這些技術指標都遠遠超過了美國IM9的最高水平。
纖維有機復合材料，在當今飛機上獲得了十分廣泛的應用。軍事大國俄羅斯對于這種材料的研究及應用時間要晚一些，基本上是在上世紀70年代才開始開始研發的。前蘇聯國家石墨結構材料研究所、前蘇聯聚合物纖維研究所，全俄航空材料研究院，能夠生產出拉伸強度2500～3000MPa、拉伸模量250GPa的高強度碳纖維，以及模量400～600GPa的高模量碳纖維。此后，又研發出4000～5000MPa的中模量碳纖維。雖然如此，俄羅斯的碳纖維產品在性能及水平上仍然遠不如日本的技術水平先進。
從高強度纖維產品觀察，俄羅斯的YKH、BMH比世界上通用的T300大約要低1000Mpa。俄羅斯高模量纖維400～600GPa差不多與日本M40J、M60J相近。但是在中模碳纖維方面與美國的T800H及T1000G有一定技術差距，在模量相同的條件下，美國的強度大約高出500～1000MPa。
綜上所述，俄國人制造出最強的水準在5000mpa之內封頂，和日本美國完全不在一個檔次上，而且這還是俄羅斯的實驗室的水平。
在全球碳纖維生產制造廠家中，日本擁有著名的東麗、東邦和三菱3家頂尖公司，他們代表了世界最頂級技術水平。
我國雖經過多年研發及試生產，至今尚未掌握高性能碳纖維的最核心技術，所以碳纖維要實現完全國產化仍然需要時間。日本技術遠超T800及T1000碳纖維早已占領市場并大量制造了。實際上，T1000還只是日本東麗在80年代的制造水平。由此可見，日本在碳纖維領域的技術至少要領先其他國家20年以上。
再次是軍用雷達上使用的獨領風騷的新材料。
主動相控陣雷達的最關鍵技術體現在一個個T/R收發組件上。特別是AESA雷達都是由數千個收發組件單元組建成的一臺完整的雷達。而T/R組件往往是由最少一個，最多4個MMIC半導體晶片材料封裝而成。這個芯片是將雷達的電磁波收發組件集成起來的一個微型電路，不但負責電磁波的輸出，同時也負責接收。這個芯片就是在整個半導體晶元上蝕刻出電路來的，因此，這個半導體晶圓的晶體生長是整個AESA雷達最關鍵的技術部分。
比如美國F-35的諾斯羅普.格魯曼公司的APG81雷達的MMIC芯片，其中APG81雷達就是由數千個一模一樣的這樣的MMIC芯片組成。這個芯片是以GaAs為基體蝕刻構成的。
GaAs材料由于其禁帶過窄，擊穿電壓過低，往往發射功率上不去。因此，極需要新一代寬禁帶的半導體材料，這個材料就是GaN材料。
GaN材料的晶體生長十分困難，當今世界只有日本率先攻克了GaN薄膜的大規模制造工藝，其他國家仍然在摸索之中。
日本日亞化工是在1994年攻克了GaN材料成核生長關鍵技術，此后，P型GaN又采用退火技術加以實現，最終GaNled研制成功。通過外延技術的提升，GaNLED的內量子效率大大提升，結合粗化、倒裝、PSS襯底等提高光輸出效率的技術，GaN基LED已廣泛應用在汽車燈具、全彩顯示、交通信號燈、、液晶背光、室內照明和路燈照明等領域，半導體照明已家喻戶曉。事實上，絕大多數GaN基LED都是采用價格相對低廉的藍寶石為襯底材料制備。但是，藍寶石襯底與GaN材料有高達17%的晶格失配度，如此大的晶格失配往往造成很高的位錯密度，導致GaNLED中的非輻射復合中心增多，限制了其內量子效率的進一步提升。
SiC襯底與GaN材料的晶格適配度只有3%，遠小于藍寶石襯底與GaN材料間的晶格適配度，所以在SiC襯底上外延生長的GaN材料的位錯密度會更少，晶體質量會更高，同時SiC的熱導率（4.2W/cm.K）遠大于藍寶石，有利于器件在大電流下工作。
但是SiC襯底的制備難度較高，外延生長GaN的成核也具有一定難度。因此，SiC襯底上制備GaNLED的技術僅限于以美國CREE為代表的少數掌握SiC襯底囗制備技術的公司手中。值得一提的是，美國Cree公司生產的GaNLED封裝成白光后，流明效率已經超過200lm/W，遠超世界上其他同行廠家。
世界LED產業上游大公司美國Cree曾經表示，公司已與日本三菱化學簽訂獨家授權合約。根據雙方協議，日本三菱化學將可制造、販賣獨立的氮化鎵（GaN）基板，并有權簽訂類似專利范圍的再授權協議。
日本三菱化學光電事業部門總經理Yasuji Kobashi在聲明中指出，上述授權合約可望幫助該公司在光電產品領域中拓展氮化鎵基板業務。
實際上，美國的F-22的雷達采用日本技術已非秘密。早在90年代初，日本率先攻克了GaAs晶圓的生長工藝后，自然會造成逼著美國購買日亞化工的GaAs晶圓技術用來制造F-22的APG77雷達。也正是日本日亞化工對美國的半導體材料進行的技術許可和轉讓，才讓美國在90年代后半期技術大幅提升，從而利用軍用雷達的AESA革新遙遙領先世界其他國家。
此外，日本在氧化鎵產業化方面也走在世界的前列，擁有Novel Crystal Technology等著名公司，已經成功實現了氧化鎵功率半導體的6英吋成膜。
日本的材料科學為什么這么牛
日本的材料科學之所以牛，正是舉國體制結出的碩果。
二戰以后，特別是伴隨著20世紀六七十年代的經濟騰飛，日本的無機非金屬材料產業迅速發展。
其科學研究和技術研發在產學官研的合力推動下，達到世界領先地位。
在政策層面，日本科學發展規劃歷來重視材料科學，特別重視基礎材料科學研究的“育種”。
上世紀80年代，日本科學技術廳（后并入文部科學?。┖屯óa省擬定的高技術規劃中，在“創造科學技術推進事業”的8個項目中，新材料的基礎研究占5個。
1992年，日本科學技術振興調整費（國家給的科研經費）新增八個項目，前三個都是材料科學方面的。
日本文部科學省官網
靠著40多年的不懈努力，日本的材料科技在全球獨占鰲頭。
目前，不論是傳統的日用陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料，還是新型無機非金屬材料，日本都位居世界前列，不少技術更在歐美之上。
進入21世紀，日本政府在第二次科技發展五年計劃中提出，科學技術的三大戰略任務，即：
知識創新——把科技進步作為立國之本；
知識轉化——將科技進步轉化為生產力，增強國際競爭力，實現可持續發展；
造福社會——依靠科技進步維護國民健康和生活質量、保障國家安全、防止災害侵襲。
這份計劃將納米技術和材料方向稱為“包含上述３個重點領域，支撐科學技術整體發展基礎的重要領域，在21世紀有望成為科學技術的主干”。
日本新世紀五年計劃介紹
可見，日本是從國家的高度，傾舉國之力將材料科學，作為未來發展的重心在布局。
這樣的認知高度和巨大的投入，形成了日本現在在材料科學方面占據的領先優勢。
除了政策扶持外，在學術研究方面，日本政府還專門牽頭成立了在材料科學領域享譽全球的國立物質材料研究所。
日本國立物質材料研究所（National Institute for Material Science，NIMS），是日本唯一的專門從事材料科學的國家研究與開發機構，由日本國家金屬研究所（成立于1956年）和國家無機材料研究所（成立于1966年），這兩個國家研究開發機構合并而來，作為獨立行政機構進行材料科學的基礎研究和開發。
日本國立材料科學研究所官網
NIMS的使命是“從材料研究創造未來”，研究方向不僅包括金屬或陶瓷，還包括金屬、半導體、超導體、陶瓷、有機材料和納米材料等等，涵蓋電子、光學、涂料、燃料電池、催化劑、生物技術等范圍的應用。
除了直接研究材料科學之外，NIMS也進行相關的理論研究和配套的儀器技術研究，如電子顯微鏡、高能離子束、強磁場等技術。
總之，就是個材料科學研究的巨無霸。
NIMS在筑波的三個分所
搞高精尖的科學研究，是需要花費巨量資金的。
日本政府投入的科研經費，也只能視為發展的種子。大部分經費來源還是要民間，尤其來自各大財團的大力投入。
日本新材料企業KUREHA、可樂麗（KURARAY）和伊藤忠商事與日本官企投資基金-產業革新機構合作，形成合作聯盟，全面推進高端新材料產業發展。
KUREHA等企業與產業革新機構共同出資成立新的高新技術投資公司，其中產業革新機構約占49%股份，KUREHA等企業聯合將擁有剩余股份，總投資額為200億日元。
企業之間的合作也不少。
比如在碳纖維行業，日本較早形成了產業聯盟，聯盟成員覆蓋了整個碳纖維產業鏈，能夠全面了解產業中存在的問題和需求，有效服務于產業的各個環節。
有政策扶持，有科研平臺，有資金支持，有聯盟合作，日本的材料科學就是這樣做強做大的。
