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。
三种新材料全球顶尖
日本的材料学已成为最顶尖技术。材料学的水平将极大程度决定了一个国家的最高科技水平。比如最先进的装甲车必需优质材料；最先进的导弹之外壳必须采用极优质材料。特别是飞机发动机叶片更需要出色而优异的新材料。再比如最高精尖的军用雷达半导体元器件也需要优中选优的材料。
在某些新材料方面，日本已经远远领先最发达国家美国非常大的身位，剩下的包括俄罗斯及欧洲发达国家之类也和日本远远不在一个档次。比如在最高精尖的三种材料技术方面：1）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；制造最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；制造最新式涡轮发动机涡轮叶片的——高性能单晶叶片。
日本在这三种顶级科技方面遥遥领先，让地球上其他国家望其项背。
首当其冲的是——最新型涡轮发动机叶片的五代单晶材料。
由于涡轮叶片工作环境非常恶劣，需要极度高温高压之下仍然保持数万转的极高转速，因此，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。当今科技最优的解决手段就是让晶体约束朝一个方向伸展，相比于常规材料来说无晶界，这样就大大提升高温高压下的强度和抗蠕变性能。
世界上单晶材料共有五代。越到最后一代，就越根本看不到老牌发达国家美国和英国的影子，军事超级大国俄罗斯更不在话下。假如四代单晶还有法国能够勉强支撑的话，而第五代单晶技术水平就只能是日本的天下。因此，全球最顶级的单晶材料就是日本研发的第五代单晶TMS-162/192，日本已成为全球唯一一个能制造第五代单晶材料的国家，在世界市场上具有绝对的话语权。
再拿美国F-22和F-35使用的F119/135发动机的涡轮叶片材料CMSX-10三代高性能单晶作为对比，通过比较数据如下，三代单晶的经典代表CMSX-10的抗蠕变性能是：1100度，137Mpa，220小时。这已是西方发达国家最顶级水平了。
反观日本，其第五代的TMS-162，在相同条件之下，第五代的TMS-162寿命高达959小时，甚至于接近1000小时寿命，相比于美国材料的使用寿命高达4倍有余，令人震撼。
再比如世界传统材料学和发动机技术的欧洲最顶尖水平公司——英国著名的发动机公司罗尔斯·罗伊斯（RR），也是欧洲最大的航空发动机企业，旗下产品包括航空发动机、船舶发动机以及核动力潜艇的核动力装置，其中航空发动机是世界久负盛名的拳头产品，它研制的各种航空发动机广为世界民用和军用飞机所采用。
即使这样一家全球技术最顶尖公司，在日本的新材料面前只能选择膜拜及臣服。英国RR甚至于大批进口日本的单晶材料用于制造自己的世界先进的Trent涡轮风扇发动机。日本的新材料技术，让很多国家离不开它，离开了就寸步难行，要么使用性能差一点的材料去替代，而对于追求品质的欧洲发达国家根本不现实，宁愿去花大价钱买日本的新材料，这样用的放心也省心，因为十分“**”的使用寿命放在那里。
其次是日本领先世界的碳纤维材料。
碳纤维由于质量轻，强度高而被军工产业视为制造导弹、尤其是最顶尖洲际弹道导弹的最理想材料。比如美国的“侏儒”导弹是美国的小型固体洲际战略导弹，能够在公路上机动，以提高导弹的射前生存能力，主要用来打击导弹地下井。该导弹也是目前世界上最早采用全程制导的洲际战略导弹，其中用到了日本的新材料及技术。
比如美国的“三叉戟II”D-5型潜射导弹，是由洛克希德•马丁公司研制。该弹1990年服役，主要装备了“俄亥俄”级核潜艇，每艇载弹24枚，曾经是世界上最先进的潜射弹道导弹。“三叉戟II”D-5，射程更远，命中精度更高。每枚导弹最多可载12枚分导式弹头，后来根据美俄间的协议，改为限载8枚，可分别攻击8个目标，采用星光惯性制导系统。它打击诸如地下导弹发射井、加固的地下指挥所等坚固目标的能力要比“三叉戟I”导弹提高3至4倍，因而被誉为美海军战略核力量的“骄子”。此导弹采用了日本的新复合材料。
再比如法国M51的新式洲际弹道导弹，M51潜射弹道导弹曾经是法国原子能军需事务局和法国原子能总署研制的新一代战略核导弹。导弹上安装电力喷嘴调节器、惯性制导与天文制导系统，展开式减阻帽能够降低发射后的空气阻力;它的整流罩由复合碳基材料制造。至少到2030年，以M51导弹为主体的海基核力量将成为法国核力量的主体，可巩固法国在欧洲防务独立中的领导地位。法国的导弹同样采用了日本的复合新材料。
笔者想提醒的是，以上先进的战略导弹无一例外都采用碳-碳和碳-树脂复合材料用于制造洲际导弹的壳体和喷管。在这项技术上日本同样是世界领先水平。
碳纤维主要分为两类：高强度和高拉伸模量。比如日本东丽公司的T1000强度高达7060mpa，其拉伸模量在高强度碳纤维中也非常高（甚至达到了284Gpa），这些技术指标都远远超过了美国IM9的最高水平。
纤维有机复合材料，在当今飞机上获得了十分广泛的应用。军事大国俄罗斯对于这种材料的研究及应用时间要晚一些，基本上是在上世纪70年代才开始开始研发的。前苏联国家石墨结构材料研究所、前苏联聚合物纤维研究所，全俄航空材料研究院，能够生产出拉伸强度2500～3000MPa、拉伸模量250GPa的高强度碳纤维，以及模量400～600GPa的高模量碳纤维。此后，又研发出4000～5000MPa的中模量碳纤维。虽然如此，俄罗斯的碳纤维产品在性能及水平上仍然远不如日本的技术水平先进。
从高强度纤维产品观察，俄罗斯的YKH、BMH比世界上通用的T300大约要低1000Mpa。俄罗斯高模量纤维400～600GPa差不多与日本M40J、M60J相近。但是在中模碳纤维方面与美国的T800H及T1000G有一定技术差距，在模量相同的条件下，美国的强度大约高出500～1000MPa。
综上所述，俄国人制造出最强的水准在5000mpa之内封顶，和日本美国完全不在一个档次上，而且这还是俄罗斯的实验室的水平。
在全球碳纤维生产制造厂家中，日本拥有著名的东丽、东邦和三菱3家顶尖公司，他们代表了世界最顶级技术水平。
我国虽经过多年研发及试生产，至今尚未掌握高性能碳纤维的最核心技术，所以碳纤维要实现完全国产化仍然需要时间。日本技术远超T800及T1000碳纤维早已占领市场并大量制造了。实际上，T1000还只是日本东丽在80年代的制造水平。由此可见，日本在碳纤维领域的技术至少要领先其他国家20年以上。
再次是军用雷达上使用的独领**的新材料。
主动相控阵雷达的最关键技术体现在一个个T/R收发组件上。特别是AESA雷达都是由数千个收发组件单元组建成的一台完整的雷达。而T/R组件往往是由最少一个，最多4个MMIC半导体晶片材料封装而成。这个芯片是将雷达的电磁波收发组件集成起来的一个微型电路，不但负责电磁波的输出，同时也负责接收。这个芯片就是在整个半导体晶元上蚀刻出电路来的，因此，这个半导体晶圆的晶体生长是整个AESA雷达最关键的技术部分。
比如美国F-35的诺斯罗普.格鲁曼公司的APG81雷达的MMIC芯片，其中APG81雷达就是由数千个一模一样的这样的MMIC芯片组成。这个芯片是以GaAs为基体蚀刻构成的。
GaAs材料由于其禁带过窄，击穿电压过低，往往发射功率上不去。因此，极需要新一代宽禁带的半导体材料，这个材料就是GaN材料。
GaN材料的晶体生长十分困难，当今世界只有日本率先攻克了GaN薄膜的大规模制造工艺，其他国家仍然在摸索之中。
日本日亚化工是在1994年攻克了GaN材料成核生长关键技术，此后，P型GaN又采用退火技术加以实现，最终GaNled研制成功。通过外延技术的提升，GaNLED的内量子效率大大提升，结合粗化、倒装、PSS衬底等提高光输出效率的技术，GaN基LED已广泛应用在汽车灯具、全彩显示、交通信号灯、、液晶背光、室内照明和路灯照明等领域，半导体照明已家喻户晓。事实上，绝大多数GaN基LED都是采用价格相对低廉的蓝宝石为衬底材料制备。但是，蓝宝石衬底与GaN材料有高达17%的晶格失配度，如此大的晶格失配往往造成很高的位错密度，导致GaNLED中的非辐射复合中心增多，限制了其内量子效率的进一步提升。
SiC衬底与GaN材料的晶格适配度只有3%，远小于蓝宝石衬底与GaN材料间的晶格适配度，所以在SiC衬底上外延生长的GaN材料的位错密度会更少，晶体质量会更高，同时SiC的热导率（4.2W/cm.K）远大于蓝宝石，有利于器件在大电流下工作。
但是SiC衬底的制备难度较高，外延生长GaN的成核也具有一定难度。因此，SiC衬底上制备GaNLED的技术仅限于以美国CREE为代表的少数掌握SiC衬底囗制备技术的公司手中。值得一提的是，美国Cree公司生产的GaNLED封装成白光后，流明效率已经超过200lm/W，远超世界上其他同行厂家。
世界LED产业上游大公司美国Cree曾经表示，公司已与日本三菱化学签订独家授权合约。根据双方协议，日本三菱化学将可制造、贩卖独立的氮化镓（GaN）基板，并有权签订类似专利范围的再授权协议。
日本三菱化学光电事业部门总经理Yasuji Kobashi在声明中指出，上述授权合约可望帮助该公司在光电产品领域中拓展氮化镓基板业务。
实际上，美国的F-22的雷达采用日本技术已非秘密。早在90年代初，日本率先攻克了GaAs晶圆的生长工艺后，自然会造成逼着美国购买日亚化工的GaAs晶圆技术用来制造F-22的APG77雷达。也正是日本日亚化工对美国的半导体材料进行的技术许可和转让，才让美国在90年代后半期技术大幅提升，从而利用军用雷达的AESA革新遥遥领先世界其他国家。
此外，日本在氧化镓产业化方面也走在世界的前列，拥有Novel Crystal Technology等著名公司，已经成功实现了氧化镓功率半导体的6英吋成膜。
日本的材料科学为什么这么牛
日本的材料科学之所以牛，正是举国体制结出的硕果。
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。
日本文部科学省官网
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”。
日本新世纪五年计划介绍
可见，日本是从国家的高度，倾举国之力将材料科学，作为未来发展的重心在布局。
这样的认知高度和巨大的投入，形成了日本现在在材料科学方面占据的领先优势。
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。
日本国立材料科学研究所官网
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。
有政策扶持，有科研平台，有资金支持，有联盟合作，日本的材料科学就是这样做强做大的。
