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日志

 
 

日本实力的冰山一角 很多方面连美国都望尘莫及  

2017-02-14 12:04:55|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 材料学的水平极大程度决定一个国家的最高新科技的水平。好的装甲需要好材料,导弹的外壳需要好材料,飞机发动机叶片需要更优异的材料,最高精尖的军用雷达半导体元器件也需要更好的材料。
而在材料方面,日本已经甩开了第二名美国极大的身位,剩下的俄罗斯中国之类已经远远不在一个档次,这里以人类的最高精尖的三种材料技术——製作洲际弹道导弹
喷管和殻体以及飞机骨架的高强度碳纤维材料;製作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;製作最新式涡轮发动机涡轮叶片的高性能单晶叶片
三种顶级科技说明日本远远领先于其它地球国家的最顶级科技。
1,首先是最新式的涡轮发动机叶片的五代单晶材料。
因为涡轮叶片工作环境极为恶劣,并且要在极度高温高压下保持数万转的高转速,所以对于高温高压下的抗蠕变性能的要求是非常高的。这个目前科技最好的解决方法就是让晶体约束朝一个方向伸展,使其材料相比于常规材料来说无晶界,这可以大大提升高温高压下的强度和抗蠕变性能。
目前人类科技的单晶材料共有五代我们可以发现,越到后面一代,已经没有美国和英国的影子了,老毛子那更是不知道甩到猴年马月去了。如果说四代单晶还有法国作为西方的希望苦苦支撑的话,那麽第五代单晶就是东瀛的独舞——人类最顶级的单晶材料,就是日本的第五代单晶MS-162/192,日本是目前世界上唯一一个能製造第五代单晶材料的国家。有些人可能不知道这意味着什麽,我们贴出美国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。我们可以看到,三代单晶的典型代表CMSX-10的抗蠕变性能如下:1100度,137Mpa,220小时。这是西方的顶级水平了
日本的第五代TMS-162呢?同样条件,寿命高达959小时,接近1000小时寿命,相比于美国材料寿命足足达到4倍有余。
事实上,在这个伟大的技术革新面前,传统的材料学和发动机技术的欧洲顶尖水平公司RR已经选择了屈服。英国罗罗大批进口日本的单晶材料用于製造自己的Trent系列发动机。
2,再看碳纤维材料。
衆所周知,碳纤维因为质量轻巧,强度极高而被视为理想的导弹,特别是最顶尖的洲际弹道导弹材料。包括美国侏儒以及三叉戟D5还有法国M51的新式洲际弹道导弹都用碳-碳和碳-树脂复合材料用于製造洲际导弹的殻体和喷管。在这项技术上日本同样领先于世界水平。
碳纤维分为两种——高强度和高拉伸模量
上面的是日本东丽公司的碳纤维材料,下面是美国大力神公司的,其中IM7被用作製造三叉戟D5的殻体。而东丽的T1000强度高达7060mpa,拉伸模量在高强度碳纤维中也很高(达到了284Gpa),这些都超过了美国的IM9的美国最高水平。
碳纤维目前勉强处于同一水平綫的只有美日(虽然美国相对较差),其它国家与这两个国家相比都不值一提。
我们来看看俄国人到达了一个怎麽样的水平吧!
纤维复合材料特别是碳纤维有机复合材料,在现代飞机上获得了广泛应用。与西方比较俄罗斯这种材料,研究及应用时间稍晚一些,上世纪70年代才着手研究。当时前苏联国家石墨结构材料研究所、全苏聚合物纤维研究所,以及今日的全俄航空材料研究院,生産出拉伸强度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。后来又研究出4000~5000MPa的中模量碳纤维。总体上看俄罗斯的碳纤维産品,性能水平不如美日水平高。从高强度纤维産品来看,俄罗斯的YKH、BMH比目前通用的,T300大约低1000Mpa。俄罗斯高模量纤维400~600GPa,与日本M40J、M60J相近。在中模碳纤维方面与美国的,T800H及T1000G有一定差距,在模量相同的条件之下,后者的强度高出500~1000MPa。俄国人最强的水准也不过5000mpa封顶,和美日完全不是一个档次,这还是毛子的实验室水平。
位业内专家告诉记者,目前,全世界碳纤维生産厂家中日本的东丽、东邦和三菱3家公司,代表着目前世界上最先进水平。我国碳纤维的质量、技术和生産规模与国外差距很大,其中高性能碳纤维技术更是被西方国家垄断和封锁。我国虽然经过多年研究和试生産,但至今尚未掌握高性能碳纤维的核心技术。从技术研发到産业化难度更大,因此碳纤维要真正实现国産化需要一个漫长的过程。
可以看到,中国的T800级别的碳纤维也只能在实验室裡生産。而日本的远远强于T800的T1000碳纤维已经走入了市场大量製造了。事实上,T1000隻是东丽80年代的製造水平。可见美日在碳纤维领域领先其它国家20年以上。
3,再看看雷达。
大家知道,主动相控阵雷达的最关键技术就在于一个个T/R收发组件。事实上,AESA雷达就是数千个收发组件单元组建成一台整的雷达。而T/R组件就是由少则一个,多则4个MMIC半导体晶片材料封装而成。这个晶片是将雷达的电磁波收发组件整合起来的一个微型电路,既负责电磁波的发出,也负责接收。而这个晶片就是在整个半导体晶元上蚀刻齣电路来的。所以,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。这就是F-35的诺斯罗普.格鲁曼公司的APG81雷达的MMIC晶片,APG81雷达由数千个一模一样的这样的MMIC晶片集成。这个晶片是以GaAs为基体蚀刻构筑的。但是事实上,GaAs材料因为其禁带过窄,其击穿电压过低,其发射功率是上不去的。所以,迫切需要新一代宽禁带的半导体材料。而这个材料目前已经找到了,就是GaN材料。而GaN材料的晶体生长是非常困难的,目前也是日本率先攻克了GaN薄膜的大规模製造工艺。
1994年日本日亚化工突破了GaN材料成核生长的关键技术,不久P型GaN採用退火技术得以实现,随后GaN led研製成功。近几年,通过外延技术的提升,GaN LED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已广泛应用于全彩显示、交通信号灯、汽车灯具、液晶背光、室内照明和路灯照明等领域,半导体照明已经日臻成熟,走进千家万户。
目前,絶大部分GaN基LED均採用价格相对低廉的蓝宝石为衬底材料製备。然而,蓝宝石衬底与GaN材料有高达17%的晶格失配度,如此大的晶格失配造成了很高的位错密度,导致GaN LED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,因此在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衬底的製备难度较高,外延生长GaN的成核也具有一定难度。因此,SiC衬底上製备GaN LED的技术仅限于以美国CREE为代表的少数掌握SiC衬底囗製备技术的公司手中。目前,美国Cree公司生産的GaN LED封装成白光后,流明效率已经超过200lm/W,远远超过其它同行厂家。
美国由于无法大规模製造SiC基体的GaN材料,所以求助于日本。可以预见,下一代美国的雷达的材料都将是Made in Japan。
日前LED上游大厂美国Cree表示,该公司已与三菱化学签订独家授权合约。根据双方协议,三菱化学将可製造、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(similarly-scoped sublicenses)。据了解,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産品领域中拓展氮化镓基板业务。
事实上,美国F-22的雷达用日本技术从来就不是什麽秘密。早在90年代初,也是日本率先攻克GaAs晶圆的生长工艺,逼着美国购买日亚化工的GaAs晶圆技术用以製造F-22的 APG77雷达。正是日本日亚化工向美国的半导体材料製造的技术许可和转让,美国才得以在90年代后半期发力,利用军用雷达的AESA革命甩开其它国家。
传统的材料学和发动机技术的欧洲顶尖水平公司RR已经选择了屈服。英国罗罗大批进口日本的单晶材料用于製造自己的Trent系列发动机。
事实上,在这个伟大的技术革新面前,传统的材料学和发动机技术的欧洲顶尖水平公司RR已经选择了屈服。英国罗罗大批进口日本的单晶材料用于製造自己的Trent系列发动机。
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