我國新能源汽車及其輕量化材料科技成果計量分析

呂鵬輝 陸科 葉茂 成英 鐘永恒

[摘要]新能源汽車是我國“十二五”期間重點發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，輕量化材料的發(fā)展對新能源汽車的發(fā)展起到很重要的作用。本文利用文獻計量、數(shù)據(jù)對比、數(shù)值模擬計算等分析方法，對2000年以來我國及中國科學院的新能源汽車及輕量化材料科技成果產(chǎn)出數(shù)量、年度分布等進行計量分析。尤其對碳纖維、碳納米管和樹脂科技成果的年度發(fā)展態(tài)勢、完成地域分布、主要完成機構(gòu)等變化規(guī)律進行分析比較，揭示了新能源汽車及其輕量化材料科技成果的現(xiàn)狀、發(fā)展前景及未來趨勢。

〔關(guān)鍵詞〕新能源汽車；輕量化材料；研究機構(gòu)；科技成果；計量分析

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０８２１．２０１１．０７．０２２

〔中圖分類號〕Ｇ２５０.２５２ 〔文獻標識碼〕Ｂ 〔文章編號〕１００８－０８２１（２０１１）０７－００９３－０５

Bibliometric Analysis of S&T; Achievements on New Energy

Vehicles and Its Lightweight Materials in ChinaLv Penghui１ Lu Ke１，２ Ye Mao１，２ Chen Ying３ Zhong Yongheng１，２

（１．Wuhan Documentation and Information Center，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China；

２．Wuhan Industry Technology Analysis Center，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China；

３．School of Automobile，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

〔Ａｂｓｔｒａｃｔ〕New Energy Vehicle is one of the key emerging strategic industries during the“Twelfth Five-Year Plan”in China.The lightweight materials play an important role in New Energy Vehicle industry.In this paper,the method of bibliometrics,data comparison and numerical simulation were used to analyze the domestic scientific and technological achievements on new energy vehicles and its lightweight materials since 2000.The number of outputs,annual distribution,the results from all major cities,and annual distribution of carbon fiber,carbon nanotube and resinene in China as well as Chinese Academy of Sciences were carefully studied,and some develop trends were also proposed.

〔Ｋｅｙｗｏｒｄｓ〕new energy vehicles;lightweight materials;research institutions;S&T; achievements;bibliometric analysis

隨著全球能源日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日益惡化，汽車產(chǎn)品正在向節(jié)能、環(huán)保、安全的趨勢發(fā)展，新能源汽車目前已成為各國競相研發(fā)的熱點。而在我國，隨著發(fā)展低碳經(jīng)濟的迫切需求，汽車材料與結(jié)構(gòu)的輕量化被寫入“十二五”規(guī)劃綱要［１］。我國《國務院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》（以下簡稱《決定》）中指出：新能源汽車產(chǎn)業(yè)要著力突破動力電池、驅(qū)動電機和電子控制領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，推進插電式混合動力汽車、純電動汽車推廣應用和產(chǎn)業(yè)化，同時推廣高效內(nèi)燃機、高效傳動與驅(qū)動、材料與結(jié)構(gòu)輕量化、整車優(yōu)化、普通混合動力技術(shù)，推動汽車產(chǎn)品節(jié)能［２］。《決定》對我國新能源汽車發(fā)展提出了更高更細的要求，充分顯示我國發(fā)展新能源汽車的決心。

汽車的油耗主要取決于發(fā)動機的排量和汽車的總質(zhì)量，在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下，通過降低汽車自身重量可有效提升輸出功率、降低噪聲、提升操縱性、可靠性，提高車速、降低油耗、減少廢氣排放量、提升整車安全性［３］。輕量化材料對汽車的發(fā)展起著重要的作用，同時也使新能源汽車朝更高性能的方向發(fā)展。當前，國內(nèi)外汽車制造中輕量化主要采取3種途徑：一是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，二是通過材料替代或采用新材料來使汽車輕量化，三是采用先進的制造工藝，使用基于新材料加工技術(shù)而成的輕量化結(jié)構(gòu)用材［４］。這3種發(fā)展方向都使汽車車身結(jié)構(gòu)材料將趨向多種材料設(shè)計方向發(fā)展［５］。用碳纖維和高性能的樹脂基體復合而成的先進碳纖維樹脂基復合材料是目前使用較廣泛的一種結(jié)構(gòu)復合材料。不少汽車廠家在汽車制造和改裝過程中為追求極致輕量化開始嘗試大量應用碳纖維增強復合材料［６］。隨著新能源汽車的發(fā)展，碳纖維復合材料在新能源汽車上在應用也將會越來越廣泛。

本文旨在從文獻計量的角度對我國新能源汽車及輕量化材料科技成果與完成機構(gòu)進行分析對比、科學計量與數(shù)據(jù)挖掘。由于輕量化材料涉及較廣，只選取一類材料即碳纖維復合材料為研究對象，具體對該類材料中的碳纖維、碳納米管和車用基體樹脂材料進行科技成果計量分析。通過國家科技數(shù)據(jù)庫（CSTAD）等科技成果信息網(wǎng)站系統(tǒng)，收集我國新能源汽車輕量化材料科技成果信息，利用文獻計量分析、數(shù)據(jù)對比分析及數(shù)值模擬計算等方法，從科技成果的類別、年度發(fā)展態(tài)勢、完成地域分布、主要完成機構(gòu)等方面，系統(tǒng)描述和揭示新能源汽車輕量化材料科技成果的現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢。

１ 數(shù)據(jù)來源

本文選取中國知網(wǎng)（CNKI）之《中國科技成果數(shù)據(jù)庫》，為提高科技成果檢索主題相關(guān)性，采用“名稱＋關(guān)鍵詞＋成果簡介”的組合檢索策略，以“碳纖維”、“車呈髦”以及“碳納米管”為檢索詞對2000-2010年間我國科技成果產(chǎn)出進行檢索與數(shù)據(jù)清洗，共得到1 603條題錄。

２ 計量方法

本文選擇中國科技成果數(shù)據(jù)庫作為檢索數(shù)據(jù)平臺，以TDA和Origin、MS Office Excel 2010等統(tǒng)計與繪圖軟件為主要分析工具進行數(shù)據(jù)挖掘分析與研究。從科技成果計量分析的角度，對我國新能源汽車及輕量化材料科技成果方面我國尤其是科技成果產(chǎn)出靠前的中國科學院的科技成果的年度分布、機構(gòu)分布等方面進行分析與研究。

２０１１年７月第３１卷第７期我國新能源汽車及其輕量化材料科技成果計量分析Ｊｕｌｙ，２０１１Ｖｏｌ.３ 結(jié)果分析

中國科技成果數(shù)據(jù)庫對科技成果劃分為科學理論成果、應用技術(shù)成果和軟科學成果三大類。從圖１可看出我國在新能源汽車技術(shù)方面科技成果類型多數(shù)為應用技術(shù)成果，科學理論成果和軟科學成果較少。

圖１ 我國新能源汽車科技成果產(chǎn)出類型

３.１ 我國新能源汽車及其材料成果趨勢分析

圖２給出了我國新能源汽車及其輕量化材料科技成果的發(fā)展態(tài)勢。2000-2008年，新能源汽車的科技成果產(chǎn)出從7項增長到133項，增長19倍；同時輕量化材料產(chǎn)出也增加了近十倍。從2005-2008年，新能源汽車及輕量化材料的科技成果登記數(shù)量都呈現(xiàn)出快速擴大趨勢，這表明“十一五”早中期，我國在新能源汽車及輕量化材料上的投入與產(chǎn)出較多。中國科學院在2005年后的輕量化材料科技成果產(chǎn)業(yè)也出現(xiàn)明顯擴大趨勢，從2000年以來的走勢與全國總量走勢大體一致，2008年也出現(xiàn)產(chǎn)出高峰。

３.２ 我國輕量化材料科技成果登記年度分析

圖３給出了碳纖維、車用樹脂和碳納米管3種主要輕量化材料科技成果年度分布?？梢钥闯?，2001年開始碳纖維科技成果數(shù)量就出現(xiàn)快速增長的勢頭。2006年后，科技成果產(chǎn)出一直維持在百件以上。碳納米管的科技成果數(shù)量在2007年出現(xiàn)飛躍，從2006年的32件增長到81件，并于2008年達到118件的峰值。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，2005-2006年，美國、日本和歐洲等發(fā)達國家對新能源汽車中碳納米管的應用研究投入加大，我國研發(fā)力量也緊隨其后，再加上2006年是“十一五”開篇之年，因此碳納米管科技成果出現(xiàn)大量增長。車用樹脂基復合材料的科技成果相對較少，這說明我國在車用樹脂材料的研究上相對薄弱，前十年尚未大量部署這方面研究，“十二五”期間將會迎來產(chǎn)出高潮。

３.３ 我國新能源汽車省市科技成果領(lǐng)域分析

通過對我國主要省市在新能源汽車的科技成果產(chǎn)出分析，有助于了解我國主要省市在該領(lǐng)域的科技地位及研發(fā)圖２ 我國新能源汽車及輕量化材料科技成果產(chǎn)出趨勢

圖３ 我國新能源汽車輕量化材料科技成果產(chǎn)出年度分布

的力度，挖掘不同地區(qū)間研發(fā)力量差異，有助于將資源有效配置到合理地域并利用已有基礎(chǔ)進行繼續(xù)開發(fā)，如在圖４中可見新能源汽車研究上地域分布地域極其不均，在我國三大直轄市北京、上海和天津，以及東部沿海的浙江省、江蘇省其科技成果明顯高于全國其余省市、自治區(qū)。

圖４還對碳纖維、碳納米管、車用樹脂材料已有成果登記的地區(qū)進行結(jié)果統(tǒng)計，重點對我國北京市、上海市、江蘇省等9個省市進行了輕量化材料技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成計量分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各主要省市中碳纖維研發(fā)成果占據(jù)主體地位，這也與近幾年信息技術(shù)研究熱點基本吻合。碳納米管的科技成果產(chǎn)出來自北京市、上海市和浙江省的較多，車用樹脂的科技成果在黑龍江占有較高比例。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些省市都成立了相應的產(chǎn)業(yè)基地幫助進行成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，可以看出其未來發(fā)展以至產(chǎn)業(yè)化已有較為雄厚的成果基礎(chǔ)。圖４ 我國主要省市科技成果領(lǐng)域分布

３.４ 中科院輕量化材料科技成果年度分析

圖５給出了中科院新能源汽車輕量化材科技成果登記的年度變化趨勢?？梢钥闯?，在2007年、2008年的科技成果登記量增長較其他年度顯著，這顯示出中科院在新能源汽車輕量化材料技術(shù)上研發(fā)投入主要分布在近三年而且呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢，通過年度對比可以看出，碳納米管和碳纖維在近年發(fā)展迅猛，而車用樹脂則科技成果產(chǎn)出較少，處于研發(fā)起步階段。圖５ 中科院新能源汽車輕量化材料科技成果產(chǎn)出年度分布

３.５ 新能源汽車輕量化材料科技成果分析

３.５.１ 碳纖維科技成果信息分析

碳纖維是指含碳量高于90％的無機高分子纖維。它是由有機母體纖維(聚丙烯睛、粘膠絲或瀝青等)采用高溫分解法在1 000～3 000℃高溫的惰性氣體下碳化制成的，是一種力學性能優(yōu)異的新材料，比重不到鋼的1／4，能像銅那樣導電，比不銹鋼還耐腐蝕，而其復合材料抗拉強度一般都在3 500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000Mpa也高于鋼。碳纖維按其原料可分為三類：聚丙烯腈基(PAN)碳纖維、石油瀝青基碳纖維和人造絲碳纖維三類［６］。表１ 碳纖維科技成果完成單位及產(chǎn)出數(shù)量分布

序號全國科技成果登記機構(gòu)數(shù)量1中國科學院772哈爾濱工程大學233東華大學204山東大學16序號中科院院屬登記機構(gòu)數(shù)量1金屬研究所222山西煤炭化學所143化學研究所84長春應用化學所5

表１為碳纖維領(lǐng)域中主要成果完成機構(gòu)的科技成果登記總量（科技成果登記總量大于15的部分）。從科技成果登記總量來看，中國科學院是碳纖維技術(shù)領(lǐng)域主要科技成果的完成機構(gòu)，同時在近三年的科技成果登記量均占到該研發(fā)機構(gòu)在該技術(shù)領(lǐng)域的科技成果登記總量的46%以上，是碳纖維技術(shù)領(lǐng)域中科技成果創(chuàng)造的活躍者；其他多數(shù)登記機構(gòu)的技術(shù)活躍度也達到30%以上，表明該技術(shù)領(lǐng)域具有較強的技術(shù)吸引力。在碳纖維技術(shù)的應用技術(shù)成果方面，中國科學院最多達到77項，其次是哈爾濱工程大學與東華大學為20項以上，其余機構(gòu)在20項以下。這表明中國科學院非常注重對碳纖維技術(shù)應用研究，僅金屬所成果產(chǎn)出就超過20項。

３.５.２ 車用樹脂科技成果分析

樹脂基復合材料是指以熱固性樹脂如PP聚丙烯樹脂、ABS樹脂、酚醛樹脂、乙烯基酯樹脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維等為增強材料，以填充劑、增韌劑抗氧劑等為輔助材料制成的復合材料［８］。表２ 車用樹脂科技成果完成單位及產(chǎn)出數(shù)量分布

序號全國科技成果登記機構(gòu)數(shù)量1大慶華科公司182中國科學院143四會互感器廠64清華大學3序號中科院院屬登記機構(gòu)數(shù)量1化學研究所52廣州化學有限公司33長春應用化學研究所2

表２為車用樹脂領(lǐng)域中主要成果完成機構(gòu)的科技成果登記總量（科技成果登記總量大于2的部分）。從科技成果登記總量來看，大慶華科公司是車用樹脂技術(shù)領(lǐng)域主要科技成果的完成機構(gòu)。在車用樹脂技術(shù)的應用技術(shù)成果方面，大慶華科公司最多達到了18項，其次是中科院，為14項。在中國科學院院屬機構(gòu)中，化學研究所、廣州化學研究所在車用樹脂材料上取得了較多科技成果。

３.５.３ 碳納米管科技成果分析

碳納米管的結(jié)構(gòu)可以看成是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體。石墨烯的片層一般可以從一層到上百層，含有一層石墨烯片層的稱為單壁納米碳管，長度一般在微米量級，最長者可達數(shù)毫米［９－１０］，它一般具有驚人的強度和導熱、導電能力［１１］，可利用在新能源汽車上。

表３為碳納米管領(lǐng)域中主要成果完成機構(gòu)的科技成果登記總量（科技成果登記總量大于10的部分）。從科技成果登記總量來看，中科院是碳納米管技術(shù)領(lǐng)域主要科技成果的完成機構(gòu)。在碳納米管技術(shù)的應用技術(shù)成果方面，中科院最多達到96項，其次是清華大學，為34項。中國科學院是碳納米管技術(shù)領(lǐng)域主要科技成果的完成機構(gòu)，占比達到了23%，是碳纖維技術(shù)領(lǐng)域中科技成果創(chuàng)造的活躍者。在中國科學院院屬機構(gòu)中，金屬研究所、上海硅酸鹽研究所以及物理研究所在碳納米管材料上取得了較多科技成果達到了25和13項，是中科院主要產(chǎn)出機構(gòu)。表３ 碳納米管技術(shù)成果完成單位及產(chǎn)出數(shù)量分布

序號全國科技成果登記機構(gòu)數(shù)量1中國科學院962清華大學343浙江大學194北京大學14序號中科院院屬登記機構(gòu)數(shù)量1金屬研究所252上海硅酸鹽研究所132物理研究所133成都有機化學公司10４ 結(jié)束語

本文通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計量發(fā)現(xiàn)我國新能源汽車及輕量化材料的科技成果的基本態(tài)勢為：第一，我國新能源汽車及其輕量化材料科技成果以應用技術(shù)為主，比例超過九成；科學理論和軟科學方面的成果較少，二者的占比不到一成；說明我國新能源汽車及其輕量化材料領(lǐng)域中，實踐應用為該領(lǐng)域發(fā)展的最主要推動力。但展望未來發(fā)展態(tài)勢，應用技術(shù)的廣泛拓展也需要更多理論研究作為基礎(chǔ)和鋪墊，因此理論方面的研究成果也亟待取得長足的發(fā)展。第二，近三年是新能源汽車科技成果的主要產(chǎn)出年份，說明我國早在“十一五”末期就開始著手發(fā)展新能源汽車，隨著新能源汽車的發(fā)展輕量化材料也得到相應的發(fā)展。第三，我國與中科院在新能源汽車和輕量化材料上的發(fā)展趨勢基本一致，中科院在該領(lǐng)域充分發(fā)揮了其科研“國家隊”的重要作用；第四，通過地區(qū)分析可以看出，在碳纖維方面各個省市都保持了相當大的研發(fā)比例，說明碳纖維是目前的研究熱點，碳納米管的科技成果產(chǎn)出來自北京市、上海市和浙江省的較多，而車用樹脂的科技成果則在黑龍江占有較高比例。第五、中國科學院、清華大學、浙江大學、哈工大等是主要產(chǎn)出機構(gòu)，中科院在碳纖維和碳納米管研發(fā)方面優(yōu)勢明顯，但在車用樹脂方面中科院與大慶公司差別不是很明顯。通過分析可以看出，各機構(gòu)在車用樹脂方面研發(fā)較為薄弱，在我國“十二五”期間普遍有待加強，以最終達到《決定》中的既定目標。

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