從專利角度分析國內(nèi)外碳纖維之發(fā)展

鄭佳 黨蓓

碳纖維（Carbon fiber）是一種含碳量超過90%的高強度、高模量纖維狀高分子材料，一般是由母體纖維（聚丙烯腈或粘膠絲等）在1 000～3 000℃高溫的惰性氣體下經(jīng)過碳化和石墨化等工藝制得。在制備過程中，除碳以外的其他元素幾乎完全被除掉，只留下片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌。因此，碳纖維既具有碳材料的強抗拉力，又具有纖維材料的柔軟可加工性。“輕而硬”、“輕而強”的特點使其在航空航天、汽車、能源與儲能以及文體用品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，2009年碳纖維復(fù)合材料的全球需求價值約為108億美元，預(yù)計到2015年該數(shù)值將增至186億美元。如此巨大的市場前景以及在軍工領(lǐng)域的關(guān)鍵作用，使碳纖維早已成為全球炙手可熱、具有政治敏感性的關(guān)鍵新材料。

從1959年美國聯(lián)合碳化物公司（Union Carbide Corporation）以粘膠絲為原料制備碳纖維，到1961年日本大阪工業(yè)技術(shù)實驗所和日本東麗公司（Toray）相繼開發(fā)和改進聚丙烯腈基碳纖維，再到1965年以后日本群馬大學(xué)和美國聯(lián)合碳化物公司分別成功開發(fā)瀝青基碳纖維，幾十年來，全球碳纖維領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)一直被日本和美國的公司所壟斷。其中，日本東麗公司、日本東邦特奈克絲公司（Toho Rayon）和日本三菱人造絲公司（Mitsubishi Rayon）表現(xiàn)最為突出，這3家公司碳纖維的產(chǎn)能之和約占全球總產(chǎn)能的78%。作為目前全球最大、最領(lǐng)先的碳纖維生產(chǎn)商，東麗公司不僅在碳纖維原絲領(lǐng)域具有很強的壟斷地位，更是在航空航天領(lǐng)域居于絕對領(lǐng)導(dǎo)地位，是波音公司長期的最穩(wěn)定也是最主要的供貨商。除此之外，美國的赫克賽爾公司（Hexcel）、美國阿莫科公司（Amoco）、美國阿克蘇公司（AKZO）、美國卓爾泰克公司（Zoltek）、美國阿爾迪拉公司（Aldili）、德國西格里公司（SGL）、中國臺灣的臺塑公司以及新近發(fā)展起來的韓國Hyosung公司、印度Kemrock公司、土耳其AKSA公司和沙特阿拉伯的Sabic公司等也是碳纖維領(lǐng)域的有力競爭者。縱觀全球，碳纖維領(lǐng)域競爭可說是異常激烈。

我國在碳纖維方面的研究工作可以追溯到20世紀60年代，與世界幾乎同步。然而經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國碳纖維在生產(chǎn)和使用方面可以說仍處于起步階段，與國外先進水平存在巨大差距，大致相當于國外20世紀80年代的水平。國內(nèi)碳纖維的產(chǎn)量不到全球碳纖維總產(chǎn)量的1%，而國內(nèi)碳纖維的用量90%以上依賴進口。受到國產(chǎn)原絲質(zhì)量低等因素的制約，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)品主要以小絲束低檔產(chǎn)品為主，產(chǎn)品強度低、均勻性和穩(wěn)定性較差。國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)也普遍存在規(guī)模小、主要以加工原絲為主、缺乏核心競爭力等短期內(nèi)難以改變的問題。另外，碳纖維被視為重要的戰(zhàn)略物資，2005年后國外對華實施嚴格的禁運，此舉更是嚴重制約了我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了改變落后局面，滿足國內(nèi)軍工和民用產(chǎn)品對高性能碳纖維的需求，我國政府在《國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中對包括碳纖維在內(nèi)的高性能纖維產(chǎn)品進行了立項和重點部署，提出要積極研制高性能、高質(zhì)量的碳纖維產(chǎn)品。眾多碳纖維研究項目或千噸級產(chǎn)業(yè)化項目紛紛啟動。2010年，由國家碳纖維工程技術(shù)研究中心、碳纖維制備及工程化國家工程實驗室和碳纖維制備技術(shù)國家工程實驗室提議的“碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”（簡稱“碳纖維聯(lián)盟”）在北京正式成立。吉林省和山西省還相繼建立了吉林國家碳纖維高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地和山西太鋼高端碳纖維基地。這些都標志著隨著政府對碳纖維在國民經(jīng)濟中的重要性的認知度越來越高，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈條下的科技研發(fā)即將呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭。

然而必須清醒地認識到，我國在制備高性能碳纖維以及發(fā)展相關(guān)下游產(chǎn)品方面還有很長很艱難的路要走。經(jīng)過多年的發(fā)展，當我國企業(yè)終于實現(xiàn)T300級碳纖維及其原絲的國產(chǎn)化時，面對的卻是以日本公司為首的國外碳纖維企業(yè)的惡意降價傾銷，降價比例高達50%，此舉無疑給我國企業(yè)帶來了沉重打擊。此外，以日本東麗公司為代表的國外領(lǐng)先企業(yè)根據(jù)市場發(fā)展的需求，已決定逐步淘汰T300級碳纖維，轉(zhuǎn)而發(fā)展抗拉伸強度達到4 000～5 000MPa、價格卻與T300級碳纖維基本相當?shù)男缕贩N。鑒于大絲束碳纖維性價比較高，國外企業(yè)也開始發(fā)展大絲束碳纖維，如T600s、T700s、T700G等，這些對整體實力還相對較弱的我國碳纖維企業(yè)來說也是嚴峻的挑戰(zhàn)。國外領(lǐng)先企業(yè)對技術(shù)和設(shè)備嚴格保密，通過以市場為導(dǎo)向的知識產(chǎn)權(quán)保護策略、“內(nèi)外交錯”的專利申請布局不斷強化其在全球的壟斷地位。我國碳纖維企業(yè)不僅要在技術(shù)上竭力追趕，還要注意在技術(shù)布局與產(chǎn)品研發(fā)之前規(guī)避潛在的知識產(chǎn)權(quán)糾紛和隨之而來的巨大損失。

因此，本文跟據(jù)湯森路透公司（Thomson Reuters）開發(fā)的專利數(shù)據(jù)庫（Derwent Innovations Index，DII）所收錄公開的碳纖維專利數(shù)據(jù)，借助TDA專利分析軟件（Thomson data analyzer）、excel等工具，對國內(nèi)外碳纖維相關(guān)專利進行分析，從專利的角度揭示國內(nèi)外在碳纖維發(fā)展方面的區(qū)別或差距，以期為我國政府、科研院所和企業(yè)制定碳纖維發(fā)展計劃、選擇技術(shù)發(fā)展路線和進行專利布局等提供重要依據(jù)。

一、碳纖維技術(shù)專利全球態(tài)勢分析

1.全球?qū)＠麛?shù)量逐年變化情況

圖1顯示了全球碳纖維技術(shù)專利數(shù)量逐年變化情況。從1966年第一件碳纖維專利出現(xiàn)到2014年7月11日，DII專利數(shù)據(jù)庫中共檢索到已公開的碳纖維專利30 897件。由于專利公開日期和專利數(shù)據(jù)加工進入數(shù)據(jù)庫日期與專利申請日期相比一般存在十幾個月的滯后，因此2013年和2014年的專利實際數(shù)量應(yīng)大于圖中所顯示的數(shù)量，在這里僅供參考，不予討論。

1991年之前，全球碳纖維專利數(shù)量較少，每年保持在在幾件到十幾件的水平。隨著碳纖維技術(shù)研發(fā)的不斷深入，以及全球?qū)ζ涫袌鰸摿φJ知度的不斷提升和知識產(chǎn)權(quán)保護意識的不斷加強，從20世紀90年代開始，碳纖維專利數(shù)量進入快速增長階段。盡管個別年份（如2002年和2003年）碳纖維專利數(shù)量出現(xiàn)小幅下降，但整體仍呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。到2012年，申請量達到歷史最高的4 559件。從專利數(shù)量的直觀表現(xiàn)不難看出，全球碳纖維技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)開拓一直保持很高的熱情，相關(guān)企業(yè)和科研院所沒有因為一時的技術(shù)瓶頸或一時的經(jīng)濟困境而大規(guī)模退出該領(lǐng)域的競爭。由此可以推斷從全球范圍來看，未來相當長一段時間內(nèi)碳纖維技術(shù)仍然會是受到熱烈關(guān)注且競爭激烈的焦點所在。

2.全球?qū)＠麌遥ǖ貐^(qū)）分布情況

碳纖維技術(shù)領(lǐng)域的專利申請遍及全球40多個國家、地區(qū)和國際組織，專利數(shù)量排名前9的優(yōu)先權(quán)國家如圖2所示。一般情況下專利申請人會優(yōu)先選擇在本國進行申請，然后再向其他國家遞交專利申請，因此專利優(yōu)先權(quán)可以粗略反映其所在國家技術(shù)創(chuàng)新與市場開發(fā)的綜合水平。碳纖維技術(shù)研發(fā)比較活躍的國家主要有中國、日本、美國、韓國和德國。這5個國家的專利數(shù)量占到了全球?qū)＠偭康?4%。

值得注意的是，優(yōu)先權(quán)國家為中國的專利數(shù)量為12 173件，超過日本排名全球第1。作為全球碳纖維技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，日本掌握著碳纖維領(lǐng)域眾多核心技術(shù)與設(shè)備，并擁有東麗、東邦、三菱等業(yè)內(nèi)一流企業(yè)，其專利數(shù)量多不難理解。而優(yōu)先權(quán)國家為中國的專利數(shù)量遠遠超過日本，可能的原因有：一是其他國家十分看重中國碳纖維市場，為了獲取巨大的商業(yè)利益而在中國大量申請專利積極進行布局；二是中國企業(yè)在本土申請了大量專利，但考慮到中國碳纖維技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)狀，如此巨大的專利數(shù)量背后可能是良莠不齊的專利質(zhì)量。

為了進一步研究中國專利數(shù)量如此之多的原因，筆者統(tǒng)計了優(yōu)先權(quán)國家為中國的排名前20的專利權(quán)人，結(jié)果如表1所示。排名前20的專利權(quán)人全部來自中國國內(nèi)，其中12個為中國本土企業(yè)和科研院所，8個為個人。其專利數(shù)量占據(jù)了中國專利總量的15%以上。由此可見，在中國申請的碳纖維專利絕大多數(shù)來自本土研發(fā)力量。隨著中國社會對碳纖維重視程度不斷提升，各相關(guān)機構(gòu)投入了大量的人力物力，研發(fā)熱情高漲專利申請呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。同時也可以看到，由于與國外領(lǐng)先企業(yè)存在巨大技術(shù)差距，國外領(lǐng)先企業(yè)在中國進行專利布局的熱情并不高。

二、碳纖維技術(shù)專利中日美對比分析

1.中日美專利數(shù)量與研發(fā)活躍度

圖3對比了中美日3國碳纖維技術(shù)專利數(shù)量逐年變化情況。前文中已經(jīng)提到1991年之前全球碳纖維專利數(shù)量較少，因此三者的差別主要體現(xiàn)在20世紀90年代以后。1996年開始，日本碳纖維專利數(shù)量率先進入快速增長階段，并且很快就達到年均500件的較高水平，遙遙領(lǐng)先于當時的中國和美國。日本在碳纖維領(lǐng)域每年500件左右的專利數(shù)量一直保持到現(xiàn)在。由此可見，日本不僅在該領(lǐng)域起步最早，發(fā)展最也為持久，直到現(xiàn)在都保持著很高的研發(fā)熱情和成果產(chǎn)出。美國碳纖維專利數(shù)量在1995年以后也呈現(xiàn)明顯上升趨勢，但較之日本的飛速發(fā)展，美國的發(fā)展顯得更為循序漸進。到2012年，美國年公開專利數(shù)量也達到500件左右，和日本水平相當。由此不難看出，美國在碳纖維領(lǐng)域也一直保持著較高的研發(fā)熱情，且研發(fā)水平和成果產(chǎn)出仍處在一個不斷提升的過程中。相比于日本和美國，中國起步較晚，但發(fā)展速度十分驚人。2005年和2006年，中國每年的碳纖維專利數(shù)量先后超過日本和美國，2012年當年的專利數(shù)量就超過2 500件。由此可見，在全社會的高度重視下，中國碳纖維技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)熱情空前高漲。不過正如前文所提，在提高專利數(shù)量的同時，一定要切實提高專利的質(zhì)量，這對促進中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

2.中日美技術(shù)布局與發(fā)展趨勢

由各國在主要技術(shù)分支領(lǐng)域的專利申請情況（表2）可知，日本幾乎在各技術(shù)分支領(lǐng)域都具備很強的研發(fā)實力。其中碳纖維生產(chǎn)設(shè)備方面（D01F）的專利數(shù)量最多，為1 425件，其次是高分子方面（C08L），1 103件。不過日本在電熱方面（H05B）的專利數(shù)量明顯少于其他技術(shù)分支領(lǐng)域，說明日本在這方面重視程度不高。與日本不同，美國的研發(fā)側(cè)重點十分突出，在薄層產(chǎn)品（B32B）和成型及后處理方面（B29C）的專利數(shù)量明顯高于其他技術(shù)分支領(lǐng)域。中國與日本相似，在各技術(shù)分支領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量都比較多，在各方面比較均衡。其中在薄層產(chǎn)品方面（B32B）的專利數(shù)量最多。值得注意的是，在中國，電熱方面（H05B）的專利數(shù)量較多，排名第二，而日本和美國對這個方向的關(guān)注度都不高。表3-5揭示了中、日、美3國在主要技術(shù)分支領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。2000年之后，中國在各技術(shù)分支領(lǐng)域的專利數(shù)量一直呈增長趨勢，在薄層產(chǎn)品（B32B）、電熱（H05B）、高分子（C08L）等方面增長更為迅速。而1996年之后，日本在各技術(shù)分支領(lǐng)域的專利數(shù)量已達到一個較高的水平，之后沒有明顯的增長趨勢，但一直保持在這一較高的水平。而美國在大多數(shù)技術(shù)分支領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量不高，且沒有明顯增長。唯獨在在薄層產(chǎn)品（B32B）和成型及后處理方面（B29C）的專利數(shù)量較高，且近幾年仍不斷發(fā)展。

三、碳纖維技術(shù)主要競爭機構(gòu)分析

1.專利數(shù)量排名

如表6所示，在碳纖維技術(shù)領(lǐng)域，日本企業(yè)表現(xiàn)強勁。排名前18的機構(gòu)中，日本企業(yè)就占據(jù)了半壁江山。其中排名前3位全是日本企業(yè)，分別是東麗公司、三菱公司和東邦公司，三者的專利數(shù)量遠多于其他企業(yè)和高校。排名前18的機構(gòu)中，還有2家美國企業(yè)、2家韓國企業(yè)、1家德國企業(yè)。值得一提的是1家中國企業(yè)和2家中國高校也進入了該項排名，說明中國相關(guān)機構(gòu)在碳纖維技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開始占據(jù)一席之地。

2.技術(shù)布局

表7顯示了全球排名前3的機構(gòu)與中國排名前3的機構(gòu)的專利布局情況?？梢钥闯?，全球排名前3的機構(gòu)（東麗、三菱和東邦）專利布局十分相似，研究重點集中在碳纖維生產(chǎn)設(shè)備（D01F）和碳纖維產(chǎn)品處理（D06M）方面，在其它領(lǐng)域也有所涉獵。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東華大學(xué)在各技術(shù)領(lǐng)域都有所研究，專利數(shù)量分布比較均衡，但都不是很多。河南科信電纜有限公司研究集中在電纜方面（H01B），在其他方面幾乎沒有專利申請。

3.全球?qū)＠季?/p>

全球排名前3的機構(gòu)與中國排名前3的機構(gòu)除了在技術(shù)布局上有所差別之外，在全球?qū)＠季稚细怯泻艽蟮牟煌绫?所示。東麗公司、三菱公司和東邦公司在全球許多國家都進行了專利布局。比如東麗公司在日本本土、中國、韓國、加拿大、美國、俄羅斯以及中國臺灣地區(qū)都申請了專利。三菱公司和東邦公司也在多個國家積極進行專利布局。表明這些國外領(lǐng)先企業(yè)十分重視海外市場，對產(chǎn)品在海外的銷售非常樂觀也極為看重。相反，中國機構(gòu)的所有專利均是在本土申請。中國機構(gòu)沒有在全球進行專利布局的原因一方面可能是知識產(chǎn)權(quán)保護意識不強，但另一方面也很有可能是產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平不高，對海外市場預(yù)期并不樂觀。這也說明中國碳纖維相關(guān)研究機構(gòu)與國外領(lǐng)先企業(yè)在技術(shù)開發(fā)水平和知識產(chǎn)權(quán)保護程度上仍存在較大差距。

四、結(jié)語

從對國內(nèi)外碳纖維技術(shù)的專利分析可以看出，從20世紀90年代開始，全球碳纖維專利數(shù)量進入快速增長階段，并且未來相當長一段時間內(nèi)全球碳纖維技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)開拓將繼續(xù)保持很高的熱情。碳纖維技術(shù)研發(fā)比較活躍的國家主要有中國、日本、美國、韓國和德國。日本、美國等長期掌握著碳纖維領(lǐng)域的核心技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備，專利數(shù)量多不難理解。而中國由于近些年全社會對碳纖維重視程度不斷提升，專利申請呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，2006年以后已超過日本和美國，專利數(shù)量排名全球第1。然而由于與國外領(lǐng)先企業(yè)存在巨大技術(shù)差距，國外領(lǐng)先企業(yè)在中國進行專利布局的熱情并不高。因此中國飛速發(fā)展的專利數(shù)量絕大多數(shù)來自本土研發(fā)機構(gòu)。與國外領(lǐng)先企業(yè)積極在全球進行專利布局截然不同，中國本土機構(gòu)幾乎只在中國國內(nèi)申請專利。也就是說無論是技術(shù)開發(fā)水平還是知識產(chǎn)權(quán)保護程度，中國本土機構(gòu)與國外領(lǐng)先機構(gòu)之間仍存在較大差距。中國與日美等國在技術(shù)布局上也有明顯區(qū)別。日本幾乎在各技術(shù)分支領(lǐng)域都具備很強的研發(fā)實力，特別是碳纖維生產(chǎn)設(shè)備方面。美國研發(fā)則明顯集中于薄層產(chǎn)品和產(chǎn)品成型及后處理方面。在中國專利數(shù)量很多的電熱方面，日本和美國的關(guān)注度都不高。國外領(lǐng)先企業(yè)研究重點集中在碳纖維生產(chǎn)設(shè)備和碳纖維產(chǎn)品處理方面，而中國機構(gòu)的研究重點要么集中在單一產(chǎn)品的應(yīng)用方面比如電纜，要么在各方面都有所研究但實力都不突出。

針對當前國內(nèi)外碳纖維發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢，切實提高核心技術(shù)的競爭力是重中之重。當前我國各界對碳纖維的重視程度和扶持力度已經(jīng)很高，且也取得了相當突出的成效，比如T300級碳纖維的國產(chǎn)化，再比如專利數(shù)量的飛速增長。國外領(lǐng)先企業(yè)在中國布局還不是很積極，雖然意味著我國的技術(shù)可能比較落后，但也不失為一個很好的機遇。從我國軍工和民用的實際需求出發(fā)，大力推進科研院所的基礎(chǔ)科研，力爭在核心技術(shù)與設(shè)備上取得關(guān)鍵性的突破。同時積極推動企業(yè)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，打造完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，加強在我國以及全球的專利布局等等，這些都是推動我國碳纖維產(chǎn)業(yè)健康順利發(fā)展的關(guān)鍵所在。