碳纖維技術在不同應用領域中的發(fā)展狀況研究①

鄭 佳 袁學敏

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碳纖維技術在不同應用領域中的發(fā)展狀況研究①

鄭 佳②袁學敏③

(中國科學技術信息研究所 北京 100038)(**甘肅省科學技術情報研究所 蘭州 730000)

通過對德溫特專利數據庫收錄的1963～2015年全球范圍內申請的碳纖維技術相關專利的分析，從應用的角度研究了碳纖維技術在航空航天、交通、電纜、風力發(fā)電以及文體用品等領域的發(fā)展狀況和趨勢。研究表明，我國在文體用品、風力發(fā)電領域專利數量巨大，但在航空航天、交通領域的技術實力還比較弱，與國際領先水平差距較大。因技術實力落后，國外企業(yè)在中國專利布局也很少。可見，我國打造碳纖維產業(yè)還有很長的路要走。

碳纖維， 專利， 航空航天， 交通， 電纜， 風力發(fā)電， 文體用品

0 引 言

碳纖維是一種含碳量超過90%的高強度、高模量的纖維狀高分子材料。碳纖維在制備過程中，碳以外的其它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，因而它具有碳材料的強抗拉性，又具有纖維材料的柔軟可加工性。碳纖維的優(yōu)良性能使其在多個領域得到了應用，本文運用專利分析方法，研究了碳纖維技術在不同工業(yè)領域中的發(fā)展狀況和趨勢。

1 碳纖維技術的應用領域

碳纖維“輕而硬”、“輕而強”的特點使其在航空航天、汽車、電纜、風力發(fā)電以及文體用品等領域具有廣泛的應用前景。航天飛行器的質量每減少1kg，就可使運載火箭減輕500kg。碳纖維增強樹脂基復合材料已成為航天飛機的重要材料。2007年面世的超大型飛機A380，其復合材料的密度已達23%。用碳纖維復合材料制造汽車可使汽車輕量化，可降低行駛單位公里的燃油。2014年德國西格里公司與寶馬集團組建了合資企業(yè)，西格里公司專門生產汽車用碳纖維用于新的寶馬車型，使其輕量化。碳纖維復合芯電纜關鍵是芯棒的制造，一般碳纖維占35%，玻璃纖維占35%，增韌環(huán)氧樹脂占30%。碳纖維復合芯電纜比鋼芯鋁絞線貴，但隨著碳纖維價格的不斷降低和生產碳纖維復合芯電纜技術的日趨完善，碳纖維復合芯電纜碳纖維復合芯電纜將逐步占領市場。寧夏、福建的局部地區(qū)應用碳纖維電纜輸電，不但輸電能耗降低3%左右，而且減少了輸電鐵塔50%，從而節(jié)省了大量土地。風電葉片對碳纖維的需求非常大。制造3兆瓦以上的大功率風電機組，葉片長度需要在40m以上，需要輕而強、剛而硬的碳纖維復合材料制造。當風電葉片的長度達到40～50m，也需要采用碳纖維材料大梁。碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的比強度、比模量相當好，是制造文體休閑器材的主要材料。世界碳纖維總量的1/3用來制造文體休閑器材。俄羅斯著名撐竿運動員伊辛巴耶娃所用的撐竿是碳纖維復合材料制造的。

碳纖維復合材料是具有巨大市場需求的關鍵新材料，其應用范圍會不斷擴大。美國能源部開展的“輕量化材料項目”和“電動汽車項目”等與碳纖維密切相關。歐盟高性能復合材料技術研究項目旨在將先進材料應用于大型交通工具的輕型結構復合構件中，該項目2011年研發(fā)重點是碳纖維復合材料的批量生產以滿足大規(guī)模生產汽車的應用。日本實施的“汽車輕量化碳纖維強化復合材料開發(fā)”項目，包括汽車用碳纖維增強復合材料聯結技術的開發(fā)。我國根據《“十三五”碳纖維發(fā)展前景及技術創(chuàng)新重點》，將在民用航空、新能源汽車、風力葉片、高壓輸電線等相關制造領域迅速占領碳纖維市場。

2 研究目的與方法

從應用的角度，對碳纖維技術進行解析，無疑對碳纖維領域技術發(fā)展具有非常重要的指導作用。因此，本文將從應用的角度，運用專利分析方法對碳纖維在航空航天、汽車、電纜、風力發(fā)電以及文體用品等領域的發(fā)展趨勢進行深入研究。

專利信息體現了人類科學技術的研發(fā)成果，反映了最新的科技發(fā)明、創(chuàng)造和設計。通過對專利文獻中所包含的科技、經濟、法律信息進行加工剖析，并借助各種便于分析解讀的可視化圖表形式，可以全面揭示專利數據蘊涵的豐富多樣和錯綜復雜的信息。從1959年聚丙烯腈基碳纖維被發(fā)明以來，研究機構從專利的多個角度對石墨烯技術發(fā)展態(tài)勢進行了詳實研究。高霞等從發(fā)展趨勢、技術領域、專利權人等角度對吉林省碳纖維產業(yè)現狀、技術水平等進行了分析和評價[1]。李彩霞等從技術生命周期、地域分布情況、IPC技術領域情況、申請機構類型情況等對碳纖維技術領域專利情況進行了分析，找到技術壁壘并提出相應的對策建議[2]。李軍等結合國外碳纖維技術的專利授權量、國別分布、主IPC分布、專利權人及研究重點等狀況，對比了國內外碳纖維發(fā)展情況，以期為我國碳纖維技術發(fā)展提供有用的情報[3]。鄭佳從專利數量、研發(fā)活躍度、技術布局以及東麗公司、三菱公司、東邦公司等主要機構的角度，對比了中美日三國碳纖維技術發(fā)展情況，以為我國制定碳纖維發(fā)展戰(zhàn)略、選擇技術發(fā)展路線提供參考依據[4]。

從以前的相關研究中可以看出，國內外學者將專利文獻數據作為研究碳纖維技術發(fā)展的重要依據，采用的專利分析的方法也是多種多樣。本研究仍采用專利數據分析方法，但在細節(jié)上、特點上有所不同。

3 數據來源

3.1 碳纖維專利數據檢索

本文以Derwent Innovation Index數據庫為數據來源，用主題:(“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83)的檢索式在Derwent Innovations Index的主題字段中檢索，年份選擇1963年至2015年。檢索時間是2015年7月2日，檢索到專利數據52912條，共34964個專利族，包含題錄、PDF全文、法律狀態(tài)等專利信息深加工的數據。

3.2 碳纖維不同應用領域分類檢索

本文從應用的角度，對碳纖維在交通、航空航天、電纜、風力發(fā)電以及文體用品等領域進行分類檢索，檢索式如下：

(1)航空航天，檢索到3813件專利。

(主題: (“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83))AND 主題: (aviation or aircraft or airplane or plain or airfoil or aerofoil or rocket or warhead or bullet or bomber or “bomb carrier” or missile or cruise ship or GPS or aeroengine or telescope or “space station” )

(2)文體用品，檢索到3652件專利。

(主題: (“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83))AND 標題: (rod or pulley or racquet or racket or stick or pole or handle or bat or ski* or bike or bicycle or yacht or rowing or racing or “ice hockey” or puck)

(3)交通，檢索到5031件專利。

(主題: (“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83))AND 標題: (car or auto*or ship or boat or train or motorcycle or autocycle or autobike or vehicle or rudder or hovercraft or propeller or warship or mast or brake or seat or shaft or wheel silencer or helmet)

(4)電纜，檢索到1015件專利。

(主題: (“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83)) AND 標題: (cable)

(5)風電，檢索到2911件專利。

主題: (“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83)AND 標題: (“wind power”or wind turbine or blade or vane or flywheel or grommet or engine or motor)

主題: (“carbon fiber”) OR 主題: (“carbon fibers”) OR 主題: (“carbon fibre”) OR 主題: (“carbon fibres”) OR IPC 代碼: (C04B-035/83)AND IPC代碼: (F03D )

4 結果與討論

4.1 碳纖維專利數量發(fā)展趨勢

碳纖維起源可追溯到19世紀60年代，由英國人瑟夫·斯旺在制作電燈燈絲中發(fā)明并獲得專利。它是一種纖維狀碳材料，呈黑色，質堅硬，是一種強度比鋼大，密度比鋁小，比不銹鋼還耐腐蝕，比耐熱鋼還耐高溫，又能像銅那樣導電的具有電學、熱學和力學等綜合優(yōu)異性能的新型材料，因其制造技術難度大、實用價值高，被業(yè)界譽為“黑色黃金”。1910年，庫里奇發(fā)明了用鎢絲取代碳絲作為燈絲，從此碳絲的研制工作停止下來。直到20世紀50年代，碳絲的研制又重新出現在材料科學的舞臺上，主要用于戰(zhàn)略武器的耐高溫和耐燒蝕材料。1959年從業(yè)于日本大阪工業(yè)技術實驗所的近藤昭男發(fā)明了聚丙烯腈碳纖維。1962年，日本東麗公司開始研制聚丙烯腈基碳纖維，隨著碳纖維的研發(fā)工作重新起步，碳纖維專利也陸續(xù)出現。到1973年，相關專利的數量一直處在極低的水平且增幅很小。從1974年開始碳纖維專利申請逐年增多。1991年突破了1000件/年。由于全球碳纖維領域的關鍵技術一直被日本和美國的公司所壟斷，在一定程度上影響了碳纖維領域專利數量的進一步增長，1992～1996年專利數量出現小幅度的下降。但隨著碳纖維在電纜、風力發(fā)電、交通用品、航空航天用品等領域的廣泛應用，越來越多的國家開始重視碳纖維領域的研究，1997碳纖維領域專利數量開始逐漸回升，并且增長速度從2007年開始大幅提高，于2014年超過6000件/年，創(chuàng)歷史新高(圖1)。

圖1 全球碳纖維專利數量逐年分布情況

4.2 不同應用領域碳纖維專利數量發(fā)展趨勢

圖2分析了1995年至2014年近20年碳纖維在不同應用領域的專利申請量逐年變化情況。航空航天是碳纖維最早發(fā)展起來的應用領域，也是專利數量增長較快的領域。目前，高檔碳纖維復合材料在小型商務飛機和直升飛機上的使用量提高了70%～80%，在軍用飛機上提高了30%～40%，在大型客機上提高了15%～50%。碳纖維增強樹脂基復合材料已成為航空航天裝備的重要材料。文體用品、交通用品以及風力發(fā)電方面，發(fā)展幾乎是同步的，專利數量也呈現不斷上升趨勢。電纜用碳纖維發(fā)展較晚，專利申請在2010年后迅速增長，2014年達221件。

圖2 碳纖維各應用領域專利數量逐年分布情況

4.3 各國/地區(qū)在碳纖維不同應用領域技術對比情況

由各國/地區(qū)在不同應用領域的專利申請情況可知(圖3)，專利主要集中在日本、美國、中國和德國等國。在日本，碳纖維在航空航天、風力發(fā)電技術等領域的專利量排名第一。以東麗公司為代表的日本企業(yè)在全球航空航天用碳纖維領域一直占據霸主地位。2014年東麗從美國波音獲得規(guī)模達到1萬億日元的飛機用碳纖維訂單。在今后10多年里，將向波音的現有機型和下一代大型客機“777X”的主機翼部分獨家供貨。東麗將投資1000億日元在美國建設世界最大規(guī)模的碳纖維工廠，以鞏固全球首位寶座。這將是東麗在飛機制造領域的最大規(guī)模訂單。在中國，碳纖維在電纜、文體用品、交通用品技術分支中的專利量排名第一。美國、德國在各技術分支中的專利分布比較均勻。英國、韓國、法國在各應用領域也有專利申請。其他國家/地區(qū)申請量較低，研發(fā)強度較弱。

圖3 各國/地區(qū)在碳纖維不同應用領域技術對比分析

4.4 企業(yè)在碳纖維不同應用領域競爭力分析

碳纖維復合材料可用于制造高速列車、地鐵車輛、電車的車身及相關部件。用碳纖維復合材料制造汽車，可使其輕量化，可降低行駛單位公里的燃油。如表1所示，碳纖維在交通領域的主要專利權人包括東麗公司、豐田公司和巴伐利亞發(fā)動機公司。東麗公司進行這方面的研究較早，從1973年開始進行這方面的研究，但專利主要集中在日本，在美國、歐盟和韓國有少量布局；主要合作單位是豐田公司。豐田公司開展相關研究工作也比較早，在中國、美國和德國進行了布局。巴伐利亞發(fā)動機公司進行這方面的研究較晚，但專利數量發(fā)展較快。

表1 交通領域主要專利權人

碳纖維增強樹脂基復合材料已成為生產武器裝備的重要材料。2007年面世的超大型飛機A380，復合材料的密度已達23%。如表2所示，航空航天領域的主要專利權人包括東麗公司、三菱公司和空客公司。東麗公司進行這方面的研究較早，從1970年開始進行這方面的研究，在美國、歐盟、韓國進行了專利布局。三菱公司開展相關研究工作也比較早，主要合作單位為日本昭和公司，在美國韓國和歐盟進行了專利布局。美國空客公司進行這方面的研究較晚，在1991年開始了該領域的研究。與交通領域明顯不同，各公司在航空航天領域對專利進行了積極的海外布局。

表2 航空航天領域主要專利權人

碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的比強度、比模量相當好，是制造文體休閑器材的主要材料。世界碳纖維總量的1/3作用用來制造文體休閑器材。如表3所示，文體用品領域的主要專利權人包括東麗公司、禧瑪諾公司和達億瓦公司。東麗公司進行這方面的研究較早，從1973年開始進行這方面的研究，但專利主要集中在日本。禧瑪諾公司開展這方面的研究較晚，但比較注重專利布局，在中國也進行了布局。

表3 文體用品領域主要專利權人

風電葉片對碳纖維的需求在2013年急劇下滑，主要原因是2013年國際新增裝機容量的下降。2014年，風電對碳纖維的需求持續(xù)走低，2014年底到2015年初，國際原油價格在低位徘徊，這也會對國際風電的新增裝機容量形成影響。2014年，風電葉片有明顯回暖趨勢。因此，在2013～2015低谷后，風電葉片對碳纖維的需求依然會攀升。如表4所示，風力發(fā)電技術分支的主要專利權人包括東麗公司、三菱公司和通用電氣公司。東麗公司進行這方面的研究較早，從1978年開始進行這方面的研究，但專利主要集中在日本，在中國、美國、歐盟進行了少量布局，主要合作單位為三菱、豐田。三菱公司開展相關研究工作也比較早，比較注重合作，主要合作單位為東麗、豐田、大阪天然氣、本田等公司，在中國、美國和德國進行了專利布局。通用電氣公司進行這方面的研究較晚，在1992年開始了該領域的研究。

表4 風力發(fā)電領域主要專利權人

碳纖維復合芯電纜關鍵是芯棒的制造，一般碳纖維占35%，玻璃纖維占35%，增韌環(huán)氧樹脂占30%。碳纖維復合芯電纜比鋼芯鋁絞線貴，但隨著碳纖維價格的不斷降低和生產技術的日趨完善，碳纖維復合芯電纜將逐步占領市場。如表5所示，電纜技術分支的主要專利權人包括河南科信電纜有限公司、江蘇藤倉亨通光電有限公司和日本古河電器株式會社。河南科信電纜有限公司從2010年開始進行這方面的研究，但專利主要集中在中國，主要合作單位為國家電網。日本古河電器株式會社進行這方面的研究較早，早在1987年就有相關研究，但從1992年開始已經退出了該領域。

表5 電纜領域主要專利權人

5 結 語

從1959年美國聯合碳化物公司(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和美國聯合碳化物公司分別成功開發(fā)瀝青基碳纖維，幾十年來，全球碳纖維領域一直是各國競爭的熱點。從最早在航空航天領域的角逐，到汽車用碳纖維材料，再到風力發(fā)電葉片、文體用品以及近些年出現的輸電電纜，碳纖維的應用領域不斷擴大。以東麗公司、三菱公司、豐田公司為代表的日本企業(yè)在碳纖維領域特別是在飛行器和輕量汽車這兩個技術含量高、經濟效益大的領域獨占鰲頭。我國由于近些年全社會對碳纖維重視程度不斷提升，專利申請呈現快速發(fā)展態(tài)勢，2006年以后已超過日本和美國，專利數量排名全球第一。我國在文體用品領域、風力發(fā)電領域，特別是輸電用電纜領域專利數量巨大。但與日本相比，我國在航空航天、交通領域的技術實力還比較弱，也沒有能與國際上領先的企業(yè)相抗衡的實力。從這個方面看，我國打造碳纖維產業(yè)還有很長的路要走。從分析中發(fā)現，國外領先企業(yè)在中國布局還不是很積極，雖然意味著我國的技術可能比較落后，但也不失為一個很好的機遇。只有切實提高碳纖維核心技術，特別是在航空航天和交通領域的競爭力，才能促進我國碳纖維產業(yè)健康順利發(fā)展。

[ 1] 馮志海. 關于我國高性能碳纖維需求和發(fā)展的幾點想法. 新材料產業(yè)，2010(9)：19-24

[ 2] 余黎明. 我國碳纖維行業(yè)現狀和發(fā)展趨勢分析. 新材料產業(yè)，2011(6)：13-21

[ 3] 周宏. 中國碳纖維產業(yè)從幼小走向新興的路徑初探. 新材料產業(yè)，2010(9)：9-13

[ 4] 周宏. 促進高性能纖維產業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略構想. 新材料產業(yè)，2008(1)：25-30

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[ 9] 高霞，戴磊，孫琳等. 基于專利地圖的吉林省碳纖維產業(yè)專利情報研究. 科技和產業(yè)，2013(1)：124-129

[10] 李彩霞，單美玉，宋微等. 我國碳纖維產業(yè)專利戰(zhàn)略研究. 社科論壇，2013(34)：125-128

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Study of the development of carbon fiber applications in several fields

Zheng Jia, Yuan Xuemin

(Institute of Scientific and Technical Information of China, Beijing 100038) (Institute of Scientific and Technical Information of Gansu, Lanzhou 730000)

Based on the analysis of the carbon fiber related patents of 1963～2015, which were collected word wide by the Derwent Innovation Index database, the developments and trends of the global carbon fiber application in the five areas of aeronautics and astronautics, automobile, cable, wind turbine and sports goods were studied. The results shows that China holds the leading positions in Wind turbine and Sports goods, but is backward in Aeronautics and Astronautics, Automobile compared to world leading countries. Top external enterprises seldom apply for patents in China because China’s carbon fibe technology is not advanced. This shows that there is still a long way for China to enhance its R&D capability in carbon fiber application and improve its carbon fiber industry.

carbon fiber, patent, aeronautics and astronautics, automobile, cable, wind turbine, sports goods

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.01.006

① 國家科技支撐計劃(2013BAH21B05)資助項目。

?，E-mail: yuanxm2004@126.com(

2015-09-25)

② 女，1982年生，博士，副研究員；研究方向：新材料產業(yè)研究；E-Mail：zhengj@istic.ac.cn