基于專利和論文的我國石墨烯纖維技術(shù)研究現(xiàn)狀

鄭佳 周思凡

石墨烯纖維是2011年才發(fā)展起來的一種以天然石墨為最初原料的新型碳質(zhì)纖維，由石墨烯或者功能化石墨烯納米片的液晶原液經(jīng)濕法紡絲一維有序組裝而成[1]。由于導電性良好、柔韌性高、比表面積高等優(yōu)越性能，石墨烯纖維在超級電容器、輕量級導電電纜線、響應器、鋰電池、智能紡織品等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。

目前國內(nèi)學者關(guān)于石墨烯纖維在各種石墨烯纖維制備方法與性能提高[2-6]、石墨烯纖維材料[7]、石墨烯纖維的應用[8，9]等方面已有不少研究。這些研究推動了石墨烯纖維相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，曲良體[10]也從制備技術(shù)進展和應用范圍等方面介紹了石墨烯纖維的研究進展。但是目前鮮見對石墨烯纖維技術(shù)發(fā)展和基礎(chǔ)研究的整體把握。本文采用文獻計量學的方法，利用中國知識產(chǎn)權(quán)局（SIPO）的相關(guān)專利數(shù)據(jù)和中國知網(wǎng)（CNKI）的相關(guān)論文數(shù)據(jù)，從專利和論文兩個角度揭示我國石墨烯纖維技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，希望能夠?qū)ξ覈├w維技術(shù)的研究和應用提供指導。

一、中國石墨烯纖維論文分析

本文選擇中國知網(wǎng)（CNKI）為論文數(shù)據(jù)來源，檢索式為：主題=（石墨烯and纖維），時間為2011-2017年，檢索時間為2017年8月16日，共得到240篇文獻，除去報紙、會議通知等文獻，共有226篇論文。

1.文獻數(shù)量時序分析

從石墨烯纖維的發(fā)文數(shù)量來看，整體呈現(xiàn)波動式上升趨勢，表明石墨烯纖維研究處于快讀發(fā)展階段。我國石墨烯纖維相關(guān)論文是從2011年開始出現(xiàn)，2011年，高超團隊首次研究制備出石墨烯纖維，當年出現(xiàn)了4篇石墨烯纖維相關(guān)研究文章。隨后石墨烯纖維相關(guān)研究論文數(shù)量呈穩(wěn)步增長狀態(tài)，從2011年的4篇增加到2016年的78篇。2017年的論文數(shù)量不夠完整，僅供參考。圖1顯示出2011-2017年石墨烯纖維論文數(shù)量的變化趨勢。石墨烯纖維研究已經(jīng)從最初的萌芽期進入到快速發(fā)展階段，相關(guān)研究論文相繼發(fā)表。

最初的石墨烯纖維是由液晶相濕法紡絲法所得，但其制備方法及制備出的石墨烯纖維性能有待提升，之后學者們先后探索出限域水熱組裝、化學氣相沉積法（CVD）輔助合成、氧化石墨烯的自發(fā)還原及組裝、碳納米管紗絲等方法制備石墨烯纖維，提升石墨烯纖維性能也成為學者們的研究焦點。

2.發(fā)文機構(gòu)分析

對第一作者所在機構(gòu)進行統(tǒng)計，發(fā)文數(shù)量排名前10的機構(gòu)如圖2所示。東華大學、浙江大學是我國研究石墨烯纖維的主要單位，發(fā)文量前10的機構(gòu)全部為高校和科研院所，未見企業(yè)單位，反映出高校和科研院所是石墨烯纖維研究的主要力量。東華大學以15篇論文數(shù)量高居榜首，其次為浙江大學和青島大學，發(fā)文量分別為14篇和13篇。石墨烯纖維是由浙江大學高超教授首先提出來的，所以浙江大學的發(fā)文數(shù)量較多；東華大學材料學院在朱美芳院長的帶領(lǐng)下多年來也一直致力于智能纖維研究，在石墨烯纖維研究方面成果頗多。

3.高頻關(guān)鍵詞分析

石墨烯纖維論文中出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞是石墨烯纖維領(lǐng)域近幾年研究關(guān)注的重點，代表著該領(lǐng)域的研究熱點與發(fā)展方向。在對關(guān)鍵詞統(tǒng)計過程中，去除了一些如研究進展、影響等對研究熱點結(jié)果無意義的泛詞；合并了像超級電容器、固態(tài)超級電容器等意思相近或相同的詞；并且在最終結(jié)果中去掉了石墨烯、碳纖維和纖維及石墨烯纖維這4個對領(lǐng)域研究熱點無意義的檢索詞。最終選取了詞頻大于5的關(guān)鍵詞，統(tǒng)計結(jié)果詳見表1。

氧化石墨烯是制備石墨烯纖維的主要材料之一，在關(guān)鍵詞中，氧化石墨烯以42次的頻次高居榜首，表明學者們對氧化石墨烯制備石墨烯纖維研究的關(guān)注。靜電紡絲、濕法紡絲、化學氣相沉積等是制備石墨烯纖維的主要方法，這些高頻關(guān)鍵詞反映出學者們對石墨烯纖維制備方法的研究改進；復合纖維、納米纖維、聚丙烯腈、纖維材料等屬于石墨烯纖維的制備材料，學者們對制備石墨烯纖維的材料也十分關(guān)注；表面性能、導電性能、電化學性能這些高頻關(guān)鍵詞表明學者們關(guān)注的是石墨烯纖維性能的改進；超級電容器、紡織領(lǐng)域則是石墨烯纖維的最終應用領(lǐng)域?？傮w來說，國內(nèi)石墨烯纖維的研究熱點主要集中在石墨烯纖維制備材料、制備方法、性能改進、在超級電容器和紡織領(lǐng)域的應用幾個方面。

二、中國石墨烯纖維專利分析

本文選擇中國國家知識產(chǎn)權(quán)局（SIPO）作為專利數(shù)據(jù)源，它擁有最為權(quán)威和全面的國內(nèi)專利數(shù)據(jù)信息。專利檢索式為“石墨烯and纖維”，檢索時間為2017年8月17日，共獲得583條有效專利。

1.專利申請趨勢分析

專利申請量的歷年變化趨勢能夠在一定程度上體現(xiàn)該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展動向和趨勢，通過對相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域歷年專利申請數(shù)量的變化情況進行統(tǒng)計，可以清晰地展現(xiàn)技術(shù)發(fā)展走勢，對于了解該技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展動向有一定的參考作用。

2011年，中國石墨烯纖維領(lǐng)域共有13件申請專利，隨后一路呈現(xiàn)快速增長狀態(tài)，到2016年，專利申請量已達到245件，反映出國內(nèi)石墨烯纖維技術(shù)處于快速發(fā)展階段（圖3）。由于專利從申請到公開一般需要18個月的時間，2017年的專利數(shù)據(jù)并不完整，僅供參考，所以2017年的專利數(shù)據(jù)僅為48件并不能代表專利申請量呈現(xiàn)下降趨勢。

2.專利權(quán)人分析

通過對石墨烯纖維領(lǐng)域?qū)＠暾埲说膶＠麛?shù)量進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)石墨烯纖維領(lǐng)域的主要研發(fā)機構(gòu)和技術(shù)領(lǐng)先者（表2）。從表2中可以看出，石墨烯纖維領(lǐng)域排名前10的申請人全部是高校和科研院所，沒有企業(yè)單位的身影，這從側(cè)面反映出石墨烯纖維還處于技術(shù)研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化階段還有一段距離。

石墨烯纖維良好的電學性能、導熱性能和機械性能使得它在超級電容器、輕量級導電電纜線、傳感器、紡織品、鋰電池、可穿戴電子設(shè)備等方面具有良好的應用前景，不過目前石墨烯纖維力學強度和導電性性能方面限制了它在可穿戴電子設(shè)備和功能性器件的發(fā)展前景，雖然目前高超教授團隊已經(jīng)在提高石墨烯纖維性能上取得一系列成果，并且成功實現(xiàn)石墨烯纖維的規(guī)?；苽?，但是仍然離石墨烯纖維大規(guī)模市場化應用有差距。

3.技術(shù)結(jié)構(gòu)分析

石墨烯纖維領(lǐng)域涵蓋眾多不同類型的子技術(shù)，通過對石墨烯纖維領(lǐng)域IPC分類號進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)石墨烯纖維主要涉及的技術(shù)領(lǐng)域及重要的技術(shù)分支。由表3可以看出，石墨烯纖維主要集中在在C部（化學、冶金）、D部（紡織、造紙），反映出石墨烯纖維技術(shù)的研發(fā)以化學為主，主要方向是紡織相關(guān)技術(shù)。從專利申請數(shù)量來看，石墨烯纖維技術(shù)研發(fā)重點是石墨烯纖維材料的處理（纖維的處理D01）和石墨烯纖維的制備（有機高分子化合物其制備或化學加工C08），其專利數(shù)量分別為216件和123件，占比分別為24.43%和13.91%。詳見表3和表4。

結(jié)合表3和表4，石墨烯纖維專利申請主要集中在D01F（制作人造長絲、線、纖維、鬃或帶子的化學特征；專用于生產(chǎn)碳纖維的設(shè)備和）D01D（制作人造長絲、線、纖維、鬃或帶子的機械方法或設(shè)備），國內(nèi)石墨烯纖維領(lǐng)域注重纖維生產(chǎn)和纖維性能方面的技術(shù)研究。

三、對比分析

從石墨烯纖維論文分析和專利分析來看，我國石墨烯纖維的研究與技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)以下3方面特點.

1.在研究趨勢方面，石墨烯纖維領(lǐng)域呈現(xiàn)快速發(fā)展狀態(tài)

從論文數(shù)量隨時間變化趨勢來看，石墨烯纖維領(lǐng)域論文數(shù)量逐年增長，說明該技術(shù)為新興技術(shù)，處于發(fā)展階段，研究范圍也不斷擴展。從最初的石墨烯纖維制備方法研究到現(xiàn)在的包括石墨烯纖維材料、制備方法、性能改進和應用研究等各方面。從專利申請趨勢來看，石墨烯纖維專利申請量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長狀態(tài)，短短5年專利數(shù)量增長約20倍。石墨烯產(chǎn)業(yè)化應用刺激著專利數(shù)量增長，目前我國石墨烯復合纖維已經(jīng)在紡織領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，處于國際領(lǐng)先地位。不論從論文數(shù)量還是專利數(shù)量來看，我國石墨烯纖維是一個新興的研究領(lǐng)域，處于快速發(fā)展的階段，且未來發(fā)展前景可觀。

2.在主要發(fā)文機構(gòu)和專利權(quán)人方面，高校和科研院所是我國石墨烯纖維研究的主要力量

從論文的發(fā)文數(shù)量來看，高校和科研院所是國內(nèi)石墨烯纖維研究的主要貢獻者，東華大學、浙江大學和青島大學占據(jù)石墨烯纖維發(fā)文數(shù)量絕對優(yōu)勢，是該領(lǐng)域研究的核心機構(gòu)。而在發(fā)文量前10的統(tǒng)計中，沒有一家研究機構(gòu)是企業(yè)單位，說明企業(yè)對石墨烯纖維的研究還沒有引起重視。從專利申請量來看，東華大學和浙江大學也是獨占鰲頭，分別為55件、50件，哈爾濱工業(yè)大學和青島大學緊隨其后，分別為33件和20件。專利申請量前10的機構(gòu)中，無一家企業(yè)入圍，反映出企業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新能力不足。總體來說，東華大學和浙江大學在石墨烯纖維領(lǐng)域基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)創(chuàng)新能力都屬于國內(nèi)領(lǐng)先地位，高校和科院院所是該領(lǐng)域主要的技術(shù)研究陣地，而石墨烯纖維優(yōu)越的性能和誘人的誘人前景促使其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進程，目前石墨烯纖維已經(jīng)在紡織領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。未來，加快促進產(chǎn)學研轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)高校科研院所技術(shù)與企業(yè)合作實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)是石墨烯纖維的發(fā)展趨勢。

3.在研究熱點方面，論文和專利統(tǒng)計石墨烯纖維關(guān)注重點稍有不同

從論文高頻關(guān)鍵詞來看，國內(nèi)石墨烯纖維研究主要集中在石墨烯纖維材料、石墨烯纖維制備方法、石墨烯纖維性能改進、超級電容器和紡織領(lǐng)域應用幾個方面，這些都是石墨烯纖維實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化需要解決的問題，為促進石墨烯產(chǎn)業(yè)進程奠基。從專利技術(shù)結(jié)構(gòu)分析來看，石墨烯纖維專利技術(shù)主要集中在纖維材料處理、石墨烯纖維制備以及紡織3個方面，而超級電容器方面的相關(guān)專利技術(shù)較少見，但關(guān)于該方面的論文理論研究十分活躍。總體看來，石墨烯纖維材料、制備方法及其在紡織領(lǐng)域應用方面既是理論方面研究關(guān)注的重點，也是專利技術(shù)的關(guān)注對象。

四、結(jié)語

石墨烯纖維領(lǐng)域的研究處于快速發(fā)展階段，相關(guān)專利技術(shù)也不斷增加。本文限于資料和時間關(guān)系，只探討了中國石墨烯纖維的發(fā)展現(xiàn)狀，關(guān)于專利和論文的計量分析深度有限，結(jié)果可能存在疏漏之處。在今后的研究中，可以結(jié)合Webof Science中論文與DII數(shù)據(jù)庫中的專利對全球石墨烯纖維相關(guān)研究從論文和專利2個角度進行分析，更進一步了解石墨烯纖維發(fā)展情況。

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