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    《電子技術應用》
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    專利視角下的碳纖維在航空航天領域應用研究

    2022-08-04
    來源:空天界
    關鍵詞: 碳纖維 航空航天

      1. 碳纖維簡介及在航空航天領域的應用

      碳纖維,是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料,其是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨優異新型材料,被譽為“黑色黃金”。碳纖維具有優異的理化性能,被稱為新材料之王,碳纖維材料強度高、耐高溫,同時具有較好的減重效果,一般不是單獨使用,而是以復合材料的形式被使用。碳纖維作為復合材料中的增強纖維,用于制造各類終端產品中的復材結構。碳纖維復合材料屬于技術密集型產品,生產過程對工藝和裝備的要求極高,在從原絲-碳纖維-中間產品-復合材料的各個環節中,每經過一個環節產品的價值量都會成倍的增長。

      根據《2021年全球碳纖維復合材料市場報告》,2021年全球航空航天碳纖維需求為1.65萬噸,占比14%,而其價值為11.88億美元,占比34.9%,高居榜首。碳纖維對于航空航天的重要性不僅體現在經濟上,也體現在國家安全上。對于我國碳纖維市場而言,中低端碳纖維過剩,高端碳纖維對外依賴度高的局面短期內恐得不到有效改善,對于碳纖維的研制,特別是高端碳纖維的研制對于我國是當務之急。

      2. 專利檢索情況

      本文通過專利文獻分析方法重點對碳纖維及其在航空航天領域應用情況進行研究分析。專利分析數據來源于全球專利,主要有中國國家知識產權局(CN)、美國專利商標局(US)、歐洲專利局(EP)、世界知識產權組織(WO)、日本專利局(JP)、韓國專利局(KR)等官方專利數據。檢索關鍵詞有:碳纖維(英文為carbonfiber)、飛機(aircraft、airplane、aeroplane、airvehicle、aerialvehicle)、aeroengine、aeropropulsion、landinggear、火箭、rocket、spaceflight等。

      專利情況分析

      碳纖維在航空航天領域應用專利分析

      1. 相關專利2016年之前持續增長

      與飛機等航空航天相關的碳纖維相關專利共35147件,去同族之后為26323項(檢索范圍為:碳纖維(名稱、屬性、權利要求)and 航空航天(全文))。

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      圖1 碳纖維相關專利歷年申請趨勢圖

     ?。?001年前專利數量較少,圖中不顯示,下同。由于專利申請到公開有18月左右的間隔,所以圖中2020年以來的專利量應該比圖中顯示的要多,但是即便如此,自2016年以來的趨勢已經形成,不可避免的呈現下降趨勢)

      圖1為2001年以來碳纖維相關專利的趨勢圖,從圖中可以看出自2001年-2010年的10年間,有關碳纖維的專利呈緩慢增長態勢,從605件增至1394件,年均增長8.7%,自2011年以來,碳纖維的專利呈現加速增長態勢,2016年達到頂峰,從1720件增至3294件,年均增長13.8%,自2016年以來,有關碳纖維的專利呈下降態勢[1],而且下降速度較快,可能與市場飽和有關,也有可能與2020年以來的新冠疫情有關,或者兼而有。

      2. 主要競爭市場在中國、美國、日本等國家

      圖2為碳纖維相關專利地域范圍分布情況,可以反應出碳纖維市場的分布,一般情況是,市場需求越大、競爭越激烈,布局的專利越多。從圖中可以看出,申請量最多的為中國,反應出在中國市場競爭的激烈,其次是美國和日本,歐洲專利局和世界知識產權組織這兩大國際組織是研制主體競相采取的跨國保護的橋梁。

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      圖2 碳纖維相關專利地域范圍分布圖

      3. 研制主體主要有東麗、波音、三菱麗陽、空客等

      圖3展示了碳纖維領域研制主體情況,從圖中可以看出,日本東麗、波音、日本三菱麗陽、空客、古德里奇占碳纖維專利的前五,其中東麗公司最多,為2130件,幾乎是排名第二波音公司的兩倍。除此之外,我國有關高校,如北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學、南京航空航天大學等高校榜上有名,除此之外,還有通用電氣公司、現代汽車、杜邦、霍尼韋爾、帝人等公司。

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      圖3 碳纖維相關專利研制主體分布圖

      4. 從原料到應用、自上游到下游專利逐漸增加

      圖4為碳纖維技術主要技術領域(按照IPC國際專利分類)分布情況,以及自2001至2021年20年間主要技術領域的發展變化情況,表1為國際專利分類對應的技術含義。分析各階段的IPC技術分布情況,有助于了解特定時期出現的重要技術方向。對比各技術方向的發展趨勢,有助于識別哪些技術出現更早、更集中。

      從圖中可以看出,在與航空航天有關的碳纖維專利中,主要涉及原材料、工藝、設備、應用等,其中碳纖維原材料(含工藝)及加工設備(D01F)為1571項,占比5.97%,碳纖維應用工藝(B29C、C08J)為6919項,占比26.28%,碳纖維應用(復合材料相關應用B32B、C04B、C08G、C08K、C08L共11183項,航空航天具體應用B64C、B64D合計為5401項)為17234項,占比65.49%,可見在碳纖維技術領域應用型專利最多,應用工藝次之,最復雜的原料及原料加工設備等相關專利最少,同時也說明在碳纖維技術方面,上游專利較少,中下游專利成倍增加。

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      圖4 碳纖維主要技術分布圖

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      表1 碳纖維相關專利IPC國際專利分類對應表

      碳纖維基礎原材料和工藝專利分析

      本小節主要針對碳纖維基礎原材料和工藝專利進行檢索分析,主要目的是分析碳纖維基礎技術的國內外發展情況。因碳纖維基礎技術具有共用性,檢索范圍設定為碳纖維(名稱、屬性、權利要求),不限定航空航天(全文)。經檢索,共檢出16436件專利,去同族之后為11332項。(需要說明的是:本節和上節檢索范圍不同,結果中存在部分相同專利子集,也有部分未明確在航空航天領域應用前景的基礎專利。)

      1. 近20年來,碳纖維基礎相關專利保持高位穩定

      圖5為2001年以來碳纖維基礎相關專利的申請趨勢圖,從圖中可以看出自2001年-2010年的10年間,相關專利數量未出現明顯增長,年均專利數量不足350件,自2011年開始,專利數量開始突破400件,并持續保持該數量,直至2020年才開始明顯下降。

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      圖5 碳纖維基礎相關專利歷年申請趨勢圖

      2. 碳纖維基礎相關專利公開最多的為日本,其次是中國、美國等國家或地區

      圖6為碳纖維基礎相關專利公開地域分布情況。從圖中可以看出,日本地域公開的專利數量最多達到6361件,中國地域公開的專利量也達到3412件,其次是美國和韓國,以及世界知識產權組織??梢娙毡竞椭袊悄壳叭蜃畲蟮南冗M碳纖維材料市場國。

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      圖6 碳纖維基礎相關專利公開地域分布圖

      圖7為碳纖維基礎相關專利公開地域按時間分布趨勢圖。布局地域為日本的基礎相關專利在2001年-2015年專利公開量始終保持較多,保持絕對領先地位,在2016年開始專利公開量逐年減少,呈下降趨勢;布局地域為中國的相關專利,在2001年到2006年數量較少(最高為105件),但從2007年開始逐漸增長,到2012年躍過300件達到351件,并保持這一規模到2019年,顯示出強勁的后期增長態勢;此外,美國、韓國、世界知識產權組織(WIPO)和歐洲專利局(EPO)組織,均在2012年后開始出現明顯的專利增長態勢,在2017年之后均呈現下降趨勢。

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      圖7 碳纖維基礎相關專利地域公開趨勢圖

      3. 東麗、三菱麗陽、帝人高局碳纖維基礎相關專利榜首

      圖8展示了碳纖維基礎相關專利申請人排名情況,從圖中可以看出,日本東麗、日本三菱麗陽、日本帝人、中國東華大學、北京化工大學占據前五位,其中東麗公司最多,為4428件,遠超過其他申請人。

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      圖8 碳纖維基礎相關專利申請人排名

      4. 碳纖維原料加工、相關設備等是碳纖維基礎相關專利的重點

      圖9展示了碳纖維基礎相關專利技術按IPC小類的公開趨勢情況。其中“制作碳纖維;專用于生產碳纖維的設備(D01F)”自2001年以來專利申請量較為均衡,數量也最多,說明在設備方面一直是碳纖維發展的重點;對于“碳纖維的加工;配料的一般工藝過程及后處理(C08J)等”在2012年后專利數量顯著增加,并保持了較高的熱度,說明在2012年以后碳纖維材料應用得到快速發展,以碳纖維為原料的后處理工藝的創新顯著增多,除此之外,在“高分子化合物的組合物(C08L)”、“使用無機物或非高分子有機物作為配料(C08K)”以及“塑料的成型連接;塑性狀態材或料的成型(B29C)”等技術領域也是自2012年開始有較大增長,說明在2012年在相關技術方面可能發生突破。

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      圖9 碳纖維基礎相關專利技術按IPC分類公開趨勢圖

      5. 自2016年以來碳纖維技術研發進入下降通道

      圖10為碳纖維基礎相關專利技術生命周期圖,其反映了一定時間內,從事碳纖維研發主體(高校、企業等)數量以及專利產出數量的關系圖,一般而言,研發主體和專利產出均逐漸增多,說明該技術呈現“膨脹”即擴張期、上升期,反之則處于下降期、衰退期,從圖10中可以看出,近幾年,碳纖維研發整體上呈現雙降趨勢,進入萎縮期或衰退期。

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      圖10 碳纖維基礎相關專利技術生命周期圖

      碳纖維基礎原材料和工藝專利在國內布局分析

      國內碳纖維相關基礎專利共3480件,去同族之后為3417項,圖11為2001年以來國內碳纖維相關專利的趨勢圖。

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      圖11 國內碳纖維專利歷年申請趨勢圖

      從圖中可以看出自2001年-2008年的8年間,有關碳纖維的專利呈較快增長態勢,從22件,增至154件,年均增長10.7%,自2009年-2015年的6年間,碳纖維的專利呈現放緩態勢,2016年以來,有關碳纖維的專利呈較快的下降態勢,可能與國內市場飽和有關,也有可能與2020年以來的新冠疫情有關,或者兼而有。

      1. 中國境內研發主體主要是高校,而且有國際巨頭在中國布局大量專利

      圖12反應了國內碳纖維領域研制主體情況,從圖中可以看出,國內東華大學在該領域相關專利申請量最多,為1136件。其次,北京化工大學、日本東麗、江蘇恒神股份有限公司、東麗纖維研究所(中國)有限公司占國內碳纖維專利申請量的前五,其中,排名第1的東華大學專利申請量是排名第二的北京化工大學的兩倍多。除此之外,我國有關研制主體還有威海拓展纖維有限公司、中復神鷹碳纖維、塞特工業公司、日本帝人公司、三菱麗陽公司等公司。

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      圖12 國內碳纖維相關專利研制主體分布圖

      2. 國內相關研制主體2000年之后有長足的進步,但是與國際巨頭相比仍有巨大差距

      圖13為國內碳纖維主要研制主體專利申請量時間分布趨勢。東華大學在2008年-2020年專利公開量始終保持較多,在國內保持絕對領先地位,在2016年開始專利公開量逐年減少,呈下降趨勢;北京化工大學在國內布局專利較早,但是每年申請量相對較少,2008年-2018年期間每年申請量緩慢增長,2019年開始每年申請量開始逐年減少。同時,日本帝人和三菱麗陽在國內布局相關專利時間較早,相比國內江蘇恒神、威海拓展、中復神鷹等研制主體在國內布局專利時間較晚,每年相關專利申請量較少,增長態勢亦不明顯。

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      圖13 國內碳纖維主要專利研制主體分布圖

      圖14展示了國內碳纖維專利技術按IPC(國際專利分類)小類的公開趨勢情況。其中“制作碳纖維;專用于生產碳纖維的設備(D01F)”自2001年以來較早的發展起來了,一開始專利申請量較為均衡,數量也最多。2005年-2012年,該領域專利快速積累。2016年-2019年,同樣也是該領域的國內發展的高峰期;對于“碳纖維的加工;配料的一般工藝過程及后處理(C08J)等”在2012年-2016年,國內專利數量顯著增加,并保持了較高的熱度,說明在該階段國內碳纖維材料應用得到快速發展,以碳纖維為原料的后處理工藝的創新顯著增多,除此之外,在“高分子化合物的組合物(C08L)”在2007年-2011年在國內得到了初步的發展,在2012年-2016年在國內得到了快速積累;同時,“制作化學長絲、線、纖維、鬃或帶子的機械方法或設備(D01D)”、“用碳-碳不飽和鍵以外的反應得到的高分子化合物(C08G)”以及“使用無機物或非高分子有機物作為配料(C08K)”等技術領域也是在國內有較多專利積累的技術領域。

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      圖14 國內碳纖維專利技術按IPC分類公開趨勢圖

      圖15展示了國內碳纖維主要專利技術研制主體IPC小類分布情況。分析主要研制主體的IPC技術分布情況,有助于了解國內主要研制主體的重要技術方向。對比各研制主體的技術方向,有助于了解特定細分技術領域研制主體,為我方了解主要研制主體的技術發展重點和技術優勢。從圖16可以看出,東華大學的技術發展重點和技術優勢體現在 “制作碳纖維;專用于生產碳纖維的設備(D01F)”、“制作化學長絲、線、纖維、鬃或帶子的機械方法或設備(D01D)”兩方面;北京化工大學研發重點體現在“制作碳纖維;專用于生產碳纖維的設備(D01F)”、“使用無機物或非高分子有機物作為配料的組合物(C08K)”等方面;江蘇恒神公司的研發重點體現在“塑料的成型連接;塑性狀態材或料的成型(B29C)”方面。

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      圖15 國內碳纖維主要專利技術研制主體IPC分類分布圖

      

      結論

      通過對碳纖維基礎專利及國內布局情況、航空航天相關專利情況的梳理,可以得出以下幾點結論。

      不論是碳纖維基礎專利情況或是航空航天相關專利,還是中國的情況,在2016年后,有關碳纖維的專利呈現下降趨勢,在短期內應該會持續這種趨勢。

      1. 從碳纖維技術的生命周期來看,碳纖維發展的高峰應是2016年,之后碳纖維技術研發整體進入衰退期(專利產出以及碳纖維相關企業數量呈現雙降)。

      2. 與國際相比我國有關碳纖維的研究應用主要在高校等科研機構,對外經營性企業較少,導致技術轉化為生產力/產品需要二次轉化,尚沒有一家國際性企業。

      3. 從技術發展角度來看,對于碳纖維原材料、加工工藝的研究從2000年之后才開始起步,2008年之后才開始以較高速度發展,對比國外,相關技術在2001年之前就開始發展,與國外龍頭企業有較大差距。

      4. 在碳纖維領域整體呈現“技術萎縮”的情況下,我國相關科研機構可以利用專利信息資源迎頭追趕,加速追趕先進企業,爭取在局部技術領域填平差距。



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