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專利視角下的碳纖維在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用研究

2022-08-04
來源:空天界
關(guān)鍵詞: 碳纖維 航空航天

  1. 碳纖維簡介及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)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(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨優(yōu)異新型材料,被譽為“黑色黃金”。碳纖維具有優(yōu)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(fù)合材料的形式被使用。碳纖維作為復(fù)合材料中的增強纖維,用于制造各類終端產(chǎn)品中的復(fù)材結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料屬于技術(shù)密集型產(chǎn)品,生產(chǎn)過程對工藝和裝備的要求極高,在從原絲-碳纖維-中間產(chǎn)品-復(fù)合材料的各個環(huán)節(jié)中,每經(jīng)過一個環(huán)節(jié)產(chǎn)品的價值量都會成倍的增長。

  根據(jù)《2021年全球碳纖維復(fù)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(xiàn)在經(jīng)濟上,也體現(xiàn)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(nèi)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(wù)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(lǐng)域應(yīng)用情況進行研究分析。專利分析數(shù)據(jù)來源于全球?qū)@?,主要有中國國家知識產(chǎn)權(quán)局(CN)、美國專利商標局(US)、歐洲專利局(EP)、世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WO)、日本專利局(JP)、韓國專利局(KR)等官方專利數(shù)據(jù)。檢索關(guān)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(lǐng)域應(yīng)用專利分析

  1. 相關(guān)專利2016年之前持續(xù)增長

  與飛機等航空航天相關(guān)的碳纖維相關(guān)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(quán)利要求)and 航空航天(全文))。

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  圖1 碳纖維相關(guān)專利歷年申請趨勢圖

  (2001年前專利數(shù)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(yīng)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(jīng)形成,不可避免的呈現(xiàn)下降趨勢)

  圖1為2001年以來碳纖維相關(guān)專利的趨勢圖,從圖中可以看出自2001年-2010年的10年間,有關(guān)碳纖維的專利呈緩慢增長態(tài)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(xiàn)加速增長態(tài)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(guān)碳纖維的專利呈下降態(tài)勢[1],而且下降速度較快,可能與市場飽和有關(guān),也有可能與2020年以來的新冠疫情有關(guān),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(guān)專利地域范圍分布情況,可以反應(yīng)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(yīng)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(chǎn)權(quán)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(guān)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(lǐng)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(guān)高校,如北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校榜上有名,除此之外,還有通用電氣公司、現(xiàn)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(guān)專利研制主體分布圖

  4. 從原料到應(yīng)用、自上游到下游專利逐漸增加

  圖4為碳纖維技術(shù)主要技術(shù)領(lǐng)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(shù)領(lǐng)域的發(fā)展變化情況,表1為國際專利分類對應(yīng)的技術(shù)含義。分析各階段的IPC技術(shù)分布情況,有助于了解特定時期出現(xiàn)的重要技術(shù)方向。對比各技術(shù)方向的發(fā)展趨勢,有助于識別哪些技術(shù)出現(xiàn)更早、更集中。

  從圖中可以看出,在與航空航天有關(guān)的碳纖維專利中,主要涉及原材料、工藝、設(shè)備、應(yīng)用等,其中碳纖維原材料(含工藝)及加工設(shè)備(D01F)為1571項,占比5.97%,碳纖維應(yīng)用工藝(B29C、C08J)為6919項,占比26.28%,碳纖維應(yīng)用(復(fù)合材料相關(guān)應(yīng)用B32B、C04B、C08G、C08K、C08L共11183項,航空航天具體應(yīng)用B64C、B64D合計為5401項)為17234項,占比65.49%,可見在碳纖維技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用型專利最多,應(yīng)用工藝次之,最復(fù)雜的原料及原料加工設(shè)備等相關(guān)專利最少,同時也說明在碳纖維技術(shù)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(shù)分布圖

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  表1 碳纖維相關(guān)專利IPC國際專利分類對應(yīng)表

  碳纖維基礎(chǔ)原材料和工藝專利分析

  本小節(jié)主要針對碳纖維基礎(chǔ)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(chǔ)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展情況。因碳纖維基礎(chǔ)技術(shù)具有共用性,檢索范圍設(shè)定為碳纖維(名稱、屬性、權(quán)利要求),不限定航空航天(全文)。經(jīng)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(jié)和上節(jié)檢索范圍不同,結(jié)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(lǐng)域應(yīng)用前景的基礎(chǔ)專利。)

  1. 近20年來,碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利保持高位穩(wěn)定

  圖5為2001年以來碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)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(guān)專利數(shù)量未出現(xiàn)明顯增長,年均專利數(shù)量不足350件,自2011年開始,專利數(shù)量開始突破400件,并持續(xù)保持該數(shù)量,直至2020年才開始明顯下降。

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  圖5 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利歷年申請趨勢圖

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

  圖6為碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)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(shù)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(chǎn)權(quán)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(chǔ)相關(guān)專利公開地域分布圖

  圖7為碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利公開地域按時間分布趨勢圖。布局地域為日本的基礎(chǔ)相關(guān)專利在2001年-2015年專利公開量始終保持較多,保持絕對領(lǐng)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(guān)專利,在2001年到2006年數(shù)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(guī)模到2019年,顯示出強勁的后期增長態(tài)勢;此外,美國、韓國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)和歐洲專利局(EPO)組織,均在2012年后開始出現(xiàn)明顯的專利增長態(tài)勢,在2017年之后均呈現(xiàn)下降趨勢。

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  圖7 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)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(chǔ)相關(guān)專利榜首

  圖8展示了碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)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(xué)、北京化工大學(xué)占據(jù)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(chǔ)相關(guān)專利申請人排名

  4. 碳纖維原料加工、相關(guān)設(shè)備等是碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利的重點

  圖9展示了碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利技術(shù)按IPC小類的公開趨勢情況。其中“制作碳纖維;專用于生產(chǎn)碳纖維的設(shè)備(D01F)”自2001年以來專利申請量較為均衡,數(shù)量也最多,說明在設(shè)備方面一直是碳纖維發(fā)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(shù)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(yīng)用得到快速發(fā)展,以碳纖維為原料的后處理工藝的創(chuàng)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(tài)材或料的成型(B29C)”等技術(shù)領(lǐng)域也是自2012年開始有較大增長,說明在2012年在相關(guān)技術(shù)方面可能發(fā)生突破。

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  圖9 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利技術(shù)按IPC分類公開趨勢圖

  5. 自2016年以來碳纖維技術(shù)研發(fā)進入下降通道

  圖10為碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利技術(shù)生命周期圖,其反映了一定時間內(nèi),從事碳纖維研發(fā)主體(高校、企業(yè)等)數(shù)量以及專利產(chǎn)出數(shù)量的關(guān)系圖,一般而言,研發(fā)主體和專利產(chǎn)出均逐漸增多,說明該技術(shù)呈現(xiàn)“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(fā)整體上呈現(xiàn)雙降趨勢,進入萎縮期或衰退期。

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  圖10 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利技術(shù)生命周期圖

  碳纖維基礎(chǔ)原材料和工藝專利在國內(nèi)布局分析

  國內(nèi)碳纖維相關(guān)基礎(chǔ)專利共3480件,去同族之后為3417項,圖11為2001年以來國內(nèi)碳纖維相關(guān)專利的趨勢圖。

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  圖11 國內(nèi)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(guān)碳纖維的專利呈較快增長態(tài)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(xiàn)放緩態(tài)勢,2016年以來,有關(guān)碳纖維的專利呈較快的下降態(tài)勢,可能與國內(nèi)市場飽和有關(guān),也有可能與2020年以來的新冠疫情有關(guān),或者兼而有。

  1. 中國境內(nèi)研發(fā)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(yīng)了國內(nèi)碳纖維領(lǐng)域研制主體情況,從圖中可以看出,國內(nèi)東華大學(xué)在該領(lǐng)域相關(guān)專利申請量最多,為1136件。其次,北京化工大學(xué)、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(nèi)碳纖維專利申請量的前五,其中,排名第1的東華大學(xué)專利申請量是排名第二的北京化工大學(xué)的兩倍多。除此之外,我國有關(guān)研制主體還有威海拓展纖維有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維、塞特工業(yè)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(nèi)碳纖維相關(guān)專利研制主體分布圖

  2. 國內(nèi)相關(guān)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(nèi)碳纖維主要研制主體專利申請量時間分布趨勢。東華大學(xué)在2008年-2020年專利公開量始終保持較多,在國內(nèi)保持絕對領(lǐng)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(xué)在國內(nèi)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(nèi)布局相關(guān)專利時間較早,相比國內(nèi)江蘇恒神、威海拓展、中復(fù)神鷹等研制主體在國內(nèi)布局專利時間較晚,每年相關(guān)專利申請量較少,增長態(tài)勢亦不明顯。

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  圖13 國內(nèi)碳纖維主要專利研制主體分布圖

  圖14展示了國內(nèi)碳纖維專利技術(shù)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(chǎn)碳纖維的設(shè)備(D01F)”自2001年以來較早的發(fā)展起來了,一開始專利申請量較為均衡,數(shù)量也最多。2005年-2012年,該領(lǐng)域?qū)@焖俜e累。2016年-2019年,同樣也是該領(lǐng)域的國內(nèi)發(fā)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(nèi)專利數(shù)量顯著增加,并保持了較高的熱度,說明在該階段國內(nèi)碳纖維材料應(yīng)用得到快速發(fā)展,以碳纖維為原料的后處理工藝的創(chuàng)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(nèi)得到了初步的發(fā)展,在2012年-2016年在國內(nèi)得到了快速積累;同時,“制作化學(xué)長絲、線、纖維、鬃或帶子的機械方法或設(shè)備(D01D)”、“用碳-碳不飽和鍵以外的反應(yīng)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(shù)領(lǐng)域也是在國內(nèi)有較多專利積累的技術(shù)領(lǐng)域。

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  圖14 國內(nèi)碳纖維專利技術(shù)按IPC分類公開趨勢圖

  圖15展示了國內(nèi)碳纖維主要專利技術(shù)研制主體IPC小類分布情況。分析主要研制主體的IPC技術(shù)分布情況,有助于了解國內(nèi)主要研制主體的重要技術(shù)方向。對比各研制主體的技術(shù)方向,有助于了解特定細分技術(shù)領(lǐng)域研制主體,為我方了解主要研制主體的技術(shù)發(fā)展重點和技術(shù)優(yōu)勢。從圖16可以看出,東華大學(xué)的技術(shù)發(fā)展重點和技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在 “制作碳纖維;專用于生產(chǎn)碳纖維的設(shè)備(D01F)”、“制作化學(xué)長絲、線、纖維、鬃或帶子的機械方法或設(shè)備(D01D)”兩方面;北京化工大學(xué)研發(fā)重點體現(xiàn)在“制作碳纖維;專用于生產(chǎn)碳纖維的設(shè)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(fā)重點體現(xiàn)在“塑料的成型連接;塑性狀態(tài)材或料的成型(B29C)”方面。

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  圖15 國內(nèi)碳纖維主要專利技術(shù)研制主體IPC分類分布圖

  

  結(jié)論

  通過對碳纖維基礎(chǔ)專利及國內(nèi)布局情況、航空航天相關(guān)專利情況的梳理,可以得出以下幾點結(jié)論。

  不論是碳纖維基礎(chǔ)專利情況或是航空航天相關(guān)專利,還是中國的情況,在2016年后,有關(guān)碳纖維的專利呈現(xiàn)下降趨勢,在短期內(nèi)應(yīng)該會持續(xù)這種趨勢。

  1. 從碳纖維技術(shù)的生命周期來看,碳纖維發(fā)展的高峰應(yīng)是2016年,之后碳纖維技術(shù)研發(fā)整體進入衰退期(專利產(chǎn)出以及碳纖維相關(guān)企業(yè)數(shù)量呈現(xiàn)雙降)。

  2. 與國際相比我國有關(guān)碳纖維的研究應(yīng)用主要在高校等科研機構(gòu),對外經(jīng)營性企業(yè)較少,導(dǎo)致技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力/產(chǎn)品需要二次轉(zhuǎn)化,尚沒有一家國際性企業(yè)。

  3. 從技術(shù)發(fā)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(fā)展,對比國外,相關(guān)技術(shù)在2001年之前就開始發(fā)展,與國外龍頭企業(yè)有較大差距。

  4. 在碳纖維領(lǐng)域整體呈現(xiàn)“技術(shù)萎縮”的情況下,我國相關(guān)科研機構(gòu)可以利用專利信息資源迎頭追趕,加速追趕先進企業(yè),爭取在局部技術(shù)領(lǐng)域填平差距。



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