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(qiáng)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(jī)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(yù)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(qiáng)度高,、耐高溫,，同時具有較好的減重效果，一般不是單獨(dú)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(qiáng)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(jì)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(dāng)務(wù)之急。

　　2. 專利檢索情況

　　本文通過專利文獻(xiàn)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(jìn)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(biāo)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(jī)（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(jī)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））,。

　　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(dá)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(hù)的橋梁。

　　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。

　　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。

　　圖4 碳纖維主要技術(shù)分布圖

　　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(jìn)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,。

　　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(dá)到6361件,，中國地域公開的專利量也達(dá)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(jìn)碳纖維材料市場國。

　　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(dá)到351件,，并保持這一規(guī)模到2019年，顯示出強(qiáng)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,。

　　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(yuǎn)超過其他申請人,。

　　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(jī)物或非高分子有機(jī)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,。

　　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(jìn)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(kuò)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(jìn)入萎縮期或衰退期。

　　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。

　　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。

　　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(jìn)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,。

　　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(jī)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(jī)物或非高分子有機(jī)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,。

　　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(xì)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(jī)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(jī)物或非高分子有機(jī)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,。

　　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(jìn)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(jī)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(jī)構(gòu)可以利用專利信息資源迎頭追趕,，加速追趕先進(jìn)企業(yè),，爭取在局部技術(shù)領(lǐng)域填平差距。

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