1. 碳纖維簡(jiǎn)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(shí)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(guò)程對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)中,，每經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品的價(jià)值量都會(huì)成倍的增長(zhǎng),。

　　根據(jù)《2021年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，2021年全球航空航天碳纖維需求為1.65萬(wàn)噸,，占比14%,，而其價(jià)值為11.88億美元，占比34.9%,，高居榜首,。碳纖維對(duì)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(guó)家安全上,。對(duì)于我國(guó)碳纖維市場(chǎng)而言,，中低端碳纖維過(guò)剩，高端碳纖維對(duì)外依賴度高的局面短期內(nèi)恐得不到有效改善,，對(duì)于碳纖維的研制,，特別是高端碳纖維的研制對(duì)于我國(guó)是當(dāng)務(wù)之急,。

　　2. 專利檢索情況

　　本文通過(guò)專利文獻(xiàn)分析方法重點(diǎn)對(duì)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(lái)源于全球?qū)＠?，主要有中?guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局（CN）,、美國(guó)專利商標(biāo)局（US）、歐洲專利局（EP）,、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WO）,、日本專利局（JP）、韓國(guó)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(zhǎng)

　　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(xiàng)（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(qǐng)趨勢(shì)圖

　?。?001年前專利數(shù)量較少,，圖中不顯示，下同,。由于專利申請(qǐng)到公開(kāi)有18月左右的間隔,，所以圖中2020年以來(lái)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(lái)的趨勢(shì)已經(jīng)形成,，不可避免的呈現(xiàn)下降趨勢(shì)）

　　圖1為2001年以來(lái)碳纖維相關(guān)專利的趨勢(shì)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(zhǎng)態(tài)勢(shì),，從605件增至1394件，年均增長(zhǎng)8.7%,，自2011年以來(lái),，碳纖維的專利呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),，2016年達(dá)到頂峰，從1720件增至3294件,，年均增長(zhǎng)13.8%,，自2016年以來(lái)，有關(guān)碳纖維的專利呈下降態(tài)勢(shì)[1],，而且下降速度較快,，可能與市場(chǎng)飽和有關(guān)，也有可能與2020年以來(lái)的新冠疫情有關(guān),，或者兼而有,。

　　2. 主要競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)在中國(guó)、美國(guó),、日本等國(guó)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(chǎng)的分布，一般情況是,，市場(chǎng)需求越大,、競(jìng)爭(zhēng)越激烈，布局的專利越多,。從圖中可以看出,，申請(qǐng)量最多的為中國(guó)，反應(yīng)出在中國(guó)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈,，其次是美國(guó)和日本,，歐洲專利局和世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織這兩大國(guó)際組織是研制主體競(jìng)相采取的跨國(guó)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(yáng)、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(yáng),、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(guó)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(guó)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(guó)際專利分類對(duì)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(shí)期出現(xiàn)的重要技術(shù)方向。對(duì)比各技術(shù)方向的發(fā)展趨勢(shì),，有助于識(shí)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(xiàng),，占比5.97%，碳纖維應(yīng)用工藝（B29C,、C08J）為6919項(xiàng),，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(xiàng),，航空航天具體應(yīng)用B64C、B64D合計(jì)為5401項(xiàng)）為17234項(xiàng),，占比65.49%,，可見(jiàn)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(shí)也說(shuō)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(guó)際專利分類對(duì)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(duì)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(guó)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(xiàng),。（需要說(shuō)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(lái)，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(lái)碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利的申請(qǐng)趨勢(shì)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(zhǎng)，年均專利數(shù)量不足350件,，自2011年開(kāi)始,，專利數(shù)量開(kāi)始突破400件，并持續(xù)保持該數(shù)量,，直至2020年才開(kāi)始明顯下降,。

　　圖5 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利歷年申請(qǐng)趨勢(shì)圖

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

　　圖6為碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利公開(kāi)地域分布情況,。從圖中可以看出，日本地域公開(kāi)的專利數(shù)量最多達(dá)到6361件,，中國(guó)地域公開(kāi)的專利量也達(dá)到3412件,，其次是美國(guó)和韓國(guó)，以及世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織,?？梢?jiàn)日本和中國(guó)是目前全球最大的先進(jìn)碳纖維材料市場(chǎng)國(guó)。

　　圖6 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利公開(kāi)地域分布圖

　　圖7為碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利公開(kāi)地域按時(shí)間分布趨勢(shì)圖,。布局地域?yàn)槿毡镜幕A(chǔ)相關(guān)專利在2001年-2015年專利公開(kāi)量始終保持較多,，保持絕對(duì)領(lǐng)先地位，在2016年開(kāi)始專利公開(kāi)量逐年減少，呈下降趨勢(shì),；布局地域?yàn)橹袊?guó)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(kāi)始逐漸增長(zhǎng),，到2012年躍過(guò)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(zhǎng)態(tài)勢(shì),；此外,，美國(guó)、韓國(guó),、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）和歐洲專利局（EPO）組織,，均在2012年后開(kāi)始出現(xiàn)明顯的專利增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在2017年之后均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),。

　　圖7 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利地域公開(kāi)趨勢(shì)圖

　　3. 東麗,、三菱麗陽(yáng)、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(qǐng)人排名情況,，從圖中可以看出,，日本東麗、日本三菱麗陽(yáng),、日本帝人,、中國(guó)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(guò)其他申請(qǐng)人,。

　　圖8 碳纖維基礎(chǔ)相關(guān)專利申請(qǐng)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(diǎn)

　　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(kāi)趨勢(shì)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(lái)專利申請(qǐng)量較為均衡，數(shù)量也最多,，說(shuō)明在設(shè)備方面一直是碳纖維發(fā)展的重點(diǎn),；對(duì)于“碳纖維的加工；配料的一般工藝過(guò)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(shuō)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(wú)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(kāi)始有較大增長(zhǎng),，說(shuō)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(kāi)趨勢(shì)圖

　　5. 自2016年以來(lái)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(shí)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(shuō)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(shì)，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(guó)內(nèi)布局分析

　　國(guó)內(nèi)碳纖維相關(guān)基礎(chǔ)專利共3480件,，去同族之后為3417項(xiàng)，圖11為2001年以來(lái)國(guó)內(nèi)碳纖維相關(guān)專利的趨勢(shì)圖,。

　　圖11 國(guó)內(nèi)碳纖維專利歷年申請(qǐng)趨勢(shì)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(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從22件,，增至154件,，年均增長(zhǎng)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(shì),，2016年以來(lái)，有關(guān)碳纖維的專利呈較快的下降態(tài)勢(shì),，可能與國(guó)內(nèi)市場(chǎng)飽和有關(guān),，也有可能與2020年以來(lái)的新冠疫情有關(guān)，或者兼而有,。

　　1. 中國(guó)境內(nèi)研發(fā)主體主要是高校,，而且有國(guó)際巨頭在中國(guó)布局大量專利

　　圖12反應(yīng)了國(guó)內(nèi)碳纖維領(lǐng)域研制主體情況，從圖中可以看出,，國(guó)內(nèi)東華大學(xué)在該領(lǐng)域相關(guān)專利申請(qǐng)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(guó)）有限公司占國(guó)內(nèi)碳纖維專利申請(qǐng)量的前五,，其中,，排名第1的東華大學(xué)專利申請(qǐng)量是排名第二的北京化工大學(xué)的兩倍多。除此之外,，我國(guó)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(yáng)公司等公司。

　　圖12 國(guó)內(nèi)碳纖維相關(guān)專利研制主體分布圖

　　2. 國(guó)內(nèi)相關(guān)研制主體2000年之后有長(zhǎng)足的進(jìn)步,，但是與國(guó)際巨頭相比仍有巨大差距

　　圖13為國(guó)內(nèi)碳纖維主要研制主體專利申請(qǐng)量時(shí)間分布趨勢(shì),。東華大學(xué)在2008年-2020年專利公開(kāi)量始終保持較多，在國(guó)內(nèi)保持絕對(duì)領(lǐng)先地位,，在2016年開(kāi)始專利公開(kāi)量逐年減少,，呈下降趨勢(shì)；北京化工大學(xué)在國(guó)內(nèi)布局專利較早,，但是每年申請(qǐng)量相對(duì)較少,，2008年-2018年期間每年申請(qǐng)量緩慢增長(zhǎng)，2019年開(kāi)始每年申請(qǐng)量開(kāi)始逐年減少,。同時(shí),，日本帝人和三菱麗陽(yáng)在國(guó)內(nèi)布局相關(guān)專利時(shí)間較早，相比國(guó)內(nèi)江蘇恒神,、威海拓展,、中復(fù)神鷹等研制主體在國(guó)內(nèi)布局專利時(shí)間較晚，每年相關(guān)專利申請(qǐng)量較少,，增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)亦不明顯,。

　　圖13 國(guó)內(nèi)碳纖維主要專利研制主體分布圖

　　圖14展示了國(guó)內(nèi)碳纖維專利技術(shù)按IPC（國(guó)際專利分類）小類的公開(kāi)趨勢(shì)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(lái)較早的發(fā)展起來(lái)了,，一開(kāi)始專利申請(qǐng)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(guó)內(nèi)發(fā)展的高峰期；對(duì)于“碳纖維的加工,；配料的一般工藝過(guò)程及后處理（C08J）等”在2012年-2016年,，國(guó)內(nèi)專利數(shù)量顯著增加，并保持了較高的熱度，說(shuō)明在該階段國(guó)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(guó)內(nèi)得到了初步的發(fā)展,，在2012年-2016年在國(guó)內(nèi)得到了快速積累,；同時(shí)，“制作化學(xué)長(zhǎng)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(wú)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(guó)內(nèi)有較多專利積累的技術(shù)領(lǐng)域,。

　　圖14 國(guó)內(nèi)碳纖維專利技術(shù)按IPC分類公開(kāi)趨勢(shì)圖

　　圖15展示了國(guó)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(guó)內(nèi)主要研制主體的重要技術(shù)方向,。對(duì)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(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì),。從圖16可以看出，東華大學(xué)的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(diǎn)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(wú)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(diǎn)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(guó)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(guò)對(duì)碳纖維基礎(chǔ)專利及國(guó)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(diǎn)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(guó)的情況,，在2016年后,，有關(guān)碳纖維的專利呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在短期內(nèi)應(yīng)該會(huì)持續(xù)這種趨勢(shì),。

　　1. 從碳纖維技術(shù)的生命周期來(lái)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(guó)際相比我國(guó)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(duì)外經(jīng)營(yíng)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(méi)有一家國(guó)際性企業(yè),。

　　3. 從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)看,，對(duì)于碳纖維原材料、加工工藝的研究從2000年之后才開(kāi)始起步,，2008年之后才開(kāi)始以較高速度發(fā)展,，對(duì)比國(guó)外，相關(guān)技術(shù)在2001年之前就開(kāi)始發(fā)展,，與國(guó)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(guó)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(zhēng)取在局部技術(shù)領(lǐng)域填平差距。

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