纖纖細(xì)絲如何編織產(chǎn)業(yè)大網(wǎng)

　　近，一則新聽引起了業(yè)內(nèi)的廣泛談?wù)摚阂唤K商人前不久在美國購買碳纖維，竟然被美方懷疑是間諜而被扣留。碳纖維產(chǎn)品的特別性由此可見一斑。因?yàn)閮?yōu)越的性能，碳纖維已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、國防、民用等領(lǐng)域。而一些高性能碳纖維產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)，則成為歐美國家概不外傳的“獨(dú)門秘籍”。

　　碳纖維制成的自行車。

　　在學(xué)問產(chǎn)權(quán)日益受到重視的今天，作為高新技術(shù)產(chǎn)品，碳纖維的生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)紛紛通過申請專利對技術(shù)成果進(jìn)行學(xué)問產(chǎn)權(quán)愛護(hù)。通過對相關(guān)的專利情況進(jìn)行分析，可以比較客觀地反映行業(yè)的進(jìn)展現(xiàn)狀和趨勢。今年3月，工信部起草公布的《關(guān)于加快推進(jìn)碳纖維行業(yè)延續(xù)健康進(jìn)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》(以下簡稱《指導(dǎo)意見》)就提出，需落實(shí)學(xué)問產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，大幅提升碳纖維生產(chǎn)工藝和貼合材料專利的數(shù)量和質(zhì)量，緊密追蹤碳纖維市場競爭和專利技術(shù)動向。那么眼下，是誰在主宰碳纖維市場？主流企業(yè)重點(diǎn)研究的碳纖維產(chǎn)品是什么？我國碳纖維企業(yè)又該如何追上一流企業(yè)的腳步？由國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)創(chuàng)造審查部編寫的《高性能纖維產(chǎn)業(yè)專利分析報告》(以下簡稱《報告》)，或許能對此作出解答。

　　追趕一流看日本

　　碳纖維的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)70年代的日本。“在碳纖維、芳香族聚酰胺纖維、芳香族滌綸、超高分子量聚乙烯纖維和芳雜環(huán)類聚合物纖維這5種高性能纖維的69974件專利申請中，碳纖維占到71%。”《報告》課題組負(fù)責(zé)人、國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)創(chuàng)造審查部副部長張偉波介紹說，在碳纖維專利申請中，日本的申請量大，占總申請量的42.9%；中國和美國次之，分別占16.2%和14.6%；排名第四的德國占7.4%。此外，碳纖維生產(chǎn)工藝領(lǐng)域?qū)＠暾埩窟M(jìn)入排名前10位的都是日本申請人；而碳纖維層壓材料領(lǐng)域申請量前10位中，有9位是日本申請人。

　　“這些數(shù)據(jù)很明顯地反映出，目前日本碳纖維企業(yè)具有一流的創(chuàng)新能力，在范圍內(nèi)已形成行業(yè)壟斷。”張偉波如是說。

　　如果說的碳纖維進(jìn)展都要看日本的話，日本本國的碳纖維進(jìn)展則要看東麗公司。作為大的碳纖維制造商，東麗的碳纖維年產(chǎn)能已達(dá)1.79萬噸，且產(chǎn)品種類齊全，覆蓋一般型、高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高強(qiáng)高模型。從1969年申請項(xiàng)關(guān)于碳纖維的專利至今，東麗在碳纖維方面共申請了1468項(xiàng)專利，其中得到授權(quán)的有79項(xiàng)。“東麗的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)代表了當(dāng)今碳纖維領(lǐng)域的高水平。”張偉波表示。

　　東麗為何能在碳纖維領(lǐng)域取得如此龐大的成績？《報告》課題組的專家們對此進(jìn)行了分析：

　　一是規(guī)模龐大的研發(fā)隊(duì)伍。自1969年以來，東麗有近千名創(chuàng)造人參和了碳纖維研發(fā)，成為公司一項(xiàng)重要的資源投入。而且，東麗在生產(chǎn)工藝、層壓材料和應(yīng)用方向領(lǐng)域的研發(fā)人員規(guī)模相當(dāng)，有著對應(yīng)于全產(chǎn)業(yè)鏈的均衡分布。此外，東麗還注重層壓型人才培養(yǎng)，過半的研發(fā)人員兼顧兩個以上的研發(fā)方向，以保證各環(huán)節(jié)研發(fā)的配合銜接。

　　二是以市場為導(dǎo)向的申請和投資策略。東麗的碳纖維層壓材料在航空航天、工業(yè)應(yīng)用、體育休閑方面的專利申請量和其在這幾個方面的產(chǎn)能同步增長。在前沿技術(shù)上，東麗和高校和研究所合作申請頻繁，如該公司和名古屋大學(xué)在氣相生長碳纖維技術(shù)方面就有多項(xiàng)共同申請專利。

　　三是專利申請內(nèi)外交錯的布局。東麗根據(jù)其技術(shù)輸出和占據(jù)市場的需要選擇輸出專利的國家，即在有對其構(gòu)成行業(yè)競爭的區(qū)域，或有企業(yè)期望通過許可實(shí)施其專利技術(shù)時，以多邊申請為主。

　　四是系列申請的強(qiáng)化愛護(hù)。東麗在代表性碳纖維產(chǎn)品的相關(guān)工藝和應(yīng)用上均采納系列申請的方式強(qiáng)化愛護(hù)。

　　吉林化學(xué)纖維公司的碳纖維原絲生產(chǎn)現(xiàn)場。

　　反觀我國的碳纖維產(chǎn)業(yè)，和巨頭相比還有不小差距。目前，我國的碳纖維專利申請量位居第二。1985～1999年，申請量處于較低水平，從2000年開始年申請量增加到了百件以上，之后進(jìn)入迅猛增長期，到2010年已達(dá)1908件，10年間增加了16倍。但是目前行業(yè)進(jìn)展水平還是比較低。據(jù)介紹，目前，我國碳纖維總產(chǎn)量在200噸左右，產(chǎn)品主要是小絲束，質(zhì)量不穩(wěn)定。和國際先進(jìn)水平相比，國產(chǎn)碳纖維由于原絲質(zhì)量等因素的制約，產(chǎn)品強(qiáng)度低，均勻性和穩(wěn)定性較差。而且，我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)缺少具有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

　　通過具體分析在中國申請的碳纖維專利情況也可以看出端倪。在我國申請的專利中，國內(nèi)申請占據(jù)了總量的77.7%，國外來華申請主要來自于日本和美國，分別占總量的9.8%和6.7%。

　　對此，張偉波解釋說，這一是由于我國碳纖維需求量和消費(fèi)量不斷增加，以及國外企業(yè)一直對我國碳纖維技術(shù)進(jìn)行封鎖，我國企業(yè)和研究院所越來越重視碳纖維生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，專利申請量隨之延續(xù)增加；二是我國碳纖維技術(shù)還處于起步和研發(fā)階段，對來華銷售的國外企業(yè)還未構(gòu)成有效威脅，國外企業(yè)來華進(jìn)行專利布局的迫切性還不夠；三是碳纖維涉及國防領(lǐng)域，國外企業(yè)幾乎沒有對華出口高端碳纖維，因此他們對碳纖維產(chǎn)品在華的專利愛護(hù)需求較少。

　　“目前，國內(nèi)碳纖維專利申請人的構(gòu)成主要是大學(xué)、研究院所和個人，沒有一家企業(yè)的申請量進(jìn)入前10位。這說明，在中國，企業(yè)還未成為碳纖維技術(shù)研發(fā)的主力，碳纖維技術(shù)的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化還有所欠缺。”張偉波說。

　　對此，《指導(dǎo)意見》也明確提出，要落實(shí)學(xué)問產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，鼓舞企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)建站碳纖維專利聯(lián)盟和專利池，大幅提升碳纖維生產(chǎn)工藝和貼合材料專利的數(shù)量和質(zhì)量。

　　重點(diǎn)產(chǎn)品看PAN基

　　按原材料劃分，碳纖維主要有聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基、黏膠基等幾種。PAN基碳纖維具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電等特點(diǎn)。在目前使用的高強(qiáng)型和超高強(qiáng)型碳纖維中，約90%為PAN基碳纖維，總生產(chǎn)能力已超過4萬噸。其中，日本東麗、三菱麗陽和東邦三大集團(tuán)的生產(chǎn)能力約占產(chǎn)能的75%；其次是美國企業(yè)，產(chǎn)能約占產(chǎn)能的14%。

　　PAN基碳纖維市場份額分布圖(來源：國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)創(chuàng)造審查部)

　　在涉及碳纖維生產(chǎn)工藝的專利申請中，以PAN為原材料的申請也明顯高于用其他原材料的申請。東麗、三菱麗陽和東邦在此領(lǐng)域的專利申請規(guī)模有著延續(xù)超前的優(yōu)勢，目前其專利申請占有率已達(dá)申請量的85%。

　　2010年，我國碳纖維消費(fèi)量為5000噸，約占總消費(fèi)量的15.6%。隨著我國碳纖維消費(fèi)量的不斷增加，我國企業(yè)和研究院所也越來越關(guān)注PAN基碳纖維的進(jìn)展。但國內(nèi)企業(yè)的申請量和授權(quán)量都較低，有些申請的有效率不高?！秷蟾妗氛n題組組長、國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)創(chuàng)造審查部面料化學(xué)到處長沈璉告知記者：“這說明國內(nèi)PAN基碳纖維技術(shù)尚處于研發(fā)階段。如何進(jìn)展關(guān)鍵技術(shù)從而獲得穩(wěn)定的授權(quán)，是國內(nèi)申請人亟待解決的問題。”

　　《報告》顯示，在PAN基碳纖維中國申請人排名前10位的省市中，沿海較多，北京、上海、吉林、江蘇、山西位居前5位，占國內(nèi)總申請量的52%。對此，沈璉解釋說，這是由于我國碳纖維技術(shù)整體處于研發(fā)階段，科研院所的數(shù)量和能力以及化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)水平成為決策PAN基碳纖維技術(shù)進(jìn)展的關(guān)鍵因素；加上生產(chǎn)碳纖維的原材料丙烯腈屬于劇毒物質(zhì)，不方便長途運(yùn)輸。

　　2015年我國碳纖維需求量預(yù)測(來源：國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)創(chuàng)造審查部)

　　美國的PAN基碳纖維專利申請也具有明顯的本土優(yōu)勢，數(shù)量均大于別國。“美國、日本、歐洲的專利申請多數(shù)采納多邊申請策略，尋求在多國進(jìn)行專利布局。結(jié)合日本市場申請看，可以說PAN基碳纖維的眾多申請人具有很好的專利布局意識。”沈璉說。

　　PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝中的聚合、紡絲以及成碳熱處理，決策著碳纖維的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。特別是聚合屬于PAN基碳纖維原絲制造的源頭，是基礎(chǔ)而重要的分支，對于碳纖維生產(chǎn)的質(zhì)量及穩(wěn)定性有較大影響。因此，PAN基碳纖維的聚合專利申請量在近些年始終呈現(xiàn)快速增長趨勢，從1964～1979年的53項(xiàng)，增長到1996～2010年的238項(xiàng)。2005年以后，聚合分支也是我國的研究重點(diǎn)，申請量始終在各個分支中處于優(yōu)勢地位。這主要是由于對共聚單體進(jìn)行改進(jìn)能獲得高取向、低缺陷、高強(qiáng)度的PAN基碳纖維。

　　而從專利被引用的頻次看，在PAN基碳纖維的聚合技術(shù)領(lǐng)域，被引用次數(shù)多的前50件專利中，三菱麗陽、東麗、東邦、塞拉尼斯占了72%，且存在相互交叉引用。沈璉表示，這說明作為制備碳纖維基礎(chǔ)的PAN聚合的重要技術(shù)也都集中在大公司手中，并且相互之間存在技術(shù)依賴。

　　掌控未來看應(yīng)用

　　碳纖維雖然可以通過獨(dú)站使用發(fā)揮某些功能，但它屬于脆性材料，伸長率低，直接使用的情況較少，只有將它和基本材料牢固地結(jié)合在一起，才能體現(xiàn)出其優(yōu)異的力學(xué)性能，使之更好地承載負(fù)荷。因此，碳纖維主要應(yīng)用在貼合材料中做增強(qiáng)材料，起到承載負(fù)荷的作用。

　　2000年之后，人們越來越重視對碳纖維下游產(chǎn)品的開發(fā)和愛護(hù)，碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的專利申請量也隨之陡然上升，使得應(yīng)用領(lǐng)域的申請遠(yuǎn)大于工藝領(lǐng)域的申請。據(jù)國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查員闞泓介紹，碳纖維應(yīng)用的專利申請量為40198項(xiàng)，占總量的82%；碳纖維生產(chǎn)工藝的申請量為8861項(xiàng)，占總量的18%。的碳纖維專利應(yīng)用申請量是工藝申請量的4.6倍。和專利申請趨勢相同，碳纖維應(yīng)用方面的中國專利申請量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生產(chǎn)工藝方面的申請量，是后者的6.7倍。“這說明，中國碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域在急劇擴(kuò)大，進(jìn)一步導(dǎo)致需求量上升。”闞泓說。

　　碳纖維的初級應(yīng)用始于貼合材料，而能夠形成競爭和壟斷且極具市場價值的層壓材料則集中在航空制造業(yè)。據(jù)悉，波音公司早期機(jī)型B737上使用的碳纖維貼合材料，用量不足機(jī)重的1%，種類也僅限于內(nèi)部裝飾材料。到了后來的B787機(jī)型，貼合材料取代鋁合金結(jié)構(gòu)成為飛機(jī)的首選主結(jié)構(gòu)材料，其用量占到機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50%。緊隨其后，空客在A350和A320中也大量采納了輕體貼合材料。

　　碳纖維貼合材料在大型民用飛機(jī)中的專利申請量為3692項(xiàng)，其中中國專利申請量為248件?！秷蟾妗氛n題組通過對這些專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)覺，申請量排名前10位的申請人分別對應(yīng)了在航空制造供應(yīng)鏈中的四大類主要參和者。闞泓表示：“這些參和者大量參和碳纖維層壓材料的專利申請，通過上下游的配合研發(fā)，為穩(wěn)固他們在航空制造產(chǎn)業(yè)鏈中的地位打下了基礎(chǔ)。”

　　應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，需求也必將增加。據(jù)相關(guān)部門預(yù)測，碳纖維需求將以每年約13%的速度飛速增長，碳纖維的需求量在2012年達(dá)到6萬噸，在2018年將達(dá)到10萬噸。因此，張偉波建議，我國的碳纖維產(chǎn)業(yè)進(jìn)展應(yīng)和下游應(yīng)用相結(jié)合，注重下游產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，重點(diǎn)圍繞民用航空、汽車、建筑工程、海洋工程、電力輸送、油氣開采和機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域需求，開發(fā)各種形態(tài)的碳纖維增強(qiáng)層壓材料、中間材料及零部件，不斷滿足經(jīng)濟(jì)和社會的進(jìn)展需求。

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