从专利角度分析国内外碳纤维之发展

郑佳 党蓓

碳纤维（Carbon fiber）是一种含碳量超过90%的高强度、高模量纤维状高分子材料，一般是由母体纤维（聚丙烯腈或粘胶丝等）在1 000～3 000℃高温的惰性气体下经过碳化和石墨化等工艺制得。在制备过程中，除碳以外的其他元素几乎完全被除掉，只留下片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌。因此，碳纤维既具有碳材料的强抗拉力，又具有纤维材料的柔软可加工性。“轻而硬”、“轻而强”的特点使其在航空航天、汽车、能源与储能以及文体用品等领域具有广泛的应用前景。据相关机构统计，2009年碳纤维复合材料的全球需求价值约为108亿美元，预计到2015年该数值将增至186亿美元。如此巨大的市场前景以及在军工领域的关键作用，使碳纤维早已成为全球炙手可热、具有政治敏感性的关键新材料。

从1959年美国联合碳化物公司（Union Carbide Corporation）以粘胶丝为原料制备碳纤维，到1961年日本大阪工业技术实验所和日本东丽公司（Toray）相继开发和改进聚丙烯腈基碳纤维，再到1965年以后日本群马大学和美国联合碳化物公司分别成功开发沥青基碳纤维，几十年来，全球碳纤维领域的关键技术一直被日本和美国的公司所垄断。其中，日本东丽公司、日本东邦特奈克丝公司（Toho Rayon）和日本三菱人造丝公司（Mitsubishi Rayon）表现最为突出，这3家公司碳纤维的产能之和约占全球总产能的78%。作为目前全球最大、最领先的碳纤维生产商，东丽公司不仅在碳纤维原丝领域具有很强的垄断地位，更是在航空航天领域居于绝对领导地位，是波音公司长期的最稳定也是最主要的供货商。除此之外，美国的赫克赛尔公司（Hexcel）、美国阿莫科公司（Amoco）、美国阿克苏公司（AKZO）、美国卓尔泰克公司（Zoltek）、美国阿尔迪拉公司（Aldili）、德国西格里公司（SGL）、中国台湾的台塑公司以及新近发展起来的韩国Hyosung公司、印度Kemrock公司、土耳其AKSA公司和沙特阿拉伯的Sabic公司等也是碳纤维领域的有力竞争者。纵观全球，碳纤维领域竞争可说是异常激烈。

我国在碳纤维方面的研究工作可以追溯到20世纪60年代，与世界几乎同步。然而经过几十年的发展，我国碳纤维在生产和使用方面可以说仍处于起步阶段，与国外先进水平存在巨大差距，大致相当于国外20世纪80年代的水平。国内碳纤维的产量不到全球碳纤维总产量的1%，而国内碳纤维的用量90%以上依赖进口。受到国产原丝质量低等因素的制约，国内碳纤维产品主要以小丝束低档产品为主，产品强度低、均匀性和稳定性较差。国内碳纤维生产企业也普遍存在规模小、主要以加工原丝为主、缺乏核心竞争力等短期内难以改变的问题。另外，碳纤维被视为重要的战略物资，2005年后国外对华实施严格的禁运，此举更是严重制约了我国碳纤维产业的发展。为了改变落后局面，满足国内军工和民用产品对高性能碳纤维的需求，我国政府在《国家战略性新兴产业发展“十二五”规划》中对包括碳纤维在内的高性能纤维产品进行了立项和重点部署，提出要积极研制高性能、高质量的碳纤维产品。众多碳纤维研究项目或千吨级产业化项目纷纷启动。2010年，由国家碳纤维工程技术研究中心、碳纤维制备及工程化国家工程实验室和碳纤维制备技术国家工程实验室提议的“碳纤维及其复合材料产业技术创新战略联盟”（简称“碳纤维联盟”）在北京正式成立。吉林省和山西省还相继建立了吉林国家碳纤维高新技术产业化基地和山西太钢高端碳纤维基地。这些都标志着随着政府对碳纤维在国民经济中的重要性的认知度越来越高，我国碳纤维产业链条下的科技研发即将呈现出快速发展的势头。

然而必须清醒地认识到，我国在制备高性能碳纤维以及发展相关下游产品方面还有很长很艰难的路要走。经过多年的发展，当我国企业终于实现T300级碳纤维及其原丝的国产化时，面对的却是以日本公司为首的国外碳纤维企业的恶意降价倾销，降价比例高达50%，此举无疑给我国企业带来了沉重打击。此外，以日本东丽公司为代表的国外领先企业根据市场发展的需求，已决定逐步淘汰T300级碳纤维，转而发展抗拉伸强度达到4 000～5 000MPa、价格却与T300级碳纤维基本相当的新品种。鉴于大丝束碳纤维性价比较高，国外企业也开始发展大丝束碳纤维，如T600s、T700s、T700G等，这些对整体实力还相对较弱的我国碳纤维企业来说也是严峻的挑战。国外领先企业对技术和设备严格保密，通过以市场为导向的知识产权保护策略、“内外交错”的专利申请布局不断强化其在全球的垄断地位。我国碳纤维企业不仅要在技术上竭力追赶，还要注意在技术布局与产品研发之前规避潜在的知识产权纠纷和随之而来的巨大损失。

因此，本文跟据汤森路透公司（Thomson Reuters）开发的专利数据库（Derwent Innovations Index，DII）所收录公开的碳纤维专利数据，借助TDA专利分析软件（Thomson data analyzer）、excel等工具，对国内外碳纤维相关专利进行分析，从专利的角度揭示国内外在碳纤维发展方面的区别或差距，以期为我国政府、科研院所和企业制定碳纤维发展计划、选择技术发展路线和进行专利布局等提供重要依据。

一、碳纤维技术专利全球态势分析

1.全球专利数量逐年变化情况

图1显示了全球碳纤维技术专利数量逐年变化情况。从1966年第一件碳纤维专利出现到2014年7月11日，DII专利数据库中共检索到已公开的碳纤维专利30 897件。由于专利公开日期和專利数据加工进入数据库日期与专利申请日期相比一般存在十几个月的滞后，因此2013年和2014年的专利实际数量应大于图中所显示的数量，在这里仅供参考，不予讨论。

1991年之前，全球碳纤维专利数量较少，每年保持在在几件到十几件的水平。随着碳纤维技术研发的不断深入，以及全球对其市场潜力认知度的不断提升和知识产权保护意识的不断加强，从20世纪90年代开始，碳纤维专利数量进入快速增长阶段。尽管个别年份（如2002年和2003年）碳纤维专利数量出现小幅下降，但整体仍呈现快速发展的态势。到2012年，申请量达到历史最高的4 559件。从专利数量的直观表现不难看出，全球碳纤维技术研发与产业开拓一直保持很高的热情，相关企业和科研院所没有因为一时的技术瓶颈或一时的经济困境而大规模退出该领域的竞争。由此可以推断从全球范围来看，未来相当长一段时间内碳纤维技术仍然会是受到热烈关注且竞争激烈的焦点所在。

2.全球专利国家（地区）分布情况

碳纤维技术领域的专利申请遍及全球40多个国家、地区和国际组织，专利数量排名前9的优先权国家如图2所示。一般情况下专利申请人会优先选择在本国进行申请，然后再向其他国家递交专利申请，因此专利优先权可以粗略反映其所在国家技术创新与市场开发的综合水平。碳纤维技术研发比较活跃的国家主要有中国、日本、美国、韩国和德国。这5个国家的专利数量占到了全球专利总量的94%。

值得注意的是，优先权国家为中国的专利数量为12 173件，超过日本排名全球第1。作为全球碳纤维技术领域的领导者，日本掌握着碳纤维领域众多核心技术与设备，并拥有东丽、东邦、三菱等业内一流企业，其专利数量多不难理解。而优先权国家为中国的专利数量远远超过日本，可能的原因有：一是其他国家十分看重中国碳纤维市场，为了获取巨大的商业利益而在中国大量申请专利积极进行布局；二是中国企业在本土申请了大量专利，但考虑到中国碳纤维技术与产品现状，如此巨大的专利数量背后可能是良莠不齐的专利质量。

为了进一步研究中国专利数量如此之多的原因，笔者统计了优先权国家为中国的排名前20的专利权人，结果如表1所示。排名前20的专利权人全部来自中国国内，其中12个为中国本土企业和科研院所，8个为个人。其专利数量占据了中国专利总量的15%以上。由此可见，在中国申请的碳纤维专利绝大多数来自本土研发力量。随着中国社会对碳纤维重视程度不断提升，各相关机构投入了大量的人力物力，研发热情高涨专利申请呈现快速发展态势。同时也可以看到，由于与国外领先企业存在巨大技术差距，国外领先企业在中国进行专利布局的热情并不高。

二、碳纤维技术专利中日美对比分析

1.中日美专利数量与研发活跃度

图3对比了中美日3国碳纤维技术专利数量逐年变化情况。前文中已经提到1991年之前全球碳纤维专利数量较少，因此三者的差别主要体现在20世纪90年代以后。1996年开始，日本碳纤维专利数量率先进入快速增长阶段，并且很快就达到年均500件的较高水平，遥遥领先于当时的中国和美国。日本在碳纤维领域每年500件左右的专利数量一直保持到现在。由此可见，日本不仅在该领域起步最早，发展最也为持久，直到现在都保持着很高的研发热情和成果产出。美国碳纤维专利数量在1995年以后也呈现明显上升趋势，但较之日本的飞速发展，美国的发展显得更为循序渐进。到2012年，美国年公开专利数量也达到500件左右，和日本水平相当。由此不难看出，美国在碳纤维领域也一直保持着较高的研发热情，且研发水平和成果产出仍处在一个不断提升的过程中。相比于日本和美国，中国起步较晚，但发展速度十分惊人。2005年和2006年，中国每年的碳纤维专利数量先后超过日本和美国，2012年当年的专利数量就超过2 500件。由此可见，在全社会的高度重视下，中国碳纤维技术领域研发热情空前高涨。不过正如前文所提，在提高专利数量的同时，一定要切实提高专利的质量，这对促进中国碳纤维产业的发展具有十分重要的意义。

2.中日美技术布局与发展趋势

由各国在主要技术分支领域的专利申请情况（表2）可知，日本几乎在各技术分支领域都具备很强的研发实力。其中碳纤维生产设备方面（D01F）的专利数量最多，为1 425件，其次是高分子方面（C08L），1 103件。不过日本在电热方面（H05B）的专利数量明显少于其他技术分支领域，说明日本在这方面重视程度不高。与日本不同，美国的研发侧重点十分突出，在薄层产品（B32B）和成型及后处理方面（B29C）的专利数量明显高于其他技术分支领域。中国与日本相似，在各技术分支领域专利数量都比较多，在各方面比较均衡。其中在薄层产品方面（B32B）的专利数量最多。值得注意的是，在中国，电热方面（H05B）的专利数量较多，排名第二，而日本和美国对这个方向的关注度都不高。表3-5揭示了中、日、美3国在主要技术分支领域的发展趋势。2000年之后，中国在各技术分支领域的专利数量一直呈增长趋势，在薄层产品（B32B）、电热（H05B）、高分子（C08L）等方面增长更为迅速。而1996年之后，日本在各技术分支领域的专利数量已达到一个较高的水平，之后没有明显的增长趋势，但一直保持在这一较高的水平。而美国在大多数技术分支领域专利数量不高，且没有明显增长。唯独在在薄层产品（B32B）和成型及后处理方面（B29C）的专利数量较高，且近几年仍不断发展。

三、碳纤维技术主要竞争机构分析

1.专利数量排名

如表6所示，在碳纤维技术领域，日本企业表现强劲。排名前18的機构中，日本企业就占据了半壁江山。其中排名前3位全是日本企业，分别是东丽公司、三菱公司和东邦公司，三者的专利数量远多于其他企业和高校。排名前18的机构中，还有2家美国企业、2家韩国企业、1家德国企业。值得一提的是1家中国企业和2家中国高校也进入了该项排名，说明中国相关机构在碳纤维技术领域已经开始占据一席之地。

2.技术布局

表7显示了全球排名前3的机构与中国排名前3的机构的专利布局情况。可以看出，全球排名前3的机构（东丽、三菱和东邦）专利布局十分相似，研究重点集中在碳纤维生产设备（D01F）和碳纤维产品处理（D06M）方面，在其它领域也有所涉猎。哈尔滨工业大学和东华大学在各技术领域都有所研究，专利数量分布比较均衡，但都不是很多。河南科信电缆有限公司研究集中在电缆方面（H01B），在其他方面几乎没有专利申请。

3.全球專利布局

全球排名前3的机构与中国排名前3的机构除了在技术布局上有所差别之外，在全球专利布局上更是有很大的不同，如表8所示。东丽公司、三菱公司和东邦公司在全球许多国家都进行了专利布局。比如东丽公司在日本本土、中国、韩国、加拿大、美国、俄罗斯以及中国台湾地区都申请了专利。三菱公司和东邦公司也在多个国家积极进行专利布局。表明这些国外领先企业十分重视海外市场，对产品在海外的销售非常乐观也极为看重。相反，中国机构的所有专利均是在本土申请。中国机构没有在全球进行专利布局的原因一方面可能是知识产权保护意识不强，但另一方面也很有可能是产品质量和技术水平不高，对海外市场预期并不乐观。这也说明中国碳纤维相关研究机构与国外领先企业在技术开发水平和知识产权保护程度上仍存在较大差距。

四、结语

从对国内外碳纤维技术的专利分析可以看出，从20世纪90年代开始，全球碳纤维专利数量进入快速增长阶段，并且未来相当长一段时间内全球碳纤维技术研发与产业开拓将继续保持很高的热情。碳纤维技术研发比较活跃的国家主要有中国、日本、美国、韩国和德国。日本、美国等长期掌握着碳纤维领域的核心技术与关键设备，专利数量多不难理解。而中国由于近些年全社会对碳纤维重视程度不断提升，专利申请呈现快速发展态势，2006年以后已超过日本和美国，专利数量排名全球第1。然而由于与国外领先企业存在巨大技术差距，国外领先企业在中国进行专利布局的热情并不高。因此中国飞速发展的专利数量绝大多数来自本土研发机构。与国外领先企业积极在全球进行专利布局截然不同，中国本土机构几乎只在中国国内申请专利。也就是说无论是技术开发水平还是知识产权保护程度，中国本土机构与国外领先机构之间仍存在较大差距。中国与日美等国在技术布局上也有明显区别。日本几乎在各技术分支领域都具备很强的研发实力，特别是碳纤维生产设备方面。美国研发则明显集中于薄层产品和产品成型及后处理方面。在中国专利数量很多的电热方面，日本和美国的关注度都不高。国外领先企业研究重点集中在碳纤维生产设备和碳纤维产品处理方面，而中国机构的研究重点要么集中在单一产品的应用方面比如电缆，要么在各方面都有所研究但实力都不突出。

针对当前国内外碳纤维发展的现状与趋势，切实提高核心技术的竞争力是重中之重。当前我国各界对碳纤维的重视程度和扶持力度已经很高，且也取得了相当突出的成效，比如T300级碳纤维的国产化，再比如专利数量的飞速增长。国外领先企业在中国布局还不是很积极，虽然意味着我国的技术可能比较落后，但也不失为一个很好的机遇。从我国军工和民用的实际需求出发，大力推进科研院所的基础科研，力争在核心技术与设备上取得关键性的突破。同时积极推动企业的技术研发和产业化进程，打造完整的碳纤维产业链，加强在我国以及全球的专利布局等等，这些都是推动我国碳纤维产业健康顺利发展的关键所在。