基于专利分析的碳纤维汽车技术创新趋势研究①

单美玉 吴学彦 李彩霞 王戴尊 杨思思 李柏志③



基于专利分析的碳纤维汽车技术创新趋势研究①

单美玉②*吴学彦*李彩霞*王戴尊*杨思思*李柏志③*

(*吉林省科学技术信息研究所 长春 130033)(**吉林大学再生医学科学研究所 长春 130021)

对Innography专利数据库1973～2015年全球应用于汽车领域的碳纤维技术专利文献进行了统计分析，以了解目前汽车用碳纤维技术的创新研发态势、技术热点和竞争格局。分析表明：随着对汽车轻量化研究的逐渐深入，碳纤维材料的应用研究早已成为热门领域，2010年后，应用于汽车领域的碳纤维技术研究进入了快速发展阶段，研究较多的国家是中国、日本、德国、美国和韩国；中国的专利较多，但偏重于国内专利申请，具有雄厚研发实力的企业少，而德国、法国、日本、美国则更注重知识产权在全球的保护，形成自己的专利布局；核心专利数量不多，仅45件，其中大部分来自美国，美国掌握着大部分关键技术；目前碳纤维技术主要应用于汽车轮胎、摩擦材料、增强材料、成型制品、饰品和加热零部件等。

碳纤维， 汽车， 专利分析， 技术， 发展

0 引 言

碳纤维是含碳量超过90%的无机高分子纤维，具有强度高、重量轻、耐腐蚀、膨胀系数小、耐疲劳、无蠕变、比热和导电性介于金属和非金属之间等特性，因而能够应用在汽车领域。碳纤维在汽车领域的应用是首先从赛车开始的。碳纤维应用于汽车可使汽车轻量化，从而使汽车节能减排和提高稳定性、安全性。应用碳纤维复合材料的汽车主要集中在一些小批量的车型、较高级的轿车和某些赛车上。这些汽车的车体、底盘、发动机以及传动系统的相关部件会使用碳纤维性质的材料，并且随着相关新技术(如液态注塑、整体成型等)的不断开发，更加拓宽了碳纤维材料在汽车领域的应用范围。目前世界各大汽车企业如宝马、奔驰、丰田、斯巴鲁、福特等都在与碳纤维制造商如东丽、帝人、卓尔泰克、陶氏化学等企业合作，从而在很大程度上提高了汽车性能，降低了成本，这也很大程度上促进了碳纤维技术的研究与发展。本文通过专利分析对应用于汽车领域的碳纤维技术进行了跟踪，分析了汽车领域碳纤维技术的发展现状和创新趋势，以期为开拓碳纤维技术应用研究的思路提供参考。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本研究的数据来源于ProQuest Dialog公司推出的Innography专利检索分析数据库，其数据源包括：90多个国家和地区的专利；8000多万件全球专利数据；邓白氏商业数据；美国专利诉讼；美国商标数据等。本研究检索了截至2015年12月10日应用于汽车领域的碳纤维专利共3939件，这些专利由1172个组织机构、4682个发明人完成，涉及729个IPC小组。专利申请在44个国家和组织内实施。

1.2 分析方法

Innography是具有核心专利挖掘功能的专利分析软件，是基于网络的最新专利检索与分析平台。本研究应用了Innography和MS Excel等分析软件，研究结论通过运用专利分析图表法的定量分析和定性分析而得出。

1.3 检索策略

本文的检索是通过从专利数据库中题目和摘要中带有“碳纤维”检索词以及碳纤维所在IPC的专利总和中，查找出其中与“汽车”检索词相关的专利。其检索式为((@(abstract,title) (“carbon* fiber*” or “carbon* fibre*” or “nanocarbon fiber*” or “fibre* of carbon*” or “fiber* of carbon*” or “CFRP” or “CFRC” or “carboform” or “carbonfibre” or “carbonic fibre” or “FIBROUS CARBON”)) or (@meta IPC_D06M10140000) OR (@meta IPC_D06M01436000) or (@meta IPC_D06M10118000) OR (@meta IPC_C04B03583000) OR (@meta IPC_D01F00912000) OR (@meta IPC_D04H00142420) OR (@meta IPC_H01H00127000) OR (@meta IPC_D21H01350000) OR (@meta IPC_H01R03924000) OR (@meta IPC_D21H01350000)) and ((@(abstract,title) (“automobile” or “vehicle” or “automotive” or “car” or “auto” or “autocar” or “cars” or “truck” or “lorry” or “autotruck” or “camion” or “bus” or “microbus” or "minibus” or “tires” or “tire” or “tyre”)))。

2 全球汽车领域碳纤维专利分析

2.1 专利申请年度趋势

截至2015年12月10日，全球共申请应用于汽车领域的碳纤维专利3939件。图1表示的是近20年应用于汽车技术领域的碳纤维专利的逐年申请情况，由于专利的申请需要18～36个月的公开时间，2014～2015年的专利数量仅供参考。

图1 1996～2015年应用于汽车领域的碳纤维专利逐年申请情况

20世纪60年代末，碳纤维复合材料开始逐步走向商业化[1]。随着其技术的迅速发展，到了20世纪80年代，碳纤维复合材料开始进入了汽车的生产领域[2]。从图1中可以看出，2000年以前，应用于汽车领域的碳纤维专利数量发展缓慢，都在100件以下；2001～2010年呈现出加快发展的趋势，说明人们逐渐开始重视碳纤维复合材料在汽车领域的应用；从2011年以后，该领域的专利数量开始大幅度增加，碳纤维复合材料在汽车领域中的应用呈现迅速发展的好势头。据预测，2015～2017年碳纤维复合材料在汽车生产中的应用年均增长率高达31.5%，2017年全球汽车碳纤维市场容量将增至7885t，销售额将从2010年的1470万美元增加到2017年的9550万美元[3-5]。

2.2 专利在全球的研发分布

表1给出了应用于汽车领域的碳纤维专利发明的全球分情况。图2显示了碳纤维汽车全球研发分布情况。从表1看出，中国和日本的发明人申请专利数量最多，分别为1233件和1071件，可见该技术的研发主要集中在中国发明人和日本发明人；其次为德国发明人，535件；美国的专利发明人排在第四位，申请专利339件。可以看出，各国家在中国申请的专利数量与中国发明人(表1)申请的专利数量相比，有所增多。这说明，各个国家都加强了在华专利的保护，对我国的技术发展形成了严重的壁垒。德国则比较注重专利在全球的保护，德国发明人共申请专利535件(表1)，而德国专利的申请量则为304件(图2)，这表明德国至少是有231件专利在其他国家申请的，形成了较好的技术保护。

表1 全球发明人分布情况

2.3 主要发明人分析

图3显示的是该行业专利的主要发明人的专利申请情况。本研究检索到的专利共3939件，发明人共有4682位。从排名前20位的发明人来看，主要集中在日本、德国、美国和中国，其中日本的横滨橡胶公司和东丽株式会社在碳纤维在汽车上的应用占有绝对优势(如表2所示)；而中国的金泰和天久新材料公司在此领域也有着一定的成绩，在排名前20位发明人中分别排在第10和12位，说明我国在碳纤维汽车领域占有一席之地，并影响着该领域的发展。

图2 碳纤维汽车全球研发分布情况

2.4 竞争对手实力分析

图4展示了行业中排在前20位的机构专利申请与收入情况，其中的横坐标包括专利的数量、专利所跨的技术分类和专利引证；纵坐标为公司年收入、在全球的分支机构以及专利诉讼数量，通过以百分比的统计的计算为基础，进行了主要竞争对手势力分析。可以看出，德国和日本是把碳纤维应用于汽车的主要专利申请国家，排在前三位的机构分别是德国的保时捷(85件)、日本的东丽(67件)和日本的普利司通(64件)；另外还有德国的宝马、韩国的现代、日本的本田、美国的固特异、德国的戴姆勒、日本的丰田、日本的三菱化学、欧洲的空客集团和日本的横滨橡胶公司的相关专利也均超过了40件。

目前，保时捷已经开始计划买入一家德国碳纤维制造商25%的股份，说明将来保时捷将扩大对碳纤维材料的使用，使自己的产品更加轻量化。碳纤维材料逐渐开始在更广泛的汽车领域得到应用，使得各种汽车企业与碳纤维供应商的合作不断加强。德国西格里集团是全球最大的碳素石墨材料、复合物与相关产品制造商，而大众集团持有西格里碳素公司10%的股权，宝马集团与其大股东共持有该公司的一半股权，说明碳纤维材料与汽车的制造已经密不可分，碳纤维材料已逐渐深入汽车的各个领域[6-8]。

图3 主要发明人专利申请情况

发明人专利数量所属公司1ShujiTakahashi24日本横滨橡胶公司2KazuyukiKabe22日本横滨橡胶公司3YasuoMorikawa19日本横滨橡胶公司4TakaoManabe17日本东丽株式会社5HajimeKishi16日本东丽株式会社6GopalkrishnaPadmanabhan15美国Havco木制品制造商7PetteriValjus15通力公司8BrianGMorin14美国Innegrity纤维供应商9BrigitteDefoort14德国Astrium航空制造商10XIANGCHAODAI14重庆金泰航空工业公司11HaruhikoKondo13日本东丽株式会社12ZHONGYUANXIAO13天久新材料公司13WalterKevinWestgate13美国固特异轮胎14AndreasKienzle12德国奥迪公司15MarioMeggiolan11意大利Campagnolo自行车制造商16WalterKrenkel11德国DLR汽车集团17Jean-MichelGeorges11法国国营航空发动机研究制造公司18HideoTakeichi11日本普利司通公司19ToshihikoMuneto11日本东曹公司

图4 主要竞争对手实力情况

机构名称申请专利数年收入(美元)1保时捷汽车(PorscheAutomobilHoldingSE)85222,066,000,000.002东丽株式会社(TorayIndustries,Inc.)6715,652,102,570.003普利司通(BridgestoneCorporation)6435,074,334,530.004宝马汽车(BayerischeMotorenWerkeAG)4986,329,000,000.005现代汽车(HyundaiMotorCompany)4882,401,400,000.006本田汽车(HondaMotorCo.,Ltd.)4599,002,900,000.007固特异轮胎(TheGoodyearTire&RubberCompany)4418,138,000,000.008戴姆勒股份公司(DaimlerAG)44137,664,320,000.009丰田汽车(ToyotaMotorCorporation)42226,525,034,833.0010三菱化学公司(MitsubishiChemicalHoldingsCorp.)4129,390,205,600.0011空客集团(AirbusGroupN.V.)4165,173,000,000.0012横滨橡胶公司(TheYokohamaRubberCompany,0Limited)403,836,600,000.0013住友株式会社(SumitomoRubberIndustries,Ltd.)374,467,500,000.0014通力公司(KONECorporation)237,060,028,280.0015日清株式会社(NissinKogyoCo.,Ltd.)221,855,291,200.0016日产汽车(NissanMotorCo.,Ltd.)2087,633,900,000.0017赛峰集团(SafranSA)1820,154,950,000.0018美国陶氏化学(TheDowChemicalCompany)1858,167,000,000.0019帝人公司(TeijinLimited)187,330,348,960.0020新日铁住金公司(NipponSteel&SumitomoMetalCorporation)1746,004,900,000.00

表3是排在前20位主要公司的专利数量和年收入列表，可以作为图3的补充参考。

2.5 主要技术研发领域

通过对全球碳纤维汽车领域专利的IPC检索，共检索出736 IPC小组，图5为碳纤维汽车领域专利数量排名前20位的IPC情况。从图5和表4中可以看出，碳纤维汽车技术主要集中在B部、C部和F部。其中B60C 9/00、F16D 69/00、B29C 70/00和B62D 25/00领域的专利均超过了百件，专利数量最多，是主要发展技术领域；其次是C08J 5/00、B62D 29/00、C04B 35/00和B60N 2/00领域的专利数量较多，占有一定的发展空间。

2.6 核心专利分析

Innography软件为了能够快速地帮助用户找到技术的核心专利，独创出了专利强度这个专利评价指标。通过对专利强度的分析，可以判断出关键技术的分布情况。

图5 专利申请技术领域情况

序号IPC小组专利数量(件)中文注释1B60C9/00112充气轮胎的增强层或帘布层配置2F16D69/00111摩擦衬片、其连接、相互作用的摩擦材料或表面的选择3B29C70/00109成型复合材料,即含有增强材料、填料或预成型件(例如嵌件)的塑性材料4B62D25/00103车身上部机构部件,例如侧板、门柱等5C08J5/0089含有高分子物质的制品或成形材料的制造6B62D29/0076以合成材料为特点的车上部结构7C04B35/0071以成分为特征的陶瓷成型制品或陶瓷组合物8B60N2/0067专门适用于车辆的座椅或相关布置9F16D65/0054制动器的零件或部件10B60R13/0053用于车身精修、标志或装饰的构件11D06M101/0052被处理的纤维、纱、线、织物或由这些材料制成的纤维制品的化学成分12C09K3/0049不包含在其他类目中的材料13B60C15/0040胎沿14H05B3/0040欧姆电阻加热的零部件等15C08L23/0038只有1个碳-碳双键的不饱和脂族烃的均聚物或共聚物的组合物的衍生物的组合物16B32B5/0036以非同质性或物理结构薄层为特征的层状产品17C08L77/0036由在主链中形成羧酸酰胺键合反应得到的聚酰胺的组合物18B60L5/0034电动车辆电源线路的集电器19B60B21/0033轮辋20B62D21/0032车架

通过对碳纤维汽车技术领域的专利强度分析，可以找到关于碳纤维汽车技术领域的核心专利45件，从近20几年的逐年申请数量上来看(如图6)，1999年以前的1995年和1996年是该技术领域核心专利研发的高峰期，说明人们开始深入了对碳纤维复合材料在汽车领域的研发与应用，并在1999年最低谷后的2001年，核心专利数量达到最多，人们开始广泛的在汽车制造的各个领域应用碳纤维复合材料，而不仅限于赛车领域。

图6 核心专利逐年申请情况

从核心专利的研发国家来看(如图7)，碳纤维汽车领域的核心专利基本都来自于美国，说明美国在该技术领域处于绝对优势，具有国际领先水平。

图7 各国核心专利申请情况

从核心专利的专利权人来看(如图8)，美国Havco木制品制造商(Havco Wood Products LLC, Missouri)掌握的核心专利最多，其次是Campagnolo自行车制造商(Campagnolo SRL)和赛峰集团(Safran SA)。说明这三家公司在碳纤维汽车技术领域占有领导优势，并指引着技术的发展方向。

图8 核心专利主要申请机构

3 结 论

从对全球应用于汽车领域碳纤维技术的专利分析可以看出，从20世纪末期开始，汽车领域的碳纤维技术逐渐发展起来，尤其是2010年以后，进入了快速发展阶段，并在近几年仍保持着强劲的发展势头。研究汽车领域碳纤维技术较多的国家主要集中在中国、日本、德国、美国和韩国，其中中国和日本的专利较多。中国的专利虽然较多，但具有雄厚研发实力的企业却较少，都偏重于国内专利的申请，而德国、法国、日本、美国等则更注重知识产权在全球的保护，形成自己的专利布局。例如保时捷汽车、东丽株式会社、普利司通、宝马汽车等国际级企业都拥有着大量汽车领域碳纤维技术的专利，并创造出了不菲的年收入。从汽车领域使用碳纤维的技术分类来看，目前的碳纤维技术主要应用于汽车的轮胎、摩擦材料、增强材料、成型制品、饰品、加热零部件等领域。随着人们对碳纤维技术深入研究，在汽车的应用领域也逐渐扩大，其创新产品也逐渐增多。而从汽车领域的碳纤维核心技术来看，其核心专利的数量却不多，只有45件，其中大部分来自美国。这说明虽然美国的专利不是最多，却掌握着大部分的关键技术。掌握核心技术最多的Havco制造商、Campagnolo制造商和赛峰集团在碳纤维汽车技术领域则占有领导优势，有着良好的技术创新基础。

我国是汽车数量增长最快的国家，迫在眉睫的低碳生活要求我们重视对汽车技术的创新工作。所以我国应该发挥具有雄厚碳纤维研究实力的优势，加大对汽车碳纤维技术的投入与研发，积极创新汽车碳纤维复合材料的生产工艺，促进国内汽车行业制造商与碳纤维企业合作，以使我国的汽车碳纤维产业得到快速发展。

[1] 益小苏. 先进树脂基复合材料高性能化理论与实践. 北京:国防工业出版社, 2011. 1-7

[2] 张以河,李桂珍,王怀楚. 汽车用复合材料的研究和应用. 工程塑料应用,1999,27(2):34-36

[3] 竺铝涛. 汽车用碳纤维复合材料的发展历程及应用. 上海汽车, 2013,11:52-55

[4] 郑佳,党蓓. 从专利角度分析国内外碳纤维之发展. 新材料产业, 2014,08:7-14

[5] 竺铝涛. 汽车用碳纤维复合材料的发展历程及应用. 上海汽车, 2013,11:52-55

[6] 于今,陈虹,张婧等. 日本碳纤维复合材料在汽车领域应用的新进展. 高科技纤维与应用, 2013,06:49-54

[7] 张方超,杨建忠,乔卉等. 碳纤维及其复合材料在汽车行业的应用及展望. 合成纤维, 2013,06:26-29

[8] 俞璦权,卢联. 碳纤维复合材料在汽车行业的应用. 上海汽车, 2013,07:48-52

Study of the trends of carbon fiber technology applications to automotive engineering based on patent analysis

Shan Meiyu*, Wu Xueyan*, Li Caixia*, Wang Daizun*, Yang Sisi*, Li Baizhi**

(*Institute of Scientific and Technical Information of Jilin Province, Changchun 130033) (**Institute of Frontier Medical Science, Jilin University, Changchun 130021)

A statistical analysis of the Innography database’s global patents of carbon fiber technologies applied to automobile engineering from 1973 to 2015 is conducted to study the current innovative development trends, technical focuses and competition situation of the carbon fiber R&D for automotive manufacturing. The conclusions of the analysis are given below: since 2010, with the deepening of light weight vehicle development, the research on carbon fiber applications achieves fast advancement, and the countries of China, Japan, Germany, United States and South Korea are in the lead in the research; China has more patents compared to other countries, but most of the patents are domestic applications, and has few enterprises with strong R&D capabilities, while Germany, France, Japan and United States have formed their own global patent distribution, and pay attention to property right protection; key patents are less, just 45, and most of them are from United States; Currently, carbon fiber technologies are mainly applied to the fields of tires, friction materials, reinforced materials, shaping products and heating parts.

carbon fiber, automobile, patent analysis, technology, development

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.01.007

① 吉林省科技厅软课题(20140312010ZG)资助项目。

�，E-mail: zhoulj@istic.ac.cn(

2015-10-14)

② 女，1980年生，硕士；研究方向：专利分析，区域经济，科技情报研究；E-mail: xueyu_4994@163.com