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从专利角度分析国内外碳纤维之发展(上)
发布:haige__   时间:2015/5/3 19:55:25   阅读:779 
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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4000~5000MPa、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(ThomsonReuters)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专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。


图1  全球专利数量逐年分布情况(美编:专利数量/件)
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12173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。

图2  主要国家和地区专利数量分布美编:专利数量/件

表1  中国碳纤维技术领域主要专利权人分布
文/郑佳  党蓓(中国科学技术信息研究所)


来源:新材料在线
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