單美玉 吳學(xué)彥 李彩霞 王戴尊 楊思思 李柏志③

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基于專利分析的碳纖維汽車技術(shù)創(chuàng)新趨勢研究①

單美玉②*吳學(xué)彥*李彩霞*王戴尊*楊思思*李柏志③*

(*吉林省科學(xué)技術(shù)信息研究所 長春 130033)(**吉林大學(xué)再生醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所 長春 130021)

對Innography專利數(shù)據(jù)庫1973～2015年全球應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維技術(shù)專利文獻(xiàn)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，以了解目前汽車用碳纖維技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)態(tài)勢、技術(shù)熱點和競爭格局。分析表明：隨著對汽車輕量化研究的逐漸深入，碳纖維材料的應(yīng)用研究早已成為熱門領(lǐng)域，2010年后，應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維技術(shù)研究進(jìn)入了快速發(fā)展階段，研究較多的國家是中國、日本、德國、美國和韓國；中國的專利較多，但偏重于國內(nèi)專利申請，具有雄厚研發(fā)實力的企業(yè)少，而德國、法國、日本、美國則更注重知識產(chǎn)權(quán)在全球的保護(hù)，形成自己的專利布局；核心專利數(shù)量不多，僅45件，其中大部分來自美國，美國掌握著大部分關(guān)鍵技術(shù)；目前碳纖維技術(shù)主要應(yīng)用于汽車輪胎、摩擦材料、增強(qiáng)材料、成型制品、飾品和加熱零部件等。

碳纖維， 汽車， 專利分析， 技術(shù)， 發(fā)展

0 引 言

碳纖維是含碳量超過90%的無機(jī)高分子纖維，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐疲勞、無蠕變、比熱和導(dǎo)電性介于金屬和非金屬之間等特性，因而能夠應(yīng)用在汽車領(lǐng)域。碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用是首先從賽車開始的。碳纖維應(yīng)用于汽車可使汽車輕量化，從而使汽車節(jié)能減排和提高穩(wěn)定性、安全性。應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的汽車主要集中在一些小批量的車型、較高級的轎車和某些賽車上。這些汽車的車體、底盤、發(fā)動機(jī)以及傳動系統(tǒng)的相關(guān)部件會使用碳纖維性質(zhì)的材料，并且隨著相關(guān)新技術(shù)(如液態(tài)注塑、整體成型等)的不斷開發(fā)，更加拓寬了碳纖維材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。目前世界各大汽車企業(yè)如寶馬、奔馳、豐田、斯巴魯、福特等都在與碳纖維制造商如東麗、帝人、卓爾泰克、陶氏化學(xué)等企業(yè)合作，從而在很大程度上提高了汽車性能，降低了成本，這也很大程度上促進(jìn)了碳纖維技術(shù)的研究與發(fā)展。本文通過專利分析對應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維技術(shù)進(jìn)行了跟蹤，分析了汽車領(lǐng)域碳纖維技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和創(chuàng)新趨勢，以期為開拓碳纖維技術(shù)應(yīng)用研究的思路提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源于ProQuest Dialog公司推出的Innography專利檢索分析數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)源包括：90多個國家和地區(qū)的專利；8000多萬件全球?qū)＠麛?shù)據(jù)；鄧白氏商業(yè)數(shù)據(jù)；美國專利訴訟；美國商標(biāo)數(shù)據(jù)等。本研究檢索了截至2015年12月10日應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維專利共3939件，這些專利由1172個組織機(jī)構(gòu)、4682個發(fā)明人完成，涉及729個IPC小組。專利申請在44個國家和組織內(nèi)實施。

1.2 分析方法

Innography是具有核心專利挖掘功能的專利分析軟件，是基于網(wǎng)絡(luò)的最新專利檢索與分析平臺。本研究應(yīng)用了Innography和MS Excel等分析軟件，研究結(jié)論通過運用專利分析圖表法的定量分析和定性分析而得出。

1.3 檢索策略

本文的檢索是通過從專利數(shù)據(jù)庫中題目和摘要中帶有“碳纖維”檢索詞以及碳纖維所在IPC的專利總和中，查找出其中與“汽車”檢索詞相關(guān)的專利。其檢索式為((@(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 “l(fā)orry” or “autotruck” or “camion” or “bus” or “microbus” or "minibus” or “tires” or “tire” or “tyre”)))。

2 全球汽車領(lǐng)域碳纖維專利分析

2.1 專利申請年度趨勢

截至2015年12月10日，全球共申請應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維專利3939件。圖1表示的是近20年應(yīng)用于汽車技術(shù)領(lǐng)域的碳纖維專利的逐年申請情況，由于專利的申請需要18～36個月的公開時間，2014～2015年的專利數(shù)量僅供參考。

圖1 1996～2015年應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維專利逐年申請情況

20世紀(jì)60年代末，碳纖維復(fù)合材料開始逐步走向商業(yè)化[1]。隨著其技術(shù)的迅速發(fā)展，到了20世紀(jì)80年代，碳纖維復(fù)合材料開始進(jìn)入了汽車的生產(chǎn)領(lǐng)域[2]。從圖1中可以看出，2000年以前，應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維專利數(shù)量發(fā)展緩慢，都在100件以下；2001～2010年呈現(xiàn)出加快發(fā)展的趨勢，說明人們逐漸開始重視碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用；從2011年以后，該領(lǐng)域的專利數(shù)量開始大幅度增加，碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用呈現(xiàn)迅速發(fā)展的好勢頭。據(jù)預(yù)測，2015～2017年碳纖維復(fù)合材料在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用年均增長率高達(dá)31.5%，2017年全球汽車碳纖維市場容量將增至7885t，銷售額將從2010年的1470萬美元增加到2017年的9550萬美元[3-5]。

2.2 專利在全球的研發(fā)分布

表1給出了應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的碳纖維專利發(fā)明的全球分情況。圖2顯示了碳纖維汽車全球研發(fā)分布情況。從表1看出，中國和日本的發(fā)明人申請專利數(shù)量最多，分別為1233件和1071件，可見該技術(shù)的研發(fā)主要集中在中國發(fā)明人和日本發(fā)明人；其次為德國發(fā)明人，535件；美國的專利發(fā)明人排在第四位，申請專利339件。可以看出，各國家在中國申請的專利數(shù)量與中國發(fā)明人(表1)申請的專利數(shù)量相比，有所增多。這說明，各個國家都加強(qiáng)了在華專利的保護(hù)，對我國的技術(shù)發(fā)展形成了嚴(yán)重的壁壘。德國則比較注重專利在全球的保護(hù)，德國發(fā)明人共申請專利535件(表1)，而德國專利的申請量則為304件(圖2)，這表明德國至少是有231件專利在其他國家申請的，形成了較好的技術(shù)保護(hù)。

表1 全球發(fā)明人分布情況

2.3 主要發(fā)明人分析

圖3顯示的是該行業(yè)專利的主要發(fā)明人的專利申請情況。本研究檢索到的專利共3939件，發(fā)明人共有4682位。從排名前20位的發(fā)明人來看，主要集中在日本、德國、美國和中國，其中日本的橫濱橡膠公司和東麗株式會社在碳纖維在汽車上的應(yīng)用占有絕對優(yōu)勢(如表2所示)；而中國的金泰和天久新材料公司在此領(lǐng)域也有著一定的成績，在排名前20位發(fā)明人中分別排在第10和12位，說明我國在碳纖維汽車領(lǐng)域占有一席之地，并影響著該領(lǐng)域的發(fā)展。

圖2 碳纖維汽車全球研發(fā)分布情況

2.4 競爭對手實力分析

圖4展示了行業(yè)中排在前20位的機(jī)構(gòu)專利申請與收入情況，其中的橫坐標(biāo)包括專利的數(shù)量、專利所跨的技術(shù)分類和專利引證；縱坐標(biāo)為公司年收入、在全球的分支機(jī)構(gòu)以及專利訴訟數(shù)量，通過以百分比的統(tǒng)計的計算為基礎(chǔ)，進(jìn)行了主要競爭對手勢力分析?？梢钥闯?，德國和日本是把碳纖維應(yīng)用于汽車的主要專利申請國家，排在前三位的機(jī)構(gòu)分別是德國的保時捷(85件)、日本的東麗(67件)和日本的普利司通(64件)；另外還有德國的寶馬、韓國的現(xiàn)代、日本的本田、美國的固特異、德國的戴姆勒、日本的豐田、日本的三菱化學(xué)、歐洲的空客集團(tuán)和日本的橫濱橡膠公司的相關(guān)專利也均超過了40件。

目前，保時捷已經(jīng)開始計劃買入一家德國碳纖維制造商25%的股份，說明將來保時捷將擴(kuò)大對碳纖維材料的使用，使自己的產(chǎn)品更加輕量化。碳纖維材料逐漸開始在更廣泛的汽車領(lǐng)域得到應(yīng)用，使得各種汽車企業(yè)與碳纖維供應(yīng)商的合作不斷加強(qiáng)。德國西格里集團(tuán)是全球最大的碳素石墨材料、復(fù)合物與相關(guān)產(chǎn)品制造商，而大眾集團(tuán)持有西格里碳素公司10%的股權(quán)，寶馬集團(tuán)與其大股東共持有該公司的一半股權(quán)，說明碳纖維材料與汽車的制造已經(jīng)密不可分，碳纖維材料已逐漸深入汽車的各個領(lǐng)域[6-8]。

圖3 主要發(fā)明人專利申請情況

發(fā)明人專利數(shù)量所屬公司1ShujiTakahashi24日本橫濱橡膠公司2KazuyukiKabe22日本橫濱橡膠公司3YasuoMorikawa19日本橫濱橡膠公司4TakaoManabe17日本東麗株式會社5HajimeKishi16日本東麗株式會社6GopalkrishnaPadmanabhan15美國Havco木制品制造商7PetteriValjus15通力公司8BrianGMorin14美國Innegrity纖維供應(yīng)商9BrigitteDefoort14德國Astrium航空制造商10XIANGCHAODAI14重慶金泰航空工業(yè)公司11HaruhikoKondo13日本東麗株式會社12ZHONGYUANXIAO13天久新材料公司13WalterKevinWestgate13美國固特異輪胎14AndreasKienzle12德國奧迪公司15MarioMeggiolan11意大利Campagnolo自行車制造商16WalterKrenkel11德國DLR汽車集團(tuán)17Jean-MichelGeorges11法國國營航空發(fā)動機(jī)研究制造公司18HideoTakeichi11日本普利司通公司19ToshihikoMuneto11日本東曹公司

圖4 主要競爭對手實力情況

機(jī)構(gòu)名稱申請專利數(shù)年收入(美元)1保時捷汽車(PorscheAutomobilHoldingSE)85222,066,000,000.002東麗株式會社(TorayIndustries,Inc.)6715,652,102,570.003普利司通(BridgestoneCorporation)6435,074,334,530.004寶馬汽車(BayerischeMotorenWerkeAG)4986,329,000,000.005現(xiàn)代汽車(HyundaiMotorCompany)4882,401,400,000.006本田汽車(HondaMotorCo.,Ltd.)4599,002,900,000.007固特異輪胎(TheGoodyearTire&RubberCompany)4418,138,000,000.008戴姆勒股份公司(DaimlerAG)44137,664,320,000.009豐田汽車(ToyotaMotorCorporation)42226,525,034,833.0010三菱化學(xué)公司(MitsubishiChemicalHoldingsCorp.)4129,390,205,600.0011空客集團(tuán)(AirbusGroupN.V.)4165,173,000,000.0012橫濱橡膠公司(TheYokohamaRubberCompany,0Limited)403,836,600,000.0013住友株式會社(SumitomoRubberIndustries,Ltd.)374,467,500,000.0014通力公司(KONECorporation)237,060,028,280.0015日清株式會社(NissinKogyoCo.,Ltd.)221,855,291,200.0016日產(chǎn)汽車(NissanMotorCo.,Ltd.)2087,633,900,000.0017賽峰集團(tuán)(SafranSA)1820,154,950,000.0018美國陶氏化學(xué)(TheDowChemicalCompany)1858,167,000,000.0019帝人公司(TeijinLimited)187,330,348,960.0020新日鐵住金公司(NipponSteel&SumitomoMetalCorporation)1746,004,900,000.00

表3是排在前20位主要公司的專利數(shù)量和年收入列表，可以作為圖3的補充參考。

2.5 主要技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域

通過對全球碳纖維汽車領(lǐng)域?qū)＠腎PC檢索，共檢索出736 IPC小組，圖5為碳纖維汽車領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量排名前20位的IPC情況。從圖5和表4中可以看出，碳纖維汽車技術(shù)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領(lǐng)域的專利均超過了百件，專利數(shù)量最多，是主要發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域；其次是C08J 5/00、B62D 29/00、C04B 35/00和B60N 2/00領(lǐng)域的專利數(shù)量較多，占有一定的發(fā)展空間。

2.6 核心專利分析

Innography軟件為了能夠快速地幫助用戶找到技術(shù)的核心專利，獨創(chuàng)出了專利強(qiáng)度這個專利評價指標(biāo)。通過對專利強(qiáng)度的分析，可以判斷出關(guān)鍵技術(shù)的分布情況。

圖5 專利申請技術(shù)領(lǐng)域情況

序號IPC小組專利數(shù)量(件)中文注釋1B60C9/00112充氣輪胎的增強(qiáng)層或簾布層配置2F16D69/00111摩擦襯片、其連接、相互作用的摩擦材料或表面的選擇3B29C70/00109成型復(fù)合材料,即含有增強(qiáng)材料、填料或預(yù)成型件(例如嵌件)的塑性材料4B62D25/00103車身上部機(jī)構(gòu)部件,例如側(cè)板、門柱等5C08J5/0089含有高分子物質(zhì)的制品或成形材料的制造6B62D29/0076以合成材料為特點的車上部結(jié)構(gòu)7C04B35/0071以成分為特征的陶瓷成型制品或陶瓷組合物8B60N2/0067專門適用于車輛的座椅或相關(guān)布置9F16D65/0054制動器的零件或部件10B60R13/0053用于車身精修、標(biāo)志或裝飾的構(gòu)件11D06M101/0052被處理的纖維、紗、線、織物或由這些材料制成的纖維制品的化學(xué)成分12C09K3/0049不包含在其他類目中的材料13B60C15/0040胎沿14H05B3/0040歐姆電阻加熱的零部件等15C08L23/0038只有1個碳-碳雙鍵的不飽和脂族烴的均聚物或共聚物的組合物的衍生物的組合物16B32B5/0036以非同質(zhì)性或物理結(jié)構(gòu)薄層為特征的層狀產(chǎn)品17C08L77/0036由在主鏈中形成羧酸酰胺鍵合反應(yīng)得到的聚酰胺的組合物18B60L5/0034電動車輛電源線路的集電器19B60B21/0033輪輞20B62D21/0032車架

通過對碳纖維汽車技術(shù)領(lǐng)域的專利強(qiáng)度分析，可以找到關(guān)于碳纖維汽車技術(shù)領(lǐng)域的核心專利45件，從近20幾年的逐年申請數(shù)量上來看(如圖6)，1999年以前的1995年和1996年是該技術(shù)領(lǐng)域核心專利研發(fā)的高峰期，說明人們開始深入了對碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用，并在1999年最低谷后的2001年，核心專利數(shù)量達(dá)到最多，人們開始廣泛的在汽車制造的各個領(lǐng)域應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，而不僅限于賽車領(lǐng)域。

圖6 核心專利逐年申請情況

從核心專利的研發(fā)國家來看(如圖7)，碳纖維汽車領(lǐng)域的核心專利基本都來自于美國，說明美國在該技術(shù)領(lǐng)域處于絕對優(yōu)勢，具有國際領(lǐng)先水平。

圖7 各國核心專利申請情況

從核心專利的專利權(quán)人來看(如圖8)，美國Havco木制品制造商(Havco Wood Products LLC, Missouri)掌握的核心專利最多，其次是Campagnolo自行車制造商(Campagnolo SRL)和賽峰集團(tuán)(Safran SA)。說明這三家公司在碳纖維汽車技術(shù)領(lǐng)域占有領(lǐng)導(dǎo)優(yōu)勢，并指引著技術(shù)的發(fā)展方向。

圖8 核心專利主要申請機(jī)構(gòu)

3 結(jié) 論

從對全球應(yīng)用于汽車領(lǐng)域碳纖維技術(shù)的專利分析可以看出，從20世紀(jì)末期開始，汽車領(lǐng)域的碳纖維技術(shù)逐漸發(fā)展起來，尤其是2010年以后，進(jìn)入了快速發(fā)展階段，并在近幾年仍保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。研究汽車領(lǐng)域碳纖維技術(shù)較多的國家主要集中在中國、日本、德國、美國和韓國，其中中國和日本的專利較多。中國的專利雖然較多，但具有雄厚研發(fā)實力的企業(yè)卻較少，都偏重于國內(nèi)專利的申請，而德國、法國、日本、美國等則更注重知識產(chǎn)權(quán)在全球的保護(hù)，形成自己的專利布局。例如保時捷汽車、東麗株式會社、普利司通、寶馬汽車等國際級企業(yè)都擁有著大量汽車領(lǐng)域碳纖維技術(shù)的專利，并創(chuàng)造出了不菲的年收入。從汽車領(lǐng)域使用碳纖維的技術(shù)分類來看，目前的碳纖維技術(shù)主要應(yīng)用于汽車的輪胎、摩擦材料、增強(qiáng)材料、成型制品、飾品、加熱零部件等領(lǐng)域。隨著人們對碳纖維技術(shù)深入研究，在汽車的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大，其創(chuàng)新產(chǎn)品也逐漸增多。而從汽車領(lǐng)域的碳纖維核心技術(shù)來看，其核心專利的數(shù)量卻不多，只有45件，其中大部分來自美國。這說明雖然美國的專利不是最多，卻掌握著大部分的關(guān)鍵技術(shù)。掌握核心技術(shù)最多的Havco制造商、Campagnolo制造商和賽峰集團(tuán)在碳纖維汽車技術(shù)領(lǐng)域則占有領(lǐng)導(dǎo)優(yōu)勢，有著良好的技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)。

我國是汽車數(shù)量增長最快的國家，迫在眉睫的低碳生活要求我們重視對汽車技術(shù)的創(chuàng)新工作。所以我國應(yīng)該發(fā)揮具有雄厚碳纖維研究實力的優(yōu)勢，加大對汽車碳纖維技術(shù)的投入與研發(fā)，積極創(chuàng)新汽車碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，促進(jìn)國內(nèi)汽車行業(yè)制造商與碳纖維企業(yè)合作，以使我國的汽車碳纖維產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。

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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 吉林省科技廳軟課題(20140312010ZG)資助項目。

?，E-mail: zhoulj@istic.ac.cn(

2015-10-14)

② 女，1980年生，碩士；研究方向：專利分析，區(qū)域經(jīng)濟(jì)，科技情報研究；E-mail: xueyu_4994@163.com