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)品的非常性由此可見一斑。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)連續(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(dòng)向。那么眼下，是誰在主宰全球碳纖維市場？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)又該如何追上世界一流企業(yè)的腳步？由國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)制造審查部編寫的《高性能纖維產(chǎn)業(yè)專利分析報(bào)告》(以下簡稱《報(bào)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件全球?qū)＠暾堉校祭w維占到71%。”《報(bào)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)制造審查部副部長張偉波介紹說，在全球碳纖維專利申請中，日本的申請量大，占全球總申請量的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)入全球排名前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)具有世界一流的創(chuàng)新能力，在全球范圍內(nèi)已形成行業(yè)壟斷。”張偉波如是說。
如果說全球的碳纖維進(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。作為世界大的碳纖維制造商，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(bào)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，東麗有近千名制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(gè)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(gè)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(cuò)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(shí)，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)，和世界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世界第二。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)，專利申請量隨之連續(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(gè)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，世界總生產(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)能力約占世界產(chǎn)能的75%；其次是美國企業(yè)，產(chǎn)能約占世界產(chǎn)能的14%。
PAN基碳纖維全球市場份額分布圖(來源：國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)制造審查部)
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)模有著連續(xù)超前的優(yōu)勢，目前其專利申請占有率已達(dá)全球申請量的85%。
2010年，我國碳纖維消費(fèi)量為5000噸，約占世界總消費(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?bào)告》課題組組長、國家學(xué)問產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)制造審查部織物化學(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(bào)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)制造審查部)
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。非常是聚合屬于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(gè)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)用的全球?qū)＠暾埩繛?0198項(xiàng)，占總量的82%；碳纖維生產(chǎn)工藝的全球申請量為8861項(xiàng)，占總量的18%。全球的碳纖維專利應(yīng)用申請量是工藝申請量的4.6倍。和全球?qū)＠暾堏厔菹嗤?，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(jià)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)中的全球?qū)＠暾埩繛?692項(xiàng)，其中中國專利申請量為248件?！秷?bào)告》課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，世界碳纖維需求將以每年約13%的速度飛速增長，碳纖維的全球需求量在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(huì)的進(jìn)展需求。
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