最近，一則新聞引起了業(yè)內(nèi)的廣泛談?wù)摚阂唤K商人前不久在美國(guó)購(gòu)買碳纖維，居然被美方懷疑是間諜而被扣留。碳纖維產(chǎn)品的特殊性由此可見一斑。因?yàn)閮?yōu)越的性能，碳纖維已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天、國(guó)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(guó)家概不外傳的“獨(dú)門秘籍”。

　　碳纖維制成的自行車。

　　在知識(shí)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(qǐng)專利對(duì)技術(shù)成果進(jìn)行知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。通過對(duì)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)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。今年3月，工信部起草發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)碳纖維行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》(以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》)就提出，需落實(shí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，大幅提升碳纖維生產(chǎn)工藝和復(fù)合材料專利的數(shù)量和質(zhì)量，緊密追蹤碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)？主流企業(yè)重點(diǎn)研究的碳纖維產(chǎn)品是什么？我國(guó)碳纖維企業(yè)又該如何追上世界一流企業(yè)的腳步？由國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)發(fā)明審查部編寫的《高性能纖維產(chǎn)業(yè)專利分析報(bào)告》(以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》)，或許能對(duì)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、芳香族聚酯纖維、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?qǐng)中，碳纖維占到71%。”《報(bào)告》課題組負(fù)責(zé)人、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)發(fā)明審查部副部長(zhǎng)張偉波介紹說，在全球碳纖維專利申請(qǐng)中，日本的申請(qǐng)量最大，占全球總申請(qǐng)量的42.9%；中國(guó)和美國(guó)次之，分別占16.2%和14.6%；排名第四的德國(guó)占7.4%。此外，碳纖維生產(chǎn)工藝領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量進(jìn)入全球排名前10位的都是日本申請(qǐng)人；而碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域申請(qǐng)量前10位中，有9位是日本申請(qǐng)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發(fā)展都要看日本的話，日本本國(guó)的碳纖維發(fā)展則要看東麗公司。作為世界最大的碳纖維制造商，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，覆蓋普通型、高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高強(qiáng)高模型。從1969年申請(qǐng)第一項(xiàng)關(guān)于碳纖維的專利至今，東麗在碳纖維方面共申請(qǐng)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)域的最高水平。”張偉波表示。

　　東麗為何能在碳纖維領(lǐng)域取得如此巨大的成就？《報(bào)告》課題組的專家們對(duì)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，東麗有近千名發(fā)明人參與了碳纖維研發(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、復(fù)合材料和應(yīng)用方向領(lǐng)域的研發(fā)人員規(guī)模相當(dāng)，有著對(duì)應(yīng)于全產(chǎn)業(yè)鏈的均衡分布。此外，東麗還注重復(fù)合型人才培養(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(chǎng)為導(dǎo)向的申請(qǐng)和投資策略。東麗的碳纖維復(fù)合材料在航空航天、工業(yè)應(yīng)用、體育休閑方面的專利申請(qǐng)量與其在這幾個(gè)方面的產(chǎn)能同步增長(zhǎng)。在前沿技術(shù)上，東麗與高校和研究所合作申請(qǐng)頻繁，如該公司與名古屋大學(xué)在氣相生長(zhǎng)碳纖維技術(shù)方面就有多項(xiàng)共同申請(qǐng)專利。

　　三是專利申請(qǐng)內(nèi)外交錯(cuò)的布局。東麗根據(jù)其技術(shù)輸出和占領(lǐng)市場(chǎng)的需要選擇輸出專利的國(guó)家，即在有對(duì)其構(gòu)成行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(qǐng)為主。

　　四是系列申請(qǐng)的強(qiáng)化保護(hù)。東麗在代表性碳纖維產(chǎn)品的相關(guān)工藝和應(yīng)用上均采用系列申請(qǐng)的方式強(qiáng)化保護(hù)。

　　吉林化纖公司的碳纖維原絲生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

　　反觀我國(guó)的碳纖維產(chǎn)業(yè)，與世界巨頭相比還有不小差距。目前，我國(guó)的碳纖維專利申請(qǐng)量位居世界第二。1985～1999年，申請(qǐng)量處于較低水平，從2000年開始年申請(qǐng)量增加到了百件以上，之后進(jìn)入迅猛增長(zhǎng)期，到2010年已達(dá)1908件，10年間增加了16倍。但是目前行業(yè)發(fā)展水平還是比較低。據(jù)介紹，目前，我國(guó)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。與國(guó)際先進(jìn)水平相比，國(guó)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(guó)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

　　通過具體分析在中國(guó)申請(qǐng)的碳纖維專利情況也可以看出端倪。在我國(guó)申請(qǐng)的專利中，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)占據(jù)了總量的77.7%，國(guó)外來華申請(qǐng)主要來自于日本和美國(guó)，分別占總量的9.8%和6.7%。

　　對(duì)此，張偉波解釋說，這一是由于我國(guó)碳纖維需求量和消費(fèi)量不斷增加，以及國(guó)外企業(yè)一直對(duì)我國(guó)碳纖維技術(shù)進(jìn)行封鎖，我國(guó)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(qǐng)量隨之持續(xù)增加；二是我國(guó)碳纖維技術(shù)還處于起步和研發(fā)階段，對(duì)來華銷售的國(guó)外企業(yè)還未構(gòu)成有效威脅，國(guó)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(guó)防領(lǐng)域，國(guó)外企業(yè)幾乎沒有對(duì)華出口高端碳纖維，因此他們對(duì)碳纖維產(chǎn)品在華的專利保護(hù)需求較少。

　　“目前，國(guó)內(nèi)碳纖維專利申請(qǐng)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(qǐng)量進(jìn)入前10位。這說明，在中國(guó)，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(duì)此，《指導(dǎo)意見》也明確提出，要落實(shí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，鼓勵(lì)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)建立碳纖維專利聯(lián)盟和專利池，大幅提升碳纖維生產(chǎn)工藝和復(fù)合材料專利的數(shù)量和質(zhì)量。

　　重點(diǎn)產(chǎn)品看PAN基

　　按原料劃分，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(yáng)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(guó)企業(yè)，產(chǎn)能約占世界產(chǎn)能的14%。

　　PAN基碳纖維全球市場(chǎng)份額分布圖(來源：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)發(fā)明審查部)

　　在涉及碳纖維生產(chǎn)工藝的專利申請(qǐng)中，以PAN為原料的申請(qǐng)也明顯高于用其他原料的申請(qǐng)。東麗、三菱麗陽(yáng)和東邦在此領(lǐng)域的專利申請(qǐng)規(guī)模有著持續(xù)超前的優(yōu)勢(shì)，目前其專利申請(qǐng)占有率已達(dá)全球申請(qǐng)量的85%。

　　2010年，我國(guó)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(guó)碳纖維消費(fèi)量的不斷增加，我國(guó)企業(yè)和研究院所也越來越關(guān)注PAN基碳纖維的發(fā)展。但國(guó)內(nèi)企業(yè)的申請(qǐng)量和授權(quán)量都較低，有些申請(qǐng)的有效率不高?！秷?bào)告》課題組組長(zhǎng)、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)發(fā)明審查部紡織化學(xué)處處長(zhǎng)沈璉告訴記者：“這說明國(guó)內(nèi)PAN基碳纖維技術(shù)尚處于研發(fā)階段。如何發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)從而獲得穩(wěn)定的授權(quán)，是國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人亟待解決的問題。”

　　《報(bào)告》顯示，在PAN基碳纖維中國(guó)申請(qǐng)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(guó)內(nèi)總申請(qǐng)量的52%。對(duì)此，沈璉解釋說，這是由于我國(guó)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)水平成為決定PAN基碳纖維技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素；加上生產(chǎn)碳纖維的原料丙烯腈屬于劇毒物質(zhì)，不方便長(zhǎng)途運(yùn)輸。

　　2015年我國(guó)碳纖維需求量預(yù)測(cè)(來源：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局化學(xué)發(fā)明審查部)

　　美國(guó)的PAN基碳纖維專利申請(qǐng)也具有明顯的本土優(yōu)勢(shì)，數(shù)量均大于別國(guó)。“美國(guó)、日本、歐洲的專利申請(qǐng)多數(shù)采用多邊申請(qǐng)策略，尋求在多國(guó)進(jìn)行專利布局。結(jié)合日本市場(chǎng)申請(qǐng)看，可以說PAN基碳纖維的眾多申請(qǐng)人具有很好的專利布局意識(shí)。”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，決定著碳纖維的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。尤其是聚合屬于PAN基碳纖維原絲制造的源頭，是基礎(chǔ)而重要的分支，對(duì)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(qǐng)量在近些年始終呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，從1964～1979年的53項(xiàng)，增長(zhǎng)到1996～2010年的238項(xiàng)。2005年以后，聚合分支也是我國(guó)的研究重點(diǎn)，申請(qǐng)量始終在各個(gè)分支中處于優(yōu)勢(shì)地位。這主要是由于對(duì)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)最多的前50件專利中，三菱麗陽(yáng)、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)立使用發(fā)揮某些功能，但它屬于脆性材料，伸長(zhǎng)率低，直接使用的情況較少，只有將它與基本材料牢固地結(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)用在復(fù)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?cè)絹碓街匾晫?duì)碳纖維下游產(chǎn)品的開發(fā)和保護(hù)，碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量也隨之陡然上升，使得應(yīng)用領(lǐng)域的申請(qǐng)遠(yuǎn)大于工藝領(lǐng)域的申請(qǐng)。據(jù)國(guó)家知識(shí)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?qǐng)量為40198項(xiàng)，占總量的82%；碳纖維生產(chǎn)工藝的全球申請(qǐng)量為8861項(xiàng)，占總量的18%。全球的碳纖維專利應(yīng)用申請(qǐng)量是工藝申請(qǐng)量的4.6倍。與全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)相同，碳纖維應(yīng)用方面的中國(guó)專利申請(qǐng)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生產(chǎn)工藝方面的申請(qǐng)量，是后者的6.7倍。“這說明，中國(guó)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(jí)應(yīng)用始于復(fù)合材料，而能夠形成競(jìng)爭(zhēng)和壟斷且極具市場(chǎng)價(jià)值的復(fù)合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上使用的碳纖維復(fù)合材料，用量不足機(jī)重的1%，種類也僅限于內(nèi)飾材料。到了后來的B787機(jī)型，復(fù)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中也大量采用了輕體復(fù)合材料。

　　碳纖維復(fù)合材料在大型民用飛機(jī)中的全球?qū)＠暾?qǐng)量為3692項(xiàng)，其中中國(guó)專利申請(qǐng)量為248件?！秷?bào)告》課題組通過對(duì)這些專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)量排名前10位的申請(qǐng)人分別對(duì)應(yīng)了在航空制造供應(yīng)鏈中的四大類主要參與者。闞泓表示：“這些參與者大量參與碳纖維復(fù)合材料的專利申請(qǐng)，通過上下游的配合研發(fā)，為穩(wěn)固他們?cè)诤娇罩圃飚a(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(cè)，世界碳纖維需求將以每年約13%的速度飛速增長(zhǎng)，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(guó)的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)與下游應(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)復(fù)合材料、中間材料及零部件，不斷滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展需求。