基于專利分析的我國復合材料發展研究

曲 偉，儲開宇，趙久蘭

(1.華北電力大學科學技術處，河北 保定 071003)(2.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071003)

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基于專利分析的我國復合材料發展研究

曲 偉1，儲開宇2，趙久蘭2

(1.華北電力大學科學技術處，河北 保定 071003)(2.華北電力大學機械工程系，河北 保定 071003)

曲 偉

首先，概述了美、英、日等發達國家復合材料在航空航天、汽車工程等領域的發展現狀，指出了我國在復合材料發展和應用領域存在的部分問題。然后，通過在國家知識產權局專利數據庫查詢復合材料關鍵字，獲得我國復合材料領域內專利申請和授權數據。利用專利信息分析法，分別從年度分布、主要申請人、技術態勢3個方面揭示出我國復合材料的發展現狀及研發熱點。最后，對比了我國相比其他國家復合材料發展的優勢和劣勢,為我國復合材料相關領域的技術創新和未來發展提出了建議。

復合材料；發展現狀；專利；技術態勢；研發熱點

1 前 言

復合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的多相材料，包括增強相和基體相，可以克服單一組元的缺陷，發揮各組元材料的優點。一般復合材料所具備的性能有：比強度和比模量高、抗疲勞和破斷安全性好、高溫性能優良以及減震性能好[1]。現代工業的發展離不開復合材料的推動，尤其是在航空航天等高精尖技術密集行業，復合材料的身影時刻可見。國外發達國家對復合材料的研究比較早，技術比較成熟，在許多領域，都已實現產業化，取得顯著經濟效益。大量的工業實踐表明復合材料科學的發展，不僅能夠推動科學技術的進步，而且對于國家綜合國力的提高也發揮著重要的作用[1]。

2 國外復合材料發展現狀概述

進入21世紀以來，全球復合材料市場快速增長，2007年，全世界復合材料年產量達550萬t；2009年全球復合材料的產量約900萬t；2013年全球復合材料年消費量約870萬t，價值770億歐元；2015年復合材料的年產值已高達1300億美元以上。到2010年，亞太地區的復合材料產量占全球的38%，達到800萬t。在中國，復合材料的起步較晚，從20世紀50年代開始，發展緩慢，到80年代增長率僅為13%，但是近十年卻有了突破性的發展，2012年我國的復合材料產量高達400萬t。以應用最為廣泛的碳纖維復合材料為例，2007年以來，我國碳纖維的產能快速增加，截止2014年產量由200 t增加到2600 t，占全球產量12.6萬t的2.1%，比2010年不足1%有了較大增長[2-8]。

2.1 航空航天領域

在軍用航空航天領域，“美國空軍2025年展望”中將材料與工藝列為空中六大高效力技術之一。美國輕型偵查攻擊直升機RAH-66，復合材料用量約50%；殲擊機F-22先進復合材料的用量達25%；軍用直升機達到50%，如V-22復合材料占總重的45%左右。美國“全球鷹”碳纖維復合材料無人偵察機，復合材料占65%；“太陽神”碳纖維復合材料無人機，主承力機構采用碳纖維復合材料；X-45系列碳纖維復合材料無人機，復合材料用量45%。俄羅斯的第5代戰斗機S-37中，在前掠式機翼、彎曲進氣道等機構中大量采用復合材料，將有效載荷提高20%～25%，生產成本降低40%～60%；法德合作研制的虎式武裝直升機，復合材料用量高達80%；歐洲A400M軍用運輸機復合材料約占結構件重量40%，機翼部位碳纖維復合材料所占比例高達85%[9-13]。在國內，是從20世紀70年代開始研究復合材料在航空航天領域的應用。軍機方面，在90年代前我國飛機上的復合材料比例不到10%，例如殲11-B重型戰機的機翼、垂直尾翼和水平尾翼等部位采用了復合材料，占飛機結構的9%；殲-10戰斗機水平尾翼和鴨翼上采用碳纖維復合材料，比例約為10%。但是最近研究成果中，我國戰斗機J-20上的復合材料達到20%，目標用量29%，有望超過美國的F-22水平；武裝直升機直9、直10的復合材料用量都在35%以上，新研制的武裝直升機用量目標為50%；2013年，中國“雷鳥”碳纖維復合材料無人機，機身和機翼為全碳纖維復合材料[14]。總體而言，軍用航空航天領域，我國復合材料的應用規模已經接近世界最高水平，但應用水平還有待提高。

在民用航空航天領域，2003年美國科學院發布的《面向21世紀國防需求的材料》研究報告中指出，在未來的20～30年內，唯一能使飛行器性能提升20%～25%的只有復合材料[15]。2011～2020年，全球范圍內可望增加12400架飛機，新飛機上的復合材料質量占比約為54%[16]。2013年6月，空客研制的新型超寬體A-350XWB客機試飛成功，復合材料用量高達53%；波音公司的B747復合材料的用量達到近50%，并應用在主承力結構上；2015年，龐巴迪宇航公司的里爾85型噴氣機，是第一架全復合材料結構的私人飛機，它具有出眾的比強度，維修成本減少，使用年限延長。在國內，我國10年前的發展是較為緩慢的，在2008年，客機ARJ21上的復合材料用量僅為2%；上海大型客機C919復合材料用量在13%。但隨著國家對復合材料的重視，其在民用航空航天領域的應用也越來越廣泛。我國B77-200民用飛機上應用了我國自行研制的碳纖維復合材料剎車預制件，其性能已全面達到國外水平；2014年中國航展上中國自主知識產權的領世AG300亮相，整機復合材料用量超過90%；2015年我國首款電動輕型運動飛機“銳翔”，是我國第一個具有自主知識產權的電動清潔能源、全復合材料輕型運動飛機。

2.2 汽車工業領域

在歐洲、美國及日本等汽車制造業發達的國家，高性能復合材料已在汽車工業得到廣泛應用。目前，復合材料越來越多地被用于汽車車身覆蓋件、內裝飾件、外裝飾件、結構件和功能件的開發與制造[17-21]。在歐洲，復合材料在奔馳、大眾、沃爾沃等汽車公司的各種車型中大量應用。在美國，復合材料的應用令通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司以及Mack、Aerostar等重型車生產商受益匪淺。在日本，豐田及五十鈴等公司在復合材料的研究與應用上，處于領先地位。一汽大眾的奧迪A6的SMC后保險杠緩沖梁、GMT后備箱、BMC車燈反射罩、GMT前端模塊以及寶來的GMT前端模塊都應用了復合材料。還包括雪鐵龍M59的SMC雙層車頂，RENAULT公司的MEGANE車型的SMC后箱蓋，梅賽德斯奔馳的車門板等等。在國內，汽車工業是我國的重要產業，而復合材料在我國汽車工業的應用可追溯到20世紀50年代，主要表現為玻璃鋼在大型客車上的應用。在結構件與功能件方面，南汽的MG7的SMC車頂骨架、東風雪鐵龍的標致的LFT前端模塊、上海通用的凱瑞系列GMT后排座椅骨架、奇瑞汽車的東方之子GMT保險杠緩沖梁均采用復合材料制備。在車身外覆蓋件方面，東風雪鐵龍的標致的翼子板、大眾的EOS的行李箱蓋均應用了復合材料。在內飾方面，上海汽車榮威系列的LFT底部導流板、海南馬自達6的LFT車門內板、東風雪鐵龍富康的SMC擾流板、上海大眾帕斯特B5的GMT蓄電池托架以及斯柯達的LFT儀表板等均是采用復合材料[22]。而我國首輛具有自主知識產權的碳纖維新能源汽車奧新e25緊湊型A級車于2015年在江蘇鹽城下線，比一般汽車要減重50%，降低單位里程能耗，提高了動力和續航能力。

2.3 其他領域

在建筑領域，復合材料主要應用于橋梁、道路以及房屋等方面[23]。在國外，意大利米蘭國際機場的新喜來登酒店內部的裝飾就是采用的復合材料；新加坡的藝術科技博物館也采用了輕質復合材料；2014年，英國北威爾士地區豎起開合式復合材料新型橋梁；2015年，日本人成功研制出了高強輕量木質建筑物用復合材料，稱使用強度為鋼鐵的10倍，擬于2018年實現在建筑物上的應用。在國內，我國在建筑領域擁有巨大的復合材料市場，我國在人民大會堂、天安門城樓、北京工人體育場、軍事博物館、京沈高速公路、北京地鐵隧道、北京國貿立交橋、中石油輸油管道等重要的機構加固材料都采用了碳纖維布及碳纖維復合材料板；上海世博會中的埃及館和捷克館的入口處曲面造型都采用了復合材料；2014年，天津卡本復合材料有限公司在橋梁預應力碳纖維板加固取得新突破。

在船舶領域，美國是最早應用復合材料制造船舶的國家。此外，日本、英國和意大利等國在船舶領域對復合材料的研究應用也非常廣泛，都有了非常大突破[24-25]。英國VTHalmatic船艦制造商制造了熱塑性塑料船底DUC，瑞典采用夾層復合材料技術建造高速軍用艇和巡邏艇。譬如，Baltic公司的超級游艇、巴拿馬超級雙桅船等，其技術水平和船舶性能非常優越；美國采用多種復合材料輕量化技術生產的AH-100-P氣墊船，具有重量輕、能耗低等優點。瑞典的Smype號是第一艘復合材料隱形試驗艇，其水平在世界處于領先地位。國內的船舶領域，是在20世紀60年代開始復合材料在船舶上的應用。2008年深圳海斯比設計建造的SDI388全復合材料高速艇成功下水，該公司開發的HPI500超高速巡邏艇為我國的國防安全做出了重大貢獻[24]。近幾十年，我國創新研制的船用鈦合金和仿制的鈦合金已經形成我國船用鈦合金體系。總而言之，我國船舶領域的復合材料應用發展迅速[25]。

風能是清潔環保和可再生能源，在國外，東麗、Zoltek等企業針對風力市場的特殊需求，推出了專用的碳纖維材料產品，Gurit、Hexcel等產品制造商開發了葉片專用碳纖維預浸料。目前，丹麥Vestas、美國GE、西班牙Gamesa等公司正在采用碳纖維復合材料生產風機葉片，而我國僅有連云港中復復合材料有限公司和中材科技風電葉片股份有限公司實現了碳纖維在風電葉片的規模化應用[26]。

體育休閑領域也是復合材料應用較為廣泛的領域，尤其是在復合材料發展的早期階段。在國外，自行車、釣魚竿、沖浪板、滑雪板、高爾夫球桿、羽毛球拍和網球拍等體育器材上的復合材料所占比例很大，尤其是高爾夫球桿已經實現碳纖維化。在國內，中國臺灣大力發展復合材料產業，形成了一批創新能力突出、市場競爭力強的復合材料高技術企業群。近幾年，我國東南沿海地區復合材料發展迅速。統計資料表明，截止到2013年，世界上有60%的復合材料高爾夫球桿、釣魚竿等體育休閑用品產自中國大陸[14]，而我國的碳纖維復合材料60%都用在體育休閑領域。2010年，國內此領域的碳纖維復合材料的需求量是6000 t，到2015年為1.7萬t；2014年，我國首支碳纖維復合材料標槍成功問世[27]。煙臺威海光威集團有限責任公司號稱是世界上最大的復合材料釣魚竿廠；江蘇連云港神鷹新材料有限責任公司復合材料自行車年產10萬輛。在醫學領域，復合材料尤其是碳纖維材料具有不吸收X射線的優良特性以及優良的力學性能，通常用碳纖維制造X光機及矯形支架等，并且其在纖維增強的骨粘合劑、人工關節、人工骨和骨夾板骨釘方面因其優良性能得到廣泛應用[1]。

近10年來復合材料在全球范圍內發展迅猛，雖然我國對復合材料的研究起步較晚，但是國家非常重視復合材料在各領域的應用研究，鼓勵產業自主創新，不僅在規模上和數量上實現了復合材料的飛速發展，同時在創新先進復合材料方面不斷取得突破。隨著科學技術，尤其是高精尖技術的發展，對新型復合材料性能提出了更高的要求，復合材料的發展趨勢也在向智能化、環保型、創新型等方面發展[28-30]。為了深入研究我國復合材料的發展現狀，為我國復合材料產業的發展助力，基于準確數據的復合材料技術和產業分析必不可少。據世界知識產權的統計，全世界的技術創新成果90%以上會出現在專利文獻中[31]，各個領域的技術發展動向和最新研究熱點都可以從專利信息中獲得[32-36]。因此，本論文的研究工作從專利信息的角度，分析我國復合材料的發展現狀，挖掘未來復合材料的研發和應用熱點方向，對于提高我國復合材料的研究和應用水平，乃至提高我國工業化水平和綜合國力具有重要的指導意義。

3 我國復合材料相關技術熱點分析

3.1 專利申請總體態勢分析

專利數量能反映一個地區的創新活力、專利意識以及對專利的關注程度，從行業技術創新活動程度和知識儲備水平評估資源優勢[29]。國內的專利分為發明、實用新型、外觀設計3種。通常發明專利申請要在申請之日起18個月后公開，所以2014、2015年專利申請量并不能反映實際水平，故此兩年數據僅作為參考，我們將不再對此兩年進行分析和討論。通過查詢國家知識產權專利數據庫，查詢日期為2015年11月22日，發現從1985年到2013年期間，專利申請共50109件，其中申請發明專利為37646件，實用新型專利11605件，外觀設計903件，發明授權17875件。圖1為我國1985～2013年間的復合材料專利申請情況。

圖1 1985～2013年我國復合材料相關專利申請情況Fig.1 Patent application amounts of composite material in China between 1985 and 2013

從圖1中可以看出，1985專利申請數量55件，2000年為497件，16年間我國復合材料專利申請平均年增長量21.615，在這期間增長比較緩慢，說明我國對復合材料的研究尚在起步階段，申請量處于較低水平。2001年～2012年，專利呈現逐年增長態勢，從2001年765件到2013年9494件，專利數量增長了數十幾倍，尤其是最近幾年，申請數量出現迅猛增長，2011年專利數量6478，年增長率36.29%；2012年專利數量8387，年增長率29.47%，專利數量增長率創歷史新高；2013年專利數量9494，年增長率13.2%。可以預料，在現代工業的高速發展和技術水平的高要求下，我國對復合材料的研究將更加深入，未來專利申請數量會再創新高。

總體上，我國復合材料專利申請呈現出逐步增長的態勢。該發展過程可以分為兩個階段：第一階段是從1985～2000年，處于緩慢增長階段，起步期；通過引進先進技術，我國開始對復合材料的基礎理論、設計、制備技術和應用進行研究，這階段專利申請量較少。第二階段是從2001～2013年，專利數量出現迅猛增長的態勢，處于發展期；復合材料的發展和應用受到黨和國家的關注，2003年5月“鋁基復合材料及其表面涂層”項目正式在國防科工委立項、2008年11月國家批復建設“結構性碳纖維復合材料國家工程實驗室”項目、國務院《十二五國家戰略性新興產業發展規劃》將復合材料列為重點發展的三大新型材料之一，復合材料的產業化備受矚目，正是在這些政策的引導下，推動著我國復合材料的快速發展。

3.2 專利類型和年度分布分析

國內的專利分為發明、實用新型、外觀設計3種。不同的專利類型意味著專利保護對象、審查標準、授權條件、保護期限不同。從創新的角度看，發明專利相對于實用新型和外觀設計而言，其創新程度和技術重要性更高，專利轉化或者應用的機會更多[37]。根據專利類型對復合材料專利進行檢索，截止到2013年為止，專利申請情況如圖2所示。發明專利申請、發明專利授權和實用新型年度分布如圖3所示。

圖2 專利類型分布Fig.2 Patent type distribution

圖2表明，發明專利占專利總數的比重最大，達到75.13%，實用新型次之，23.16%，外觀設計僅占1.71%。說明我國對復合材料的研究有較高的技術創新水平，專利申請的質量較高，知識產權保護意識越來越好。從圖3可以看出，發明專利和實用新型申請數量逐年增長，發明專利的年增長量要高于實用新型，說明我國對復合材料研究、創新能力越來越強。尤其是最近幾年，發明專利數量更是呈現快速增長的趨勢，年增長率分別是：2010年18.17%、2011年31.76%、2012年28.37%、2013年23.38%，說明隨著我國在2009年成為世界最大的汽車市場及2010年JEC國際復合材料亞洲展的成功召開，帶動了我國復合材料行業的快速發展，相關發明專利申請也在逐漸增長。發明授權數量也在逐年增長，2012年有所回落，主要因為發明專利一般從申請到公開需要18個月甚至3年的時間，按照2011和2012年發明授權數2310件和2362件的周期趨勢分析，2013年發明授權量應該在將近2500件。2010年，發明專利申請4753件，授權1983件，授權率41.72%；2011年，發明專利申請6478件，授權2310件，授權率35.66%；2012年，發明專利申請8387件，授權2362件，授權率28.16%；2013年，發明專利申請9494件，授權1991件，授權率20.97%。發明專利申請量逐年增加，說明我國復合材料產業技術創新能力日益增強。

圖3 發明專利申請、發明專利授權和實用新型申請數量年度分布Fig.3 Annual distributions of invention application,invention authorization and utility model application

3.3 主要申請人分析

通過對復合材料相關的專利權人進行分析，能夠獲得該技術領域內不同企業從事創新活動的信息，可以找到該技術領域的主要競爭者[37]。統計了1985～2013年間，發明專利授權數量及發明專利申請量。為了研究我國復合材料專利申請人的技術創新情況，我們將授權專利數量排名前15位的機構列于表1中。

表1 專利申請人情況

由表1可以看出，排名前15的申請人中包括13所高校和2家科研機構。哈爾濱工業大學排名第一，授權專利數量340件，比排名第二的上海交通大學多50件，北京化工大學178件排名第三，說明我國對復合材料的研究高校起主導作用，其中哈爾濱工業大學處于領先地位，具有較強的創新能力和創新競爭力。哈爾濱工業大學早在20世紀50年代，就開始了復合材料的研究工作，到80年代中期，創立了復合材料研究室，開始先進復合材料的研究工作，在該領域具有深厚的研究基礎。2家科研機構包括中國科學院化學研究所和中國科學院金屬研究所，申請量142和124件，分別排在第8和12位，雖然授權數量排名不是很靠前，但是授權率很高，分別為55.25%和54.63%，說明這2家科研機構發明專利質量很高，具有很強的創新力和競爭力。綜上所述，我國對復合材料的研究主要集中在高校和科研機構，表明國內高校和科研機構在相關技術領域具有較強的創新意識和專利保護意識，在專利活動中具有較強的競爭優勢，但是由于高校和科研機構的研究成果以理論研究為主，技術并未充分應用于市場，所以授權的發明專利，還需要進行轉化，才能取得經濟效益。

3.4 技術態勢分析

國際專利分類號(IPC，International Patent Classification)是根據1971年的《國際專利分類斯特拉斯堡協定》編制而成的。通過對特定產業專利申請IPC分布的分析，既可以判斷創新的熱點技術區域，又可以判斷其涉及到的技術領域及發展趨勢。其中IPC小類是對專利相關技術領域的細分，通過IPC小類可以深入了解相關專利的技術信息。表2是按照IPC小類分類統計的情況。表中列舉了復合材料的IPC分類號、專利申請量、占總數的比重。

表2 復合材料專利數量排名前15名的IPC類型

從表2可以看出，我國復合材料專利申請主要集中在3大技術領域：C，B，及H。由專利分類號按部分類可知其中C代表化學、冶金，B代表作業、運輸，H代表電學。占據主導地位的是C08L，12149件；其次是C08K和B29C，10887和6818件；3項共計29854件，占所有專利數量的26.93%，可見，這3個領域是我國復合材料研發的熱點技術領域。由表2中數據來看，我國復合材料的研究主要集中在復合材料的設計、復合材料的制備及復合材料的加工；在復合材料的應用方面，復合材料的研發主要集中在B32B(層狀產品)、C04B(建筑材料)及H01(基本電氣元件)，研發出的這些材料主要應用在電子電氣及建筑領域。可見，我國對復合材料的研究深度和廣度與發達國家存在差距，尤其是高性能復合材料的研究，發達國家在許多領域已實現商品化，而我國還處于研發階段。

為了更好地了解主要申請人在專利研發熱點領域的分布情況，我們將主要申請人在排名前10 IPC技術類別中的分布情況，統計于圖4。從圖4可以看出我國復合材料研發的技術熱點領域C08L(高分子化合物的組合物)和C08K(使用無機物或非高分子有機物作為配料)各高校和科研機構都有涉及，其中，中國科學院化學研究所在C08L領域和C08K領域專利數量排名第一，表明在上述領域化學所具有較為突出的創新能力。專利申請總量排名第一的哈爾濱工業大學在各個技術領域專利活動都較為活躍，申請數量最多的集中在C22C(合金)、C04B(石灰；氧化鎂；礦渣；水泥；其組合物，例如：砂漿、混凝土或類似的建筑材料；人造石；陶瓷)和B29C(塑料的成型或連接；塑性狀態物質的一般成型；已成型產品的后處理，例如修整)領域。

圖4 主要申請人在排名前10 IPC技術類別中的分布Fig.4 Applicants distribution in the Top 10 IPC technology categories

4 結 論

通過對比分析國內外復合材料領域的發展現狀，可以發現：①全球復合材料市場快速增長，相關研發工作正處于快速發展期，我國對復合材料相關技術研發投入和專利申請數量增長迅速。②美國、歐洲以及日本等發達國家對于復合材料的研究以企業為主體，且市場上也已有許多成熟產品，已實現商品化，而我國的研發主體主要集中在高校和科研機構，這也表明國內復合材料領域的很多技術研究還停留在理論研究或中試階段，真正投入市場的比例不高。③在航空航天等高精尖技術領域，美國、歐洲和日本等發達國家，技術創新能力突出，研制出的高性能復合材料已成功應用到民機、軍機、直升機甚至無人機上，而通過專利分析可知，我國研制的復合材料已實現商用的，大部分用在房屋建筑以及電子電氣產品，高性能航空復合材料仍處于研發階段和應用的初期階段。

鑒于上述問題，為了推動我國復合材料的研究和應用發展，以下幾方面的工作需要注意：

(1)應從復合材料的基礎研究入手，根本上解決技術難題。我國復合材料的基礎研究底子薄、關鍵技術未能實現突破，為此，政府應該布局復合材料產業的發展，用政策來推動基礎研究。

(2)加強高校、科研機構以及企業間的合作。在復合材料一些重點前沿技術方向上，高校、科研院所創新能力顯著，企業尚未成為技術創新的主體，因此，要支持科研院所在企業建立研發和專利成果轉化基地，共同開展項目建設和研發合作，促成我國復合材料產業的跨越式發展。

(3)加大國際合作。我國復合材料的發展首先要立足于自主創新，然后國際合作非常有必要。向國外頂尖復合材料研究團隊派出訪問學者，引進國外公司高精尖的設備等等，從國家、企業、科研機構三個層次加大國際合作力度。

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(編輯 惠 瓊)

Research of Composites Materials Development in China Based on Patent Information Analysis

QU Wei1,CHU Kaiyu2,ZHAO Jiulan2

(1.Institute of Science and Technology,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)(2.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Firstly,the development status of composites materials in the aerospace and automotive industry and other fields in many countries are summarized,such as America,Britain,Japan.Some problems in application and development of composites materials in China are discussed.Secondly,application and authorization information of composites materials patent in China are acquired by searching the keyword ‘composites’ from the patent database of State Intellectual Property Office (SIPO).The development status and research focus of composites materials are analyzed from three aspects:annual distribution,applicants,technology status by the methods of patent information analysis.Finally,the advantages and disadvantages of China’s composites materials development are discussed,compared with other countries.The research result can provide reference for the technology innovation and development of composites materials in China.

composites materials; development status; patent; technology status; development focus

2016-01-14

國家自然科學基金資助項目(51301068)；河北省自然科學基金資助項目(E2014502003)

曲 偉，男，1975年生，工程師，Email:qw_7575@163.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.11.09

TB33

A

1674-3962 (2016)11-0872-08