基于Innography平臺的碳纖維布專利分析及創新趨勢研究

楊思思 戴磊 汪一名

〔摘 要〕本文利用Innography專利檢索與分析平臺，對全球碳纖維布專利進行了檢索及數據統計，從專利的年度發展趨勢、專利權人、專利技術熱點和該技術的核心專利等多方面分析了全球碳纖維布技術的大概情況和日美等技術重點國的詳細情況，以期為我國碳纖維布技術的研發決策提供支持與依據。研究發現，碳纖維布技術近年來發展迅速，日本和美國在碳纖維布技術研究領域占據主導地位，目前正處于新一輪發展階段。

〔關鍵詞〕Innography；碳纖維布；專利檢索；核心專利；專利情報

〔中圖分類號〕G250.252；G255.53 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1008-0821（2016）06-0154-11

〔Abstract〕This paper analyzed carbon fiber sheet with statistical methods based on Innography patent information retrieval platform，the overall situation of Japan and U.S.and other technical focus countries is presented from the aspect of annual trends of patents，patent rights，hot and core technology patents on carbon fiber sheet，in order to provide the development and research of carbon fiber sheet required patent information.This study shown that the technology of carbon fiber sheet has been improved rapidly in recent years，Japan and U.S.played a dominant role and began to enter a new round development stage.

〔Key words〕Innography；carbon fiber；patent retrieval；core pantent；patent intelligence

作為21世紀的“新材料之王”，碳纖維復合材料密度低、剛性好合強度高，可實現對鋼鐵、鋁合金等傳統材料的替代，具有廣闊的市場前景[1]。碳纖維的使用方法很多，其中之一就是把碳纖維絲織造成符合各種要求、各種規格的碳纖維布，然后再加以使用。

碳纖維布又稱碳素纖維布、碳纖布、碳布、碳纖維織物、碳纖維帶、碳纖維片材（預浸布）等。 碳纖維布是一種單向碳纖維產品，通常采用12K碳纖維絲織造。碳纖維布行業經過多年的發展，技術工藝相對成熟，但由于日本、歐美等國家碳纖維原材料生產技術水平較高，使得其生產的碳纖維布質量和性能都優于其他國家產品，世界碳纖維布生產廠商仍主要集中在日本、美國等國家，國際上主要品牌包括有日本（東麗、東邦、三菱）、美國 BOND、HEXCEL等[2]。

碳纖維布是當今國際發達國家普遍使用的工業原料，具有強度高、密度小、質量輕、高模量、耐高溫、抗腐蝕等優異的物理和化學性能，已廣泛應用于建筑物橋梁隧道等各種建筑結構加固改造工程中，也是目前國內碳纖維使用量最大的領域。碳纖維材料用于混凝土結構加固修補的研究始于20世紀80年代美、日等發達國家[3]，在我國起步較晚，從1997年開始從日本引入CFRP加固混凝土結構技術[4]，因為其無窮的技術優勢和巨大的市場潛力，近年來成為了研究和工程應用的熱點。碳纖維布與碳纖維浸漬膠配套使用成為碳纖維復合材料，可構成完整的、性能卓越的碳纖維布片材增強體系，適用于各種構件的加固工程，可有效提高構建的承載力、抗震性能和耐久性。由于我國具有世界上最為巨大的土木建筑市場，又是一個地震多發國家，因此研究碳纖維材料在建筑物加固工程中的應用將呈現不斷增長的趨勢，具有廣闊的前景和巨大的經濟效益。

碳纖維布作為紡織領域的一種高科技材料，在軍事和民用兩個方面均有著極其重要的應用功能。由碳纖維布生產出的碳纖維預浸料布廣泛應用于風力發電機葉片、體育休閑用品、飛機、汽車制造、醫療用品、船舶、建筑、航空航天等領域?？傊?，隨著全球對碳纖維材料的需求量大幅度提升，碳纖維布應用范圍將迅速擴展，具有廣闊的發展前景。

本文利用Innography 專利分析平臺對碳纖維布專利進行系統分析，可以了解碳纖維布技術的發展現狀和創新趨勢，從而有助于人們對碳纖維布技術的挖掘，以期為我國碳纖維布企業產業發展提供有用的競爭情報。

1 數據來源與檢索方法

Innography是Dialog公司新推出具有核心專利挖掘功能的專利分析軟件，是基于網絡的最新專利檢索與分析平臺?？刹樵兒瞳@取90多個國家和地區的同族專利、法律狀態和專利全文，收錄了全球8 000多萬件全球專利數據，除此之外還包括鄧白氏商業數據、美國專利訴訟以及美國注冊商標數據等。這些商業數據可以幫助評估公司的市值和規模，有助于分析和對比專利權人的綜合實力、了解市場競爭現狀和趨勢[5]。Innography還全球首創專利強度指標能快速有效地尋找出高價值專利；同時還提供專利氣泡圖、熱力圖、專利聚類分析等可視化的專利信息分析，可全面直觀地了解某一研究方向的現狀及發展方向[6]。

通過Innography專利數據庫對全球碳纖維布技術專利文獻進行深入分析，旨在為我國科研機構和企業開展相關技術研發活動提供事實依據和所需的專利情報，檢索年限為1967-2015年?？紤]到專利申請數據公開的滯后性，一般專利申請18個月后才能公開，近兩年的數據僅能作為參考。

本文的檢索策略是通過從Innography專利數據庫中題目中帶有“碳纖維”檢索詞以及碳纖維所在IPC分類的專利總數中，查找出其中與“布”檢索詞相關的專利。其檢索式為：（（@title（″carbon* fiber*″ or ″carbon* fibre*″ or ″nanocarbon fiber*″ or ″nanocarbon fibre*″ or ″fibre* of carbon*″ or ″fiber* of carbon*″ or cfrp or cfrc or carboform or carbonfibre or ″carbonic fibre″ or ″fibrous carbon″ or ″torayca″））OR（@meta IPCD06M10140000）OR（@meta IPCD06M01436000）OR（@meta IPCC04B03583000）OR（@meta IPCD06M10118000）OR（@meta IPCD06M01400000）OR（@meta IPCD21H01350000）OR（@meta IPCH01R03924000）OR（@meta IPCD01F00900000））and（@title（sheet or cloth or fabric or textile）），共檢索到5 571件專利，由1 310個組織機構、6 241個發明人完成，涉及到了507個IPC小組，專利申請在35個國家和組織內實施，對所有專利開展專利情報分析。

2 全球碳纖維布領域專利分析

2.1 專利申請的年度趨勢分析

采用Innography專利分析系統對全球碳纖維布領域近20年的專利申請按照優先權年（Priority year）進行統計，得到全球碳纖維布領域1996-2015年專利逐年申請情況（圖1），由于專利申請需要18～36個月的公開時間，2014-2015年的專利數量僅供參考分析。

碳纖維復合材料早在20世紀50年代就已作為結構材料和放熱材料在航空、航天、軍工等領域得到了應用[7]，到了60年代，碳纖維復合材料開始逐步走向商業化[8]。從圖1中可以看出，2002年以前，碳纖維布領域的專利數量發展緩慢，基本呈現增長趨勢；2002-2008年呈現下降趨勢；從2008年以后，該領域的專利申請進入快速增長期，隨著碳纖維優良性能受到了更多的認可及產品價格的大幅度下降，其在民用工業上的應用越來越廣，已廣泛用于紡織領域，2012年專利申請量達274件（2014年和2015年的申請專利還未全部公開，所以數據不做參考分析）。

2.2 專利申請與授權年份趨勢分析

將5 571件專利申請按照優先權年（Priority year）進行統計，得到全球碳纖維布領域專利申請與授權量的階段趨勢分析圖（見圖2）。

從圖2中可以看出，日本和中國是專利申請最多的國家，日本以前一直是碳纖維布專利擁有的絕對主導國家，但從1995年開始專利年申請量呈不斷下滑趨勢，2002年以后僅有斷斷續續的少量申請；而中國碳纖維布的專利申請量從1995年開始基本呈現增長趨勢，尤其是2010年其專利申請量突破50件以上，隨后的幾年間，專利申請量進入快速增長期，并且增速超過了世界其它國家，在2013年專利申請量和授權量均達到頂峰，成為單年專利擁有量最多的國家，年申請專利量達到87件，授權專利量為92件，授權比例超過100%，中國的強勁增長已經成為歐洲專利發展的主要驅動力量之一，碳纖維布屬于碳纖維的通用產品之一，是我國一些碳纖維生產企業的主要產品。

2.3 專利在全球研發分布情況

專利的申請地區（Source Jurisdiction）是指專利權人申請專利保護的國家或地區，對應的專利號中的國家代碼，可以看出專利權人想在哪些國家或地區保護和實施其發明[9]。本文檢索到的5 571件專利遍布全球46個國家，圖3顯示了在該國或地區專利的申請數量。從中可以發現，日本特許廳、中國接受了本領域全球大部分的專利申請，這是由于日本和中國是碳纖維生產大國，市場巨大，企業極其重視這些國家的專利布局，其次是美國專利商標局和歐專局位居申請的第三、四位。

2.4 在全球技術來源地區分布情況

專利發明人的國別（Location）可以體現專利技術的來源地[9]。對5 771件專利的發明人所在地分布圖的檢索結果進行統計分析發現（見圖4和表1），碳纖維布領域的發明人主要來自日本（專利量為2 098件），占絕對優勢，表明日本仍是世界頭號碳纖維大國；中國第二，美國第三（專利量分別為933件和912件）；緊隨其后的依次是法國、韓國、德國和英國。說明來自這幾個國家和地區的發明人占據了碳纖布研究領域技術的主導地位，綜合實力較強。將圖3和圖4進行對比，可以發現日本和中國是碳纖維布的主要技術來源地區，也是最主要的專利申請地區，技術來源地區和專利申請地區的排序相一致。

通過對比還可以看出，各國家發明人申請的專利數量比其僅在本國申請的專利數量要多許多。例如日本發明人（表1）共申請專利2 098件，而日本專利的申請量（圖3）則為1 702件，這表明日本至少有396件專利是在其他國家申請的，進入21世紀以來，日本由“技術立國” 轉變為“知識產權立國”，由此可見日本政府對專利保護的重視程度非同一般。美國發明人共申請專利912件，而美國專利的申請量則為543件，這表明美國至少有369件專利是在別國申請的，這表明 美國是當今世界頭號經濟、科技強國，比較注重專利在全球的保護。

2.5 全球前20名專利發明人分析

圖5和表2顯示的是碳纖維布專利申請的全球前20名專利發明人，共5 571件專利中，6 241位發明人。

從中可以發現，日本的發明人申請專利數量最多，可見該項技術的研發主要集中在日本，東麗株式會社、東邦特耐克斯公司等知名碳纖維企業為專利的主要擁有機構。日本是聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的發源地，碳纖維生產和應用大國。因為其起步較早，加上研究的又較深入，因此碳纖維的發展一直處在世界的前沿，專利和碳纖維新產品不斷問世。目前全球碳纖維市場長期被東麗、東邦特耐克絲和三菱人造纖維等日本企業占據。此外，由于日本企業在二戰之后迅速發展，并以技術立世，政府部門十分重視知識產權的保護，歷來注重相關專利申請，因此在碳纖維布技術領域，日本一直穩居世界首位。

2.6 主要技術研發領域

IPC（國際專利分類）是目前惟一國際通用的專利文獻分類和檢索工具。通過對全球碳纖維布領域IPC構成的進行分析，可以看出碳纖維布技術創新或研發活動的集中區域，并識別涉及的技術領域及發展趨勢。共檢索出507 IPC groups，表3為碳纖維布領域專利數量排名前20位的IPC情況，圖6為碳纖維布專利IPC技術分類構成。從表3和圖6中可以看出，碳纖維布的專利申請主要集中在D部、C部和B部。其中D部數量最多，有2 330件申請；D06M 101/00、D01F 9/00、D06M 14/00、D06M 15/00、D03D 15/00、C04B 35/00、D06M 13/00、D04H 1/00、C08J 5/00、B32B 5/00和D06M 11/00領域的專利均超過了100件，專利數量最多，因此可以認為是碳纖維布的關鍵和熱點技術領域，代表著碳纖維布技術創新的未來發展趨勢。

2.7 全球競爭態勢分析

圖7是利用Innography將檢索結果生成專利權人氣泡圖，其中橫坐標軸為含專利權人的專利數量、專利所跨的技術分類和專利引證；縱坐標軸為專利權人總收入、在全球的分支機構以及專利訴訟數量，通過觀察氣泡在圖中的位置可以從經濟實力、技術實力多維度了解行業競爭者差距，對于分析碳纖維布技術研究領域的整體狀況非常重要。

從圖7可以看出，在碳纖維布技術領域中，排名前三的企業全部是日本企業，除此之外，在排名前20位的企業中還有7家也是來自日本的企業，也就是說在碳纖維布技術領域的專利數量上日本企業具有絕對的壟斷地位。日本東麗株式會社、日本三菱化學公司、日本帝人株式會社和美國波克夏·哈薩威公司的經濟實力比較突出、技術優勢明顯。其中代表日本東麗株式會社的氣泡最大，表示該專利權人在檢索結果中的專利保有量最大（292件），綜合實力遠遠高于其他公司；其次是日本的三菱化學公司（228件）和帝人株式會社（157件），這三家公司均是碳纖維的主要生產商，其中東麗株式會社是全球最大的纖維生產制造商，年銷售額超過120億美元；三菱化學公司是世界上首先研制開發煤瀝青基碳纖維的公司之一；帝人株式會社是在全球范圍內開展高性能纖維及復合材料、纖維產品及零售等業務的集團企業；代表美國波克夏·哈薩威公司的黃色氣泡在整個氣泡圖的最上方，位置最高，表明該公司的市場性較強，整體實力突出，但是氣泡不大，表明其在碳纖維布技術領域并沒有很多專利，是成果轉化與合作的潛在對象；代表東麗株式會社的藍色氣泡、三菱化學公司的綠色氣泡在整個氣泡的最右邊，表明這兩家公司的專利性較強，技術性和市場性上相差不多，是該項技術專利的領軍企業，緊隨其后的帝人株式會社和美利肯公司，擁有先進的技術研發，潛在市場巨大，從中可以進一步看出，美國本土企業在碳纖維布技術領域上競爭較大，競爭對手實力也相對較強。

表4是排在前20位主要公司的專利數量和年收入列表，可作為圖7的補充參考。

2.8 關鍵技術分析

應用Innography的文本聚類分析功能，得到如圖8所示，從圖中可見全球碳纖維布專利技術的最主要的5個核心研究主題為：（1）碳素纖維（Carbon Fiber）；（2）非織造布（Nonwoven Fabric）；（3）復合材料（Composite Material）；（4）紡織原料（Textile Materials）；（5）人造纖維（Synthetic Fiber）等技術。

2.9 核心專利挖掘

專利強度（Patent Strength）是Innograpy的核心功能之一，它是Innograpy獨創的專利評價新指標，來自于加州大學伯克利分校及喬治海森大學的最新研究成果[10]。專利強度與權利要求數量、引用與被引用次數、是否涉案、專利時間跨度、同族專利數量等因素有關，其強度的高低可以綜合代表該專利的價值大小[11]。通過Innography的專利強度分析，可有助于判斷全球碳纖維布領域具有潛力的高價值專利和核心研究領域。專利按強度分為10級，強度越大越為核心專利。一般情況下，Innography將專利強度的劃分歸納為3種類型，將專利強度80%～100%的專利定為核心專利，30%～80%的定為重要專利，0%～30%的定為一般專利。對全球碳纖維布領域的高強度專利按照專利強度VS專利數量分析（見圖9），發現全球碳纖布領域的專利總量較多，但總體高強度專利數量不多，強度主要集中于0%～10%和10%～20%兩個區間段，大于50%的高強度專利數量較少。

將5 571件檢索結果按照專利強度（Patent Strength）篩選，保留強度>80%的核心專利60件，擴增同族后核心專利共計514件。再對擴增厚后的514件核心專利進行深入的研究。從近20年的逐年申請數量上來看（圖10），1991-1993年是該技術領域核心專利研發的高峰期，說明人們開始深入對碳纖維復合材料在紡織領域的研究與應用，在2000年核心專利數量達到最多。

2.9.1 核心專利來源國家分析

將同族擴增后的514件核心專利按照專利權人的國別（Inventor Location）統計分析，發現碳纖維布領域技術的核心專利主要掌握在美國（201件）、日本（137件）、英國（57件）和德國（49件）等專利權人手中，美國專利總量上不如日本，但是核心專利卻比日本的多，可見美國更加注重專利的質量和保護。中國雖然專利總量排名第二，但缺乏核心專利（僅10件），見圖11。圖11 核心專利技術來源國家或地區分析

再進一步對比核心專利企業分布情況（見圖12），可以看出在該技術核心專利排名前二十位的企業有美國企業10家，日本企業4家，德國企業2家，英國企業2家，法國和意大利企業各1家，并無中國企業或機構入榜。美國企業雖總量排名第一，但排在前兩位的美國只有哈佛大學一家高校，并無其他企業入榜，眾所周知，哈佛大學是一所享譽世界的研究型大學，全美科研實力最強，排名第二的是日本東麗株式會社是一家傳統的大企業，綜合實力比較強。排名第三至第十的企業中綜合實力強，競爭力明顯的企業有日本三菱化學公司、美國波克夏·哈薩威公司、日本帝人株式會社和美國寶潔公司。排名十一至二十的企業中，都是該技術不容忽視地強有力的競爭者，如Nantero公司為第一家開發微電子級碳納米管材料的公司；1970年，日本吳羽（Kureha Corporation）在世界上率先成功地將瀝青類碳纖維產品化；巴斯夫股份公司（BASF SE）是全球最大的化工公司，注重科研開發，保持技術上的領先地位，專利累計達到了約75 000件。

2.9.2 核心專利文本挖掘

應用Innography的文本聚類分析功能，得到如圖13所示，從圖中可見全球碳纖維布核心專利技術主要集中于碳素纖維、非織造布、納米纖維、被染整織物、聚合織物和碳納米管等領域，這是專利權人進行專利保護布局的重要領域。而對于國內的碳纖維布企業來說，既要不失時機地合理利用失效的核心專利，也要注意避免侵權。

3 結 論

本文通過Innography專利檢索和分析平臺，利用各種可視化圖表，對碳纖維專利進行分析，結果顯示：

3.1 專利申請處于高速發展階段

近年來在碳纖維的應用較受關注的碳纖維布領域中，專利數量呈增長趨勢。在Innography收錄的數據中，筆者本次檢索到的碳纖維布的專利申請最早出現在1967年，自1995年開始持續上升，在2002年達到一個短期峰值，又于2008年開始急劇攀升，在2013年專利申請量和授權量均達到頂峰。隨著碳纖維以其卓越的物理化學性能成為全球新材料行業研發的熱點，碳纖維應用于建筑加固材料的需求量也日益增長，碳纖維布技術專利全球數量之多說明了它的重要性，也成為了眾多碳纖維布企業必爭的領域。

3.2 發達國家為主要申請國家

碳纖維布技術專利主要集中在日本、美國和一些歐洲國家手中，日本碳纖維的商業化生產始于20世紀70年代，其起步較早，加上研究的又較深入，因此現專利量排名全球第一，數量多且技術一直遙遙領先，符合了這個碳纖維生產大國和工業強國的地位；美國的碳纖維產能占世界第二位，從20世紀50年代就有對該技術的研究，隨著研究力度不斷加大，發展相對較快，且掌握了相當一部分的核心專利，在該技術的專利量上排名世界第三，這是因為美國公司本身注重碳纖維產品的開發，同時也是由于世界各國企業比較重視美國市場的開發。

3.3 日本纖維制造企業專利領先優勢明顯

通過對競爭企業的專利情況分析，碳纖維布領域專利世界排名前20位的專利權人中，有10家是日本企業，日本企業在專利擁有方面占有絕對主導地位，專利申請量排名第一至第三的企業是日本的東麗株式會社、三菱化學公司和帝人株式會社。其中，東麗擁有的是遍布世界各地的生產廠；三菱同時擁有三菱人造絲、三菱化成、三菱樹脂三家碳纖維生產廠；帝人在不斷發展自身碳纖維技術維持市場占有率的同時，合并了東邦人造絲這個另一碳纖維知名生產廠。這幾個企業競爭力非常強，目前仍躋身世界最大的碳纖維生產商行列，占據了全球70%以上的市場份額，處于該領域技術的領軍地位，可以說是在全球碳纖維行業領域日本企業一直扮演著技術領導者和市場主控者的角色。

3.4 主要技術由傳統向高端發展

從IPC構成可以看出，碳纖維布技術主要集中在D部、C部和B部，其中D部數量最多，說明，在碳纖維布技術的專利活動比較活躍。所以，我國碳纖維布企業在碳纖維布技術領域應加大對紡織、化學和作業運輸領域的研發力度，提高其競爭力以便進一步增強在整個碳纖維布領域的實力。通過對碳纖維布專利的技術聚類分析，可以歸納出其核心技術主要集中于納米纖維、被染整織物、聚合織物及碳納米管等方向，對于我國碳纖維布企業來說，想要打破美、日等西方國家對中國碳纖維的技術封鎖和市場壟斷，必須建成完整碳纖維產業鏈，完整掌握碳纖維布核心關鍵技術，并取得一系列自主知識產權創新成果，才能整體推進碳纖維布產業的健康發展。

3.5 我國起步較晚，但發展較快

中國碳纖維布的起步稍晚，對碳纖維的研究開始于20世紀60年代，80年代開始研究高強型碳纖維[2]，經過十幾年高速發展，專利申請量出現較大增幅，至今專利量排名世界第二，僅次于日本。上海東華大學、中國科學院和威海光威復合材料股份有限公司是中國排名前三位的專利權人，由此可見，申請專利較多的機構主要為大學高校和科研院所，其中東華大學和中國科學院是我國主要從事碳纖維生產技術研究的單位，突破了大量技術瓶頸，為國內碳纖維領域發展做出重大貢獻；威海光威成立于1992年，是一家集新型復合材料開發、研制、生產為一體的高新技術企業，專業提供增強纖維織物、預浸料及復合材料制品，擁有各類授權專利70多項。2015年，在T800級高強中模碳纖維和M系列高強高模碳纖維工程化生產方面取得了突破性的進展，占據了我國高性能碳纖維研發和生產的制高點，而主要技術涉及碳纖維布、碳纖維片材、無紡布、復合材料及竹碳纖維，說明我國的碳纖維布技術還處于研究階段，生產水平還很落后，應用還有很多不足，總體競爭實力不強，無法與美日公司在市場上正面競爭，并無核心專利，在該領域不具備優勢。

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