北京市碳纖維產業的全產業鏈發展模式構建

馬曙輝，李一鳴，劉 鶴

(1.南京理工大學，江蘇南京 210094；2.北京海鷹科技情報研究所，北京 100074)

1 研究背景

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基，打造具有國際競爭力的制造業是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。習近平總書記在黨的十九大報告中指出要加快建設制造強國，加快發展先進制造業。世界各國都把制造業，特別是先進制造業、高端制造業放在國民經濟優先發展的位置。

習近平總書記于2014 年和2017 年兩次視察北京市并發表重要講話，提出北京市要放棄發展“大而全”的經濟體系，優化三次產業結構，優化產業特別是工業項目選擇，突出高端化、服務化、集聚化、融合化、低碳化，構建“高精尖”的經濟結構，使經濟發展更好地服務于城市戰略定位［1］。此外，國務院印發的《北京加強全國科技創新中心建設總體方案》中指出，北京要圍繞國家經濟社會發展重大需求，深入實施“北京技術創新行動計劃”等技術創新跨越工程，突破一批具有全局性、前瞻性、帶動性的關鍵共性技術，在北京經濟技術開發區等打造具有全球影響力的創新型產業集群。根據國家對北京市的要求及定位，北京市的制造業發展應集中發力于高端制造業，著重突破關鍵共性技術，打造全產業鏈發展模式。而碳纖維這一特種纖維材料正是廣泛應用于高端制造業的基礎共性產品，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維。碳纖維比重不足鋼的1/4，強度卻是鋼的7 倍到10 倍，具有重量輕、強度高、耐腐蝕的特點，在國防軍工和民用方面都是重要材料，適用于高端制造業［2-3］。然而碳纖維技術長期壟斷在日本和美國手中，美、日對我國進行了技術封鎖，使得我國碳纖維發展之路十分坎坷。

本研究根據德溫特數據庫對2019 年5 月31 日前公開的相關專利進行檢索，并分析碳纖維產業鏈內10 9091 件相關專利，結合對國內碳纖維產業鏈內重點企業調研所獲取的數據進行分析，對國內外尤其是北京市的碳纖維產業發展現狀進行梳理，總結碳纖維產業目前存在的問題，提出相應對策建議，為促進北京市高端制造業產業升級及產業轉型提供參考。

2 國際碳纖維發展主要特征

2.1 日本占據壟斷地位

日本是全球最大的碳纖維生產國。日本碳纖維產業發展最早，目前東麗株式會社（Toray，以下簡稱“東麗”）、東邦株式會社（Toho，以下簡稱“東邦”）和三菱麗陽株式會社（Mitsubishi Rayon，以下簡稱“三菱麗陽”）三大巨頭的碳纖維產量約占全球70%～80%，在世界范圍內處于市場壟斷地位。從專利數據上分析，碳纖維全球專利申請量排名前20 位的國家中，前7 位均來自日本（見表1），其中東麗以2 738 件專利申請量居世界首位，其生產的碳纖維無論品質、產量還是品種，均居世界前列。2018 年4 月，碳纖維全球專利申請量排名第三、第四的東邦和帝人株式會社合并，日本碳纖維產業的行業壟斷地位進一步增強。

表1 碳纖維全球專利申請量前20 位申請人

表1 （續）

日本在碳纖維領域已經形成了較為完備的全產業鏈發展模式。以東麗公司為例，采用基于詞頻和逆向文件頻率的TF-IDF 算法（term frequencyinverse document frequency）提取東麗碳纖維專利申請中的關鍵詞進行文本聚類，并通過自組織映射（self-organizing maps，SOM）算法形成專利地圖，對東麗的專利文本進行分析，如圖1 所示。TF-IDF 算法是一種用于信息檢索與文本挖掘的統計方法，即通過采用逆向文件頻率對詞頻值加權作為篩選關鍵詞的依據。傳統的TF-IDF 公式為：其 中：wik為 文 檔i中第k維的向量值；tfik為文檔i中第k個特征值的TF 值；為文檔i中所有特征值中TF 的最大值；N為文本集的文檔數；nk為文本集中出現該特征項的文本數。進一步采用樸素貝葉斯算法實現文本聚類。樸素貝葉斯算法是一種基于概率分析的可能性推理理論，具有算法形式簡單、算法穩定性好、魯棒性高的特點，具有廣泛的應用價值，是應用最為廣泛的分類算法之一［4-9］。一個樣本數據X屬于類別yi的樸素貝葉斯計算公式為：

東麗申請專利所涉及的技術領域已經覆蓋了碳纖維全產業鏈：在產業鏈上游碳纖維制備方面，重點申請了熱處理相關專利；在產業鏈中游碳纖維復合材料方面，重點申請了環氧樹脂組合物、碳纖維增強樹脂基復合材料相關專利；在產業鏈下游碳纖維應用領域方面，對汽車、橡膠輪胎重點布局了相關專利。即東麗在碳纖維產業鏈的上中下游均進行了有針對性的專利布局。碳纖維技術的突破帶動了日本高端制造業的發展，其國內碳纖維技術應用領域發展形成了以豐田、本田等汽車制造企業為代表的高端制造業。其中，豐田株式會社以494 件專利位居全球碳纖維申請量的第7 位，申請專利涵蓋了高壓氣瓶、燃料電池和碳纖維復合材料車門等技術領域，足以見其對碳纖維材料的重視程度。

圖1 東麗株式會社碳纖維專利地圖

2.2 美國大力開展創新

美國通過與日本達成同盟關系進行合作，發展碳纖維在高端制造業領域的應用技術，進而帶動其整個碳纖維產業鏈的發展。在產業鏈下游應用端，歐美將碳纖維應用重點定位在航空航天等高端制造業，依托波音、空客等歐美航空航天企業，以高端需求為牽引，由東麗等碳纖維巨頭提供碳纖維，帶動美國的預浸料生產企業赫氏有限公司（Hexcel Corporation，以下簡稱“Hexcel”或“赫氏”）和氰特工業公司（Cytec Industries，以下簡稱“Cytec”或“氰特”）生產碳纖維復合材料，促進歐美本土產業鏈中上游發展。而東麗的碳纖維業務也正是依靠歐美快速發展的航空航天制造業需求為牽引迅速盈利。2018 年，東麗收購了先進復合材料控股公司TenCate(TCAC)以期占領小飛機市場。東麗積極拓展海外市場，尤其是為波音、空客等歐美飛機制造商供應了大量的碳纖維產品，包括波音737 的次承力部件、波音777 的主承力部件、波音787 和空客A320 的主承力部件、超大型客機A380 的主要結構材料等。在歐美產業鏈發展模式的引導下，在產業鏈中游，Hexcel 和Cytec 已成為全球碳纖維復合材料領域的佼佼者。

2.3 打造全產業鏈發展模式

結合檢索得到的專利數據以及產業調研數據，整理出美國和日本的碳纖維產業鏈構成情況，如圖2 所示。日本是碳纖維的傳統強國，形成了以汽車為主要應用領域的完備產業鏈條，而且已經將碳纖維產業拓展到歐洲、美國、韓國及中國等其海外市場，依托其自身完備的產業結構和海外市場的巨大需求，逐步實現全球化市場擴張的產業發展模式。歐美在碳纖維產業發展初期，其技術相較于日本并不具備優勢，但歐美以其航空航天產業需求為牽引，引進了日本東麗的先進技術及產品，帶動其國內赫氏、氰特等企業發展碳纖維產業，逐漸完善形成完整的碳纖維產業結構。

圖2 美日歐碳纖維產業鏈構成

3 國內碳纖維發展存在的主要問題

根據專利數據和產業調研分析可知，我國與日本等傳統碳纖維強國在技術上仍然存在較大差距，我國碳纖維技術及產業化水平相當于日本20 世紀80～90 年代的發展程度（如圖3 所示）。

圖3 1962—2018 年中日碳纖維產業發展情況對比

目前，我國碳纖維發展仍然存在以下問題：

（1）企業巨頭少。根據專利數據分析，哈爾濱工業大學、中國石油化工股份有限公司和東華大學為國內申請碳纖維專利最多的機構，單個申請人申請量最多為268 件，但還不及東麗的1/10。我國碳纖維技術專利申請集中度低，尚缺乏能夠與國外相抗衡的巨頭企業。

（2）實際產量低。在產能上，以國際上最為通用的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維為例，我國碳纖維理論產能呈現出逐年上升的態勢，但從絕對數量上看，我國大陸PAN 基碳纖維生產能力只有東麗的一半左右。此外，我國碳纖維產業還存在著產能多、產量少的實際問題，在產業鏈中上游，我國已經初步具備了碳纖維生產能力，但是存在現有產能無法充分釋放的問題。國際上碳纖維產業的產能釋放率平均達到65%，東麗有時能達到70%，但是我們的產能釋放率才29%［10］，由此造成國內實際產量和國外進一步增大，同時反映出我國碳纖維產業鏈條建立不完善，產業鏈各環節銜接還有待完善的產業現狀。目前，我國碳纖維進口數量維持高位，根據中國海關數據，2018 年進口量達3 477 t，同比增長13.1%［11-12］。

（3）國外技術封鎖嚴。日本在碳纖維產業鏈上游的碳纖維制備領域具有絕對的優勢；歐美以航空航天需求為牽引，依托東麗碳纖維材料著力發展碳纖維復合材料研究，根據飛機等飛行器的要求設計制造針對高端制造業應用領域的碳纖維復合材料，帶動了其國內赫氏、氰特等企業的快速發展，在產業鏈中游的碳纖維復合材料領域實現了自主創新。然而，在碳纖維產業方面，日本和美國對我國采取了技術封鎖策略，甚至采用低價傾銷和惡意競銷的手段對我國碳纖維產業進行打壓，如每當我國國內碳纖維技術或產業取得重要成就時，日本則通過碳纖維產品降價方式以打壓國內企業，令國內創新成果難以取得產業上的應用，破壞了國內碳纖維技術及產業鏈良性循環發展的，造成國內碳纖維產業發展舉步維艱，甚至曾出現了與國外碳纖維技術差距逐漸拉大的情況。

（4）專利質量低。從碳纖維領域專利數量看，我國已經躍居全球首位，一方面這說明我國碳纖維行業在關鍵領域取得了一定的突破，另一方面這和我國近年來大力發展知識產權的政策實施是密不可分的。然而，就關鍵技術的專利保護策略而言，我國碳纖維產業的專利質量還有待提高，與日本和美國的專利布局模式還存在一定差距。以各國碳纖維專利布局為例，如圖4 所示，美國的海外布局專利高達其領域內專利總申請量的56%，日本海外布局專利申請也達到了27%，并且日本碳纖維巨頭已在華布局了大量碳纖維專利，如僅東麗一家企業就在我國布局了106 件碳纖維相關專利；而我國的海外專利申請數量僅占領域內專利總申請量的1%，遠低于美國和日本。

圖4 全球碳纖維領域主要國家的專利布局

此外，我國應逐步爭取合作項目中的海外專利權益。如表2 所示，在美國波音公司與我國北京化工大學聯合申請的專利中，波音公司對2017 年聯合申請的兩項專利均提出了國際申請，足以見其對我國研究成果的重視，可以預測，其對2018 年提出的專利也將積極申請海外權利；但是，我國專利申請人僅對在國內申請的專利技術具有專利權，并沒有取得該技術的海外專利權。隨著科研實力的增強，我國在知識產權方面應注重同時積極爭取更多權益。

表2 波音公司與北京化工大學共同申請的碳纖維技術專利

4 北京市碳纖維產業發展現狀分析

在碳纖維領域，北京市產業鏈上游呈現合作發展態勢，產業鏈中游研發優勢明顯，產業鏈下游航空航天產業應用突出。

（1）在產業鏈上游，市內企業聯合市外企業共同發展。碳纖維制備處于碳纖維產業鏈的上游，全球專利重要申請人依然以日本傳統碳纖維強國為主，我國專利重要申請人包括北京化工大學、中國石油化工股份有限公司、東華大學、中國科學院山西煤炭化學研究所、威海拓展纖維有限公司等（見圖5）。其中，北京化工大學和中國石油化工有限公司的注冊地位于北京市，這兩家機構分別位列國內碳纖維制備專利申請的前兩位。在碳纖維領域，北京化工大學所申請的專利躋身于全球前10 位，且與波音公司有合作專利申請，與國際先進技術接軌程度較高；并且，北京化工大學與威海拓展有限公司有4 件共同專利申請，說明在碳纖維制造領域，北京市的大學與市外相關機構已經初步建立起了產學研的合作模式。北京化工大學、威海拓展纖維有限公司、航天材料及工藝研究所和北京衛星制造廠有限公司合作開發了M55J 項目，并于2018 年5 月通過了技術驗收，標志著國產M55J 級高強高模碳纖維材料實現了從工藝到裝備的完全國產化制備［13］。

（2）在產業鏈中下游，航空航天用碳纖維研究力量集中。產業鏈中游的復合材料方面，北京市專利申請量的前3 名分別為北京航空材料研究院、中國石油化工股份有限公司和航天材料及工藝研究所（見圖6）。2010 年，由中國航空工業集團公司基礎技術研究院(以下簡稱“中航工業基礎院”)、北京市政府、北京航空材料研究院、北京航空制造工程研究所共同出資成立了中航復合材料有限責任公司，繼承了北京航空材料研究院碳纖維技術的研究基礎，成為我國碳纖維復合材料研發的重要力量。產業鏈下游的碳纖維應用方面，北京市專利申請量前3 位分別為北京航空航天大學、北京空間飛行器總體設計部以及中國運載火箭技術研究院，均為我國航空航天領域的重要單位，由此可見，在碳纖維應用領域北京市具有一定的航空航天應用研究基礎。而航空航天屬于高端制造業，加大我國航空航天器制造業的創新投入力度并采用針對性原則對重點項目加大投入，與北京市及國家關于我國制造業發展的政策支撐方向相符合［14］；并且歐美也正是通過在航空航天領域大力發展碳纖維技術從而帶動其碳纖維產業鏈發展，證實了通過航空航天產業帶動碳纖維全產業鏈發展的可行性。因此可以預見，隨著我國大飛機重大專項等飛行器研發項目的逐漸深入，碳纖維在國內高端制造業必將具有更為廣闊的發展前景。

圖6 我國碳纖維產業鏈中下游專利重要申請人

5 北京市碳纖維產業發展對策建議

在碳纖維領域，北京市研發優勢明顯，相關技術在航空航天產業應用突出，但對于碳纖維制造生產發展也存在資源供給緊張、環保壓力加劇等制約條件，通過市內外協同發展，推動產業鏈采取更具深度的水平和垂直分工，加強產業鏈網絡的密度和延展度，有利于增加整個產業鏈的附加值，同時充分發揮北京市在產業鏈中下端的優勢，促進市內企業生產更加精細化、專業化［15］。根據國內外碳纖維發展現狀，結合北京市實際，對北京市碳纖維產業發展提出以下對策建議：

（1）制定產業扶持政策，應對國外壟斷封鎖。碳纖維技術在國外發展已經較為成熟，且已經廣泛應用于大飛機及汽車等高端應用領域。我國包括北京市在內的多家企業、高校及科研院所對碳纖維產業鏈的各個環節開展了具有針對性的研究并取得了一定成果，然而，以日本為代表的碳纖維巨頭為限制我國碳纖維技術的發展，有針對性地采取產品降價等手段以打壓我國碳纖維技術的發展，使得我國碳纖維創新技術在形成產品并進一步產業化的道路上舉步維艱，造成產能多、產量少的尷尬局面，更難以進入到產業鏈條各個環節間的協調發展。基于我國碳纖維產業鏈現狀，建議北京市政府出臺相應政策，以應對此類處于國外壟斷狀態下的高端制造業關鍵技術被國外封鎖局面，保護北京市創新成果的研制，促進相關科技成果產業化，保障北京市乃至全國高端制造業關鍵技術的產業鏈健康發展。

（2）北京市內外資源共享，產學研用協調發展。北京市提出要優化產業特別是工業項目選擇，突出高端化，然而很多高端制造業產業鏈上游仍難以避免生產制造過程中廢氣污水所帶來的環境污染，這與北京市的發展政策存在一定矛盾，為了能夠持續推進碳纖維產業化進程，建議發揮北京市已有的產學研用基礎作用，將北京化工大學與山東威海拓展纖維有限公司所形成的合作模式進一步優化完善，納入更多的創新主體，如中國石油化工股份有限公司、江蘇恒神股份有限公司、中復神鷹碳纖維有限公司等，充分發揮北京市的研發優勢與市外生產制造優勢協調發展。一方面，北京化工大學等高校和企業的研發團隊具有較強的研發優勢，掌握國內先進的關鍵技術，可為北京市外其他企業提供最新的科研成果，幫助其提升碳纖維產品質量，促進國內碳纖維生產企業快速發展；另一方面，北京市外的相關企業具有生產制造優勢，制備產品局限較小，這些企業引入北京市相關企業的先進技術后應用于實際生產，充分釋放其產能，并且能夠有助于對碳纖維領域的科研成果進行實地驗證，同時其加工制造的產品最終會投入市場應用，從而催生出新的市場需求，能夠反作用于北京市相關創新主體的科學研究，根據現有產品存在的問題把握市場需求以及科研方向，使得科研與生產有效結合、互相促進，從而形成產業發展良性循環，進一步提高碳纖維產品成熟度、降低產品成本，對標國外先進技術，逐步打破國外封鎖。

（3）航空航天需求牽引，打通產業發展全鏈條。日本通過美國航空航天產業的發展需求來擴展其碳纖維海外市場，實現扭虧為盈，而歐美也借此機會引進東麗等日本碳纖維產業鏈上游產品，發展碳纖維產業鏈中游產品碳纖維復合材料，為波音、空客等企業的碳纖維應用端提供服務。根據對北京市碳纖維領域專利和碳纖維產業的大數據分析，目前北京市相關創新主體集中在航空航天領域，如在復合材料領域包括航天材料及工藝研究所、北京航空材料研究院、中航復合材料有限責任公司等單位，在應用端包括中國運載火箭技術研究院、北京衛星制造廠、北京空間飛行器總體設計部，中國航天空氣動力技術研究院等單位。航空航天高端制造業為我國大力發展的高端制造業，據統計，2018 年我國有近2 萬t 碳纖維應用在航空航天領域［16］；國產大型客機中國商飛C919 的機尾和側翼也采用了碳纖維復合材料，占整機質量的12%［17］。國產大飛機崛起驅動碳纖維作為航空軍用核心材料發展進入快車道，可以預測，我國在航空航天領域碳纖維應用趨勢將會持續增加。因此，可參考日本和美國的碳纖維發展模式，以產業鏈下游航空航天高端應用需求為牽引，帶動上游碳纖維制備、中游碳纖維復合材料持續發展；進一步的，上游和中游為下游提供產品，匯集國內全產業鏈條上各單位優勢，實現碳纖維全產業共同發展（如圖7 所示）。

圖7 北京市碳纖維產業鏈發展模式

（4）專利質量持續強化，積極獲取海外權益。在碳纖維領域專利數量上，我國已經躍居全球首位，但專利分析結果顯示，我國專利質量仍然存在不足，例如雖然專利申請量居高但是申請聚集度低，專利申請較為分散，在碳纖維領域尚缺乏巨頭企業；另外，我國的專利絕大部分為國內申請，申請人在海外布局專利較少，在海外布局專利僅占領域內專利總申請量的1%。此外，在我國創新主體與國外相關機構合作研發的項目中，對于知識產權的權利范圍，尤其是創新成果的海外專利權，需要積極爭取，以獲取有利地位。

6 結論

碳纖維產業技術作為高端制造業中的一類關鍵共性技術，其產業發展程度對我國高端制造業發展具有重要影響。本研究從專利視角出發，結合企業調研情況，總結國內外碳纖維產業發展特點，從國際、國內和北京市3 個地域維度進行總結，并提出適用于北京市碳纖維產業發展的新模式，包括：

（1）國際碳纖維發展模式總結及借鑒。根據全球碳纖維專利申請數據對國外主要創新主體進行系統梳理，結合專利文本信息挖掘技術構建專利地圖，探究國外碳纖維產業鏈構成特點，并對美國和日本碳纖維產業鏈構成進行總結，挖掘其產業發展模式特點。

（2）國內碳纖維發展問題及現狀研究。根據碳纖維專利數據情況，結合產業數據和專家調研，對國內碳纖維發展現狀進行剖析，并與國外技術進行對標分析，總結我國碳纖維技術及產業化水平與國外的差距，剖析我國碳纖維發展所面臨的實際問題。

（3）北京市碳纖維產業現狀分析及發展模式構建。北京市在碳纖維領域研發端的實力強勁，并涌現出一批在航空航天領域的碳纖維高端制造企業對碳纖維產業發展起到牽引、推動作用，具備整合國內碳纖維領域優質資源的基礎條件，根據北京市的資源和技術優勢，提出構建以高端需求為牽引的北京市碳纖維產業的全產業鏈發展模式，為北京市的碳纖維產業發展提供借鑒參考。