碳纖維復(fù)合材料作為汽車(chē)部件具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性好、零部件一體化、耐沖擊性好、耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)。
在全球節(jié)能減排的大環(huán)境下，采用碳纖維復(fù)合材料替代現(xiàn)有的金屬結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)減少汽車(chē)尾氣污染并達(dá)到節(jié)能的有效途徑。
基于碳纖維行業(yè)和汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的需求，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利分析普及推廣項(xiàng)目碳纖維復(fù)合材料課題組從碳纖維復(fù)合材料用于汽車(chē)零部件輪轂、量產(chǎn)整車(chē)BMW i3以及汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料的全球技術(shù)合作三個(gè)視角出發(fā)，對(duì)汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)行了深度剖析。
PART 1：汽車(chē)零部件——輪轂用碳纖維復(fù)合材料技術(shù)
碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輪轂中的應(yīng)用是產(chǎn)業(yè)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)際知名整車(chē)廠商福特公司、寶馬公司聲稱(chēng)已經(jīng)將碳纖維材料應(yīng)用于其生產(chǎn)的高端跑車(chē)上，并逐步推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料輪轂向低端車(chē)型上的應(yīng)用。
但從下圖1中可以看到，輪轂應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的時(shí)間較晚，申請(qǐng)量也不多，僅為47項(xiàng)。
碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于輪轂的全球?qū)＠婕疤祭w維復(fù)合材料在輪轂各部位的應(yīng)用，按照應(yīng)用的具體部位，分為輪輻、輪輞、輪輻和輪輞連接部（簡(jiǎn)稱(chēng)連接部）、輪轂主體、中心孔五個(gè)技術(shù)分支。
從專(zhuān)利申請(qǐng)量看，專(zhuān)利申請(qǐng)比重最大的是輪輞，其次是輪輻、輪轂主體，連接部和中心孔的專(zhuān)利申請(qǐng)量較少。
下圖3顯示了碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于輪轂的中國(guó)專(zhuān)利布局情況?？梢钥闯鲚嗇y和輪輻是申請(qǐng)布局的主要技術(shù)領(lǐng)域。
圖中藍(lán)色字體代表未決狀態(tài)的國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)。紅色字體代表有效的國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)。黑色字體代表中國(guó)申請(qǐng)人的申請(qǐng)。
可以看出國(guó)外來(lái)華申請(qǐng)全是發(fā)明專(zhuān)利，并且主要集中在輪輞和輪輻的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，目前僅有一件有效，其余全部是未決狀態(tài)。而中國(guó)申請(qǐng)人的申請(qǐng)主要為實(shí)用新型。
PART 2：整車(chē)——BMW i3用碳纖維復(fù)合材料技術(shù)
寶馬集團(tuán)于2009年開(kāi)始選擇采用碳纖維復(fù)合材料來(lái)制造BMW i3。BMW i3由三菱麗陽(yáng)、西格里和寶馬公司三家合作完成。從下圖4中可以看出這三家企業(yè)在技術(shù)鏈中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為他們的合作奠定了基礎(chǔ)。
作為碳纖維供應(yīng)商，三菱麗陽(yáng)比較注重產(chǎn)業(yè)鏈上游的專(zhuān)利布局，申請(qǐng)涉及的主題包括制造碳纖維原絲用的化工原料及其助劑、制造碳纖維復(fù)合材料需要的樹(shù)脂組合物、碳纖維原絲、碳纖維及其絲束、碳纖維織物、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝及少量汽車(chē)部件。
西格里作為復(fù)合材料供應(yīng)商，對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈上游的化工原材料等幾乎沒(méi)有涉及，申請(qǐng)主要集中在碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝和汽車(chē)部件領(lǐng)域。
寶馬作為整車(chē)廠商，其專(zhuān)利申請(qǐng)并沒(méi)有只是關(guān)于汽車(chē)部件，也有關(guān)于碳纖維束、碳纖維織物的申請(qǐng)。另外，寶馬還有大量申請(qǐng)涉及復(fù)合材料的連接方法、復(fù)合材料的質(zhì)量檢測(cè)方法、復(fù)合材料的回收和修補(bǔ)。
通過(guò)對(duì)BMW i3每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中所涉及的專(zhuān)利進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有重要專(zhuān)利進(jìn)行保護(hù)。
BMW i3的生產(chǎn)流程可以進(jìn)一步細(xì)分為：碳纖維原絲的制造、碳纖維原絲的預(yù)氧化和碳化、碳纖維織物的制造、碳纖維織物的切割、碳纖維織物的疊層鋪放技術(shù)、預(yù)成型、預(yù)成型體的剪切、樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）、生命模塊組裝、生命模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的整合、質(zhì)量檢測(cè)、回收利用11個(gè)步驟，重點(diǎn)專(zhuān)利列于下表1。
PART 3：汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料全球技術(shù)合作
圖5展示了汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝和汽車(chē)部件三個(gè)技術(shù)分支中的主要申請(qǐng)人。
從圖中可以看出，汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的申請(qǐng)人主要是碳纖維及其復(fù)合材料供應(yīng)商（圖中黃色表示）、整車(chē)企業(yè)（圖中綠色表示）、汽車(chē)零部件供應(yīng)商（圖中藍(lán)色表示）。
圖6展示了汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料全球?qū)＠夹g(shù)合作申請(qǐng)情況。碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)輕量化領(lǐng)域的專(zhuān)利合作申請(qǐng)共有1098項(xiàng)。
圖6展示了汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料全球?qū)＠夹g(shù)合作申請(qǐng)情況。碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)輕量化領(lǐng)域的專(zhuān)利合作申請(qǐng)共有1098項(xiàng)。
圖中氣泡大小代表該申請(qǐng)人的申請(qǐng)量多少，連線越多表明合作伙伴越多。不同顏色的氣泡代表該企業(yè)在汽車(chē)用復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈中的不同角色。
從圖中可以看出，由于汽車(chē)用碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，技術(shù)復(fù)雜，在量產(chǎn)化的工藝流程中有多個(gè)環(huán)節(jié)存在技術(shù)難題，因此行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)者們紛紛參與到技術(shù)合作中來(lái)。其中東麗在這個(gè)領(lǐng)域的申請(qǐng)量最大，而豐田的合作申請(qǐng)最多。
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