北京市碳纤维产业的全产业链发展模式构建

马曙辉，李一鸣，刘 鹤

(1.南京理工大学，江苏南京 210094；2.北京海鹰科技情报研究所，北京 100074)

1 研究背景

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基，打造具有国际竞争力的制造业是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。习近平总书记在党的十九大报告中指出要加快建设制造强国，加快发展先进制造业。世界各国都把制造业，特别是先进制造业、高端制造业放在国民经济优先发展的位置。

习近平总书记于2014 年和2017 年两次视察北京市并发表重要讲话，提出北京市要放弃发展“大而全”的经济体系，优化三次产业结构，优化产业特别是工业项目选择，突出高端化、服务化、集聚化、融合化、低碳化，构建“高精尖”的经济结构，使经济发展更好地服务于城市战略定位［1］。此外，国务院印发的《北京加强全国科技创新中心建设总体方案》中指出，北京要围绕国家经济社会发展重大需求，深入实施“北京技术创新行动计划”等技术创新跨越工程，突破一批具有全局性、前瞻性、带动性的关键共性技术，在北京经济技术开发区等打造具有全球影响力的创新型产业集群。根据国家对北京市的要求及定位，北京市的制造业发展应集中发力于高端制造业，着重突破关键共性技术，打造全产业链发展模式。而碳纤维这一特种纤维材料正是广泛应用于高端制造业的基础共性产品，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维。碳纤维比重不足钢的1/4，强度却是钢的7 倍到10 倍，具有重量轻、强度高、耐腐蚀的特点，在国防军工和民用方面都是重要材料，适用于高端制造业［2-3］。然而碳纤维技术长期垄断在日本和美国手中，美、日对我国进行了技术封锁，使得我国碳纤维发展之路十分坎坷。

本研究根据德温特数据库对2019 年5 月31 日前公开的相关专利进行检索，并分析碳纤维产业链内10 9091 件相关专利，结合对国内碳纤维产业链内重点企业调研所获取的数据进行分析，对国内外尤其是北京市的碳纤维产业发展现状进行梳理，总结碳纤维产业目前存在的问题，提出相应对策建议，为促进北京市高端制造业产业升级及产业转型提供参考。

2 国际碳纤维发展主要特征

2.1 日本占据垄断地位

日本是全球最大的碳纤维生产国。日本碳纤维产业发展最早，目前东丽株式会社（Toray，以下简称“东丽”）、东邦株式会社（Toho，以下简称“东邦”）和三菱丽阳株式会社（Mitsubishi Rayon，以下简称“三菱丽阳”）三大巨头的碳纤维产量约占全球70%～80%，在世界范围内处于市场垄断地位。从专利数据上分析，碳纤维全球专利申请量排名前20 位的国家中，前7 位均来自日本（见表1），其中东丽以2 738 件专利申请量居世界首位，其生产的碳纤维无论品质、产量还是品种，均居世界前列。2018 年4 月，碳纤维全球专利申请量排名第三、第四的东邦和帝人株式会社合并，日本碳纤维产业的行业垄断地位进一步增强。

表1 碳纤维全球专利申请量前20 位申请人

表1 （续）

日本在碳纤维领域已经形成了较为完备的全产业链发展模式。以东丽公司为例，采用基于词频和逆向文件频率的TF-IDF 算法（term frequencyinverse document frequency）提取东丽碳纤维专利申请中的关键词进行文本聚类，并通过自组织映射（self-organizing maps，SOM）算法形成专利地图，对东丽的专利文本进行分析，如图1 所示。TF-IDF 算法是一种用于信息检索与文本挖掘的统计方法，即通过采用逆向文件频率对词频值加权作为筛选关键词的依据。传统的TF-IDF 公式为：其 中：wik为 文 档i中第k维的向量值；tfik为文档i中第k个特征值的TF 值；为文档i中所有特征值中TF 的最大值；N为文本集的文档数；nk为文本集中出现该特征项的文本数。进一步采用朴素贝叶斯算法实现文本聚类。朴素贝叶斯算法是一种基于概率分析的可能性推理理论，具有算法形式简单、算法稳定性好、鲁棒性高的特点，具有广泛的应用价值，是应用最为广泛的分类算法之一［4-9］。一个样本数据X属于类别yi的朴素贝叶斯计算公式为：

东丽申请专利所涉及的技术领域已经覆盖了碳纤维全产业链：在产业链上游碳纤维制备方面，重点申请了热处理相关专利；在产业链中游碳纤维复合材料方面，重点申请了环氧树脂组合物、碳纤维增强树脂基复合材料相关专利；在产业链下游碳纤维应用领域方面，对汽车、橡胶轮胎重点布局了相关专利。即东丽在碳纤维产业链的上中下游均进行了有针对性的专利布局。碳纤维技术的突破带动了日本高端制造业的发展，其国内碳纤维技术应用领域发展形成了以丰田、本田等汽车制造企业为代表的高端制造业。其中，丰田株式会社以494 件专利位居全球碳纤维申请量的第7 位，申请专利涵盖了高压气瓶、燃料电池和碳纤维复合材料车门等技术领域，足以见其对碳纤维材料的重视程度。

图1 东丽株式会社碳纤维专利地图

2.2 美国大力开展创新

美国通过与日本达成同盟关系进行合作，发展碳纤维在高端制造业领域的应用技术，进而带动其整个碳纤维产业链的发展。在产业链下游应用端，欧美将碳纤维应用重点定位在航空航天等高端制造业，依托波音、空客等欧美航空航天企业，以高端需求为牵引，由东丽等碳纤维巨头提供碳纤维，带动美国的预浸料生产企业赫氏有限公司（Hexcel Corporation，以下简称“Hexcel”或“赫氏”）和氰特工业公司（Cytec Industries，以下简称“Cytec”或“氰特”）生产碳纤维复合材料，促进欧美本土产业链中上游发展。而东丽的碳纤维业务也正是依靠欧美快速发展的航空航天制造业需求为牵引迅速盈利。2018 年，东丽收购了先进复合材料控股公司TenCate(TCAC)以期占领小飞机市场。东丽积极拓展海外市场，尤其是为波音、空客等欧美飞机制造商供应了大量的碳纤维产品，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、超大型客机A380 的主要结构材料等。在欧美产业链发展模式的引导下，在产业链中游，Hexcel 和Cytec 已成为全球碳纤维复合材料领域的佼佼者。

2.3 打造全产业链发展模式

结合检索得到的专利数据以及产业调研数据，整理出美国和日本的碳纤维产业链构成情况，如图2 所示。日本是碳纤维的传统强国，形成了以汽车为主要应用领域的完备产业链条，而且已经将碳纤维产业拓展到欧洲、美国、韩国及中国等其海外市场，依托其自身完备的产业结构和海外市场的巨大需求，逐步实现全球化市场扩张的产业发展模式。欧美在碳纤维产业发展初期，其技术相较于日本并不具备优势，但欧美以其航空航天产业需求为牵引，引进了日本东丽的先进技术及产品，带动其国内赫氏、氰特等企业发展碳纤维产业，逐渐完善形成完整的碳纤维产业结构。

图2 美日欧碳纤维产业链构成

3 国内碳纤维发展存在的主要问题

根据专利数据和产业调研分析可知，我国与日本等传统碳纤维强国在技术上仍然存在较大差距，我国碳纤维技术及产业化水平相当于日本20 世纪80～90 年代的发展程度（如图3 所示）。

图3 1962—2018 年中日碳纤维产业发展情况对比

目前，我国碳纤维发展仍然存在以下问题：

（1）企业巨头少。根据专利数据分析，哈尔滨工业大学、中国石油化工股份有限公司和东华大学为国内申请碳纤维专利最多的机构，单个申请人申请量最多为268 件，但还不及东丽的1/10。我国碳纤维技术专利申请集中度低，尚缺乏能够与国外相抗衡的巨头企业。

（2）实际产量低。在产能上，以国际上最为通用的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维为例，我国碳纤维理论产能呈现出逐年上升的态势，但从绝对数量上看，我国大陆PAN 基碳纤维生产能力只有东丽的一半左右。此外，我国碳纤维产业还存在着产能多、产量少的实际问题，在产业链中上游，我国已经初步具备了碳纤维生产能力，但是存在现有产能无法充分释放的问题。国际上碳纤维产业的产能释放率平均达到65%，东丽有时能达到70%，但是我们的产能释放率才29%［10］，由此造成国内实际产量和国外进一步增大，同时反映出我国碳纤维产业链条建立不完善，产业链各环节衔接还有待完善的产业现状。目前，我国碳纤维进口数量维持高位，根据中国海关数据，2018 年进口量达3 477 t，同比增长13.1%［11-12］。

（3）国外技术封锁严。日本在碳纤维产业链上游的碳纤维制备领域具有绝对的优势；欧美以航空航天需求为牵引，依托东丽碳纤维材料着力发展碳纤维复合材料研究，根据飞机等飞行器的要求设计制造针对高端制造业应用领域的碳纤维复合材料，带动了其国内赫氏、氰特等企业的快速发展，在产业链中游的碳纤维复合材料领域实现了自主创新。然而，在碳纤维产业方面，日本和美国对我国采取了技术封锁策略，甚至采用低价倾销和恶意竞销的手段对我国碳纤维产业进行打压，如每当我国国内碳纤维技术或产业取得重要成就时，日本则通过碳纤维产品降价方式以打压国内企业，令国内创新成果难以取得产业上的应用，破坏了国内碳纤维技术及产业链良性循环发展的，造成国内碳纤维产业发展举步维艰，甚至曾出现了与国外碳纤维技术差距逐渐拉大的情况。

（4）专利质量低。从碳纤维领域专利数量看，我国已经跃居全球首位，一方面这说明我国碳纤维行业在关键领域取得了一定的突破，另一方面这和我国近年来大力发展知识产权的政策实施是密不可分的。然而，就关键技术的专利保护策略而言，我国碳纤维产业的专利质量还有待提高，与日本和美国的专利布局模式还存在一定差距。以各国碳纤维专利布局为例，如图4 所示，美国的海外布局专利高达其领域内专利总申请量的56%，日本海外布局专利申请也达到了27%，并且日本碳纤维巨头已在华布局了大量碳纤维专利，如仅东丽一家企业就在我国布局了106 件碳纤维相关专利；而我国的海外专利申请数量仅占领域内专利总申请量的1%，远低于美国和日本。

图4 全球碳纤维领域主要国家的专利布局

此外，我国应逐步争取合作项目中的海外专利权益。如表2 所示，在美国波音公司与我国北京化工大学联合申请的专利中，波音公司对2017 年联合申请的两项专利均提出了国际申请，足以见其对我国研究成果的重视，可以预测，其对2018 年提出的专利也将积极申请海外权利；但是，我国专利申请人仅对在国内申请的专利技术具有专利权，并没有取得该技术的海外专利权。随着科研实力的增强，我国在知识产权方面应注重同时积极争取更多权益。

表2 波音公司与北京化工大学共同申请的碳纤维技术专利

4 北京市碳纤维产业发展现状分析

在碳纤维领域，北京市产业链上游呈现合作发展态势，产业链中游研发优势明显，产业链下游航空航天产业应用突出。

（1）在产业链上游，市内企业联合市外企业共同发展。碳纤维制备处于碳纤维产业链的上游，全球专利重要申请人依然以日本传统碳纤维强国为主，我国专利重要申请人包括北京化工大学、中国石油化工股份有限公司、东华大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、威海拓展纤维有限公司等（见图5）。其中，北京化工大学和中国石油化工有限公司的注册地位于北京市，这两家机构分别位列国内碳纤维制备专利申请的前两位。在碳纤维领域，北京化工大学所申请的专利跻身于全球前10 位，且与波音公司有合作专利申请，与国际先进技术接轨程度较高；并且，北京化工大学与威海拓展有限公司有4 件共同专利申请，说明在碳纤维制造领域，北京市的大学与市外相关机构已经初步建立起了产学研的合作模式。北京化工大学、威海拓展纤维有限公司、航天材料及工艺研究所和北京卫星制造厂有限公司合作开发了M55J 项目，并于2018 年5 月通过了技术验收，标志着国产M55J 级高强高模碳纤维材料实现了从工艺到装备的完全国产化制备［13］。

（2）在产业链中下游，航空航天用碳纤维研究力量集中。产业链中游的复合材料方面，北京市专利申请量的前3 名分别为北京航空材料研究院、中国石油化工股份有限公司和航天材料及工艺研究所（见图6）。2010 年，由中国航空工业集团公司基础技术研究院(以下简称“中航工业基础院”)、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资成立了中航复合材料有限责任公司，继承了北京航空材料研究院碳纤维技术的研究基础，成为我国碳纤维复合材料研发的重要力量。产业链下游的碳纤维应用方面，北京市专利申请量前3 位分别为北京航空航天大学、北京空间飞行器总体设计部以及中国运载火箭技术研究院，均为我国航空航天领域的重要单位，由此可见，在碳纤维应用领域北京市具有一定的航空航天应用研究基础。而航空航天属于高端制造业，加大我国航空航天器制造业的创新投入力度并采用针对性原则对重点项目加大投入，与北京市及国家关于我国制造业发展的政策支撑方向相符合［14］；并且欧美也正是通过在航空航天领域大力发展碳纤维技术从而带动其碳纤维产业链发展，证实了通过航空航天产业带动碳纤维全产业链发展的可行性。因此可以预见，随着我国大飞机重大专项等飞行器研发项目的逐渐深入，碳纤维在国内高端制造业必将具有更为广阔的发展前景。

图6 我国碳纤维产业链中下游专利重要申请人

5 北京市碳纤维产业发展对策建议

在碳纤维领域，北京市研发优势明显，相关技术在航空航天产业应用突出，但对于碳纤维制造生产发展也存在资源供给紧张、环保压力加剧等制约条件，通过市内外协同发展，推动产业链采取更具深度的水平和垂直分工，加强产业链网络的密度和延展度，有利于增加整个产业链的附加值，同时充分发挥北京市在产业链中下端的优势，促进市内企业生产更加精细化、专业化［15］。根据国内外碳纤维发展现状，结合北京市实际，对北京市碳纤维产业发展提出以下对策建议：

（1）制定产业扶持政策，应对国外垄断封锁。碳纤维技术在国外发展已经较为成熟，且已经广泛应用于大飞机及汽车等高端应用领域。我国包括北京市在内的多家企业、高校及科研院所对碳纤维产业链的各个环节开展了具有针对性的研究并取得了一定成果，然而，以日本为代表的碳纤维巨头为限制我国碳纤维技术的发展，有针对性地采取产品降价等手段以打压我国碳纤维技术的发展，使得我国碳纤维创新技术在形成产品并进一步产业化的道路上举步维艰，造成产能多、产量少的尴尬局面，更难以进入到产业链条各个环节间的协调发展。基于我国碳纤维产业链现状，建议北京市政府出台相应政策，以应对此类处于国外垄断状态下的高端制造业关键技术被国外封锁局面，保护北京市创新成果的研制，促进相关科技成果产业化，保障北京市乃至全国高端制造业关键技术的产业链健康发展。

（2）北京市内外资源共享，产学研用协调发展。北京市提出要优化产业特别是工业项目选择，突出高端化，然而很多高端制造业产业链上游仍难以避免生产制造过程中废气污水所带来的环境污染，这与北京市的发展政策存在一定矛盾，为了能够持续推进碳纤维产业化进程，建议发挥北京市已有的产学研用基础作用，将北京化工大学与山东威海拓展纤维有限公司所形成的合作模式进一步优化完善，纳入更多的创新主体，如中国石油化工股份有限公司、江苏恒神股份有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司等，充分发挥北京市的研发优势与市外生产制造优势协调发展。一方面，北京化工大学等高校和企业的研发团队具有较强的研发优势，掌握国内先进的关键技术，可为北京市外其他企业提供最新的科研成果，帮助其提升碳纤维产品质量，促进国内碳纤维生产企业快速发展；另一方面，北京市外的相关企业具有生产制造优势，制备产品局限较小，这些企业引入北京市相关企业的先进技术后应用于实际生产，充分释放其产能，并且能够有助于对碳纤维领域的科研成果进行实地验证，同时其加工制造的产品最终会投入市场应用，从而催生出新的市场需求，能够反作用于北京市相关创新主体的科学研究，根据现有产品存在的问题把握市场需求以及科研方向，使得科研与生产有效结合、互相促进，从而形成产业发展良性循环，进一步提高碳纤维产品成熟度、降低产品成本，对标国外先进技术，逐步打破国外封锁。

（3）航空航天需求牵引，打通产业发展全链条。日本通过美国航空航天产业的发展需求来扩展其碳纤维海外市场，实现扭亏为盈，而欧美也借此机会引进东丽等日本碳纤维产业链上游产品，发展碳纤维产业链中游产品碳纤维复合材料，为波音、空客等企业的碳纤维应用端提供服务。根据对北京市碳纤维领域专利和碳纤维产业的大数据分析，目前北京市相关创新主体集中在航空航天领域，如在复合材料领域包括航天材料及工艺研究所、北京航空材料研究院、中航复合材料有限责任公司等单位，在应用端包括中国运载火箭技术研究院、北京卫星制造厂、北京空间飞行器总体设计部，中国航天空气动力技术研究院等单位。航空航天高端制造业为我国大力发展的高端制造业，据统计，2018 年我国有近2 万t 碳纤维应用在航空航天领域［16］；国产大型客机中国商飞C919 的机尾和侧翼也采用了碳纤维复合材料，占整机质量的12%［17］。国产大飞机崛起驱动碳纤维作为航空军用核心材料发展进入快车道，可以预测，我国在航空航天领域碳纤维应用趋势将会持续增加。因此，可参考日本和美国的碳纤维发展模式，以产业链下游航空航天高端应用需求为牵引，带动上游碳纤维制备、中游碳纤维复合材料持续发展；进一步的，上游和中游为下游提供产品，汇集国内全产业链条上各单位优势，实现碳纤维全产业共同发展（如图7 所示）。

图7 北京市碳纤维产业链发展模式

（4）专利质量持续强化，积极获取海外权益。在碳纤维领域专利数量上，我国已经跃居全球首位，但专利分析结果显示，我国专利质量仍然存在不足，例如虽然专利申请量居高但是申请聚集度低，专利申请较为分散，在碳纤维领域尚缺乏巨头企业；另外，我国的专利绝大部分为国内申请，申请人在海外布局专利较少，在海外布局专利仅占领域内专利总申请量的1%。此外，在我国创新主体与国外相关机构合作研发的项目中，对于知识产权的权利范围，尤其是创新成果的海外专利权，需要积极争取，以获取有利地位。

6 结论

碳纤维产业技术作为高端制造业中的一类关键共性技术，其产业发展程度对我国高端制造业发展具有重要影响。本研究从专利视角出发，结合企业调研情况，总结国内外碳纤维产业发展特点，从国际、国内和北京市3 个地域维度进行总结，并提出适用于北京市碳纤维产业发展的新模式，包括：

（1）国际碳纤维发展模式总结及借鉴。根据全球碳纤维专利申请数据对国外主要创新主体进行系统梳理，结合专利文本信息挖掘技术构建专利地图，探究国外碳纤维产业链构成特点，并对美国和日本碳纤维产业链构成进行总结，挖掘其产业发展模式特点。

（2）国内碳纤维发展问题及现状研究。根据碳纤维专利数据情况，结合产业数据和专家调研，对国内碳纤维发展现状进行剖析，并与国外技术进行对标分析，总结我国碳纤维技术及产业化水平与国外的差距，剖析我国碳纤维发展所面临的实际问题。

（3）北京市碳纤维产业现状分析及发展模式构建。北京市在碳纤维领域研发端的实力强劲，并涌现出一批在航空航天领域的碳纤维高端制造企业对碳纤维产业发展起到牵引、推动作用，具备整合国内碳纤维领域优质资源的基础条件，根据北京市的资源和技术优势，提出构建以高端需求为牵引的北京市碳纤维产业的全产业链发展模式，为北京市的碳纤维产业发展提供借鉴参考。