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汽车用碳纤维复合材料剖析
时间:2020年10月10日 来源:复材模压专委会  作者:佚名 浏览次数:

    碳纤维复合材料作为汽车部件具有轻质高强、可设计性好、零部件一体化、耐冲击性好、耐腐蚀性能好等优点。在全球节能减排的大环境下,采用碳纤维复合材料替代现有的金属结构,是实现减少汽车尾气污染并达到节能的有效途径。

    基于碳纤维行业和汽车行业发展的需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目碳纤维复合材料课题组从碳纤维复合材料用于汽车零部件轮毂、量产整车BMW i3以及汽车用碳纤维复合材料的全球技术合作三个视角出发,对汽车用碳纤维复合材料技术进行了深度剖析。


01汽车零部件——轮毂用碳纤维复合材料技术

    碳纤维复合材料在汽车轮毂中的应用是产业关注的关键技术领域。近年来,国际知名整车厂商福特公司、宝马公司声称已经将碳纤维材料应用于其生产的高端跑车上,并逐步推动碳纤维复合材料轮毂向低端车型上的应用。但从下图1中可以看到,轮毂应用碳纤维复合材料的时间较晚,申请量也不多,仅为47项。

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    碳纤维复合材料应用于轮毂的全球专利涉及碳纤维复合材料在轮毂各部位的应用,按照应用的具体部位,分为轮辐、轮、轮辐和轮辋连接部(简称连接部)、轮毂主体、中心孔五个技术分支。从专利申请量看,专利申请比重最大的是轮辋,其次是轮辐、轮毂主体,连接部和中心孔的专利申请量较少。

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下图3显示了碳纤维复合材料应用于轮毂的中国专利布局情况。可以看出轮辋和轮辐是申请布局的主要技术领域。图中蓝色字体代表未决状态的国外来华申请,红色字体代表有效的国外来华申请,黑色字体代表中国申请人的申请。可以看出国外来华申请全是发明专利,并且主要集中在轮和轮辐的结构改进,目前仅有一件有效,其余全部是未决状态。而中国申请人的申请主要为实用新型。 

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02整车——BMW i3用碳纤维复合材料技术

宝马集团于2009年开始选择采用碳纤维复合材料来制造BMW i3。BMW i3由三菱丽阳、西格里和宝马公司三家合作完成。从下图4中可以看出这三家企业在技术链中优势互补,为他们的合作奠定了基础。
作为碳纤维供应商,三菱丽阳比较注重产业链上游的专利布局,申请涉及的主题包括制造碳纤维原丝用的化工原料及其助剂、制造碳纤维复合材料需要的树脂组合物、碳纤维原丝、碳纤维及其丝束、碳纤维织物、复合材料的结构设计、成型工艺及少量汽车部件。
西格里作为复合材料供应商,对于产业链上游的化工原材料等几乎没有涉及,申请主要集中在碳纤维复合材料的结构设计、成型工艺和汽车部件领域。
宝马作为整车厂商,其专利申请并没有只是关于汽车部件,也有关于碳纤维束、碳纤维织物的申请。另外,宝马还有大量申请涉及复合材料的连接方法、复合材料的质量检测方法、复合材料的回收和修补。
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通过对BMW i3每一个生产环节中所涉及的专利进行梳理,发现该产品在每个生产环节都有重要专利进行保护。BMW i3的生产流程可以进一步细分为:碳纤维原丝的制造、碳纤维原丝的预氧化和碳化、碳纤维织物的制造、碳纤维织物的切割、碳纤维织物的叠层铺放技术、预成型、预成型体的剪切、树脂传递模塑成型(RTM)、生命模块组装、生命模块和驱动模块的整合、质量检测、回收利用11个步骤,重点专利列于下表1。

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03:汽车用碳纤维复合材料全球技术合作

图5展示了汽车用碳纤维复合材料领域在结构设计、成型工艺和汽车部件三个技术分支中的主要申请人。从图中可以看出,汽车用碳纤维复合材料领域的申请人主要是碳纤维及其复合材料供应商(图中黄色表示)、整车企业(图中绿色表示)、汽车零部件供应商(图中蓝色表示)。

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图6展示了汽车用碳纤维复合材料全球专利技术合作申请情况。碳纤维复合材料汽车轻量化领域的专利合作申请共有1098项。图中气泡大小代表该申请人的申请量多少,连线越多表明合作伙伴越多。不同颜色的气泡代表该企业在汽车用复合材料产业链中的不同角色。从图中可以看出,由于汽车用碳纤维复合材料的产业链较长,技术复杂,在量产化的工艺流程中有多个环节存在技术难题,因此行业中的竞争者们纷纷参与到技术合作中来。其中东丽在这个领域的申请量最大,而丰田的合作申请最多。 

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