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从专利大数据分析CFRTP的开发与应用

来源：CPRJ塑料橡胶日期：2020-10-16 作者：胡国华

本文从国内外专利大数据的分析与考察，针对高性能化、绿色环保化的先进碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）的开发与应用给予介绍与评价。

作者：北京纳盛通新材料科技有限公司方鲲、法国洛林大学胡国华

专利不仅是对创新知识产权的保护，同时也为行业发展提供客观的大数据。笔者通过分析比较国内外专利大数据，对当前火热的碳纤维增强热塑性复合材料进行分析，梳理总结了碳纤维增强热塑性复合材料在汽车上的应用。

碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）

先进的碳纤维（CF）增强塑料及热塑性复合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Resin Composites，CFRTP）是近年来国际复合材料领域发展速度最快的高新科技前沿技术之一，是国内外科研部门和材料企业都投入巨资和人力竞相开展研究、开发与应用的一种高性能化、绿色环保化的新材料。

通过选择原材料如碳纤维(CF)、热塑性树脂基体(plastics)和添加剂的种类、配比、加工成型方法、含量和碳纤维（单丝和编织物）铺层数量与方式进行多组份、多相态、多尺度的宏观与（亚）微观的复合成形过程（物理过程和化学过程）制备复杂结构与性能的CFRTP新材料，并且可以根据产品要求进行复合材料精细化结构与预定化性能的智能化、自动化、高效化的设计与精密生产制造，从而可使碳纤维复合材料达到不同物理、化学、机械力学和特殊功能，从而使各种CFRTP复合材料制品具有设计自由度大、尺寸稳定、翘曲度低、抗疲劳、抗老化、耐蠕变等显著优点。CFRTP既可以部分替代价格昂贵的工程塑料和CFRP材料制品，也可以部分替代轻质金属材料（如铝镁合金）。

1000W碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）风电叶片。

CFRTP具有：密度低（1.10-1.60g/cm3）、强度高、抗冲击韧性好、抗疲劳性好，同时又具有可回收再循环使用、加工成型快、制造成本低的突出优异特点。

主要分为三种类型：(1)短切碳纤维(SCF)增强型CFRTP；(2)长碳纤维(LCF)增强型CFRTP；(3)连续碳纤维(CCF)增强型CFRTP，包括单向碳纤维增强热塑性预浸带CFRTP、碳纤维多相、多角度的编织物（布）增强型CFRTP。各种类型CFRTP具有不同的机械力学性能和功能特征，并且己经开发与应用于不同领域和行业的各种形式产品或制品。

先进的碳纤维复合材料（包括CFRP和CFRTP）给汽车和零部件制造业带来突出优势，可以表现在：

(1)轻量化：汽车轻量化最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。车重减小10％，油耗降低6~8％，排放降低5~6%，0-100km/h加速性提升8-10%，制动距离缩短2~7m。

(2)安全性：车身轻量化可以使整车的重心下移，提升了汽车操纵稳定性，车辆的运行将更加安全、稳定，具有极佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍，这进一步保证了汽车行驶的安全性。

(3)舒适度：具有更高的震动阻尼，轻合金需要9秒才能停止震动，2秒就能停止，对于整车NVH（噪声、振动与声振粗糙度）的提升贡献同样很大，会大幅增强汽车行驶的舒适性。

(4)可靠性：具有更高的疲劳强度，钢和铝疲劳强度是抗拉强度的30-50%，可达70-80%，材料疲劳可靠性有较大提升。

(5)提升车身开发水平：可设计性比金属强，因此更易于车身开发的“平台化、模块化、集成化”。车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言，可以做到大大减少零件种类，减少工装投入，缩短开发周期。尤其对于新能源汽车企业，车身不仅可以节约冲压、焊装生产线及模、夹具的投入，减轻固定资产占资配比，优化企业资产配置结构，而且在市场宣传上更具影响力。

纵观奔驰、宝马、奥迪等高端品牌汽车企业在产品线中的应用布局，可以预见CFRTP新材料在汽车上的应用必然成为未来发展方向。

LED显示幕碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）单体模组支架。

国内外专利大数据

碳纤维及复合材料产业是战略性、基础性的新材料产业，也是国际上高技术竞争的关键领域。相对国外发达国家而言，该行业国内的技术落后较大，产业发展整体水平低。

利用合享汇智信息科技incoPat大数据库平台（收录了全球105个国家和地区及组织的1.2亿件专利），检索出近三十多年来关于碳纤维（CF）增强塑料和热塑性复合材料（CFRTP）开发及应用的专利成果及原创核心专利影响因素排名发现，世界各国越来越重视CFRTP新材料及产品的研究、开发与应用。

具体表现在：

(1)近年来，申报的CFRTP新材料品种明显增多，但原创核心专利基本都来自国外，特别是国外企业申请的专利都是最新、最核心、最原创的高技术专利，保护范围广泛且全面。

(2)具有“更轻、更强、更环保”的CFRTP轻量化应用的零部件设计、制造技术己经成为国际新材料工业未来发展的一个大趋势。

国外申报的CFRTP新材料和应用专利更趋向于民用产品，且越来越多，行业应用广泛。而国内申报的CFRTP新材料专利中，原创核心专利基本没有，产品应用专利则明显更少。

电动汽车碳纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)翼子板件（注塑件）。

从专利大数据的分析和考察中，可以明显发现，CFRTP和应用核心专利数量最多的是日本东丽株式会社（公司），约占51-54%；其次是日本三菱丽阳、东邦、帝人公司，约占17-22%；德国的SGL公司、巴斯夫公司等约占12-16%；美国的赫氏公司、氰特公司等约占8-9%；英国和法国公司等约占有4-6%；而中国的大学、中科院所、科技新材料以及企业所占有核心专利数量约占1-3%，应用核心专利更是基本没有。

总的来看，在CFRTP新材料和应用领域，目前中国产业化仍然属于落后状况，必须加大人、财、物的投入，尽快赶上国外发展水平。

北京纳盛通新材料科技有限公司以高性能化的CFRTP新材料制备与工艺技术开发作为创新的核心技术，最终研发成功全智能化、自动化生产线，并且具备可产业化的CFRTP新材料生产能力。

在充分深入分析与考察国内外的CFRTP新材料和应用专利成果大数据基础上，经过多年的反复实验、论证和协同攻关，纳盛通自主创新出“梯度浸淆”新工艺技术和专用设备，从而开发出高性能化、低成本化的CFRTP新材料，同时申请了中国发明专利4项，实用新型专利10项，国际发明专利2项，为实现高性能化的汽车CFRTP新材料与轻量化零部件的国产化奠定了有力的新材料基础。