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汽車用碳纖維復合材料剖析
時間:2020年10月10日 來源:復材模壓專委會  作者:佚名 瀏覽次數:

    碳纖維復合材料作為汽車部件具有輕質高強、可設計性好、零部件一體化、耐沖擊性好、耐腐蝕性能好等優點。在全球節能減排的大環境下,采用碳纖維復合材料替代現有的金屬結構,是實現減少汽車尾氣污染并達到節能的有效途徑。

    基于碳纖維行業和汽車行業發展的需求,國家知識產權局專利分析普及推廣項目碳纖維復合材料課題組從碳纖維復合材料用于汽車零部件輪轂、量產整車BMW i3以及汽車用碳纖維復合材料的全球技術合作三個視角出發,對汽車用碳纖維復合材料技術進行了深度剖析。


01汽車零部件——輪轂用碳纖維復合材料技術

    碳纖維復合材料在汽車輪轂中的應用是產業關注的關鍵技術領域。近年來,國際知名整車廠商福特公司、寶馬公司聲稱已經將碳纖維材料應用于其生產的高端跑車上,并逐步推動碳纖維復合材料輪轂向低端車型上的應用。但從下圖1中可以看到,輪轂應用碳纖維復合材料的時間較晚,申請量也不多,僅為47項。

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    碳纖維復合材料應用于輪轂的全球專利涉及碳纖維復合材料在輪轂各部位的應用,按照應用的具體部位,分為輪輻、輪、輪輻和輪輞連接部(簡稱連接部)、輪轂主體、中心孔五個技術分支。從專利申請量看,專利申請比重最大的是輪輞,其次是輪輻、輪轂主體,連接部和中心孔的專利申請量較少。

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下圖3顯示了碳纖維復合材料應用于輪轂的中國專利布局情況?梢钥闯輪輞和輪輻是申請布局的主要技術領域。圖中藍色字體代表未決狀態的國外來華申請,紅色字體代表有效的國外來華申請,黑色字體代表中國申請人的申請?梢钥闯鰢鈦砣A申請全是發明專利,并且主要集中在輪和輪輻的結構改進,目前僅有一件有效,其余全部是未決狀態。而中國申請人的申請主要為實用新型。 

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02整車——BMW i3用碳纖維復合材料技術

寶馬集團于2009年開始選擇采用碳纖維復合材料來制造BMW i3。BMW i3由三菱麗陽、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在技術鏈中優勢互補,為他們的合作奠定了基礎。
作為碳纖維供應商,三菱麗陽比較注重產業鏈上游的專利布局,申請涉及的主題包括制造碳纖維原絲用的化工原料及其助劑、制造碳纖維復合材料需要的樹脂組合物、碳纖維原絲、碳纖維及其絲束、碳纖維織物、復合材料的結構設計、成型工藝及少量汽車部件。
西格里作為復合材料供應商,對于產業鏈上游的化工原材料等幾乎沒有涉及,申請主要集中在碳纖維復合材料的結構設計、成型工藝和汽車部件領域。
寶馬作為整車廠商,其專利申請并沒有只是關于汽車部件,也有關于碳纖維束、碳纖維織物的申請。另外,寶馬還有大量申請涉及復合材料的連接方法、復合材料的質量檢測方法、復合材料的回收和修補。
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通過對BMW i3每一個生產環節中所涉及的專利進行梳理,發現該產品在每個生產環節都有重要專利進行保護。BMW i3的生產流程可以進一步細分為:碳纖維原絲的制造、碳纖維原絲的預氧化和碳化、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、預成型、預成型體的剪切、樹脂傳遞模塑成型(RTM)、生命模塊組裝、生命模塊和驅動模塊的整合、質量檢測、回收利用11個步驟,重點專利列于下表1。

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03:汽車用碳纖維復合材料全球技術合作

圖5展示了汽車用碳纖維復合材料領域在結構設計、成型工藝和汽車部件三個技術分支中的主要申請人。從圖中可以看出,汽車用碳纖維復合材料領域的申請人主要是碳纖維及其復合材料供應商(圖中黃色表示)、整車企業(圖中綠色表示)、汽車零部件供應商(圖中藍色表示)。

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圖6展示了汽車用碳纖維復合材料全球專利技術合作申請情況。碳纖維復合材料汽車輕量化領域的專利合作申請共有1098項。圖中氣泡大小代表該申請人的申請量多少,連線越多表明合作伙伴越多。不同顏色的氣泡代表該企業在汽車用復合材料產業鏈中的不同角色。從圖中可以看出,由于汽車用碳纖維復合材料的產業鏈較長,技術復雜,在量產化的工藝流程中有多個環節存在技術難題,因此行業中的競爭者們紛紛參與到技術合作中來。其中東麗在這個領域的申請量最大,而豐田的合作申請最多。 

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