基于专利和论文的我国石墨烯纤维技术研究现状

石墨烯纤维是2011年才发展起来的一种以天然石墨为最初原料的新型碳质纤维,由石墨烯或者功能化石墨烯纳米片的液晶原液经湿法纺丝一维有序组装而成。由于导电性良好、柔韧性高、比表面积高等优越性能,石墨烯纤维在超级电容器、轻量级导电电缆线、响应器、锂电池、智能纺织品等领域有广泛的应用前景。

目前国内学者关于石墨烯纤维在各种石墨烯纤维制备方法与性能提高[2-6]、石墨烯纤维材料、石墨烯纤维的应用[[i]-[ii]]等方面已有不少研究。这些研究推动了石墨烯纤维相关技术的发展,曲良体也从制备技术进展和应用范围等方面介绍了石墨烯纤维的研究进展。但是目前鲜见对石墨烯纤维技术发展和基础研究的整体把握。本文采用文献计量学的方法,利用中国知识产权局(SIPO)的相关专利数据和中国知网(CNKI)的相关论文数据,从专利和论文两个角度揭示我国石墨烯纤维技术发展现状,希望能够对我国石墨烯纤维技术的研究和应用提供指导。

一、中国石墨烯纤维论文分析

本文选择中国知网(CNKI)为论文数据来源,检索式为:主题=(石墨烯 and纤维),时间为2011-2017年,检索时间为2017年8月16日,共得到240篇文献,除去报纸、会议通知等文献,共有226篇论文。

1.文献数量时序分析

从石墨烯纤维的发文数量来看,整体呈现波动式上升趋势,表明石墨烯纤维研究处于快读发展阶段。我国石墨烯纤维相关论文是从2011年开始出现,2011年,高超团队首次研究制备出石墨烯纤维,当年出现了4篇石墨烯纤维相关研究文章。随后石墨烯纤维相关研究论文数量呈稳步增长状态,从2011年的4篇增加到2016年的78篇。2017年的论文数量不够完整,仅供参考。石墨烯纤维研究已经从最初的萌芽期进入到快速发展阶段,相关研究论文相继发表。图1显示出2011-2017年石墨烯纤维论文数量的变化趋势。

最初的石墨烯纤维是由液晶相湿法纺丝法所得,但其制备方法及制备出的石墨烯纤维性能有待提升,之后学者们先后探索出限域水热组装、化学气相沉积法(CVD)辅助合成、氧化石墨烯的自发还原及组装、碳纳米管纱丝等方法制备石墨烯纤维,提升石墨烯纤维性能也成为学者们的研究焦点。

2.发文机构分析

对第一作者所在机构进行统计,发文数量排名前10的机构如图2所示。东华大学、浙江大学是我国研究石墨烯纤维的主要单位,发文量前10的机构全部为高校和科研院所,未见企业单位,反映出高校和科研院所是石墨烯纤维研究的主要力量。东华大学以15篇论文数量高居榜首,其次为浙江大学和青岛大学,发文量分别为14篇和13篇。石墨烯纤维是由浙江大学高超教授首先提出来的,所以浙江大学的发文数量较多;东华大学材料学院在朱美芳院长的带领下多年来也一直致力于智能纤维研究,在石墨烯纤维研究方面成果颇多。

3.高频关键词分析

石墨烯纤维论文中出现的高频关键词是石墨烯纤维领域近几年研究关注的重点,代表着该领域的研究热点与发展方向。在对关键词统计过程中,去除了一些如研究进展、影响等对研究热点结果无意义的泛词;合并了像超级电容器、固态超级电容器等意思相近或相同的词;并且在最终结果中去掉了石墨烯、碳纤维和纤维及石墨烯纤维这4个对领域研究热点无意义的检索词。

氧化石墨烯是制备石墨烯纤维的主要材料之一,在关键词中,氧化石墨烯以42次的频次高居榜首,表明学者们对氧化石墨烯制备石墨烯纤维研究的关注。静电纺丝、湿法纺丝、化学气相沉积等是制备石墨烯纤维的主要方法,这些高频关键词反映出学者们对石墨烯纤维制备方法的研究改进;复合纤维、纳米纤维、聚丙烯腈、纤维材料等属于石墨烯纤维的制备材料,学者们对制备石墨烯纤维的材料也十分关注;表面性能、导电性能、电化学性能这些高频关键词表明学者们关注的是石墨烯纤维性能的改进;超级电容器、纺织领域则是石墨烯纤维的最终应用领域。总体来说,国内石墨烯纤维的研究热点主要集中在石墨烯纤维制备材料、制备方法、性能改进、在超级电容器和纺织领域的应用几个方面。

二、中国石墨烯纤维专利分析

本文选择中国国家知识产权局(SIPO)作为专利数据源,它拥有最为权威和全面的国内专利数据信息。专利检索式为石墨烯 and纤维,检索时间为2017年8月17日,共获得583条有效专利。

1.专利申请趋势分析

专利申请量的历年变化趋势能够在一定程度上体现该领域技术发展动向和趋势,通过对相关技术领域历年专利申请数量的变化情况进行统计,可以清晰地展现技术发展走势,对于了解该技术领域的未来发展动向有一定的参考作用。

2011年,中国石墨烯纤维领域共有13件申请专利,随后一路呈现快速增长状态,到2016年,专利申请量已达到245件,反映出国内石墨烯纤维技术处于快速发展阶段。由于专利从申请到公开一般需要18个月的时间,2017年的专利数据并不完整,仅供参考,所以2017年的专利数据仅为48件并不能代表专利申请量呈现下降趋势。

2.专利权人分析

通过对石墨烯纤维领域专利申请人的专利数量进行统计分析,可以发现石墨烯纤维领域的主要研发机构和技术领先者(表2)。从表2中可以看出,石墨烯纤维领域排名前10的申请人全部是高校和科研院所,没有企业单位的身影,这从侧面反映出石墨烯纤维还处于技术研发阶段,离产业化阶段还有一段距离。

石墨烯纤维良好的电学性能、导热性能和机械性能使得它在超级电容器、轻量级导电电缆线、传感器、纺织品、锂电池、可穿戴电子设备等方面具有良好的应用前景,不过目前石墨烯纤维力学强度和导电性性能方面限制了它在可穿戴电子设备和功能性器件的发展前景,虽然目前高超教授团队已经在提高石墨烯纤维性能上取得一系列成果,并且成功实现石墨烯纤维的规模化制备,但是仍然离石墨烯纤维大规模市场化应用有差距。

3.技术结构分析

石墨烯纤维领域涵盖众多不同类型的子技术,通过对石墨烯纤维领域IPC分类号进行统计分析,可以发现石墨烯纤维主要涉及的技术领域及重要的技术分支。石墨烯纤维主要集中在在C部(化学、冶金)、D部(纺织、造纸),反映出石墨烯纤维技术的研发以化学为主,主要方向是纺织相关技术。从专利申请数量来看,石墨烯纤维技术研发重点是石墨烯纤维材料的处理(纤维的处理D01)和石墨烯纤维的制备(有机高分子化合物其制备或化学加工C08),其专利数量分别为216件和123件,占比分别为24.43%和13.91%。

石墨烯纤维专利申请主要集中在D01F(制作人造长丝、线、纤维、鬃或带子的化学特征;专用于生产碳纤维的设备和)D01D(制作人造长丝、线、纤维、鬃或带子的机械方法或设备),国内石墨烯纤维领域注重纤维生产和纤维性能方面的技术研究。

三、对比分析

从石墨烯纤维论文分析和专利分析来看,我国石墨烯纤维的研究与技术发展呈现以下3方面特点:

1.在研究趋势方面,石墨烯纤维领域呈现快速发展状态

从论文数量随时间变化趋势来看,石墨烯纤维领域论文数量逐年增长,说明该技术为新兴技术,处于发展阶段,研究范围也不断扩展。从最初的石墨烯纤维制备方法研究到现在的包括石墨烯纤维材料、制备方法、性能改进和应用研究等各方面。从专利申请趋势来看,石墨烯纤维专利申请量呈现稳步增长状态,短短5年专利数量增长约20倍。石墨烯产业化应用刺激着专利数量增长,目前我国石墨烯复合纤维已经在纺织领域实现工业化生产,处于国际领先地位。不论从论文数量还是专利数量来看,我国石墨烯纤维是一个新兴的研究领域,处于快速发展的阶段,且未来发展前景可观。

2.在主要发文机构和专利权人方面,高校和科研院所是我国石墨烯纤维研究的主要力量

从论文的发文数量来看,高校和科研院所是国内石墨烯纤维研究的主要贡献者,东华大学、浙江大学和青岛大学占据石墨烯纤维发文数量绝对优势,是该领域研究的核心机构。而在发文量前10的统计中,没有一家研究机构是企业单位,说明企业对石墨烯纤维的研究还没有引起重视。从专利申请量来看,东华大学和浙江大学也是独占鳌头,分别为55件、50件,哈尔滨工业大学和青岛大学紧随其后,分别为33件和20件。专利申请量前10的机构中,无一家企业入围,反映出企业在该领域技术创新能力不足。总体来说,东华大学和浙江大学在石墨烯纤维领域基础理论研究和技术创新能力都属于国内领先地位,高校和科院院所是该领域主要的技术研究阵地,而石墨烯纤维优越的性能和诱人的诱人前景促使其产业化发展进程,目前石墨烯纤维已经在纺织领域实现产业化生产。未来,加快促进产学研转化,实现高校科研院所技术与企业合作实现产业化生产是石墨烯纤维的发展趋势。

3.在研究热点方面,论文和专利统计石墨烯纤维关注重点稍有不同

从论文高频关键词来看,国内石墨烯纤维研究主要集中在石墨烯纤维材料、石墨烯纤维制备方法、石墨烯纤维性能改进、超级电容器和纺织领域应用几个方面,这些都是石墨烯纤维实现产业化需要解决的问题,为促进石墨烯产业进程奠基。从专利技术结构分析来看,石墨烯纤维专利技术主要集中在纤维材料处理、石墨烯纤维制备以及纺织3个方面,而超级电容器方面的相关专利技术较少见,但关于该方面的论文理论研究十分活跃。总体看来,石墨烯纤维材料、制备方法及其在纺织领域应用方面既是理论方面研究关注的重点,也是专利技术的关注对象。

四、结语

石墨烯纤维领域的研究处于快速发展阶段,相关专利技术也不断增加。本文限于资料和时间关系,只探讨了中国石墨烯纤维的发展现状,关于专利和论文的计量分析深度有限,结果可能存在疏漏之处。在今后的研究中,可以结合Webof Science中论文与DII数据库中的专利对全球石墨烯纤维相关研究从论文和专利2个角度进行分析,更进一步了解石墨烯纤维发展情况。