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我国新能源汽车及其轻量化材料科技成果计量分析

已有 4112 次阅读 2011-9-20 13:00 |系统分类:论文交流| 新能源汽车, style, face, 计量分析, 材料center

 

我国新能源汽车及其轻量化材料科技成果计量分析

吕鹏辉 陆科等

摘要新能源汽车是我国“十二五”期间重点发展的战略新兴产业之一,轻量化材料的发展对新能源汽车的发展起到很重要的作用。本文利用文献计量、数据对比、数值模拟计算等分析方法,对2000年以来我国及中国科学院的新能源汽车及轻量化材料科技成果产出数量、年度分布等进行计量分析。尤其对碳纤维、碳纳米管和树脂科技成果的年度发展态势、完成地域分布、主要完成机构等变化规律进行分析比较,揭示了新能源汽车轻量化材料科技成果的现状、发展前景及未来趋势。

关键词新能源汽车 轻量化材料 研究机构 科技成果 计量分析

Bibliometric Analysis of S&T Achievements on New Energy Vehicles and Its Lightweight Materials in China

我国新能源汽车及其轻量化材料科技成果计量分析.pdf 

Abstract: New Energy Vehicles is one of the key emerging strategic industries during the “Twelfth Five-Year Plan” in China. Its lightweight materials which were made exploratory research in several areas play an important role in automobile manufacture. In this paper, the method of bibliometrics, data comparison and numerical simulation were used to analyze the domestic scientific and technological achievements on new energy vehicles and its lightweight materials since 2000. The number of outputs, annual distribution, the results from all major cities, and annual distribution of carbon fiber, carbon nanotube and resinene in China as well as Chinese Academy of Sciences were carefully studied, and some develop trends were also proposed.

Keywords: New Energy Vehicles; lightweight materials; research institutions; S&T achievements; bibliometric analysis

    随着全球能源日趋紧张,生态环境日益恶化,汽车产品正在向节能、环保、安全的趋势发展,新能源汽车目前已成为各国竞相研发的热点。而在我国,随着发展低碳经济的迫切需求,汽车材料与结构的轻量化被写入“十二五”规划纲要 [1]。我国《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》(以下简称《决定》)中指出:新能源汽车产业要着力突破动力电池、驱动电机和电子控制领域关键核心技术,推进插电式混合动力汽车、纯电动汽车推广应用和产业化,同时推广高效内燃机、高效传动与驱动、材料与结构轻量化、整车优化、普通混合动力技术,推动汽车产品节能[2]。《决定》对我国新能源汽车发展提出了更高更细的要求,充分显示我国发展新能源汽车的决心。

汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量,在保持汽车整体品质、性能和造价不变甚至优化的前提下,通过降低汽车自身重量可有效提升输出功率、降低噪声、提升操纵性、可靠性,提高车速、降低油耗、减少废气排放量、提升整车安全性 [3]。轻量化材料对汽车的发展起着重要的作用,同时也使新能源汽车朝更高性能的方向发展。当前,国内外汽车制造中轻量化主要采取三种途径:一是轻量化的结构设计和分析,二是通过材料替代或采用新材料来使汽车轻量化,三是采用先进的制造工艺,使用基于新材料加工技术而成的轻量化结构用材[4]。这三种发展方向都使汽车车身结构材料将趋向多种材料设计方向发展[5]。用碳纤维和高性能的树脂基体复合而成的先进碳纤维树脂基复合材料是目前使用较广泛的一种结构复合材料。不少汽车厂家在汽车制造和改装过程中为追求极致轻量化开始尝试大量应用碳纤维增强复合材料[6]。随着新能源汽车的发展,碳纤维复合材料在新能源汽车上在应用也将会越来越广泛。

本文旨在从文献计量的角度对我国新能源汽车及轻量化材料科技成果与完成机构进行分析对比、科学计量与数据挖掘。由于轻量化材料涉及较广,只选取一类材料即碳纤维复合材料为研究对象,具体对该类材料中的碳纤维、碳纳米管和车用基体树脂材料进行科技成果计量分析。通过国家科技数据库(CSTAD)等科技成果信息网站系统,收集我国新能源汽车轻量化材料科技成果信息,利用文献计量分析、数据对比分析及数值模拟计算等方法,从科技成果的类别、年度发展态势、完成地域分布、主要完成机构等方面,系统描述和揭示新能源汽车轻量化材料科技成果的现状与发展态势。

1、数据来源

本文选取中国知网(CNKI)之《中国科技成果数据库》,为提高科技成果检索主题相关性,采用名称+关键词+成果简介的组合检索策略,以“碳纤维”、“车*树脂”以及“碳纳米管”为检索词对2000-2010年间我国科技成果产出进行检索与数据清洗,共得到1603条题录。

2、计量方法

本文选择中国科技成果数据库作为检索数据平台,以TDAOriginMS Office Excel 2010等统计与绘图软件为主要分析工具进行数据挖掘分析与研究。从科技成果计量分析的角度,对我国新能源汽车及轻量化材料科技成果方面我国尤其是科技成果产出靠前的中国科学院的科技成果的年度分布、机构分布等方面进行分析与研究。

3、结果分析

中国科技成果数据库对科技成果划分为科学理论成果、应用技术成果和软科学成果三大类。从图1可看出我国在新能源汽车技术方面科技成果类型多数为应用技术成果,科学理论成果和软科学成果较少。

 

1 我国新能源汽车科技成果产出类型

3.1我国新能源汽车及其材料成果趋势分析

2给出了我国新能源汽车及其轻量化材料科技成果的发展态势。20002008年,新能源汽车的科技成果产出从7项增长到133项,增长19倍;同时轻量化材料产出也增加了近10倍。从2005年到2008年,新能源汽车及轻量化材料的科技成果登记数量都呈现出快速扩大趋势,这表明“十一五”早中期,我国在新能源汽车及轻量化材料上的投入与产出较多。中国科学院在2005年后的轻量化材料科技成果产业也出现明显扩大趋势。从2000年以来的走势与全国总量走势大体一致,2008年也出现产出高峰。


2 我国新能源汽车及轻量化材料科技成果产出趋势


3.2我国轻量化材料科技成果登记年度分析

3给出了碳纤维、车用树脂和碳纳米管三种主要轻量化材料科技成果年度分布。可以看出,2001年开始碳纤维科技成果数量就出现快速增长的势头。2006年后,科技成果产出一直维持在百件以上。碳纳米管的科技成果数量在2007年出现飞跃,从2006年的32件增长到81件,并于2008年达到118件的峰值。经过调研发现,20052006年,美国、日本和欧洲等发达国家对新能源汽车中碳纳米管的应用研究投入加大,我国研发力量也紧随其后,再加上2006年是“十一五”开篇之年,因此碳纳米管科技成果出现大量增长。车用树脂基复合材料的科技成果相对较少,这说明我国在车用树脂材料的研究上相对薄弱,前十年尚未大量部署这方面研究,“十二五”期间将会迎来产出高潮。


 

3 我国新能源汽车轻量化材料科技成果产出年度分布


3.3我国新能源汽车省市科技成果领域分析

通过对我国主要省市在新能源汽车的科技成果产出分析,有助于了解我国主要省市在该领域的科技地位及研发的力度,挖掘不同地区间研发力量差异,有助于将资源有效配置到合理地域并利用已有基础进行继续开发,如在图4中可见新能源汽车研究上地域分布地域极其不均,在我国三大直辖市北京、上海和天津,以及东部沿海的浙江省、江苏省其科技成果明显高于全国其余省市、自治区。

4还对碳纤维、碳纳米管、车用树脂材料已有成果登记的地区进行结果统计,重点对我国北京市、上海市、江苏省等9个省市进行了轻量化材料技术领域构成计量分析。结果发现各主要省市中碳纤维研发成果占据主体地位,这也与近几年信息技术研究热点基本吻合。碳纳米管的科技成果产出来自北京市、上海市和浙江省的较多,车用树脂的科技成果在黑龙江占有较高比例。经过调研发现,这些省市都成立了相应的产业基地帮助进行成果转移转化,可以看出其未来发展以至产业化已有较为雄厚的成果基础。

 

4 我国主要省市科技成果领域分布

3.4中科院轻量化材料科技成果年度分析

5给出了中科院新能源汽车轻量化材科技成果登记的年度变化趋势。可以看出,在2007年、2008年的科技成果登记量增长较其他年度显著,这显示出中科院在新能源汽车轻量化材料技术上研发投入主要分布在近三年而且呈现良好的发展态势,通过年度对比可以看出,碳纳米管和碳纤维在近年发展迅猛,而车用树脂则科技成果产出较少,处于研发起步阶段。


5 我院新能源汽车轻量化材料科技成果产出年度分布


3.5新能源汽车轻量化材料科技成果分析

3.5.1 碳纤维科技成果信息分析

碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维。它是由有机母体纤维(聚丙烯睛、粘胶丝或沥青等)采用高温分解法在10003000℃高温的惰性气体下碳化制成的,是一种力学性能优异的新材料,比重不到钢的14,能像铜那样导电,比不锈钢还耐腐蚀,而其复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为2300043000Mpa也高于钢。碳纤维按其原料可分为三类:聚丙烯腈基(PAN)碳纤维、石油沥青基碳纤维和人造丝碳纤维三类[6]

1为碳纤维领域中主要成果完成机构的科技成果登记总量(科技成果登记总量大于15的部分)。从科技成果登记总量来看,中国科学院是碳纤维技术领域主要科技成果的完成机构,同时在近三年的科技成果登记量均占到该研发机构在该技术领域的科技成果登记总量的46%以上,是碳纤维技术领域中科技成果创造的活跃者;其他多数登记机构的技术活跃度也达到30%以上,表明该技术领域具有较强的技术吸引力。在碳纤维技术的应用技术成果方面,中国科学院最多达到77项,其次是哈尔滨工程大学与东华大学为20项以上,其余机构在20项以下。这表明中国科学院非常注重对碳纤维技术应用研究,仅金属所成果产出就超过20项。

1 碳纤维科技成果完成单位及产出数量分布

序号

全国科技成果登记机构

数量

1

中国科学院

77

2

哈尔滨工程大学

23

3

东华大学

20

4

山东大学

16

序号

中科院院属登记机构

数量

1

金属研究所

22

2

山西煤炭化学所

14

3

化学研究所

8

4

长春应用化学所

5

3.5.2 车用树脂科技成果分析

树脂基复合材料是指以热固性树脂如PP 聚丙烯树脂、ABS树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体,以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维等为增强材料,以填充剂、增韧剂抗氧剂等为辅助材料制成的复合材料 [8]

2为车用树脂领域中主要成果完成机构的科技成果登记总量(科技成果登记总量大于2的部分)。从科技成果登记总量来看,大庆华科公司是车用树脂技术领域主要科技成果的完成机构。在车用树脂技术的应用技术成果方面,大庆华科公司最多达到了18项,其次是中科院,为14项。在中国科学院院属机构中,化学研究所、广州化学研究所在车用树脂材料上取得了较多科技成果。

2 车用树脂科技成果完成单位及产出数量分布

序号

全国科技成果登记机构

数量

1

大庆华科公司

18

2

中国科学院

14

3

四会互感器厂

6

4

清华大学

3

序号

中科院院属登记机构

数量

1

化学研究所

5

2

广州化学有限公司

3

3

长春应用化学研究所

2

3.5.3 碳纳米管科技成果分析

碳纳米管的结构可以看成是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层,含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管,长度一般在微米量级,最长者可达数毫米[9,10],它一般具有惊人的强度和导热、导电能力[11],可利用在新能源汽车上。

3为碳纳米管领域中主要成果完成机构的科技成果登记总量(科技成果登记总量大于10的部分)。从科技成果登记总量来看,中科院是碳纳米管技术领域主要科技成果的完成机构。在碳纳米管技术的应用技术成果方面,中科院最多达到96项,其次是清华大学,为34项。中国科学院是碳纳米管技术领域主要科技成果的完成机构,占比达到了23%,是碳纤维技术领域中科技成果创造的活跃者。在中国科学院院属机构中,金属研究所、上海硅酸盐研究所以及物理研究所在碳纳米管材料上取得了较多科技成果达到了2513项,是中科院主要产出机构。

3碳纳米管技术成果完成单位及产出数量分布

序号

全国科技成果登记机构

数量

1

中国科学院

96

2

清华大学

34

3

浙江大学

19

4

北京大学

14

序号

中科院院属登记机构

数量

1

金属研究所

25

2

上海硅酸盐研究所

13

2

物理研究所

13

3

成都有机化学公司

10

结束语

本文通过数据统计与计量发现我国新能源汽车及轻量化材料的科技成果的基本态势为:第一,我国新能源汽车及其轻量化材料科技成果以应用技术为主,比例超过九成;科学理论和软科学方面的成果较少,二者的占比不到一成;说明我国新能源汽车及其轻量化材料领域中,实践应用为该领域发展的最主要推动力。但展望未来发展态势,应用技术的广泛拓展也需要更多理论研究作为基础和铺垫,因此理论方面的研究成果也亟待取得长足的发展。第二、近三年是新能源汽车科技成果的主要产出年份,说明我国早在“十一五”末期就开始着手发展新能源汽车,随着新能源汽车的发展轻量化材料也得到相应的发展。第三、我国与中科院在新能源汽车和轻量化材料上的发展趋势基本一致,中科院在该领域充分发挥了其科研“国家队”的重要作用;第四、通过地区分析可以看出,在碳纤维方面各个省市都保持了相当大的研发比例,说明碳纤维是目前的研究热点,碳纳米管的科技成果产出来自北京市、上海市和浙江省的较多,而车用树脂的科技成果则在黑龙江占有较高比例。第五、中国科学院、清华大学、浙江大学、哈工大等是主要产出机构,中科院在碳纤维和碳纳米管研发方面优势明显,但在车用树脂方面中科院与大庆公司差别不是很明显。通过分析可以看出,各机构在车用树脂方面研发较为薄弱,在我国“十二五”期间普遍有待加强,以最终达到《决定》中的既定目标。

参考文献:

[1] 国务院. 国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要. http://www.gov.cn/2011lh/content_1825838_4.htm. 2011-3-16.

[2] 国务院. 国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定. http://www.gov.cn/zwgk/2010-10/18/content_1724848.htm. 2010-10-18.

[3] 汽车轻量化先进材料纵览[J] . 汽车零部件,2010,(3):37-39

[4] 冯奇.汽车的轻量化技术与节能环保[J] . 汽车工艺与材料,2010,(2):4-11

[5] 姜超.汽车轻量化材料及成形技术[J] . 汽车工艺与材料,2008,(12):9-14

[6] 杨忠敏. 低碳经济带来轻量化碳纤维新材料的发展机遇[J] . 化学工业,20112-3):1-5

[7] 曾大新. 碳纳米管在汽车上的应用[J]. 湖北汽车工业学院学报,2006,(3):23-27.

[8] 李惠生. 车用树脂基复合材料结构件的应用研究[J]. 化学与粘合,2010323):66-71

[9] 高波. 碳纤维及其复合材料的发展和应用[J]. 机电产品开发与创新,2010,(4):36-39

[10]李军. 碳纤维及其复合材料的研究应用进展[J]. 辽宁化工,2010,(9):990-992

[11]杨孝文.碳纳米管可能改变世界的八种方式[J]. 百科知识,2011 (2)

 

 

 



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1 陈小润

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