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    基于專利分析的我國鈦及鈦合金材料發展研究

    發布日期:2020-10-21  瀏覽次數:157
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      鈦合金具有熔點高、無磁性、比強度和比剛度高、耐腐蝕性能優良、生物相容性好等諸多優點,現已成為航空航天、海洋船舶等高技術領域中不可或缺的關鍵結構材料,并在生物醫療、化工、能源、體育休閑等國民經濟領域中獲得了越來越多的應用,其研發和應用水平已經成為一個國家新材料研究開發應用水平的重要體現。而專利作為目前最大的科學研究、技術信息來源之一,可以有效地反映某一領域內科學技術發展水平,其時效性更優于學術論文。
      為此,筆者利用佰騰專利檢索系統以及Office Excel軟件,通過專利文獻計量分析方法對鈦及鈦合金的中國專利進行分析,嘗試揭示鈦及鈦合金專利的分布情況以及該行業在中國的發展態勢。檢索詞為純鈦、鈦合金、金屬鈦、鈦金屬、鈦加工材,檢索日期為2018年6月6日,共檢索到相關中國專利12 309件,其中發明專利為8 797件(授權專利3 841件,公開專利4 956件),實用新型專利3 424件,外觀設計專利88件。
      一、專利數據分析
      1.總體態勢分析
      圖1為1978-2018年我國鈦及鈦合金材料專利申請的總體態勢圖,可以有效反映鈦及鈦合金材料技術領域的發展趨勢。通常發明專利從申請到公開的周期為18個月,所以2017年、2018年申請的專利目前有部分還處于未公開狀態,因此這2年的數據僅僅作為參考。世界鈦工業的發展起源于美國,始于20世紀40年代末,隨后,日本、俄羅斯、中國相繼進入鈦的工業化生產。
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    圖1   1978~2018年我國鈦及鈦合金材料專利申請的總體態勢圖
    (橫坐標:年份)
      從圖1可以看出,早在1978年,我國便出現了針對鈦及鈦合金材料的相關專利的申請,并且專利數量隨著時間而增加。1978-2001年期間,我國鈦及鈦合金材料專利的年申請量不足百件,且增長比較緩慢,這是因為我國對鈦及鈦合金材料的研究尚處于起步階段,研究主要停留在對國外同類產品的跟蹤仿制層面上。2002-2016年,專利申請量呈現逐年增長態勢,從2002年的112件增長到了2016年的1662件,增長了十余倍。特別是2011-2014年間,申請數量出現迅猛增長,2011年專利申請量762件,年增長率為27.6%;2012年專利申請量1032件,年增長率為35.4%,專利申請量年增長率創歷史新高;2013年專利申請量1201件,年增長率16.4%。這主要是基于以下因素:2000年初,國家科技部等有關部門將海綿鈦及鈦加工材列為了應重點發展的高新技術產品,并把海綿鈦、鈦板等列入國家高新技術產品目錄,并且隨著國民經濟的快速持續發展,各個行業對鈦材的需求增長,使得鈦及鈦合金的產業化備受關注。與此同時,伴隨著改革的深入,國有企業產權結構的調整,西北有色金屬研究院、寶雞鈦業股份有限公司等國內主要大型鈦企業加大了對該領域的研發及生產投入,使得該領域在新產品研制、新工藝開發、重大裝備改進等方面取得了許多技術成果。“十二五”規劃中,鈦金屬冶煉的節能減排、提高產品質量和高附加值產品的開發均被列入了重點支持和發展的范疇,西部地區的全流程高技術水平海綿鈦項目及新型鈦加工材開發項目等也被列入國家鼓勵類項目中,并且大飛機等重大航空項目的推進以及建設海洋強國戰略的實施等一系列政策的引導推動了我國鈦及鈦合金材料技術研發進入了高速發展時期。雖然目前2017年和-2018年的專利申請數量還未完全統計,但是2017年頒布的《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2017年版)》《軍用技術轉民用推廣目錄(2017年度)》《增材制造產業發展行動計劃(2017~2020)》等一系列重要政策文件中都涉及了鈦及鈦合金材料,相信鈦及鈦合金材料相關專利的申請數量將繼續呈增長態勢。
      2.專利類型分布分析
      根據我國專利法中對專利類型的規定,可以將其分為發明專利、實用新型專利和外觀設計專利。發明是指對產品、方法或者其改進所提出的新的技術方案,其創新程度和技術重要性更高,更能體現某一領域技術的進步。根據檢索統計,我國鈦及鈦合金材料相關專利中發明專利所占比例最大,為71.5%,實用新型專利次之,為27.8%,外觀設計專利所占比重最小,僅為0.7%,并且多為關于鈦鍋、鈦刀具等民用制品。專利類型的分布比例如圖2所示。可以看出,我國對鈦及鈦合金材料研究的技術創新水平比較高,專利申請的質量較高。
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    圖2 不同類型鈦及鈦合金專利申請的分布情況
    (逗號前面數字的單位為  件)
      3.主要申請人分析
      通過對鈦及鈦合金材料相關專利的申請人進行分析,能夠獲得該技術領域內不同科研機構或企業從事技術創新活動的信息,找到該技術領域的主要競爭者。圖3為我國鈦及鈦合金材料領域專利申請機構排名前15位的情況。
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    圖3   我國鈦及鈦合金材料領域專利排名前15位申請機構及申請量
      從圖3可以看出,排名前15的申請人中包括10所高校和科研院所以及5家企業。其中,10所高校及科研院所的總申請數量為1004件,占到統計總數的72%;5家企業的總申請數量為390件,占到統計總數28%。由此可見,高校及科研院所對我國鈦及鈦合金材料的研究起主導作用,具有較強的創新能力和創新競爭力。此外,與其他新材料相比,我國對于鈦及鈦合金材料的研究不再單純停留在基礎理論研究上,而是有更多的生產(攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司)以及應用〔沈陽飛機工業(集團)有限公司、沈陽黎明航空發動機(集團)有限公司〕鈦及鈦合金材料的企業參與到了技術研究及改進中,說明在我國鈦及鈦合金產品的質量得到了提升,正逐步走向市場,特別是航空航天等領域用高端鈦及鈦合金材料的研究與應用受到了更多的關注。
      4.申請地域分析
      圖4為2007-2016年我國各省份發明專利授權數量的排名情況。由圖4可知,發明專利授權量排名第1的省份為江蘇省,占統計總數的19.8%,排名第2的為陜西省,占統計總數的13.9%,排名第3的為北京市,占統計總數的13.4%。遼寧省、上海市、浙江省、廣東省依次居于其后,均占到了統計總數的8%以上。結合之前對主要申請人的分析可見,雖然申請機構排名中出只出現了一家江蘇省的企業,但該省發明專利授權數量卻居于首位,這說明江蘇省從事鈦及鈦合金材料研究與生產的高校及企業的數量相對較多,布局比較分散,且專利的質量較高,研究內容主要集中在合金的研制、加工、表面處理等方面,應用領域偏向于化工及醫療。陜西省作為全國重要的鈦材生產基地,擁有西北有色金屬研究院、西北工業大學、西安交通大學等重要的鈦及鈦合金材料研究機構,以及西部鈦業有限責任公司、西部超導材料科技股份有限公司、寶鈦集團有限公司等大規模的鈦材生產企業,布局相對集中,研究內容較為廣泛,從基礎理論到工業化生產,應用領域亦是涉及到化工、船舶、醫療、海洋、航空航天等各個方面。
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    圖4 我國各省份發明專利授權數量的排名
      5.技術態勢分析
      國際專利分類號(International Patent Classification,IPC)是根據1971年的《國際專利分類斯特拉斯堡協定》編制而成的。通過對特定產業專利申請IPC分布的分析,既可以判斷創新的熱點技術區域,又可以判斷其涉及到的技術領域及發展趨勢。其中IPC小類是對專利相關技術領域的細分,通過IPC小類可以深入了解相關專利的技術信息。表1是按照IPC小類對鈦及鈦合金領域專利分類統計的情況,列舉了鈦及鈦合金材料的IPC分類號、專利申請量以及百分占比。
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    表1 鈦及鈦合金材料專利數量排名前20名的IPC類型
      從表1可以看出,我國鈦及鈦合金材料專利申請主要集中在3大技術領域:C(化學;冶金),B(作業;運輸)以及A(人類生活必須品),這3大技術領域的專利申請數量占到了87.3%,可見,這3個領域是鈦及鈦合金材料研究的熱點技術領域。此外,G(物理)和H(電學)也占據了一定的比例。從表1中還可以看出,我國鈦及鈦合金材料的研究主要集中在鈦基合金的成分設計、制備、加工、表面處理、電解、生產及精煉等;在鈦及鈦合金材料的應用方面,研發主要集中在A61B(外科器械、裝置)、A61F(可植入器械)、A61L(假體材料或假體被覆材料)以及A61C(植牙),所研發出的這些材料主要應用在醫用鈦合金領域。
      二、未來研究方向分析
      1.大型熔煉及加工裝備的研制
      通過對我國鈦及鈦合金專利分類統計發現,我國在新型鈦合金研制以及加工技術方面開展了大量的研究工作,并取得了諸多成果。我國目前已成功研制的鈦合金有70多種,其中有50多種已列入國家標準,并形成了高溫鈦合金系列、結構鈦合金系列、船用鈦合金系列、耐蝕鈦合金系列以及醫用鈦合金系列5大系列,相關專利申請數量也居于首位(IPC C22C類)。此外,在鈦的加工技術方面也是碩果累累。2014年寶鈦集團成功研制出TC4鈦合金型材,填補了我國鈦合金型材制造技術的空白,使我國成為繼美國、俄羅斯之后第3個掌握鈦合金型材生產技術的國家,而寶鈦集團在2008、2013年就先后申請了“一種鈦及鈦合金型材擠壓組合模具”“鈦合金型材熱擠壓用玻璃潤滑劑 ”的相關專利;2015年中航卓越鍛造(無錫)有限公司通過鍛造—軋制工藝成功制造出外徑2 203 mm、內徑1 690 mm、高810 mm、質量4.7 t的特大型鈦合金異形環,并申請了“大型數控鉆床加工環形鍛件找圓心的方法”“環形鍛件用探傷裝置”“環形鍛件用提升裝置”等相關專利近10件;2017年,北京百慕航材高科技股份有限公司成功研制質量達820 kg的超大型鈦合金鑄件,并申請了“ 一種鑄造合金鈦及其制備方法”“一種校形鈦合金構件的模具定位機構”“一種用于多邊形框架的校形工裝”等相關專利近10件;2018年,西部鈦業有限責任公司成功研制出國內最大規格的海洋工程用鈦合金板材,并連創國內“三項之最”:鑄錠單體質量最重(12.8t)、板坯噸位最高(9.8 t)、板材規格最大(42 mm×3660 mm×12 530 mm)。該公司成立于2004年,位于全國重要的鈦材生產基地陜西省,主要從事鈦及鈦合金加工材的生產。從專利申請情況來看,自2006年6月起,該公司開始不斷有關于鈦管鈦棒、鈦板等主要加工材的專利申請記錄,10余年來,專利累計申請數量達100余件,其中涉及裝置改進、模具設計的有30余件。
      從上述分析可以看出,鈦及鈦合金材料研制道路上的每項重大突破都伴隨著相關專利的涌現,但通過對專利內容深入歸納發現,雖然我國科研院所及企業對合金成分、性能、加工工藝等開展了大量的研究工作并取得了許多顯著成績,但是在大型熔煉和加工設備研制方面的研究相對較少,與國外相比仍存在一定的差距。據不完全統計,國內目前在電子束冷床爐設備方面有相關專利申請的機構只有龍南新晶鈦業有限公司、云南鈦業股份有限公司、北京有色金屬研究總院、寶山鋼鐵股份有限公司等不足10家,且主要停留在進料系統、移動門裝置等非核心設備的研制上;關于真空自耗電弧爐的相關專利則相對多一些,約近50件,主要的申請機構有寶雞市金盛源鈦業有限公司、西安聚能裝備技術有限公司、西安擴力機電科技有限公司、西部超導材料科技股份有限公司、攀鋼集團江油長城特殊鋼有限公司、湖南金天鈦業科技有限公司等。由此可見,我國在大型熔煉及加工設備核心部件及自動化系統方面的研究仍比較欠缺,需加強自主化研制進程,這將對于降低我國鈦合金生產成本,加快鈦合金的推廣應用具有重要意義。
      2.鈦表面處理技術的研究
      鈦及鈦合金材料應用領域的極速擴張,對鈦表面處理技術也不斷提出了新的要求。船舶零件、橋梁構件等要求鈦材表面具有優異的耐蝕性;齒輪、軸承等要求鈦材有良好的耐磨性;作為電極使用時,鈦材還需具有良好的電活性;用于骨科器械、血管支架時,要具備生物活性;此外,在制成手表、首飾時,還要有很好的裝飾性。為此,近年來關于鈦表面處理的專利(IPC C23C類)申請數量也是與日俱增,略居于第2位。
      目前鈦材表面處理技術的來源主要有2類:一類來源于將現有的已在鋼鐵領域中成功應用的傳統表面處理技術(包括熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉化膜、熱噴涂等)用于鈦材表面[6],相關專利例如“一種鈦及鈦合金球閥密封副和摩擦副的表面硬化處理方法”,該處理方法是將傳統的化學熱處理與氣相沉積相結合,從而提高密封部位和摩擦部位表面的耐磨性和硬度;一類是結合鈦材的特性,開發新型表面處理技術(包括液相等離子體技術、輝光等離子表面冶金技術等),相關專利例如“一種鈦合金表面使用微弧氧化溶液制備高溫復合涂層的方法”,該處理方法是通過在微弧氧化溶液中對鈦合金進行微弧氧化,從而獲得具有Al2TiO5+ZrO2耐高溫復合涂層的鈦合金。相對于新型鈦合金研制及加工技術方面的研究,表面處理技術的研究則仍處于起步階段,特別是關于新型表面處理技術方面的專利所占比重較少,因此,圍繞鈦產品,開發新型的適合于鈦及鈦合金表面處理的技術和涂層材料將是滿足鈦合金在海洋、醫療、航空等特殊使用環境中使用需求的一個重要研究方向。
      3.生物醫用鈦合金的設計及應用
      我國對生物醫用鈦合金的研究起步較晚,“十一五”期間,隨著我國對生物材料領域科技投入的加大,西北有色金屬研究院、上海交通大學、哈爾濱工業大學、中國科學院金屬研究所等機構先后從事了生物醫用鈦合金的研制工作,其中,西北有色金屬研制的TLM(Ti-Zr-Sn-Mo-Nb)、沈陽材料科學國家(聯合)實驗室工程合金研究部多功能合金研究所研制的Ti2488(Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn)、天津科技大學大學研制的“一種無生物醫用鈦合金Ti-Nb-Zr材料及其制備方法”等多項關于生物醫用鈦合金的專利均獲授國家發明專利,這說明一方面該領域有大的研發空間,相對容易取得技術創新與突破,另一方面說明生物醫用鈦合金有著廣闊的市場需求及前景,并且國家給與了極大的政策支持,例如《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》將“生物醫用材料”列為優先發展主題,提出了“開發人體組織器官替代等新型生物醫用材料”等重要的科技任務,從IPC分類統計中也可以看到這一點。目前,IPC A類中關于鈦及鈦合金的專利主要與外科器械、可植入血管的濾器、假體以及牙科裝置等有關,這些體現到具體的鈦合金產品上主要有血管內支架、心臟瓣膜、牙種植體等。通過對目前已公開的生物醫用鈦合金相關專利內容的分析以及未來醫療市場需求的預測,新型醫用鈦合金的研發、制造、表面改性以及典型醫療器械產品的設計、加工成形將成為需要繼續深入探索的方向。
      三、結語
      通過對我國鈦及鈦合金材料專利的統計分析發現,自2002年以后,我國進入了鈦及鈦合金材料研究的快速成長期,特別是2011年以后,伴隨著國家各種利好政策的頒布實施,以及航空航天、海洋船舶等大型項目的拉動,對鈦及鈦合金這一重要的國家戰略型新材料的研制更是步入了高速發展階段。目前,國內鈦產業布局相對集中,主要分布在華東、西北以及東北片區,主要研究機構及生產企業包括哈爾濱工業大學、西北工業大學、西北有色金屬研究院、中國科學院金屬研究所、上海交通大學、寶鈦集團等。通過IPC分類對熱點技術分析可以預測,大型熔煉及加工裝備的研制、鈦表面處理技術的研究以及生物醫用鈦合金的設計及應用將是鈦及鈦合金研究者深入挖掘、研究探索的重點方向。
      文/何蕾
      西北有色金屬研究院
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