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基于专利分析的我国钛及钛合金材料发展研究

[ 信息来源:本站 | 发布时间:2020-10-26 | 浏览:1316次 ]

钛及钛合金具有熔点高、无磁性、比强度和比刚度高、耐腐蚀性能优良、生物相容性好等诸多优点,现已成为航空航天、海洋船舶等高技术领域中不可或缺的关键结构材料,并在生物医疗、化工、能源、体育休闲等国民经济领域中获得了越来越多的应用,其研发和应用水平已经成为一个国家新材料研究开发应用水平的重要体现。而专利作为目前最大的科学研究、技术信息来源之一,可以有效地反映某一领域内科学技术发展水平,其时效性更优于学术论文。

为此,笔者利用佰腾专利检索系统以及Office Excel软件,通过专利文献计量分析方法对钛及钛合金的中国专利进行分析,尝试揭示钛及钛合金专利的分布情况以及该行业在中国的发展态势。检索词为纯钛、钛合金、金属钛、钛金属、钛加工材,检索日期为2018年6月6日,共检索到相关中国专利12 309件,其中发明专利为8 797件(授权专利3 841件,公开专利4 956件),实用新型专利3 424件,外观设计专利88件。

一、专利数据分析

1.总体态势分析

图1为1978-2018年我国钛及钛合金材料专利申请的总体态势图,可以有效反映钛及钛合金材料技术领域的发展趋势。通常发明专利从申请到公开的周期为18个月,所以2017年、2018年申请的专利目前有部分还处于未公开状态,因此这2年的数据仅仅作为参考。世界钛工业的发展起源于美国,始于20世纪40年代末,随后,日本、俄罗斯、中国相继进入钛的工业化生产。

图1 1978~2018年我国钛及钛合金材料专利申请的总体态势图

(横坐标:年份)

从图1可以看出,早在1978年,我国便出现了针对钛及钛合金材料的相关专利的申请,并且专利数量随着时间而增加。1978-2001年期间,我国钛及钛合金材料专利的年申请量不足百件,且增长比较缓慢,这是因为我国对钛及钛合金材料的研究尚处于起步阶段,研究主要停留在对国外同类产品的跟踪仿制层面上。2002-2016年,专利申请量呈现逐年增长态势,从2002年的112件增长到了2016年的1662件,增长了十余倍。特别是2011-2014年间,申请数量出现迅猛增长,2011年专利申请量762件,年增长率为27.6%;2012年专利申请量1032件,年增长率为35.4%,专利申请量年增长率创历史新高;2013年专利申请量1201件,年增长率16.4%。这主要是基于以下因素:2000年初,国家科技部等有关部门将海绵钛及钛加工材列为了应重点发展的高新技术产品,并把海绵钛、钛板等列入国家高新技术产品目录,并且随着国民经济的快速持续发展,各个行业对钛材的需求增长,使得钛及钛合金的产业化备受关注。与此同时,伴随着改革的深入,国有企业产权结构的调整,西北有色金属研究院、宝鸡钛业股份有限公司等国内主要大型钛企业加大了对该领域的研发及生产投入,使得该领域在新产品研制、新工艺开发、重大装备改进等方面取得了许多技术成果。“十二五”规划中,钛金属冶炼的节能减排、提高产品质量和高附加值产品的开发均被列入了重点支持和发展的范畴,西部地区的全流程高技术水平海绵钛项目及新型钛加工材开发项目等也被列入国家鼓励类项目中,并且大飞机等重大航空项目的推进以及建设海洋强国战略的实施等一系列政策的引导推动了我国钛及钛合金材料技术研发进入了高速发展时期。虽然目前2017年和-2018年的专利申请数量还未完全统计,但是2017年颁布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》《军用技术转民用推广目录(2017年度)》《增材制造产业发展行动计划(2017~2020)》等一系列重要政策文件中都涉及了钛及钛合金材料,相信钛及钛合金材料相关专利的申请数量将继续呈增长态势。

2.专利类型分布分析

根据我国专利法中对专利类型的规定,可以将其分为发明专利、实用新型专利和外观设计专利。发明是指对产品、方法或者其改进所提出的新的技术方案,其创新程度和技术重要性更高,更能体现某一领域技术的进步。根据检索统计,我国钛及钛合金材料相关专利中发明专利所占比例最大,为71.5%,实用新型专利次之,为27.8%,外观设计专利所占比重最小,仅为0.7%,并且多为关于钛锅、钛刀具等民用制品。专利类型的分布比例如图2所示。可以看出,我国对钛及钛合金材料研究的技术创新水平比较高,专利申请的质量较高。

图2 不同类型钛及钛合金专利申请的分布情况

(逗号前面数字的单位为 件)

3.主要申请人分析

通过对钛及钛合金材料相关专利的申请人进行分析,能够获得该技术领域内不同科研机构或企业从事技术创新活动的信息,找到该技术领域的主要竞争者。图3为我国钛及钛合金材料领域专利申请机构排名前15位的情况。


图3 我国钛及钛合金材料领域专利排名前15位申请机构及申请量

从图3可以看出,排名前15的申请人中包括10所高校和科研院所以及5家企业。其中,10所高校及科研院所的总申请数量为1004件,占到统计总数的72%;5家企业的总申请数量为390件,占到统计总数28%。由此可见,高校及科研院所对我国钛及钛合金材料的研究起主导作用,具有较强的创新能力和创新竞争力。此外,与其他新材料相比,我国对于钛及钛合金材料的研究不再单纯停留在基础理论研究上,而是有更多的生产(攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司)以及应用〔沈阳飞机工业(集团)有限公司、沈阳黎明航空发动机(集团)有限公司〕钛及钛合金材料的企业参与到了技术研究及改进中,说明在我国钛及钛合金产品的质量得到了提升,正逐步走向市场,特别是航空航天等领域用高端钛及钛合金材料的研究与应用受到了更多的关注。

4.申请地域分析

图4为2007-2016年我国各省份发明专利授权数量的排名情况。由图4可知,发明专利授权量排名第1的省份为江苏省,占统计总数的19.8%,排名第2的为陕西省,占统计总数的13.9%,排名第3的为北京市,占统计总数的13.4%。辽宁省、上海市、浙江省、广东省依次居于其后,均占到了统计总数的8%以上。结合之前对主要申请人的分析可见,虽然申请机构排名中出只出现了一家江苏省的企业,但该省发明专利授权数量却居于首位,这说明江苏省从事钛及钛合金材料研究与生产的高校及企业的数量相对较多,布局比较分散,且专利的质量较高,研究内容主要集中在合金的研制、加工、表面处理等方面,应用领域偏向于化工及医疗。陕西省作为全国重要的钛材生产基地,拥有西北有色金属研究院、西北工业大学、西安交通大学等重要的钛及钛合金材料研究机构,以及西部钛业有限责任公司、西部超导材料科技股份有限公司、宝钛集团有限公司等大规模的钛材生产企业,布局相对集中,研究内容较为广泛,从基础理论到工业化生产,应用领域亦是涉及到化工、船舶、医疗、海洋、航空航天等各个方面。

图4 我国各省份发明专利授权数量的排名

5.技术态势分析

国际专利分类号(International Patent Classification,IPC)是根据1971年的《国际专利分类斯特拉斯堡协定》编制而成的。通过对特定产业专利申请IPC分布的分析,既可以判断创新的热点技术区域,又可以判断其涉及到的技术领域及发展趋势。其中IPC小类是对专利相关技术领域的细分,通过IPC小类可以深入了解相关专利的技术信息。表1是按照IPC小类对钛及钛合金领域专利分类统计的情况,列举了钛及钛合金材料的IPC分类号、专利申请量以及百分占比。

表1 钛及钛合金材料专利数量排名前20名的IPC类型

从表1可以看出,我国钛及钛合金材料专利申请主要集中在3大技术领域:C(化学;冶金),B(作业;运输)以及A(人类生活必须品),这3大技术领域的专利申请数量占到了87.3%,可见,这3个领域是钛及钛合金材料研究的热点技术领域。此外,G(物理)和H(电学)也占据了一定的比例。从表1中还可以看出,我国钛及钛合金材料的研究主要集中在钛基合金的成分设计、制备、加工、表面处理、电解、生产及精炼等;在钛及钛合金材料的应用方面,研发主要集中在A61B(外科器械、装置)、A61F(可植入器械)、A61L(假体材料或假体被覆材料)以及A61C(植牙),所研发出的这些材料主要应用在医用钛合金领域。

二、未来研究方向分析

1.大型熔炼及加工装备的研制

通过对我国钛及钛合金专利分类统计发现,我国在新型钛合金研制以及加工技术方面开展了大量的研究工作,并取得了诸多成果。我国目前已成功研制的钛合金有70多种,其中有50多种已列入国家标准,并形成了高温钛合金系列、结构钛合金系列、船用钛合金系列、耐蚀钛合金系列以及医用钛合金系列5大系列,相关专利申请数量也居于首位(IPC C22C类)。此外,在钛的加工技术方面也是硕果累累。2014年宝钛集团成功研制出TC4钛合金型材,填补了我国钛合金型材制造技术的空白,使我国成为继美国、俄罗斯之后第3个掌握钛合金型材生产技术的国家,而宝钛集团在2008、2013年就先后申请了“一种钛及钛合金型材挤压组合模具”“钛合金型材热挤压用玻璃润滑剂 ”的相关专利;2015年中航卓越锻造(无锡)有限公司通过锻造—轧制工艺成功制造出外径2 203 mm、内径1 690 mm、高810 mm、质量4.7 t的特大型钛合金异形环,并申请了“大型数控钻床加工环形锻件找圆心的方法”“环形锻件用探伤装置”“环形锻件用提升装置”等相关专利近10件;2017年,北京百慕航材高科技股份有限公司成功研制质量达820 kg的超大型钛合金铸件,并申请了“ 一种铸造合金钛及其制备方法”“一种校形钛合金构件的模具定位机构”“一种用于多边形框架的校形工装”等相关专利近10件;2018年,西部钛业有限责任公司成功研制出国内最大规格的海洋工程用钛合金板材,并连创国内“三项之最”:铸锭单体质量最重(12.8t)、板坯吨位最高(9.8 t)、板材规格最大(42 mm×3660 mm×12 530 mm)。该公司成立于2004年,位于全国重要的钛材生产基地陕西省,主要从事钛及钛合金加工材的生产。从专利申请情况来看,自2006年6月起,该公司开始不断有关于钛管、钛棒、钛板等主要加工材的专利申请记录,10余年来,专利累计申请数量达100余件,其中涉及装置改进、模具设计的有30余件。

从上述分析可以看出,钛及钛合金材料研制道路上的每项重大突破都伴随着相关专利的涌现,但通过对专利内容深入归纳发现,虽然我国科研院所及企业对合金成分、性能、加工工艺等开展了大量的研究工作并取得了许多显著成绩,但是在大型熔炼和加工设备研制方面的研究相对较少,与国外相比仍存在一定的差距。据不完全统计,国内目前在电子束冷床炉设备方面有相关专利申请的机构只有龙南新晶钛业有限公司、云南钛业股份有限公司、北京有色金属研究总院、宝山钢铁股份有限公司等不足10家,且主要停留在进料系统、移动门装置等非核心设备的研制上;关于真空自耗电弧炉的相关专利则相对多一些,约近50件,主要的申请机构有宝鸡市金盛源钛业有限公司、西安聚能装备技术有限公司、西安扩力机电科技有限公司、西部超导材料科技股份有限公司、攀钢集团江油长城特殊钢有限公司、湖南金天钛业科技有限公司等。由此可见,我国在大型熔炼及加工设备核心部件及自动化系统方面的研究仍比较欠缺,需加强自主化研制进程,这将对于降低我国钛合金生产成本,加快钛合金的推广应用具有重要意义。

2.钛表面处理技术的研究

钛及钛合金材料应用领域的极速扩张,对钛表面处理技术也不断提出了新的要求。船舶零件、桥梁构件等要求钛材表面具有优异的耐蚀性;齿轮、轴承等要求钛材有良好的耐磨性;作为电极使用时,钛材还需具有良好的电活性;用于骨科器械、血管支架时,要具备生物活性;此外,在制成手表、首饰时,还要有很好的装饰性。为此,近年来关于钛表面处理的专利(IPC C23C类)申请数量也是与日俱增,略居于第2位。

目前钛材表面处理技术的来源主要有2类:一类来源于将现有的已在钢铁领域中成功应用的传统表面处理技术(包括热渗镀、气相沉积、三束改性、转化膜、热喷涂等)用于钛材表面[6],相关专利例如“一种钛及钛合金球阀密封副和摩擦副的表面硬化处理方法”,该处理方法是将传统的化学热处理与气相沉积相结合,从而提高密封部位和摩擦部位表面的耐磨性和硬度;一类是结合钛材的特性,开发新型表面处理技术(包括液相等离子体技术、辉光等离子表面冶金技术等),相关专利例如“一种钛合金表面使用微弧氧化溶液制备高温复合涂层的方法”,该处理方法是通过在微弧氧化溶液中对钛合金进行微弧氧化,从而获得具有Al2TiO5+ZrO2耐高温复合涂层的钛合金。相对于新型钛合金研制及加工技术方面的研究,表面处理技术的研究则仍处于起步阶段,特别是关于新型表面处理技术方面的专利所占比重较少,因此,围绕钛产品,开发新型的适合于钛及钛合金表面处理的技术和涂层材料将是满足钛合金在海洋、医疗、航空等特殊使用环境中使用需求的一个重要研究方向。

3.生物医用钛合金的设计及应用

我国对生物医用钛合金的研究起步较晚,“十一五”期间,随着我国对生物材料领域科技投入的加大,西北有色金属研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中国科学院金属研究所等机构先后从事了生物医用钛合金的研制工作,其中,西北有色金属研制的TLM(Ti-Zr-Sn-Mo-Nb)、沈阳材料科学国家(联合)实验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)、天津科技大学大学研制的“一种无镍生物医用钛合金Ti-Nb-Zr材料及其制备方法”等多项关于生物医用钛合金的专利均获授国家发明专利,这说明一方面该领域有大的研发空间,相对容易取得技术创新与突破,另一方面说明生物医用钛合金有着广阔的市场需求及前景,并且国家给与了极大的政策支持,例如《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》将“生物医用材料”列为优先发展主题,提出了“开发人体组织器官替代等新型生物医用材料”等重要的科技任务,从IPC分类统计中也可以看到这一点。目前,IPC A类中关于钛及钛合金的专利主要与外科器械、可植入血管的滤器、假体以及牙科装置等有关,这些体现到具体的钛合金产品上主要有血管内支架、心脏瓣膜、牙种植体等。通过对目前已公开的生物医用钛合金相关专利内容的分析以及未来医疗市场需求的预测,新型医用钛合金的研发、制造、表面改性以及典型医疗器械产品的设计、加工成形将成为需要继续深入探索的方向。

三、结语

通过对我国钛及钛合金材料专利的统计分析发现,自2002年以后,我国进入了钛及钛合金材料研究的快速成长期,特别是2011年以后,伴随着国家各种利好政策的颁布实施,以及航空航天、海洋船舶等大型项目的拉动,对钛及钛合金这一重要的国家战略型新材料的研制更是步入了高速发展阶段。目前,国内钛产业布局相对集中,主要分布在华东、西北以及东北片区,主要研究机构及生产企业包括哈尔滨工业大学、西北工业大学、西北有色金属研究院、中国科学院金属研究所、上海交通大学、宝钛集团等。通过IPC分类对热点技术分析可以预测,大型熔炼及加工装备的研制、钛表面处理技术的研究以及生物医用钛合金的设计及应用将是钛及钛合金研究者深入挖掘、研究探索的重点方向。

文/何蕾

西北有色金属研究院

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