鈦及鈦合金具有熔點高、無磁性、比強度和比剛度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、生物相容性好等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已成為航空航天、海洋船舶等高技術(shù)領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，并在生物醫(yī)療、化工、能源、體育休閑等國民經(jīng)濟領(lǐng)域中獲得了越來越多的應(yīng)用，其研發(fā)和應(yīng)用水平已經(jīng)成為一個國家新材料研究開發(fā)應(yīng)用水平的重要體現(xiàn)。而專利作為目前最大的科學(xué)研究、技術(shù)信息來源之一，可以有效地反映某一領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平，其時效性更優(yōu)于學(xué)術(shù)論文。 為此，筆者利用佰騰專利檢索系統(tǒng)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(yè)在中國的發(fā)展態(tài)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(guān)中國專利12 309件，其中發(fā)明專利為8 797件（授權(quán)專利3 841件，公開專利4 956件），實用新型專利3 424件，外觀設(shè)計專利88件。 一、專利數(shù)據(jù)分析 1.總體態(tài)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(tài)勢圖，可以有效反映鈦及鈦合金材料技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。通常發(fā)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(tài)，因此這2年的數(shù)據(jù)僅僅作為參考。世界鈦工業(yè)的發(fā)展起源于美國，始于20世紀(jì)40年代末，隨后，日本、俄羅斯、中國相繼進入鈦的工業(yè)化生產(chǎn)。 圖1 1978~2018年我國鈦及鈦合金材料專利申請的總體態(tài)勢圖 （橫坐標(biāo)：年份） 從圖1可以看出，早在1978年，我國便出現(xiàn)了針對鈦及鈦合金材料的相關(guān)專利的申請，并且專利數(shù)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(chǎn)品的跟蹤仿制層面上。2002-2016年，專利申請量呈現(xiàn)逐年增長態(tài)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(shù)量出現(xiàn)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(chuàng)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(guān)部門將海綿鈦及鈦加工材列為了應(yīng)重點發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)品，并把海綿鈦、鈦板等列入國家高新技術(shù)產(chǎn)品目錄，并且隨著國民經(jīng)濟的快速持續(xù)發(fā)展，各個行業(yè)對鈦材的需求增長，使得鈦及鈦合金的產(chǎn)業(yè)化備受關(guān)注。與此同時，伴隨著改革的深入，國有企業(yè)產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，西北有色金屬研究院、寶雞鈦業(yè)股份有限公司等國內(nèi)主要大型鈦企業(yè)加大了對該領(lǐng)域的研發(fā)及生產(chǎn)投入，使得該領(lǐng)域在新產(chǎn)品研制、新工藝開發(fā)、重大裝備改進等方面取得了許多技術(shù)成果。“十二五”規(guī)劃中，鈦金屬冶煉的節(jié)能減排、提高產(chǎn)品質(zhì)量和高附加值產(chǎn)品的開發(fā)均被列入了重點支持和發(fā)展的范疇，西部地區(qū)的全流程高技術(shù)水平海綿鈦項目及新型鈦加工材開發(fā)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(shè)海洋強國戰(zhàn)略的實施等一系列政策的引導(dǎo)推動了我國鈦及鈦合金材料技術(shù)研發(fā)進入了高速發(fā)展時期。雖然目前2017年和-2018年的專利申請數(shù)量還未完全統(tǒng)計，但是2017年頒布的《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2017年版）》《軍用技術(shù)轉(zhuǎn)民用推廣目錄（2017年度）》《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)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(guān)專利的申請數(shù)量將繼續(xù)呈增長態(tài)勢。 2.專利類型分布分析 根據(jù)我國專利法中對專利類型的規(guī)定，可以將其分為發(fā)明專利、實用新型專利和外觀設(shè)計專利。發(fā)明是指對產(chǎn)品、方法或者其改進所提出的新的技術(shù)方案，其創(chuàng)新程度和技術(shù)重要性更高，更能體現(xiàn)某一領(lǐng)域技術(shù)的進步。根據(jù)檢索統(tǒng)計，我國鈦及鈦合金材料相關(guān)專利中發(fā)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(shè)計專利所占比重最小，僅為0.7%，并且多為關(guān)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(shù)創(chuàng)新水平比較高，專利申請的質(zhì)量較高。 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(shù)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(guān)專利的申請人進行分析，能夠獲得該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)不同科研機構(gòu)或企業(yè)從事技術(shù)創(chuàng)新活動的信息，找到該技術(shù)領(lǐng)域的主要競爭者。圖3為我國鈦及鈦合金材料領(lǐng)域?qū)＠暾垯C構(gòu)排名前15位的情況。 圖3 我國鈦及鈦合金材料領(lǐng)域?qū)＠琶?5位申請機構(gòu)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(yè)。其中，10所高校及科研院所的總申請數(shù)量為1004件，占到統(tǒng)計總數(shù)的72%；5家企業(yè)的總申請數(shù)量為390件，占到統(tǒng)計總數(shù)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(dǎo)作用，具有較強的創(chuàng)新能力和創(chuàng)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(chǔ)理論研究上，而是有更多的生產(chǎn)（攀鋼集團攀枝花鋼鐵研究院有限公司）以及應(yīng)用〔沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司、沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限公司〕鈦及鈦合金材料的企業(yè)參與到了技術(shù)研究及改進中，說明在我國鈦及鈦合金產(chǎn)品的質(zhì)量得到了提升，正逐步走向市場，特別是航空航天等領(lǐng)域用高端鈦及鈦合金材料的研究與應(yīng)用受到了更多的關(guān)注。 4.申請地域分析 圖4為2007-2016年我國各省份發(fā)明專利授權(quán)數(shù)量的排名情況。由圖4可知，發(fā)明專利授權(quán)量排名第1的省份為江蘇省，占統(tǒng)計總數(shù)的19.8%，排名第2的為陜西省，占統(tǒng)計總數(shù)的13.9%，排名第3的為北京市，占統(tǒng)計總數(shù)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(tǒng)計總數(shù)的8%以上。結(jié)合之前對主要申請人的分析可見，雖然申請機構(gòu)排名中出只出現(xiàn)了一家江蘇省的企業(yè)，但該省發(fā)明專利授權(quán)數(shù)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(chǎn)的高校及企業(yè)的數(shù)量相對較多，布局比較分散，且專利的質(zhì)量較高，研究內(nèi)容主要集中在合金的研制、加工、表面處理等方面，應(yīng)用領(lǐng)域偏向于化工及醫(yī)療。陜西省作為全國重要的鈦材生產(chǎn)基地，擁有西北有色金屬研究院、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等重要的鈦及鈦合金材料研究機構(gòu)，以及西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司、西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司、寶鈦集團有限公司等大規(guī)模的鈦材生產(chǎn)企業(yè)，布局相對集中，研究內(nèi)容較為廣泛，從基礎(chǔ)理論到工業(yè)化生產(chǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域亦是涉及到化工、船舶、醫(yī)療、海洋、航空航天等各個方面。 圖4 我國各省份發(fā)明專利授權(quán)數(shù)量的排名 5.技術(shù)態(tài)勢分析 國際專利分類號(International Patent Classification，IPC)是根據(jù)1971年的《國際專利分類斯特拉斯堡協(xié)定》編制而成的。通過對特定產(chǎn)業(yè)專利申請IPC分布的分析，既可以判斷創(chuàng)新的熱點技術(shù)區(qū)域，又可以判斷其涉及到的技術(shù)領(lǐng)域及發(fā)展趨勢。其中IPC小類是對專利相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的細(xì)分，通過IPC小類可以深入了解相關(guān)專利的技術(shù)信息。表1是按照IPC小類對鈦及鈦合金領(lǐng)域?qū)＠诸惤y(tǒng)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。 表1 鈦及鈦合金材料專利數(shù)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(shù)領(lǐng)域：C（化學(xué)；冶金），B（作業(yè)；運輸）以及A（人類生活必須品），這3大技術(shù)領(lǐng)域的專利申請數(shù)量占到了87.3%，可見，這3個領(lǐng)域是鈦及鈦合金材料研究的熱點技術(shù)領(lǐng)域。此外，G（物理）和H（電學(xué)）也占據(jù)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(shè)計、制備、加工、表面處理、電解、生產(chǎn)及精煉等；在鈦及鈦合金材料的應(yīng)用方面，研發(fā)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(fā)出的這些材料主要應(yīng)用在醫(yī)用鈦合金領(lǐng)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(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，我國在新型鈦合金研制以及加工技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)，并形成了高溫鈦合金系列、結(jié)構(gòu)鈦合金系列、船用鈦合金系列、耐蝕鈦合金系列以及醫(yī)用鈦合金系列5大系列，相關(guān)專利申請數(shù)量也居于首位（IPC C22C類）。此外，在鈦的加工技術(shù)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(shù)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(chǎn)技術(shù)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(guān)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(nèi)徑1 690 mm、高810 mm、質(zhì)量4.7 t的特大型鈦合金異形環(huán)，并申請了“大型數(shù)控鉆床加工環(huán)形鍛件找圓心的方法”“環(huán)形鍛件用探傷裝置”“環(huán)形鍛件用提升裝置”等相關(guān)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(zhì)量達(dá)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(gòu)件的模具定位機構(gòu)”“一種用于多邊形框架的校形工裝”等相關(guān)專利近10件；2018年，西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司成功研制出國內(nèi)最大規(guī)格的海洋工程用鈦合金板材，并連創(chuàng)國內(nèi)“三項之最”：鑄錠單體質(zhì)量最重（12.8t）、板坯噸位最高（9.8 t）、板材規(guī)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(chǎn)基地陜西省，主要從事鈦及鈦合金加工材的生產(chǎn)。從專利申請情況來看，自2006年6月起，該公司開始不斷有關(guān)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(shù)量達(dá)100余件，其中涉及裝置改進、模具設(shè)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(guān)專利的涌現(xiàn)，但通過對專利內(nèi)容深入歸納發(fā)現(xiàn)，雖然我國科研院所及企業(yè)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(shè)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(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)目前在電子束冷床爐設(shè)備方面有相關(guān)專利申請的機構(gòu)只有龍南新晶鈦業(yè)有限公司、云南鈦業(yè)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(tǒng)、移動門裝置等非核心設(shè)備的研制上；關(guān)于真空自耗電弧爐的相關(guān)專利則相對多一些，約近50件，主要的申請機構(gòu)有寶雞市金盛源鈦業(yè)有限公司、西安聚能裝備技術(shù)有限公司、西安擴力機電科技有限公司、西部超導(dǎo)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(yè)科技有限公司等。由此可見，我國在大型熔煉及加工設(shè)備核心部件及自動化系統(tǒng)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(chǎn)成本，加快鈦合金的推廣應(yīng)用具有重要意義。 2.鈦表面處理技術(shù)的研究 鈦及鈦合金材料應(yīng)用領(lǐng)域的極速擴張，對鈦表面處理技術(shù)也不斷提出了新的要求。船舶零件、橋梁構(gòu)件等要求鈦材表面具有優(yōu)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(guān)于鈦表面處理的專利（IPC C23C類）申請數(shù)量也是與日俱增，略居于第2位。 目前鈦材表面處理技術(shù)的來源主要有2類：一類來源于將現(xiàn)有的已在鋼鐵領(lǐng)域中成功應(yīng)用的傳統(tǒng)表面處理技術(shù)（包括熱滲鍍、氣相沉積、三束改性、轉(zhuǎn)化膜、熱噴涂等）用于鈦材表面[6]，相關(guān)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(tǒng)的化學(xué)熱處理與氣相沉積相結(jié)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(jié)合鈦材的特性，開發(fā)新型表面處理技術(shù)（包括液相等離子體技術(shù)、輝光等離子表面冶金技術(shù)等），相關(guān)專利例如“一種鈦合金表面使用微弧氧化溶液制備高溫復(fù)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(fù)合涂層的鈦合金。相對于新型鈦合金研制及加工技術(shù)方面的研究，表面處理技術(shù)的研究則仍處于起步階段，特別是關(guān)于新型表面處理技術(shù)方面的專利所占比重較少，因此，圍繞鈦產(chǎn)品，開發(fā)新型的適合于鈦及鈦合金表面處理的技術(shù)和涂層材料將是滿足鈦合金在海洋、醫(yī)療、航空等特殊使用環(huán)境中使用需求的一個重要研究方向。 3.生物醫(yī)用鈦合金的設(shè)計及應(yīng)用 我國對生物醫(yī)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(lǐng)域科技投入的加大，西北有色金屬研究院、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所等機構(gòu)先后從事了生物醫(yī)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(xué)國家（聯(lián)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(xué)大學(xué)研制的“一種無鎳生物醫(yī)用鈦合金Ti-Nb-Zr材料及其制備方法”等多項關(guān)于生物醫(yī)用鈦合金的專利均獲授國家發(fā)明專利，這說明一方面該領(lǐng)域有大的研發(fā)空間，相對容易取得技術(shù)創(chuàng)新與突破，另一方面說明生物醫(yī)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(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》將“生物醫(yī)用材料”列為優(yōu)先發(fā)展主題，提出了“開發(fā)人體組織器官替代等新型生物醫(yī)用材料”等重要的科技任務(wù)，從IPC分類統(tǒng)計中也可以看到這一點。目前，IPC A類中關(guān)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(guān)，這些體現(xiàn)到具體的鈦合金產(chǎn)品上主要有血管內(nèi)支架、心臟瓣膜、牙種植體等。通過對目前已公開的生物醫(yī)用鈦合金相關(guān)專利內(nèi)容的分析以及未來醫(yī)療市場需求的預(yù)測，新型醫(yī)用鈦合金的研發(fā)、制造、表面改性以及典型醫(yī)療器械產(chǎn)品的設(shè)計、加工成形將成為需要繼續(xù)深入探索的方向。 三、結(jié)語 通過對我國鈦及鈦合金材料專利的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，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(zhàn)略型新材料的研制更是步入了高速發(fā)展階段。目前，國內(nèi)鈦產(chǎn)業(yè)布局相對集中，主要分布在華東、西北以及東北片區(qū)，主要研究機構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)包括哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西北有色金屬研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、上海交通大學(xué)、寶鈦集團等。通過IPC分類對熱點技術(shù)分析可以預(yù)測，大型熔煉及加工裝備的研制、鈦表面處理技術(shù)的研究以及生物醫(yī)用鈦合金的設(shè)計及應(yīng)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