采用離子注入法對(duì)金屬表面改性專(zhuān)利技術(shù)綜述

趙亮 于慧澤

摘要：離子注入技術(shù)屬原子級(jí)表面加工技術(shù)，其具備改性效果明顯、效率高、可控性和可操作性強(qiáng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在金屬材料、半導(dǎo)體器件、醫(yī)用抗菌等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文分析了采用離子注入法對(duì)金屬表面改性的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)文獻(xiàn)，分析了該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量，歸納出申請(qǐng)人國(guó)別和應(yīng)用領(lǐng)域分布，同時(shí)對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：離子注入；金屬；表面改性；核心專(zhuān)利

中圖分類(lèi)號(hào)：TG174.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）24-0052-03

Patent Overview of Metal Surface Modification by Ion Implantation

ZHAO Liang YU Huize

（Patent Examination Cooperation Tianjin Center of the Patent Office，State Intellectual Property Office， Tianjin 300304）

Abstract： Ion implantation technology is atomic level surface processing technology， which has the advantages of obvious modification effect， high efficiency， controllability and operability， and no pollution. It is widely used in many fields such as metal materials， semiconductor devices， and medical antibacterial. This article analyzed the domestic and foreign patent application literatures that use ion implantation to modify metal surfaces， analyzed the number of patent applications in this field， summarized the distribution of applicant country and application fields ， and predicted the future development trend of the field.

Key words： ion implantation；metal；surface modification；core patent

1 概述

離子注入是20世紀(jì)70年代初逐漸發(fā)展起來(lái)的一種表面改性方法，其是將某些元素的原子電離成離子，在幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)伏的高壓電場(chǎng)中予以加速形成高能離子束，高速轟擊并注入基體表面，從而獲得具有特殊物理、化學(xué)、力學(xué)性能表層的表面改性技術(shù)。注入過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，注入元素選擇不受冶金學(xué)的限制，注入的濃度也不受平衡相圖的約束，可以將任何元素注入任何材料基體中，且由于注入離子與基體之間沒(méi)有界面，所以不存在注入層剝落的技術(shù)問(wèn)題[1]，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的金屬表面處理技術(shù)（氣相沉積、熱噴涂、化學(xué)鍍等）的局限性。

離子注入金屬表面改性，可以使金屬材料表面陶瓷化和金剛石化，使其披上一層十分堅(jiān)固的盔甲[2]。大量研究表明，離子注入能夠改善金屬材料的耐磨性、抗氧化性、耐腐蝕性、抗疲勞、耐高溫等性能。近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造升級(jí)、航空航天科技創(chuàng)新、電子產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)金屬材料的表面性能的要求日益提高，在傳統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，還有更多的研究者開(kāi)始關(guān)注生物相容性、極端條件下的耐受性等性能，以及如何進(jìn)一步提高其使用可靠性，拓展應(yīng)用范圍。

為了研究離子注入法對(duì)金屬表面改性領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的發(fā)展情況，結(jié)合實(shí)際審查工作經(jīng)驗(yàn)，本文選擇中國(guó)專(zhuān)利文摘數(shù)據(jù)庫(kù)（CNABS）和德溫特世界專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)（DWPI）作為主要檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，選用的通用檢索詞為：離子注入，離子植入，ion implant+，金屬，metal+，合金，alloy+，鋼，steel，主要分類(lèi)號(hào)為：C23C14/48，并對(duì)上述關(guān)鍵詞和分類(lèi)號(hào)進(jìn)行了適當(dāng)擴(kuò)展。通過(guò)以上檢索要素所獲取的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行進(jìn)一步人工篩選，所得到的專(zhuān)利文獻(xiàn)作為本文所研究的對(duì)象。檢索對(duì)象限定在公開(kāi)日或公告日在2017年之前的發(fā)明和實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)。

2 專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

2.1 專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)

圖1顯示了采用離子注入法對(duì)金屬表面改性的專(zhuān)利申請(qǐng)量的年度分布，從圖中可以看出，專(zhuān)利申請(qǐng)起始于20世紀(jì)70年代初，一直到1986年都處于相對(duì)較低的水平，申請(qǐng)量較少，為技術(shù)起步階段；1986年至1997年間，申請(qǐng)量略有起伏，但總體保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，各國(guó)申請(qǐng)人探索將不同種類(lèi)的離子注入金屬表面，以提高金屬表面的機(jī)電性能，為技術(shù)初步發(fā)展階段；1998年，受全球金融危機(jī)影響，申請(qǐng)量下滑至最低值；1999年起，隨著全球經(jīng)濟(jì)的逐步復(fù)蘇，加之申請(qǐng)人對(duì)金屬綜合性能及應(yīng)用領(lǐng)域的需求不斷提升，專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)入增長(zhǎng)時(shí)期，并在2003年后有了大幅度上升，在2011年達(dá)到頂峰，這是采用離子注入對(duì)金屬表面改性的一個(gè)發(fā)展高潮；從2012年起，該技術(shù)開(kāi)始步入成熟階段，申請(qǐng)量有所下滑，可能的原因在于采用離子注入技術(shù)對(duì)金屬表面改性已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的狀態(tài)，創(chuàng)新遇到瓶頸，有待新的突出技術(shù)出現(xiàn)。

對(duì)于在中國(guó)國(guó)內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)，從圖中可以看出，在2003年以前一直保持相當(dāng)?shù)偷臄?shù)量，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究起步較晚，且在中國(guó)加入WTO之前國(guó)外企業(yè)對(duì)于中國(guó)國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)也不甚重視。值得注意的是，在2004年之后，中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，且逐步成為該技術(shù)的重要研發(fā)成員，說(shuō)明隨著中國(guó)市場(chǎng)越來(lái)越受到世界范圍內(nèi)的重視，且國(guó)內(nèi)本土企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)也積極開(kāi)展此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)工作；2012年之后，申請(qǐng)量也有所下滑，然而申請(qǐng)總數(shù)仍然保持較高水平。2016年的數(shù)據(jù)涉及部分申請(qǐng)尚未公開(kāi)的情況。

2.2 專(zhuān)利申請(qǐng)國(guó)家/地區(qū)分布

離子注入屬于原子級(jí)表面加工技術(shù)，其能夠有效改善金屬表面的物理、化學(xué)、機(jī)械性能；該技術(shù)的地域分布可以反映出世界各國(guó)對(duì)金屬產(chǎn)品性能的需求和研發(fā)熱度。對(duì)該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)的所在國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖2的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，排名前4位的分別是：中國(guó)、日本、美國(guó)、俄羅斯，這5個(gè)國(guó)家/地區(qū)占據(jù)了所有專(zhuān)利申請(qǐng)的87.3%，是該項(xiàng)技術(shù)的最主要研發(fā)市場(chǎng)?？梢钥吹降氖?，這5個(gè)國(guó)家/地區(qū)也是世界主要的制造業(yè)國(guó)家/地區(qū)。而德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等傳統(tǒng)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的申請(qǐng)量分列第5位到第7位，分別占比3.5%、2.6%和1.8%?？梢?jiàn)世界各主要制造業(yè)國(guó)家/地區(qū)對(duì)于采用離子注入技術(shù)提高金屬表面性能有著較高的研發(fā)熱情。

2.3 重點(diǎn)專(zhuān)利技術(shù)領(lǐng)域

采用離子注入法對(duì)金屬表面改性可以改善金屬物化性能，同時(shí)還擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。為了展現(xiàn)該技術(shù)整體的分布情況，本研究采用了IPC作為分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，進(jìn)而挖掘該領(lǐng)域各申請(qǐng)人研發(fā)的重心和熱點(diǎn)。從圖3可以看出，本領(lǐng)域的主要專(zhuān)利集中在C23C小類(lèi)，即對(duì)金屬材料的鍍覆，這也是離子注入法所在的分類(lèi)號(hào)。其次，從圖中可以看出，該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域分布廣泛，與層狀材料、合金、醫(yī)用抗菌材料、半導(dǎo)體器件、印刷電路、金屬?gòu)?fù)合材料、整形外科、電解電泳、陰極濺射等領(lǐng)域均有著密不可分的聯(lián)系。而該領(lǐng)域申請(qǐng)人的研發(fā)重心和熱點(diǎn)并不盡相同，雖然大部分集中在對(duì)離子注入法本身工藝條件（如注入劑量、注入離子能量、注入溫度、注入離子種類(lèi)）的研究，但是也有大量的申請(qǐng)人的關(guān)注點(diǎn)在于提高特定金屬的特定能力，如提高多層材料的層間密合性、提高鈦合金的抗菌性、提高半導(dǎo)體元件的焊接強(qiáng)度等，這些熱點(diǎn)也與近年來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、整形產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展密切相關(guān)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)文獻(xiàn)的梳理，發(fā)現(xiàn)采用離子注入對(duì)金屬表面改性的在國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展中均遇到了瓶頸，但該領(lǐng)域申請(qǐng)人的研發(fā)重心和熱點(diǎn)并不盡相同，雖然大部分集中在對(duì)離子注入法本身工藝條件（如注入劑量、注入離子能量、注入溫度、注入離子種類(lèi)）的研究，但是也有大量的申請(qǐng)人的關(guān)注點(diǎn)在于提高特定金屬的特定能力，如提高多層材料的層間密合性、提高鈦合金的抗菌性、提高半導(dǎo)體元件的焊接強(qiáng)度等，這些熱點(diǎn)也與近年來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、整形產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展密切相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐濱士.表面工程技術(shù)手冊(cè).下[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：225-242.

[2] 竇光宇.離子注入顯神奇材料披上新盔甲[J].金屬世界，2001（5）：3.