從專利視角看金屬多孔材料的研究現(xiàn)狀

高敬 王方

1 前言

金屬多孔材料是采用粉末冶金制備技術(shù)，將金屬粉末、金屬絲經(jīng)成型、燒結(jié)制備成的一種具有連通孔隙、可滲透性能的特殊功能材料，亦稱金屬過濾材料、金屬微孔材料等。該材料內(nèi)部彌散分布著大量的有方向性或隨機(jī)分布的孔洞，這些孔洞的直徑約2～3mm之間，孔洞可以是泡沫型、藕狀型、蜂窩型等。根據(jù)其孔洞的形態(tài)可以分為獨(dú)立孔洞型和連續(xù)孔洞型2大類，其中獨(dú)立孔洞型具有密度小、剛性和比強(qiáng)度好、吸振及吸音性能好等特點(diǎn)；連續(xù)孔洞型除了具有上述特點(diǎn)之外，還具有浸透性、通氣性好等特點(diǎn)。金屬多孔材料同時(shí)兼具了結(jié)構(gòu)材料和功能材料的特性，其孔徑的大小、孔隙率、孔徑分布等均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的量控，獨(dú)特的迷宮式孔道更易提高對微小粒子的捕捉能力，具有耐熱性能好，抗急冷急熱性高，適用于多種酸、堿等腐蝕性介質(zhì)，在高壓環(huán)境中強(qiáng)度高、韌性好、使用壽命長、再生能力強(qiáng)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑工程、機(jī)械工程、電化學(xué)工程、通訊工程，環(huán)保工程等領(lǐng)域。通過專利分析發(fā)現(xiàn)，其核心技術(shù)主要集中在復(fù)合材料、金屬氧化物、基礎(chǔ)材料、新材料等領(lǐng)域的制備技術(shù)方向，利用仿真技術(shù)開發(fā)的金屬多孔材料人工骨骼，更是開創(chuàng)了該材料的生物醫(yī)用新領(lǐng)域。

2 數(shù)據(jù)來源

智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)研發(fā)公司總部位于新加坡，2007年成立。2011年在中國蘇州成立了智慧芽信息科技有限公司?！癙atSnap全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫”為PatSnap旗下首款產(chǎn)品，歷時(shí)3年精心打造和優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫涵蓋了歐專局、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、美國、中國、德國、日本等7個(gè)地區(qū)或組織的專利全文以及90多個(gè)國家和地區(qū)的專利摘要數(shù)據(jù)，總數(shù)超過1億條。本文以該數(shù)據(jù)庫收錄的1997—2018年間全球金屬多孔材料相關(guān)專利為數(shù)據(jù)源，采用“TTL：金屬多孔材料or Metal Porous Materials”的檢索策略，檢索時(shí)間為2019年3月14日，對比分析了該領(lǐng)域20多年來的專利申請趨勢、主要發(fā)明人、全球地域趨勢、技術(shù)科技領(lǐng)域趨勢、專利生命周期、專利家族等。

3 全球金屬多孔材料技術(shù)專利現(xiàn)狀

3.1 全球?qū)＠暾埣笆跈?quán)情況

智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，全球金屬多孔材料領(lǐng)域的技術(shù)專利申請及授權(quán)數(shù)量在1997—2011年間一直處于平穩(wěn)上升趨勢，從2012—2014年大幅度增加，并連年增長（圖1）。雖然2015年以后有所下降，但下降幅度并不大，可見全球?qū)υ擃I(lǐng)域的技術(shù)研究從未停止，并且在穩(wěn)步推進(jìn)中。在20多年間該領(lǐng)域的專利申請總數(shù)達(dá)到了34 093件，其中，發(fā)明專利占到98.58%，實(shí)用新型專利占1.42%，外觀設(shè)計(jì)類等專利尚無收錄。

3.2 專利地理分布趨勢

通常專利申請及授權(quán)數(shù)量的多少是衡量一個(gè)國家或一個(gè)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的一個(gè)重要指標(biāo)。企業(yè)的專利申請?jiān)蕉?，表明這個(gè)企業(yè)的創(chuàng)新能力越強(qiáng)。智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)反映出金屬多孔材料技術(shù)領(lǐng)域在不同國家和區(qū)域的發(fā)展情況（見圖2）。美國、歐洲和世界知識產(chǎn)權(quán)組織的專利申請數(shù)量20多年來發(fā)展平穩(wěn)；日本起步最早，1997年的發(fā)明專利就有300多件，而后略有下降，但還是穩(wěn)定在每年200件左右的申請量；中國在該領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，2000年以前專利申請量還很少，但隨后的十幾年逐漸增加，2012—2013年每年接近400件，2014年更是達(dá)到年600件的頂峰，2015年雖有所下降，但仍有400多件的申請量，2016—2018年也基本穩(wěn)定在每年400件的申請量，足見中國在該領(lǐng)域的發(fā)展是突飛猛進(jìn)的。

據(jù)悉，西北有色金屬研究院是國內(nèi)最早開展金屬多孔材料研究的單位之一，擁有金屬多孔材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲科研成果50余項(xiàng)，2017年憑借“高性能金屬多孔材料制備及應(yīng)用”項(xiàng)目獲得了國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。此外，我國科研人員成功將增材制造工藝方法和高溫?zé)Y(jié)工藝過程相結(jié)合，發(fā)明制備出了由具有三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的框架和嵌套于該三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)部的多孔燒結(jié)體組成的金屬多孔材料。該方法發(fā)揮了2種制備工藝的優(yōu)勢，制備出了能滿足多種特殊要求的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)金屬多孔材料，說明我國在該領(lǐng)域的發(fā)展正走向世界前列。

3.3 專利核心技術(shù)分布領(lǐng)域

智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)將該領(lǐng)域的專利進(jìn)行了技術(shù)歸類，統(tǒng)計(jì)出了該領(lǐng)域TOP10的核心技術(shù)分布（見圖3）。通過圖3可知，可以迅速了解該領(lǐng)域的核心技術(shù)主要集中在：直接轉(zhuǎn)變化學(xué)能為電能的方法和裝置；化學(xué)或物理方法；分離技術(shù)；金屬粉末加工；金屬鑄造；層狀產(chǎn)品；半導(dǎo)體器件；石灰、氧化鎂、礦渣、水泥及其化合物；非金屬元素及其化合物；借助于測定材料的化學(xué)或物理性質(zhì)的一般系統(tǒng)等10個(gè)方面。

3.4 專利技術(shù)影響力分析

被引用次數(shù)較多的專利通常代表了該專利具有較強(qiáng)的技術(shù)影響力，通過對金屬多孔材料領(lǐng)域被引用次數(shù)最多的TOP10專利的分析發(fā)現(xiàn)，美國在該領(lǐng)域的相關(guān)專利被引用次數(shù)最多，TOP10中占據(jù)了9個(gè)，其中專利號US4743256的專利被引用次數(shù)接近了750次，該專利由發(fā)明人John WBrantigan于1987年申請、1988年公開，是有關(guān)外科假肢椎間融合術(shù)方面的授權(quán)專利（如圖4）。

在全球該領(lǐng)域引用次數(shù)最多的TOP10專利中，可以看到，研究熱點(diǎn)主要集中在了脊柱柔性穩(wěn)定系統(tǒng)、多孔支架給藥系統(tǒng)、促進(jìn)骨/組織生長的假體裝置等醫(yī)療領(lǐng)域以及關(guān)于固定化酶電極、分子與組織之間運(yùn)輸?shù)奈⑨樠b置、交替層沉積前的保護(hù)層、含硅和硼氧化物的合成晶體多孔材料、固體多組分膜、電化學(xué)反應(yīng)器組件、電化學(xué)反應(yīng)器以及膜、反應(yīng)器組件和氧化反應(yīng)器的應(yīng)用等方向（如表1）。

3.5 專利家族規(guī)模分析

擁有較大專利家族的專利，有更多相關(guān)的同族專利，通常代表申請人認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)非常有價(jià)值，因而在全球范圍內(nèi)申請專利授權(quán)。通過檢索金屬多孔材料領(lǐng)域的專利家族，發(fā)現(xiàn)美國專利US7180081有約1 700個(gè)同族專利，專利名稱為《放電產(chǎn)生的等離子體EUV光源》，是美國John Walker等于2003年申請、2007年公開的授權(quán)專利；中國專利CN102645455A有接近300個(gè)同族專利，由南京工業(yè)大學(xué)汪勇等人于2012年申請并公開，專利名《一種靈敏的濕度傳感器材料的制備方法》的授權(quán)專利（如圖5）。

3.6 最具價(jià)值專利分析

在金屬多孔材料領(lǐng)域最有價(jià)值專利的前10名專利中，超過1 000萬美元的專利就有7個(gè)（如圖6）。其中加拿大專利CA2544859C，專利名稱《電化學(xué)生產(chǎn)一種多孔金屬有機(jī)骨架材料的方法》創(chuàng)造的價(jià)值高達(dá)1 600萬美元；中國專利CN101381972B，專利名稱《帶有可燃紙的低側(cè)流煙香煙》創(chuàng)造了近900萬美元的價(jià)值。這些專利是非常具有競爭力的無形資產(chǎn)。

3.7 主要發(fā)明人分布趨勢

專利發(fā)明人對專利發(fā)揮著重要的作用，所以了解一個(gè)科技領(lǐng)域的主要發(fā)明人及其貢獻(xiàn)，能加深對該科技領(lǐng)域的了解。智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)中該領(lǐng)域?qū)＠l(fā)明人在50件以上的有5人（如圖7）。其中美國國家科學(xué)基金會工程指揮部催化和生物催化項(xiàng)目主任ANTOSGEORGEJ最多，接近150件，他自1981年起獨(dú)自或合作申請了大量相關(guān)領(lǐng)域的專利，主要內(nèi)容包括：金屬催化劑上的基本重整反應(yīng)、催化劑孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、新一代的工業(yè)化催化劑、催化劑再生與連續(xù)重整、廢催化劑的貴金屬回收、工業(yè)化的重整裝置的控制系統(tǒng)、石腦油催化重整的建模等。

智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)該領(lǐng)域?qū)＠饕鲎詧D8所列單位。其中成都易態(tài)科技有限公司專利申請量達(dá)到213件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國內(nèi)其他單位。該公司曾研制出了鋁系金屬間化合物多孔/膜材料；2017年開發(fā)的“基于金屬間化合物多孔/膜材料高溫氣體過濾技術(shù)”處于國際領(lǐng)先水平，原創(chuàng)的“金屬間化合物膜材料”被列入《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》中的國家重點(diǎn)推廣應(yīng)用新型節(jié)能環(huán)保材料。

西北有色金屬研究院制訂了我國燒結(jié)金屬多孔材料及元件的國家材料標(biāo)準(zhǔn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)7個(gè)，“高性能金屬多孔材料制備及應(yīng)用”項(xiàng)目歷經(jīng)15年，從多孔介質(zhì)流體力學(xué)和粉末冶金基本原理出發(fā)，提出了分區(qū)孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與一體化制備的新思路，發(fā)明了無焊接一體化潔凈制備、外力輔助沉積等系列高性能金屬粉末多孔材料及制備技術(shù)，突破了流體透過性與分離效果難以兼得、大尺寸異形整體結(jié)構(gòu)元件難以制備的技術(shù)瓶頸，攻克了苛刻環(huán)境下安全可靠性低、使用壽命短的難題。并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)的新產(chǎn)品獲得了規(guī)模應(yīng)用，支撐了我國核燃料的安全生產(chǎn)，促進(jìn)了全球煤氣化和多晶硅技術(shù)的進(jìn)步。

中國科學(xué)院金屬研究所在1997—2018年間專利申請量比其他公司都多，達(dá)到266件，他們在該領(lǐng)域的專利技術(shù)較為成熟，主要專利方向有制備具有三維通孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬材料、多孔純銅或銅合金、多孔陶瓷負(fù)載納米金剛石復(fù)合催化材料、金屬氧化物多孔單晶陣列薄膜、兼具高強(qiáng)度和高吸收能梯度多孔Ti—6Al—4V塊體材料以及高疲勞性能多孔Ti—6Al—4V塊體材料等的工藝和方法。

智慧芽PatSnap專利分析系統(tǒng)的專利年趨勢變化顯示，該領(lǐng)域國外專利申請量TOP10的公司中日本有8家，分別是尼桑公司、三洋公司、國家高級研究所、三菱材料公司、礙子株式會社、豐田公司、住友電氣工業(yè)公司、松下電器公司；德國有1家：巴斯夫股份公司（BASF）；中國有1家：中國科學(xué)研究院。它們在全球市場的領(lǐng)域分布基本都是在本國。德國BASF在2008年時(shí)專利申請量最多，達(dá)到39件，而后連年下降，表明該公司主導(dǎo)技術(shù)已改為其他方向。日本松下電器公司在該領(lǐng)域的專利申請量在1998年時(shí)最多，有39件，而后雖有所下降，但10多年來的專利申請量基本穩(wěn)定在每年20件左右，只是在2013年后急劇減少，說明該公司技術(shù)重點(diǎn)不再以金屬多孔材料為主導(dǎo)。金屬多孔材料領(lǐng)域公司專利申請的年趨勢變化見圖9。氣泡大表示公司的主導(dǎo)領(lǐng)域是金屬多孔材料，專利申請數(shù)量就大；氣泡小表示公司的技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)變?yōu)槠渌I(lǐng)域，專利申請量在下降。如果氣泡逐年增大，表示是新進(jìn)入該領(lǐng)域的公司。

3.8 專利技術(shù)概念分析

使用最新的5 000件金屬多孔材料領(lǐng)域?qū)＠?，從?biāo)題及摘要中提取了關(guān)鍵詞，可以幫助讀者快速了解該領(lǐng)域的研究主題和方向。圖10顯示了該領(lǐng)域核心技術(shù)主要集中于復(fù)合材料、金屬氧化物、基礎(chǔ)材料、新材料等。

金屬多孔材料正朝著多功能化、結(jié)構(gòu)功能一體化的趨勢發(fā)展，說明材料研究者已經(jīng)認(rèn)識到傳統(tǒng)的致密材料并非是世界上最好的結(jié)構(gòu)材料，與其將更多的精力花費(fèi)在消除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料中的孔缺陷，還不如研究具有結(jié)構(gòu)功能一體化的新型多孔材料。

4 結(jié)語

金屬多孔材料是近十幾年來發(fā)展起來的新材料，目前該材料正朝著多功能化、結(jié)構(gòu)功能一體化的趨勢發(fā)展，這是多孔材料研究自然本性的一種回歸。日本材料學(xué)家中峙英雄認(rèn)為，21世紀(jì)前50年金屬多孔材料的研究和應(yīng)用將會受到人們很大的關(guān)注。

本文從專利的視角分析了國內(nèi)外金屬多孔材料領(lǐng)域?qū)＠暾埖臄?shù)量、地理分布趨勢和發(fā)明人分布趨勢等多項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的專利申請人（公司）大多具有較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力，且研發(fā)的產(chǎn)品市場份額也基本在本國。雖然有些公司在該領(lǐng)域的專利申請量逐年下降，表明他們的主導(dǎo)研發(fā)方向發(fā)生了改變，但大多數(shù)公司并沒有停止對金屬多孔材料的研究，比如日本，近年來就在利用仿真技術(shù)開發(fā)金屬多孔材料的人工骨骼，據(jù)稱該材料具有生物材料的特性，是理想的人體骨骼材料。

通過專利數(shù)據(jù)分析，業(yè)界在該領(lǐng)域的研究主要包括多孔金屬氧化物材料（二氧化鈦、鉍系半導(dǎo)體、氧化鋅、氧化亞銅等）在光催化領(lǐng)域的研究等；金屬有機(jī)框架多孔材料（MOFs），主要包括MOFs的制備方法，如溶劑熱法、界面擴(kuò)散法、微波法、化學(xué)機(jī)械合成法等。MOFs是將有機(jī)配體與金屬離子通過絡(luò)合作用自組裝形成的超分子微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的類沸石材料。MOFs已經(jīng)成為一種令研究者們興奮的多孔材料，可以通過需要來選擇特定的組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

我國在該領(lǐng)域的發(fā)展起步晚，但近幾年發(fā)展迅速，但是我國的專利申請人除了少量的公司以外，大部分是科研院所和高校。因此加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用深度融合，重點(diǎn)推進(jìn)校企合作重大科技攻關(guān)平臺建設(shè)是未來發(fā)展的方向。

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