基于專利分析的透明陶瓷技術(shù)發(fā)展態(tài)勢研究

董曉恒，付振康，宗超凡

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)， 景德鎮(zhèn) 333403)

1 前言

透明陶瓷，又名光學(xué)陶瓷，是一種利用陶瓷材料光學(xué)性質(zhì)的新型陶瓷，除具有傳統(tǒng)陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光學(xué)特性[1]。世界上第一塊透明陶瓷是由美國陶瓷學(xué)家Coble 于1957 年制造的氧化鋁陶瓷“Lucalox”[2]。繼Lcualox 之后,又開發(fā)出具有更高透光度、強(qiáng)度,使用性能穩(wěn)定和具有亞微晶結(jié)構(gòu)的Al2O3透明陶瓷。不久,Genaral Eleetrieo Cmpany 公司又開發(fā)出Y2O3透明陶瓷。日本、德國等國在該領(lǐng)域也取得了一定的成就。我國透明陶瓷研究于“七五”計(jì)劃開始立項(xiàng)，起步較晚。目前,許多高校和科研機(jī)構(gòu)都開展了對該領(lǐng)域的研究工作。經(jīng)過我國科研工作者的共同努力,現(xiàn)已取得不少成績,其中上海硅酸鹽研究所在該領(lǐng)域較為突出[3]，其經(jīng)過10 年數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，終于2007 年研制出我國第1 塊“透明陶瓷之王”-- 激光陶瓷，使中國成為世界上繼日本之后第2 個(gè)掌握激光陶瓷的國家[4]。

透明陶瓷具有單晶耐高溫、抗腐蝕、高絕緣、高強(qiáng)度等特性[5]，而且還具有低電導(dǎo)率、低介電常數(shù)和介電損耗、耐摩擦等一系列優(yōu)異的綜合性能[3]，在工業(yè)、航空航天、國防軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，被稱為無機(jī)材料研究與發(fā)展重要方向之一[6]。隨著透明陶瓷得到愈來愈多的應(yīng)用，研發(fā)重視度也不斷提升，加速我國透明陶瓷的研發(fā)與生產(chǎn)具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文依托IncoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(http://www.incopat.com)[7]，檢索日期截止2022 年1 月28 日，對公開(公告)的6598 件透明陶瓷專利申請，進(jìn)行包括申請趨勢、地域分布、主要?jiǎng)?chuàng)新主體和技術(shù)領(lǐng)域等維度的分析，揭示透明陶瓷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對科研人員和行業(yè)從業(yè)人員了解透明陶瓷技術(shù)研發(fā)動(dòng)態(tài)，研判未來發(fā)展趨勢提供參考。

2 全球透明陶瓷專利信息分析

2.1 申請趨勢分析

截至2022 年1 月28 日，全球透明陶瓷專利申請共計(jì)6598 件，相關(guān)數(shù)據(jù)見圖1。由圖可知，全球透明陶瓷專利申請數(shù)量在總體上呈增長態(tài)勢，大致經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。1957-1966 年，全球?qū)W者對透明陶瓷的制備研究處于探索階段，專利申請量處于低水平狀態(tài)，每年均不足10 件，為技術(shù)萌芽期；1967 年，全球?qū)＠暾埵状瓮黄?0 件。隨著Al2O3等透明氧化物陶瓷的問世，專利申請也由1967 年的20 件逐步發(fā)展到1986 年的89 件，涉及透明陶瓷制備、透明陶瓷裝甲、照明電弧管、光學(xué)電路等眾多技術(shù)領(lǐng)域，此階段為平穩(wěn)增長期；隨著美、日、德等國對非氧化物透明陶瓷研究的不斷深化和中國對透明陶瓷開始立項(xiàng)之后。1987 年，全球申請首次突破100 達(dá)138 件，并由此進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段。2011 年，申請量達(dá)200 件，2015 年高達(dá)315 件，創(chuàng)歷史新高。該年度中國專利申請為72 件，成為全球申請量穩(wěn)定增長的主推手。至此，1987 年后，透明陶瓷技術(shù)專利申請維持在一個(gè)高水平穩(wěn)定狀態(tài)。

鑒于我國專利申請為申請日起18 個(gè)月才公開，加之IncoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)更新上存在一定程度滯后，部分專利申請的公開出現(xiàn)了延遲，2019 年后數(shù)據(jù)僅供參考。

2.2 專利申請國和技術(shù)來源國分析

圖2 顯示，全球透明陶瓷領(lǐng)域的專利申請涉及到50多個(gè)國家和地區(qū)，排名靠前的國家和地區(qū)分別是日本、中國、美國、德國、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、韓國、歐洲專利局、俄羅斯、加拿大，其專利總量占到世界專利總量的85.77%，可見全球透明陶瓷技術(shù)專利分布較為集中，關(guān)鍵技術(shù)基本掌握在較為發(fā)達(dá)的國家。

圖1 全球透明陶瓷專利申請趨勢

圖2 全球透明陶瓷專利申請國別分布

圖3 全球透明陶瓷專利技術(shù)來源國分布

從圖3 可以看出，全球透明陶瓷技術(shù)來源國前十排名中，日本和美國分別以占比22.82%和21.48%位居第一和第二，且優(yōu)勢顯著；中國和德國分別以16.90%和15.49%位居第三和第四；前四個(gè)國家的申請量總和占全球申請總量的76.69%，可見，日、美、中、德是全球主要技術(shù)創(chuàng)新國。排名第五至第九的依次為法國、韓國、俄羅斯、西班牙和英國。

結(jié)合專利申請國和技術(shù)來源國分布情況來看，日本透明陶瓷技術(shù)專利總申請量占比達(dá)到22.82%，對比日本本土專利申請總量20.26%的比重，可以看出日本企業(yè)和科研院所非常重視國外市場的專利布局；中國作為世界第一消費(fèi)大國，專利申請占比為15.93%，同時(shí)作為傳統(tǒng)的陶瓷大國，其作為主要技術(shù)來源國在全球布局了16.90%的透明陶瓷專利；美國和德國對于透明陶瓷技術(shù)專利總持有量占比也高于本國的專利申請量。作為透明陶瓷發(fā)展較早的國家，他們均掌握了透明陶瓷的前沿技術(shù)，其專利的實(shí)用價(jià)值和技術(shù)生命周期較長[8]。

2.3 主要?jiǎng)?chuàng)新主體分析

全球透明陶瓷專利申請量主要?jiǎng)?chuàng)新主體排名可以反映出透明陶瓷技術(shù)領(lǐng)域的活躍機(jī)構(gòu)[9]，表1 為全球主要?jiǎng)?chuàng)新主體分布表。表中顯示，全球前10 申請人中9 家為國外企業(yè)。作為全球特殊玻璃和陶瓷材料的全球領(lǐng)導(dǎo)廠商，美國康寧研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)，以396 件專利申請占前十總量27.62%的絕對優(yōu)勢穩(wěn)居榜首，該公司主要涉及微晶玻璃的制備(C03C10/00,147 件)研究。例如，透明玻璃陶瓷；具有鈣鈦礦和硅酸鋰結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度微晶玻璃等。位居第二的是德國肖特，以303 件專利申請占前十總量的21.13%；主要涉及鋰鋁硅酸鹽，例如鋰輝石、鋰霞石(C03C10/12,37 件)。例如，加入釩氧化物的透明玻璃陶瓷；薄的透明彩色鋰鋁硅酸鹽陶瓷及其應(yīng)用等。美國康寧和德國肖特申請量均超過300 件，優(yōu)勢顯著，兩家公司申請總和占前十總量的48.75%。法國圣戈班集團(tuán)，以150 件專利申請排名第三；主要涉及微晶玻璃的制備(C03C10/00,20 件)、含二價(jià)金屬氧化物(C03C3/085,12 件)等。例如，石英無色透明陶瓷材料；透明無色的低二氧化鈦β- 石英玻璃陶瓷材料等。排名第四和第五的分別是日本村田制作所和中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，申請量分別為117 件和96 件。村田制作所涉及的技術(shù)領(lǐng)域主要涉及以成分為特征的陶瓷成型制品(C04B35/00,22件)、陶瓷電子部件(H05K3/46,12 件)等。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所主要涉及以稀土化合物為基料的陶瓷組合物（C04B35/50，11 件）等。排名第六到第十的依次是日本住友、日本信越、日本礙子、美國3M及德國西門子[9]。全球主要申請人前10 中，九家創(chuàng)新主體均為國外企業(yè)，其中，日本4 家、美國2 家、法德國2 家、法國1 家；1 家科研院所，為中國的上海硅酸鹽研究所。前10 申請人累計(jì)申請專利1434 件，占全球申請總量的21.80%。可見除了美國康寧和德國肖特外，日本在透明陶瓷技術(shù)領(lǐng)域的研究也處于世界領(lǐng)先的地位，而我國對于透明陶瓷的研究主體還以科研院所為主。

表1 全球透明陶瓷前十創(chuàng)新主體

2.4 IPC 主分類

表2 全球透明陶瓷專利技術(shù)構(gòu)成前十(IPC 小組)分布

IPC 主分類號作為專利技術(shù)的歸類依據(jù)，可以很大程度上看出其技術(shù)的研究熱點(diǎn)[11]。從表2 可以看出，全球透明陶瓷專利的技術(shù)熱點(diǎn)基本集中在以成分為特征的陶瓷成型制品、陶瓷組合物、準(zhǔn)備制造陶瓷制品的無機(jī)化合物的加工粉末、玻璃陶瓷、用于激光束加工材料中等，其中，涉及以成分為特征的陶瓷成型制品；陶瓷組合物；準(zhǔn)備制造陶瓷制品的無機(jī)化合物的加工粉末的專利量達(dá)到1623 件，相關(guān)專利內(nèi)容的主要技術(shù)點(diǎn)包括透明光電陶瓷材料運(yùn)用、納米復(fù)相紅外透明陶瓷材料及其制備方法。涉及玻璃陶瓷的專利同樣較多，對于透明玻璃陶瓷的研究同樣具有重要意義。B23K26 描述的技術(shù)熱點(diǎn)為用激光束加工，具體包括氮化物陶瓷基板的制造方法、使用光束焦線劃線薄陶瓷材料等。排名靠前的主分類號均為陶瓷相關(guān)方面的專利技術(shù)，說明透明陶瓷以陶瓷本體材料的研究較為多見。H05K3、H01S3、G02B6、C09K11 則說明透明陶瓷還應(yīng)用于涉及基本電氣元件、電氣元件組件的制造、光學(xué)元件和發(fā)光材料方面的技術(shù)點(diǎn)上，但其專利量明顯少于陶瓷相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。

3 國內(nèi)透明陶瓷專利信息分析

3.1 中國申請趨勢分析

截止2022 年1 月28 日，中國透明陶瓷專利申請量累計(jì)達(dá)到1070 件，申請量的總體發(fā)展趨勢見圖4。由圖可以看出，1985 年到2003 年間，透明陶瓷材料專利申請量處于每年10 件以下的低水平狀態(tài)，中國在該領(lǐng)域的專利申請起步較晚，研究處于較低的水平。2003 年之后專利申請趨勢開始穩(wěn)步上升，2004 年專利申請上升至12 件，2015 年激增到72 件。2016—2021 年間增長更加迅速，我國透明陶瓷技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段。這不僅說明近年來我國透明陶瓷技術(shù)的進(jìn)步，也說明國內(nèi)創(chuàng)新主體的專利保護(hù)意識和布局意識進(jìn)一步提高。

圖4 中國透明陶瓷專利申請時(shí)間趨勢

3.2 主要?jiǎng)?chuàng)新主體分析

國內(nèi)透明陶瓷專利排名前10 位的專利權(quán)人見表3，累計(jì)申請專利達(dá)到339 件，占國內(nèi)專利申請總量的31.68%。其中排名第一位的中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所專利量達(dá)到96 件，占前十總量的28.32%，其以透明陶瓷材料的制備方法的專利居多。第二位江蘇師范大學(xué)，專利申請量為44 件，其透明陶瓷團(tuán)隊(duì)目前主要從事光功能透明陶瓷材料(激光陶瓷、照明/顯示用熒光陶瓷、透明窗口陶瓷、蓄光陶瓷等)的設(shè)計(jì)、制備與性能調(diào)控研究及其成果轉(zhuǎn)化工作。排名第三的上海大學(xué)則在閃爍體透明陶瓷的研究中取得較大突破，申請量達(dá)到42 件。排在第四和第五位的分別是武漢理工大學(xué)（32 件）和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（32 件）。排在前10 名的創(chuàng)新主體中，6 家高校、3 家科研院所和1 家企業(yè)，前10 創(chuàng)新主體中9 位創(chuàng)新主體為高?；蚩蒲性核f明在該技術(shù)領(lǐng)域中國尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

表3 中國陶瓷前十創(chuàng)新主體

3.3 專利地圖及技術(shù)熱點(diǎn)

采用IncoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫自帶的專利信息分析工具對國內(nèi)透明陶瓷技術(shù)專利進(jìn)行聚類分析，生成透明陶瓷專利技術(shù)研究熱點(diǎn)分布圖，如圖5 所示。從整體情況來看，國內(nèi)透明陶瓷專利主要技術(shù)點(diǎn)集中在:透明氧化物陶瓷本體（440 件）、氧化鋁陶瓷應(yīng)用（230 件）、納米氧化鋱（192 件）與透明陶瓷材料（72 件）。其中，透明氧化物陶瓷本體研究主要涉及透明鐵電陶瓷（116 件）、釔鋁石榴石（114 件）、氧化鑭釔透明陶瓷（45 件）和熒光陶瓷（33 件）等；氧化鋁陶瓷應(yīng)用主要涉及陶瓷磚、陶瓷刀具和燒結(jié)方法等。由此可見，當(dāng)前，相比較于非氧化物透明陶瓷，對于氧化物透明陶瓷的研究依然是國內(nèi)創(chuàng)新主體的主要研究方向。

圖5 中國透明陶瓷專利地圖

3.4 透明陶瓷專利省市分布

中國透明陶瓷專利申請人排名前十位的省市中(見表4)，排名第一位的上海省專利申請量為206 件，其主要依靠上海硅酸鹽研究所和上海大學(xué)較強(qiáng)的透明陶瓷研發(fā)實(shí)力。江蘇省排名第二，專利申請量為171 件，其主要申請人類型則是陶瓷企業(yè)和高校，主要代表為江蘇誠贏照明電器有限公司、江蘇靈灣特種陶瓷科技有限公司、江蘇師范大學(xué)等。廣東省專利申請量達(dá)到81 件，以企業(yè)為主要申請人，廣東省作為我國陶瓷重要主產(chǎn)區(qū)，其透明陶瓷的優(yōu)勢企業(yè)主要集中在深圳、佛山、廣東等幾個(gè)地區(qū)，例如以生產(chǎn)納米晶透明陶瓷為主的深圳精匠云創(chuàng)科技有限公司、基于陶瓷轉(zhuǎn)換的LED 的搖頭燈為主的廣州達(dá)森燈光股份有限公司等。前10 申請省市占國內(nèi)專利申請總量的76.17%，以經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和陶瓷主產(chǎn)區(qū)為主。

表4 中國透明陶瓷專利省市分布

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）21 世紀(jì)初至今，中國透明陶瓷專利申請趨勢明顯上升，而全球?qū)＠幵谝粋€(gè)較為平穩(wěn)的上升態(tài)勢，使得我國透明陶瓷技術(shù)在全球的地位穩(wěn)步上升。政府對透明陶瓷行業(yè)的支持，也是主要的推動(dòng)因素。從專利申請量來看，中國走在世界前列，數(shù)量方面僅次于日本，足見國內(nèi)透明陶瓷相關(guān)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)對專利技術(shù)保護(hù)的重視，專利布局意識不斷加強(qiáng)。

（2）從專利申請國和技術(shù)來源情況可以看出，日本和美國等世界科技強(qiáng)國的專利全球布局意識非常強(qiáng)。其中日本無論是專利申請量，還是主要?jiǎng)?chuàng)新主體數(shù)量，在全球處于絕對領(lǐng)先地位；美國作為研究透明陶瓷最早的國家，其專利在全球的布局和龍頭企業(yè)專利申請數(shù)量，同樣處于領(lǐng)先地位。經(jīng)過30 多年的發(fā)展我國也成為透明陶瓷技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新國家。全球創(chuàng)新主體來看，以國外透明陶瓷技術(shù)主要以企業(yè)申請為主，而我國則以高校和科研院所為主。

（3)從專利技術(shù)分析和中國主要技術(shù)熱點(diǎn)來看，全球透明陶瓷技術(shù)主要陶瓷成型制品、陶瓷組合物、準(zhǔn)備制造陶瓷制品的無機(jī)化合物的加工粉末為主，并大量應(yīng)用到電子元件中。我國透明陶瓷技術(shù)則以氧化物透明陶瓷的研究較為多見，研究地域以經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份和陶瓷主產(chǎn)區(qū)所在省份為主。

4.2 建議

（1）加速核心專利海外部件。從全球?qū)＠季謥砜?，與日本、美國等發(fā)達(dá)國家相比，雖然我國專利申請量穩(wěn)步提升，但作為技術(shù)來源國我國透明陶瓷技術(shù)的對外輸出不及日本和美國，應(yīng)當(dāng)加速核心專利的海外布局，在全球形成自身的技術(shù)優(yōu)勢。

（2）推動(dòng)優(yōu)質(zhì)專利轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。我國透明陶瓷技術(shù)以高校和科研院所為主要申請人，而企業(yè)是科技成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的助推者與實(shí)施者，推動(dòng)高?？蒲性核鶅?yōu)質(zhì)專利的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化對行業(yè)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用有重要作用。

（3）更多關(guān)注非氧化物透明陶瓷的研究。與氧化物透明陶瓷相比, 大多數(shù)的非氧化物透明陶瓷不僅室溫強(qiáng)度高,而且高溫力學(xué)性能好,此外,還具有優(yōu)良的抗急冷急熱沖擊性能[3]。而我國對于氧化物透明陶瓷的研究成果明顯比非氧化物陶瓷突出。開展對非氧化物陶瓷的研究顯得尤為重要。