基于Innography 的铝基复合材料专利分析①
李 秾② 郑彦宁 傅俊英 梁琴琴 袁 芳
(中国科学技术信息研究所 北京 100038)
摘 要 铝基复合材料(AMC)广泛应用于航空航天、汽车、电子和机械制造等领域。基于Innography分析平台收录的铝基复合材料相关专利数据，从专利申请和授权的年度趋势、发明人所在地、专利申请地、专利分类体系分布以及专利权人的角度，结合产业信息，分析了铝基复合材料专利的整体产出、重点技术领域以及研发机构情况等。研究表明，全球铝基复合材料研究始于20世纪60年代末，随着中国对该领域研发与知识产权重视程度的提高，铝基复合材料相关专利申请数量自2011年起开始快速上升，但在该领域缺少龙头企业，相关研发以大学和科研院所为主，尚需培育其市场需求。
关键词 铝基复合材料(AMC)， Innography， 专利分析
0 引 言
金属基复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐磨损、抗辐射、热膨胀系数低等诸多优点，在航空航天和军工等高科技领域有重要应用。其中，铝基复合材料(aluminum matrix composites, AMCs)由于密度和成本较低，且铝合金的应用相对成熟，在金属基复合材料中使用最为广泛。本文以专利分析为主，结合产业研究，对铝基复合材料领域产业的技术发展现状进行了阐释，并指出我国在这一领域需要改进的方向。
1 专利数据来源与处理
1.1 专利数据来源
本文采用CPA Global公司旗下的Innography数据库对铝基复合材料领域专利进行检索和分析，其数据源包括100多个国家和地区的上亿篇专利文献及其法律状态，如邓白氏商业情报数据库及美国证券交易委员会等的专利权人财务数据，美国法院电子数据库系统(PACER)的专利诉讼案件、美国国际贸易委员会(ITC)337调查以及美国PTAB的专利无效复审案件，以及美国商标信息[1]等。
⑥对输水管道涉及正在施工的街道等市政工程的，要主动与有关部门和施工单位进行协调沟通，抢在街道硬化之前埋设安装管道，避免带来施工困难和造成损失。
1.2 专利检索与分析
采用关键词检索方法，检索式为“@(abstract,pclaims, title)((‘aluminium matrix composite’) or (‘aluminum matrix composite’) or (‘Al matrix composite’) or (‘aluminium based composite’) or (‘aluminum based composite’) or (‘Al based composite’))”，专利检索时间截止到2018年12月31日，并采用扩展专利同族中的INPADOC(International Patent Documentation)家族对同族专利进行处理。对搜索到专利的年度申请和授权变化趋势、专利来源地和受理地、技术领域分布与申请机构进行分析，并以图表予以呈现。
2 铝基复合材料相关专利整体情况分析
2.1 专利年度变化趋势分析
根据上述检索策略，得到全球铝基复合材料相关专利共2 199件(专利家族)，其中，授权专利共1 092件，总体授权率为49.66%，其申请数量与授权数量的年度变化趋势如图1所示。由图中可以看到，全球铝基复合材料相关专利申请始于1968年，至2010年这段期间，专利申请量平均年复合增长率为10.33%；2011年至2016年，专利申请量快速上升，平均年复合增长率大幅增至23.96%。由于专利申请后于18个月内公开，故2017年至2018年的专利申请数据不完整。另外，铝基复合材料相关专利授权量曲线走势和专利申请量曲线走势基本一致，1968年至2010年，专利授权量平均年复合增长率为9.11%；2011年至2016年，专利授权量也快速上升，平均年复合增长率为21.20%。
图1 全球铝基复合材料相关专利申请数量与授权数量的年度变化趋势
2017年，为了得到程立生的支持，使其孩子顺利入学琼台师范学院附属幼儿园，肖某于2017年7月份在酒店包厢送给程立生现金1万元。
图2 中国铝基复合材料相关专利申请数量与授权数量的年度变化趋势
铝基复合材料相关申请专利在IPC类的分布如图5所示，IPC类的分类注释如表1所示。铝基复合材料相关专利分布在119个子类中，但主要集中分布于C22C子类“合金”，总体占比达到46.60%，表明铝基复合材料相关技术的关键在于合金组分及相应工艺。排名前5的IPC子类占比达到66.25%，主要是以有色金属的冶炼、铸造、压力加工、切削加工与后处理技术为主。
铝基复合材料相关申请专利在IPC组的分布如图6所示，IPC组的分类注释如表2所示。铝基复合材料相关专利分布在259个组中，但主要集中分布于C22C 1/00组“有色金属合金的制造”，以及C22C 21/00组“铝基合金”，总体占比分别达到21.86%和14.29%。排名前5的IPC组占比达到47.82%。
国外农业支持与保护政策表现出更加多元化的发展形式，不仅对农业给予直接的经济补贴，还对农业基础设施建设、农业技术培训、农业风险管控等方面都有较大的投入。因此，中国在农业支持与保护政策的制定上还需要建立更加完善的体系，如加强农业先进技术宣传、加强农业基础设施的支持投入、在农业信贷上给予更多优惠等，从而构建一个更为完善的农业支持与保护政策体系，促进中国农业的健康发展。
2.2 专利来源地分析
全球铝基复合材料相关专利来自于29个国家和地区，其中排名前10的国家和地区铝基复合材料相关专利申请数量、授权数量与授权比例如图3所示。可以看到，铝基复合材料相关专利主要来自中国、日本、美国、韩国、俄罗斯、中国台湾、英国、加拿大、德国和法国。其中，中国以1 669件专利申请量和823件专利授权量排名第一，全球占比分别达到75.17%和74.54%，但相关专利绝大多数在国内申请，海外申请数量仅为21件，占比为1.27%，海外申请地为6个，总体专利授权率为49.24%，略低于全球平均水平。中国、日本和美国合计铝基复合材料相关专利申请与授权量全球占比达到92.91%和93.50%，几乎可以代表全球铝基复合材料技术发展情况。
图3 排名前10的铝基复合材料相关专利来源地申请数量、授权数量与授权比
2.3 专利受理地分析
最终，铝基复合材料专利可归纳为3大类：组分、制造与应用。对于铝基复合材料组分专利，主要分为：铝基体组C22C 1/00、C22C 21/00；颗粒增强体[2-4]组C22C 32/00；晶须增强体[5]与纤维增强体[6, 7]组C22C 47/00、C22C 49/00；新兴的陶瓷结构增强体[8]组C04B 35/00。对于铝基复合材料制造[9]专利，B22D 19/00组对应铝基复合材料制造方法中主要的液态制造法，主要包括搅拌铸造法、液态金属浸渗法、共喷射沉积法和热喷涂法；B22F 3/00组合B23K 20/00组分别对应粉末冶金法和热压法，属于固态制造法；其他常用的铝基复合材料制造方法还有原位合成法，对应C22C 32/00组。对于铝基复合材料应用专利，主要为制动器零部件组F16D 65/00，原因在于其在汽车产业的应用[10]，由于它们在航空航天与军工产业[11,12]的应用较为敏感，专利申请量较少。而H01L这一IPC子类的存在是因为铝基复合材料具有高导热、低膨胀的特性，有利于集成电路的散热，且产生的热应力小，因而在半导体封装领域有较多应用[13]。
2.4 铝基复合材料相关专利的IPC 分布情况分析
中国铝基复合材料相关专利申请始于1990年，至2010年这段期间，专利申请量平均年复合增长率为21.23%，专利授权量平均年复合增长率为20.57%；2011年至2016年，专利申请量快速上升，平均年复合增长率上升至30.01%，专利授权量平均年复合增长率为26.17%。可以看到，中国在铝基复合材料相关专利上的申请与授权量在30年间一直保持在20%以上，随着绝对数量的不断增大，中国成为全球该领域相关专利产出的主要驱动力，专利申请与授权数量全球占比近年来已经超过90%。
图4 排名前10的铝基复合材料相关专利受理地申请数量、授权数量与授权比
图5 铝基复合材料相关申请专利前10的IPC子类分布
其中，ε为数据对象的噪声数据误差，是系统自带误差，与预测模型选择无关，一般认为服从正态分布，即 ε ～ N（0，σ2）。
全球铝基复合材料相关专利的受理地包括35个国家、地区和组织，其中，排名前10的国家、地区和组织铝基复合材料相关专利申请数量、授权数量与授权比例如图4所示。可以看到，铝基复合材料相关专利主要受理地区为中国、日本、美国、世界知识产权组织、韩国、欧洲专利局、加拿大、中国台湾、俄罗斯和英国。中国、日本和美国仍然是最大的专利受理地，其中，美国作为铝基复合材料相关专利的受理地，其专利申请与授权数量显著高于其自身作为专利来源地的数量，而中国和日本则大体接近，这表明美国铝基复合材料市场在全球范围最具吸引力，而中国铝基复合材料市场尚未培育起来。
表1 IPC子类的分类注释
图6 铝基复合材料相关申请专利前10的IPC组分布
表2 IPC子类的分类注释
2.5 国外铝基复合材料领域机构分析
1979年，美国政府下令对金属基复合材料技术进行封锁[14]，有许多美国公司具有很强的相关技术实力，但主要应用于航空航天与军工装备上，故没有大量申请相关专利。例如，美国原麦道公司生产的F-15战斗机在机身后段的垂直安定面和水平尾翼上采用了Textron公司生产的硼纤维增强铝基复合材料，其早期型号搭载的普惠公司F-100涡扇发动机也采用了由NASA旗下Lewis研究中心开发的硼纤维增强铝基复合材料风扇叶片；麦道公司的F/A-18战斗机则采用SiCp/Al替代2系列铝合金制造液压制动器缸体，实现减重的同时提高了抗疲劳性与热稳定性；空客A330和波音B777等民用客机上搭载的普惠PW4000系列发动机导流叶片采用了美国DWA公司生产的17.5%体积分数SiCp/6092Al复合材料，在提高抗冲击性和耐腐蚀性的同时，降低了生产成本；美国通用动力公司和洛克希德·马丁公司生产的F-16战斗机则采用SiCp/6092Al复合材料替代2214航空铝合金来制造腹鳍，服役寿命提高至8000小时；洛克希德·马丁公司和波音公司联合研制的F-22战斗机采用了高体积分数SiCp/Al复合材料制造的印刷电路板芯板、电子元件基座和外壳，在减重的同时提高了散热能力；美国ACMC公司则采用光学级SiCp/Al复合材料制造出轻量化坦克激光反射镜、空间望远镜和卫星太阳反射镜等[9]。
铝基复合材料相关专利申请与授权数量在2011年后快速上升，主要是因为中国对这一领域研究的加强。中国铝基复合材料相关专利申请数量与授权数量的年度变化趋势如图2所示。
表3 国外铝基复合材料专利申请排名前10机构
国外铝基复合材料专利申请排名前10的机构如表3所示，全部为企业。除总部位于英国的力拓股份公司和总部位于美国的3M公司之外，其余全部为日本企业。丰田、本田、三菱综合材料、曙光制动和古河电气的铝基复合材料相关专利布局均围绕汽车及汽车零部件业务展开；神户制钢、力拓股份公司、昭和铝业和新日铁住金公司主营金属冶炼与加工业务，专利集中于围绕铝基复合材料组分与制造。另外，力拓股份公司的铝基复合材料相关专利来自于其2007年收购的加拿大铝业公司，新日铁住金的铝基复合材料相关专利则源于2012年新日本制铁公司与住友金属工业公司合并之前，住友金属工业公司旗下的住友轻合金工业公司。
全市水功能区中，入河排污口单口污染物排放总量列前3名的分别是石榴河、丰润区污水处理厂、国祯污水处理厂入清水河排污口，这3个排污口是影响全市水功能区的主要污染源。
2.6 中国铝基复合材料领域机构分析
中国铝基复合材料专利申请排名前10的机构如表4所示，包括8家高校与科研院所以及2家企业。其中，中国科学院系统申请铝基复合材料相关专利的机构包括中科院金属研究所(21项)、中科院长春光学精密机械与物理研究所(4项)、中科院大连化学物理研究所(3项)，中科院合肥物质科学研究院、中科院生态环境研究中心、中科院重庆绿色智能技术研究院和中科院深圳先进技术研究院各1项。企业方面，有研科技集团有限公司(北京有色金属研究总院)在1999年由科研院所转制为大型科技企业。苏州莱特复合材料有限公司是一家外资独资企业，主营金属基复合材料及其制品的研发、生产、销售，并提供技术服务，其母公司是总部位于美国的北美最大粉末冶金公司NetShape Technologies Inc.。我国机构在专利布局上主要以铝基复合材料的组分为主。
表4 中国铝基复合材料专利申请排名前10机构
中国于20世纪80年代末期开始进行SiCp/Al复合材料的研究。在“863”计划的支持下，北京有色金属研究总院、上海交通大学、华南理工大学、北京航空材料研究院、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学等国家重点科研单位对SiCp/Al复合材料制备工艺及相关理论进行了研究。其中，北京有色金属研究总院设有国家有色金属复合材料工程技术研究中心；上海交通大学设有金属基复合材料国家重点实验室。以SiCp/Al为代表的铝基复合材料在我国探月工程、载人航天工程、卫星和先进航天器等国家重大型号及重大工程上获得了应用，涵盖200余种规格、3000余件高性能铝基复合材料构件。例如，替代导弹惯性导航系统的铸造铝合金结构件，以提高刚度、增加阻尼、改善热膨胀匹配性；替代铍材料制造惯性器件，以提高强度、降低制造成本并避免加工毒性；用于高分辨率遥感卫星的光机结构，提升系统可靠性与寿命；替代航空航天装备电子元器件封装用的可伐合金(Kovar)，以大幅减重并增强散热等。
3 结 论
铝基复合材料相关专利绝大多数来自中、日、美3国，并可根据IPC分类归纳为组分、制造和应用这3大类。对于专利申请机构，中国以参与过相关“863计划”的科研院所为主，企业力量不足，实际应用处于起步阶段。日本以汽车制造商为主，应用集中于制动器等汽车零部件。欧美以铝业与材料行业公司为主，但应用集中于航空航天和军工装备等敏感领域，所以专利申请量较少，必须结合产业信息才能够正确判断出其在铝基复合材料领域具有较强的技术实力 。
尽管我国从2011年开始大量申请铝基复合材料相关专利，近年来在专利申请与授权占比上都超过九成，但整个产业实际上尚处于满足宇航军工领域重点型号的定制化、小批量需求的发展阶段。可以考虑以汽车零部件、电子封装基板等一般民品需求为依托，培育具有强大研发与生产能力的铝基复合材料龙头企业，最终实现铝基复合材料的产业化与大批量供给。
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Patent analysis of aluminum matrix composite based on Innography
Li Nong, Zheng Yanning, Fu Junying, Liang Qinqin, Yuan Fang
(Institute of Scientific and Technical Information of China, Beijing 100038)
Abstract Aluminum matrix composites (AMCs) are widely used in aerospace, automobile, electronics and mechanical manufacturing. Based on the patents of AMCs collected in Innography analysis platform and combined with industry intelligence, the overall output, key technical fields and important R&D institutions are analyzed in this paper from the perspectives of the annual trend of patent application and authorization, the location of inventors, the locations that receive patent application, the distribution of patent classification system and patent assignees. The research shows that the global research on AMCs began in the late 1960s. With the increasing attention paid to research and development in this field and intellectual property rights in China, the number of patent applications for AMCs has increased rapidly since 2011, but there is a lack of leading enterprises in this field. The AMCs related R&D are dominated by universities and institutes, which still need to cultivate market demand.
Key words : aluminum matrix composite (AMC), Innography, patent analysis
doi： 10.3772/j.issn.1002-0470.2019.07.011
① 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(QN2018-03，ZD2018-01)和青海省科技计划(2018-0303-ZJC-0023)资助项目。
② 男，1989年生，博士；研究方向：先进制造产业；联系人，E-mail: linong@istic.ac.cn
(收稿日期： 2019-01-06)