采用離子注入法對金屬表面改性專利技術綜述

趙亮 于慧澤

摘要：離子注入技術屬原子級表面加工技術，其具備改性效果明顯、效率高、可控性和可操作性強、無污染等優點，在金屬材料、半導體器件、醫用抗菌等眾多領域應用廣泛。本文分析了采用離子注入法對金屬表面改性的國內外專利申請文獻，分析了該領域的專利申請量，歸納出申請人國別和應用領域分布，同時對該領域未來發展趨勢進行了預測。

關鍵詞：離子注入；金屬；表面改性；核心專利

中圖分類號：TG174.44 文獻標識碼：A 文章編號：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70年代初逐漸發展起來的一種表面改性方法，其是將某些元素的原子電離成離子，在幾萬至幾十萬伏的高壓電場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、力學性能表層的表面改性技術。注入過程是一個非平衡過程，注入元素選擇不受冶金學的限制，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有界面，所以不存在注入層剝落的技術問題[1]，極大地彌補了傳統的金屬表面處理技術（氣相沉積、熱噴涂、化學鍍等）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，隨著傳統產業改造升級、航空航天科技創新、電子產業迅猛發展，對金屬材料的表面性能的要求日益提高，在傳統性能的基礎上，還有更多的研究者開始關注生物相容性、極端條件下的耐受性等性能，以及如何進一步提高其使用可靠性，拓展應用范圍。

為了研究離子注入法對金屬表面改性領域專利技術的發展情況，結合實際審查工作經驗，本文選擇中國專利文摘數據庫（CNABS）和德溫特世界專利數據庫（DWPI）作為主要檢索數據庫，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，主要分類號為：C23C14/48，并對上述關鍵詞和分類號進行了適當擴展。通過以上檢索要素所獲取的專利申請進行進一步人工篩選，所得到的專利文獻作為本文所研究的對象。檢索對象限定在公開日或公告日在2017年之前的發明和實用新型專利申請。

2 專利申請趨勢分析

2.1 專利申請量趨勢

圖1顯示了采用離子注入法對金屬表面改性的專利申請量的年度分布，從圖中可以看出，專利申請起始于20世紀70年代初，一直到1986年都處于相對較低的水平，申請量較少，為技術起步階段；1986年至1997年間，申請量略有起伏，但總體保持增長趨勢，各國申請人探索將不同種類的離子注入金屬表面，以提高金屬表面的機電性能，為技術初步發展階段；1998年，受全球金融危機影響，申請量下滑至最低值；1999年起，隨著全球經濟的逐步復蘇，加之申請人對金屬綜合性能及應用領域的需求不斷提升，專利申請進入增長時期，并在2003年后有了大幅度上升，在2011年達到頂峰，這是采用離子注入對金屬表面改性的一個發展高潮；從2012年起，該技術開始步入成熟階段，申請量有所下滑，可能的原因在于采用離子注入技術對金屬表面改性已經發展到較為成熟的狀態，創新遇到瓶頸，有待新的突出技術出現。

對于在中國國內的專利申請，從圖中可以看出，在2003年以前一直保持相當低的數量，這說明國內相關技術的研究起步較晚，且在中國加入WTO之前國外企業對于中國國內的市場也不甚重視。值得注意的是，在2004年之后，中國國內申請數量增長迅猛，且逐步成為該技術的重要研發成員，說明隨著中國市場越來越受到世界范圍內的重視，且國內本土企業和科研機構也積極開展此項技術的研發工作；2012年之后，申請量也有所下滑，然而申請總數仍然保持較高水平。2016年的數據涉及部分申請尚未公開的情況。

2.2 專利申請國家/地區分布

離子注入屬于原子級表面加工技術，其能夠有效改善金屬表面的物理、化學、機械性能；該技術的地域分布可以反映出世界各國對金屬產品性能的需求和研發熱度。對該領域的專利申請的所在國家和地區進行統計，得到圖2的數據，從圖中可以看出，排名前4位的分別是：中國、日本、美國、俄羅斯，這5個國家/地區占據了所有專利申請的87.3%，是該項技術的最主要研發市場。可以看到的是，這5個國家/地區也是世界主要的制造業國家/地區。而德國、英國、法國等傳統制造業強國的申請量分列第5位到第7位，分別占比3.5%、2.6%和1.8%。可見世界各主要制造業國家/地區對于采用離子注入技術提高金屬表面性能有著較高的研發熱情。

2.3 重點專利技術領域

采用離子注入法對金屬表面改性可以改善金屬物化性能，同時還擴展了其應用領域。為了展現該技術整體的分布情況，本研究采用了IPC作為分類標準進行分析，進而挖掘該領域各申請人研發的重心和熱點。從圖3可以看出，本領域的主要專利集中在C23C小類，即對金屬材料的鍍覆，這也是離子注入法所在的分類號。其次，從圖中可以看出，該技術的應用領域分布廣泛，與層狀材料、合金、醫用抗菌材料、半導體器件、印刷電路、金屬復合材料、整形外科、電解電泳、陰極濺射等領域均有著密不可分的聯系。而該領域申請人的研發重心和熱點并不盡相同，雖然大部分集中在對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）的研究，但是也有大量的申請人的關注點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、提高半導體元件的焊接強度等，這些熱點也與近年來半導體產業、整形產業飛速發展密切相關。

3 結論

通過對上述的國內外專利申請文獻的梳理，發現采用離子注入對金屬表面改性的在國內外技術發展中均遇到了瓶頸，但該領域申請人的研發重心和熱點并不盡相同，雖然大部分集中在對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）的研究，但是也有大量的申請人的關注點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、提高半導體元件的焊接強度等，這些熱點也與近年來半導體產業、整形產業飛速發展密切相關。

參考文獻：

[1] 徐濱士.表面工程技術手冊.下[M].北京：化學工業出版社，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.