從專利視角看金屬多孔材料的研究現狀

高敬 王方

1 前言

金屬多孔材料是采用粉末冶金制備技術，將金屬粉末、金屬絲經成型、燒結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。該材料內部彌散分布著大量的有方向性或隨機分布的孔洞，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。根據其孔洞的形態可以分為獨立孔洞型和連續孔洞型2大類，其中獨立孔洞型具有密度小、剛性和比強度好、吸振及吸音性能好等特點；連續孔洞型除了具有上述特點之外，還具有浸透性、通氣性好等特點。金屬多孔材料同時兼具了結構材料和功能材料的特性，其孔徑的大小、孔隙率、孔徑分布等均可實現準確的量控，獨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，在高壓環境中強度高、韌性好、使用壽命長、再生能力強，因此被廣泛應用于航空航天、交通運輸、建筑工程、機械工程、電化學工程、通訊工程，環保工程等領域。通過專利分析發現，其核心技術主要集中在復合材料、金屬氧化物、基礎材料、新材料等領域的制備技術方向，利用仿真技術開發的金屬多孔材料人工骨骼，更是開創了該材料的生物醫用新領域。

2 數據來源

智慧芽PatSnap專利分析系統研發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。“PatSnap全球專利數據庫”為PatSnap旗下首款產品，歷時3年精心打造和優化。數據庫涵蓋了歐專局、世界知識產權組織、美國、中國、德國、日本等7個地區或組織的專利全文以及90多個國家和地區的專利摘要數據，總數超過1億條。本文以該數據庫收錄的1997—2018年間全球金屬多孔材料相關專利為數據源，采用“TTL：金屬多孔材料or Metal Porous Materials”的檢索策略，檢索時間為2019年3月14日，對比分析了該領域20多年來的專利申請趨勢、主要發明人、全球地域趨勢、技術科技領域趨勢、專利生命周期、專利家族等。

3 全球金屬多孔材料技術專利現狀

3.1 全球專利申請及授權情況

智慧芽PatSnap專利分析系統數據顯示，全球金屬多孔材料領域的技術專利申請及授權數量在1997—2011年間一直處于平穩上升趨勢，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，可見全球對該領域的技術研究從未停止，并且在穩步推進中。在20多年間該領域的專利申請總數達到了34 093件，其中，發明專利占到98.58%，實用新型專利占1.42%，外觀設計類等專利尚無收錄。

3.2 專利地理分布趨勢

通常專利申請及授權數量的多少是衡量一個國家或一個企業技術創新能力的一個重要指標。企業的專利申請越多，表明這個企業的創新能力越強。智慧芽PatSnap專利分析系統數據反映出金屬多孔材料技術領域在不同國家和區域的發展情況（見圖2）。美國、歐洲和世界知識產權組織的專利申請數量20多年來發展平穩；日本起步最早，1997年的發明專利就有300多件，而后略有下降，但還是穩定在每年200件左右的申請量；中國在該領域的發展起步較晚，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年也基本穩定在每年400件的申請量，足見中國在該領域的發展是突飛猛進的。

據悉，西北有色金屬研究院是國內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實驗室，獲科研成果50余項，2017年憑借“高性能金屬多孔材料制備及應用”項目獲得了國家技術發明二等獎。此外，我國科研人員成功將增材制造工藝方法和高溫燒結工藝過程相結合，發明制備出了由具有三維網格結構的框架和嵌套于該三維網格結構內部的多孔燒結體組成的金屬多孔材料。該方法發揮了2種制備工藝的優勢，制備出了能滿足多種特殊要求的高強度結構金屬多孔材料，說明我國在該領域的發展正走向世界前列。

3.3 專利核心技術分布領域

智慧芽PatSnap專利分析系統將該領域的專利進行了技術歸類，統計出了該領域TOP10的核心技術分布（見圖3）。通過圖3可知，可以迅速了解該領域的核心技術主要集中在：直接轉變化學能為電能的方法和裝置；化學或物理方法；分離技術；金屬粉末加工；金屬鑄造；層狀產品；半導體器件；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或物理性質的一般系統等10個方面。

3.4 專利技術影響力分析

被引用次數較多的專利通常代表了該專利具有較強的技術影響力，通過對金屬多孔材料領域被引用次數最多的TOP10專利的分析發現，美國在該領域的相關專利被引用次數最多，TOP10中占據了9個，其中專利號US4743256的專利被引用次數接近了750次，該專利由發明人John WBrantigan于1987年申請、1988年公開，是有關外科假肢椎間融合術方面的授權專利（如圖4）。

在全球該領域引用次數最多的TOP10專利中，可以看到，研究熱點主要集中在了脊柱柔性穩定系統、多孔支架給藥系統、促進骨/組織生長的假體裝置等醫療領域以及關于固定化酶電極、分子與組織之間運輸的微針裝置、交替層沉積前的保護層、含硅和硼氧化物的合成晶體多孔材料、固體多組分膜、電化學反應器組件、電化學反應器以及膜、反應器組件和氧化反應器的應用等方向（如表1）。

3.5 專利家族規模分析

擁有較大專利家族的專利，有更多相關的同族專利，通常代表申請人認為該項技術非常有價值，因而在全球范圍內申請專利授權。通過檢索金屬多孔材料領域的專利家族，發現美國專利US7180081有約1 700個同族專利，專利名稱為《放電產生的等離子體EUV光源》，是美國John Walker等于2003年申請、2007年公開的授權專利；中國專利CN102645455A有接近300個同族專利，由南京工業大學汪勇等人于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》的授權專利（如圖5）。

3.6 最具價值專利分析

在金屬多孔材料領域最有價值專利的前10名專利中，超過1 000萬美元的專利就有7個（如圖6）。其中加拿大專利CA2544859C，專利名稱《電化學生產一種多孔金屬有機骨架材料的方法》創造的價值高達1 600萬美元；中國專利CN101381972B，專利名稱《帶有可燃紙的低側流煙香煙》創造了近900萬美元的價值。這些專利是非常具有競爭力的無形資產。

3.7 主要發明人分布趨勢

專利發明人對專利發揮著重要的作用，所以了解一個科技領域的主要發明人及其貢獻，能加深對該科技領域的了解。智慧芽PatSnap專利分析系統中該領域專利發明人在50件以上的有5人（如圖7）。其中美國國家科學基金會工程指揮部催化和生物催化項目主任ANTOSGEORGEJ最多，接近150件，他自1981年起獨自或合作申請了大量相關領域的專利，主要內容包括：金屬催化劑上的基本重整反應、催化劑孔結構的優化、新一代的工業化催化劑、催化劑再生與連續重整、廢催化劑的貴金屬回收、工業化的重整裝置的控制系統、石腦油催化重整的建模等。

智慧芽PatSnap專利分析系統數據顯示，國內該領域專利主要出自圖8所列單位。其中成都易態科技有限公司專利申請量達到213件，遠遠高于國內其他單位。該公司曾研制出了鋁系金屬間化合物多孔/膜材料；2017年開發的“基于金屬間化合物多孔/膜材料高溫氣體過濾技術”處于國際領先水平，原創的“金屬間化合物膜材料”被列入《新材料產業發展指南》中的國家重點推廣應用新型節能環保材料。

西北有色金屬研究院制訂了我國燒結金屬多孔材料及元件的國家材料標準和檢測標準7個，“高性能金屬多孔材料制備及應用”項目歷經15年，從多孔介質流體力學和粉末冶金基本原理出發，提出了分區孔結構設計與一體化制備的新思路，發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，突破了流體透過性與分離效果難以兼得、大尺寸異形整體結構元件難以制備的技術瓶頸，攻克了苛刻環境下安全可靠性低、使用壽命短的難題。并在此基礎上，開發的新產品獲得了規模應用，支撐了我國核燃料的安全生產，促進了全球煤氣化和多晶硅技術的進步。

中國科學院金屬研究所在1997—2018年間專利申請量比其他公司都多，達到266件，他們在該領域的專利技術較為成熟，主要專利方向有制備具有三維通孔結構的多孔金屬材料、多孔純銅或銅合金、多孔陶瓷負載納米金剛石復合催化材料、金屬氧化物多孔單晶陣列薄膜、兼具高強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專利分析系統的專利年趨勢變化顯示，該領域國外專利申請量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：中國科學研究院。它們在全球市場的領域分布基本都是在本國。德國BASF在2008年時專利申請量最多，達到39件，而后連年下降，表明該公司主導技術已改為其他方向。日本松下電器公司在該領域的專利申請量在1998年時最多，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，說明該公司技術重點不再以金屬多孔材料為主導。金屬多孔材料領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領域是金屬多孔材料，專利申請數量就大；氣泡小表示公司的技術領域已經變為其他領域，專利申請量在下降。如果氣泡逐年增大，表示是新進入該領域的公司。

3.8 專利技術概念分析

使用最新的5 000件金屬多孔材料領域專利，從標題及摘要中提取了關鍵詞，可以幫助讀者快速了解該領域的研究主題和方向。圖10顯示了該領域核心技術主要集中于復合材料、金屬氧化物、基礎材料、新材料等。

金屬多孔材料正朝著多功能化、結構功能一體化的趨勢發展，說明材料研究者已經認識到傳統的致密材料并非是世界上最好的結構材料，與其將更多的精力花費在消除傳統結構材料中的孔缺陷，還不如研究具有結構功能一體化的新型多孔材料。

4 結語

金屬多孔材料是近十幾年來發展起來的新材料，目前該材料正朝著多功能化、結構功能一體化的趨勢發展，這是多孔材料研究自然本性的一種回歸。日本材料學家中峙英雄認為，21世紀前50年金屬多孔材料的研究和應用將會受到人們很大的關注。

本文從專利的視角分析了國內外金屬多孔材料領域專利申請的數量、地理分布趨勢和發明人分布趨勢等多項指標，發現該領域的專利申請人（公司）大多具有較強的研發實力，且研發的產品市場份額也基本在本國。雖然有些公司在該領域的專利申請量逐年下降，表明他們的主導研發方向發生了改變，但大多數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開發金屬多孔材料的人工骨骼，據稱該材料具有生物材料的特性，是理想的人體骨骼材料。

通過專利數據分析，業界在該領域的研究主要包括多孔金屬氧化物材料（二氧化鈦、鉍系半導體、氧化鋅、氧化亞銅等）在光催化領域的研究等；金屬有機框架多孔材料（MOFs），主要包括MOFs的制備方法，如溶劑熱法、界面擴散法、微波法、化學機械合成法等。MOFs是將有機配體與金屬離子通過絡合作用自組裝形成的超分子微孔網絡結構的類沸石材料。MOFs已經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行結構設計。

我國在該領域的發展起步晚，但近幾年發展迅速，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。因此加強產學研用深度融合，重點推進校企合作重大科技攻關平臺建設是未來發展的方向。

參考文獻

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