耐火材料專利技術(shù)發(fā)展特點分析

王杰曾

中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100024

專利是以公開和繳納一定費用為代價，獲得在某一地域、某一期限內(nèi)生產(chǎn)、銷售或以其他方式使用發(fā)明的獨占權(quán)利。專利分析指運用數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析、專家分析等手段，挖掘出隱含在專利中的信息，使其成為指導(dǎo)企業(yè)經(jīng)營的重要情報的分析方法。由于核心技術(shù)的敏感性，分析相關(guān)專利信息也就成為企業(yè)通過合法手段獲得競爭優(yōu)勢的主要途徑［1-2］。在本文中，主要介紹了用R語言、Excel中的大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)分析2019—2021年耐火材料專利的情況。

1 研發(fā)設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

自改革開放以來，我國的高溫工業(yè)發(fā)展迅速。2008年，我國啟動“四萬億”計劃拉動大量資金跟進(jìn)，在短時間內(nèi)，中國的高溫工業(yè)產(chǎn)量達(dá)到世界總產(chǎn)量的50% ～60%。到2012年，我國的經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了“新常態(tài)”；2020年，又受到新冠疫情的重創(chuàng)，導(dǎo)致高溫行業(yè)大幅萎縮，耐火材料單耗不斷降低。因此，耐火材料企業(yè)需要通過專利分析來了解耐材技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，靈活調(diào)整對策，以正確指導(dǎo)企業(yè)的升級換代。

中國知網(wǎng)日更新文獻(xiàn)量達(dá)5萬篇以上，但對客戶的下載進(jìn)行了一定程度的限制。因此，首先，需要將分塊下載的專利文件由xls轉(zhuǎn)為xlsx文件。其次，在系統(tǒng)中預(yù)裝java，為其設(shè)置環(huán)境變量，并在R語言系統(tǒng)中載入openxlsx包才能訪問xlsx文件。再次，在R語言系統(tǒng)中載入dplyr包，用其full_jion函數(shù)合并讀入的表格，通過write.xlsx函數(shù)將其保存［3-6］。最后，對獲取的數(shù)據(jù)反復(fù)清洗：1）剔除全部屬性相同的信息，記錄從5 968項減少到5 120項；2）剔除公開號相同的，剩余4 726項；3）剔除作者和摘要完全相同的，剩余4 502項；4）剔除摘要和題名相同的，剩余4 463項；5）再剔除摘要相同的，最后剩余4 410項。

2 專利類別分布

按照國際專利分類號，C04B35／00指以成分為特征的陶瓷和耐火材料。其中，C04B35／035指用含有非氧化物的粒度混合物制成的耐火材料；C04B35／04指以氧化鎂為基料的材料；C04B35／05指熔鑄法耐火材料；C04B35／10指為以氧化鋁為基料的材料；C04B35／185為莫來石；C04B35／482、C04B35／567與C04B35／586均指用粒度混合物制造的耐火材料；C04B35／484熔鑄法耐火材料；C04B35／599以硅鋁氧氮化物（SIALONS）為原料，采用化學(xué)氣相沉積法制備的硅鋁氧氮化物；C04B35／657用于制造業(yè)的耐火材料；C04B35／66含或不含有黏土的整體耐火材料或耐火砂漿。分類號為C04B35各主要子項公開的專利數(shù)見表1。

表1 分類號為C04B35各主要子項公開的專利數(shù)

由表1可知，公開的專利主要集中于C04B35／66、C04B35／10和C04B35／04這3個子項。由于一項專利可能屬于多個類別，用分類子項統(tǒng)計出的總專利數(shù)可能大于實際數(shù)量。

3 專利國別分布

部分國家或組織公開的耐火材料專利數(shù)見表2。

表2 部分國家或組織公開的耐火材料專利數(shù)

由表2可知，中國耐火材料專利數(shù)約占所有國家或組織的耐火材料專利總數(shù)的83%，已成為耐火技術(shù)的主要引領(lǐng)者。

4 專利申請人的分布

專利申請人是專利技術(shù)的主要貢獻(xiàn)者，也是主要競爭者。對中國專利中發(fā)明授權(quán)的統(tǒng)計，能夠準(zhǔn)確反映申請人的成果及申請人的實力。

4.1 按總體情況統(tǒng)計申請人分布

公開的各申請人耐火材料專利數(shù)見圖1。

圖1 公開的各申請人耐火材料專利數(shù)

由圖1可知，武漢科技大學(xué)（武科大）、利爾、瑞泰、中鋼、武鋼、中冶、中科院、通達(dá)是申報專利的8強；黑崎播磨（黑崎）、圣戈班和品川耐火（品川）3家外企緊隨其后；中科院也無聲無息地進(jìn)入了耐火行業(yè)。

4.2 按發(fā)明授權(quán)統(tǒng)計申請人分布

一般，申報發(fā)明專利后要2至3年，甚至更長時間才能獲得授權(quán)；另外，國外公開的專利缺少授權(quán)信息，在統(tǒng)計發(fā)明授權(quán)專利時，國外企業(yè)就被排除在外。得到的各申請人耐火材料發(fā)明授權(quán)專利數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果見圖2。由圖2可知，統(tǒng)計發(fā)明授權(quán)后，可算出武科大和鄭大的專利數(shù)占總專利數(shù)的約50%。這說明這兩家申報發(fā)明專利的獲批率很高，實用新型專利較少；相反，一些單位的發(fā)明授權(quán)較發(fā)明授權(quán)＋發(fā)明公開＋實用新型專利總數(shù)縮減很多，說明或其申報的專利數(shù)不穩(wěn)定，或其工作有待改進(jìn)。

圖2 公開的各申請人耐火材料發(fā)明授權(quán)專利數(shù)

5 熱點詞的分析

5.1 熱點詞的分布

如圖1和圖2所示，武漢科技大學(xué)、利爾、瑞泰、中鋼、武鋼、中冶、中科院、通達(dá)、濮耐、黑崎、品川、圣戈班是申報專利的諸強。因此，將武漢科技大學(xué)、遼寧科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、鄭州大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)和浙江大學(xué)這6家大學(xué)分為一組，用R語言提取其2019—2021年申報或獲得的耐火材料專利摘要中的熱點詞，再由人工剔除與耐火材料工藝學(xué)無關(guān)的詞語。從這6家大學(xué)中提取的前幾位熱點詞的統(tǒng)計結(jié)果見圖3。

圖3 6家應(yīng)用型大學(xué)專利摘要中熱點詞的矩形樹狀圖

在圖3中，n為熱點詞出現(xiàn)的頻率，矩形的面積越大、顏色越淺，表明該熱點詞出現(xiàn)的頻率越高。由此，可反映耐材研究人員對技術(shù)進(jìn)步的關(guān)注方向。

5.2 熱點詞的關(guān)聯(lián)

對同一項專利摘要中的熱點詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以探索熱點詞之間的關(guān)系。其中，圓圈的直徑表示支持度的大小，圓圈內(nèi)顏色（可理解為灰度：純白＝0；純黑＝255）代表提升度的高低。支持度用以表示同時含有原因X和結(jié)果Y的概率P（X，Y）；提升度為原因X的出現(xiàn)對Y的出鏡率的提升程度。

12家研究型大學(xué)外加中科院被公開的159項專利和企業(yè)18強的607項耐火材料專利摘要的熱點詞關(guān)聯(lián)，結(jié)果見圖4。

圖4 中科院及12家研究型大學(xué)和18家企業(yè)專利摘要中的熱點詞的關(guān)聯(lián)規(guī)則圖

圖4（a）是從中國科學(xué)院大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)（哈工大）、解放軍系統(tǒng)各大學(xué)、清華大學(xué)（清華）、山東大學(xué)、電子科技大學(xué)和北京航空航天大學(xué)這12家研究型大學(xué)及中科院被公開159項耐高溫材料專利摘要中提取的熱點詞關(guān)聯(lián)圖。由圖可知，研究的核心是陶瓷的制備方法，主要技術(shù)特征是調(diào)節(jié)基體中結(jié)合相的含量。

圖4（b）是從利爾、瑞泰、中鋼、武鋼、中冶、通達(dá)、濮耐、浙江錦誠、寶鋼、航天（特種）材料及工藝研究所、黑崎播磨、耐火控股、圣戈班、中國石化、中國石油、中國工程物理研究院等被公布607項專利摘要中提取的熱點詞關(guān)聯(lián)圖。由圖可知，企業(yè)耐火材料技術(shù)進(jìn)步的途徑有兩條：1）采用微粉等研發(fā)含鋁酸鈣水泥的澆注料；2）定形耐火材料制品，其核心是制備方法，途徑是調(diào)節(jié)細(xì)粉、結(jié)合劑、金屬等組分，通過采取混合等措施，達(dá)到提高所制產(chǎn)品綜合質(zhì)量指標(biāo)的目的。

6 申請人所服務(wù)的行業(yè)及其專利的技術(shù)特征

為進(jìn)一步提取隱含在專利數(shù)據(jù)中的信息，篩選出中科院、哈工大、清華大學(xué)、武科大、鄭大（鄭州大學(xué)）、中鋼、瑞泰、圣戈班、通達(dá)、利爾、中冶、武鋼、濮耐、黑崎、耐火產(chǎn)權(quán)、品川、維蘇威等17家單位的958項專利。首先，由專家逐一進(jìn)行分析給出其所服務(wù)的行業(yè)以及所屬的技術(shù)特征；然后，再用Excel作出數(shù)據(jù)透視表，分類排序后用上色渲染成熱力圖，以便讀者研究其規(guī)律。

6.1 申請人所服務(wù)的行業(yè)分析

將國家級研究單位中科院和研究型大學(xué)哈工大、清華作第1組；將應(yīng)用型大學(xué)武科大、鄭大及原部級研究所的轉(zhuǎn)制企業(yè)中鋼和瑞泰作第2組；將其他企業(yè)放入第3組，統(tǒng)計結(jié)果見表3。由表3可知，中科院、哈工大、清華主要從事與高溫有關(guān)的特種陶瓷研究，但也涉及其他耐高溫材料市場。如特種陶瓷、特殊市場、傳統(tǒng)市場，以上所述的特殊市場指航天、航海、新能源、新窯如微波窯、特殊冶煉、特殊鑄造等行業(yè)用耐火材料。同時，確定行業(yè)時還將石灰、耐磨、防火、裝備、普通陶瓷、工業(yè)陶瓷等行業(yè)統(tǒng)歸于其他。

表3 耐火材料行業(yè)諸強專利所服務(wù)的行業(yè)分布

武科大、鄭大、中鋼和瑞泰都以引領(lǐng)整個耐火材料行業(yè)的發(fā)展為己任，推進(jìn)整個耐火材料的技術(shù)進(jìn)步，根據(jù)“抓住重點、帶動一般”的原則對耐火材料市場進(jìn)行全面布局。除通用、鋼鐵、水泥、玻璃、有色、化工、煤化、石化、鑄造、電力、鐵合金及陶瓷窯爐用耐火材料外，也注重前述特殊行業(yè)用耐火材料，不時也會開發(fā)耐高溫的工程陶瓷甚至功能陶瓷。

其他耐火材料企業(yè)分兩類。其一，是以利爾、中冶、武鋼等代表的，為主流市場即鋼鐵和通用行業(yè)服務(wù)的企業(yè)；其二，是以圣戈班或通達(dá)為代表的，以服務(wù)于其他耐火市場為特色的企業(yè)。例如，圣戈班以服務(wù)玻璃行業(yè)為特色；通達(dá)則以服務(wù)水泥和環(huán)衛(wèi)行業(yè)為特色。

6.2 各服務(wù)行業(yè)所需要的技術(shù)

確定技術(shù)時，將纖維、晶須、梯度、低維、稀土、納米、層狀、3D、高熵、石墨烯、表面處理歸于新技術(shù)；將光學(xué)、蓄熱、控流、防彈、超導(dǎo)、過濾、載體、介質(zhì)、高導(dǎo)熱、防結(jié)瘤、透波、低吸波、微波吸收、特殊助劑、高溫?zé)崦魵w于功能；將助劑、坩堝、閉孔、多孔、微孔、低氣孔、低磨損、低污染、金屬陶瓷歸于其他；將型殼、型芯歸于型材。匯總結(jié)果見表4。

表4 耐火材料諸強專利所服務(wù)行業(yè)與其技術(shù)特征關(guān)聯(lián)

由表4可知，不定形、常規(guī)和復(fù)合是耐火材料技術(shù)人員最愛的第一類技術(shù)群，總數(shù)高達(dá)601項，表明傳統(tǒng)方法在耐火材料技術(shù)進(jìn)步中仍扮演主要角色。利廢、隔熱、低碳、環(huán)保是被廣泛使用的第二技術(shù)群，總數(shù)達(dá)129項，因此，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境已成為耐火材料技術(shù)進(jìn)步的一個重要方向。新技術(shù)、功能、特陶、涂層、型材總計124項，這說明新技術(shù)和功能化正在快速滲透到傳統(tǒng)的耐火材料行業(yè)，逐漸成為推動耐火材料技術(shù)發(fā)展的主力。

7 耐火材料技術(shù)發(fā)展特點分析

近20年來，在耐火材料行業(yè)鮮有類似鎂碳磚、鋁碳磚、直接結(jié)合鎂鉻磚、低水泥澆注料、氧化法熔鑄AZS磚之類的重大發(fā)明。因此，專利申報時絕大多數(shù)專利都是依靠不定形、其他常規(guī)技術(shù)或復(fù)合進(jìn)行的“小改小革”。小改小革和小創(chuàng)新看起來在技術(shù)上突破不大，但風(fēng)險小、見效快，經(jīng)濟(jì)價值不菲。

開發(fā)新技術(shù)，要靠科學(xué)的大融合、技術(shù)的大集成、科技與市場的大結(jié)合來設(shè)法突破瓶頸、升級換代和實現(xiàn)新發(fā)展。

科學(xué)的大融合是一個突破瓶頸的辦法。早在2001年，時任中科院副院長的白春禮先生就認(rèn)為21世紀(jì)科技發(fā)展的趨勢是：1）科學(xué)與技術(shù)結(jié)構(gòu)中心發(fā)生轉(zhuǎn)化，信息技術(shù)將成為影響力最為廣泛的技術(shù)；2）高度數(shù)學(xué)科學(xué)化；3）跨門類科學(xué)與技術(shù)整合化；4）科學(xué)與技術(shù)一體化；5）科學(xué)技術(shù)高度社會化、社會高度科學(xué)技術(shù)化［7］。2009年，中科院發(fā)布的《中國至2050年信息科學(xué)發(fā)展路線圖》也認(rèn)為：21世紀(jì)的發(fā)展趨勢是從計算機(jī)支持科學(xué)家做傳統(tǒng)科學(xué)研究轉(zhuǎn)向計算嵌入科學(xué)研究的全過程，形成新的科研形式，即出現(xiàn)計算＋傳統(tǒng)科學(xué)＝新科學(xué)［8］。

技術(shù)的大集成是另一個突破瓶頸的方法?？茖W(xué)研究特別是技術(shù)研究的規(guī)模很大，為了取得突破，很多行業(yè)、很多單位投入了巨大的人力、物力、財力和時間。但是，其中不少是低水平重復(fù)，即同一個問題在不同的科學(xué)分支特別是技術(shù)分支中反復(fù)研究。因此，耐火材料的很多新技術(shù)不僅是通過移植和集成耐火行業(yè)內(nèi)的技術(shù)，也是通過集成無機(jī)非金屬材料其他分支技術(shù)如精細(xì)陶瓷、金屬陶瓷、信息技術(shù)、甚至社會科學(xué)開發(fā)的。例如，不定形耐火材料中的低水泥澆注料、自流澆注料、鋼纖維增強等技術(shù)都是從建筑混凝土借鑒的；氧化物與非氧化物復(fù)合材料很多是從精細(xì)陶瓷借鑒的；非金屬與金屬復(fù)合材料很多是從粉末冶金借鑒的。

技術(shù)與市場大結(jié)合也是一個突破瓶頸的方法。耐火材料行業(yè)是為鋼鐵、有色、鑄造、水泥、玻璃、陶瓷、石化、煤化、電力、環(huán)衛(wèi)、以及其他擁有高溫設(shè)備的行業(yè)為服務(wù)對象的，耐火創(chuàng)新人自然要了解所服務(wù)下游行業(yè)的現(xiàn)狀與趨勢，熟悉這些設(shè)備的工藝，了解用戶存在的問題和用戶的需求，也才能根據(jù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，針對市場需求，開發(fā)受客戶青睞的產(chǎn)品。

8 結(jié)論

耐火材料行業(yè)是一個為其他高溫行業(yè)服務(wù)的小眾行業(yè)，但也是國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的行業(yè)。目前，耐火材料行業(yè)正面臨全方位、高強度和快節(jié)奏的競爭。一方面，中國的耐火材料行業(yè)擁有很大的市場和眾多的企業(yè)；另一方面是激烈的競爭和無情的淘汰。經(jīng)過暴風(fēng)雨洗禮，中國耐火材料將變得越來越有競爭力。通過持續(xù)不懈的努力，中國的耐火材料企業(yè)將打造出世界一流的系列產(chǎn)品；中國的耐火材料行業(yè)也將有望成為中國眾多的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，有力支持中華民族的偉大復(fù)興。以下，是本文通過分析和研究近三年耐火材料專利所得到的主要結(jié)論：

（1）中國不僅是全球最大的耐火材料市場，發(fā)布的耐火材料專利數(shù)也占耐火材料專利總數(shù)的絕大部分，其中絕大多數(shù)又是中資企業(yè)。中國已成為耐火材料技術(shù)發(fā)展的主力軍。

（2）中國耐火材料研發(fā)的第一梯隊是中科院和一些研究型大學(xué)組成的高溫陶瓷技術(shù)開發(fā)者。在很大程度上，這一梯隊引領(lǐng)著耐火新技術(shù)的發(fā)展，并越來越多地向應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

（3）中國耐火材料研發(fā)的第二梯隊是武漢科技大學(xué)等應(yīng)用型大學(xué)，以及中鋼和瑞泰這兩家從原部級研究所轉(zhuǎn)制的企業(yè)＋某些骨干企業(yè)組成的集團(tuán)。它們是耐火材料全面應(yīng)用技術(shù)提供者，其中每一家對每一類耐火材料主要用戶幾乎都可提供完整的解決方案。

（4）中國耐火材料研發(fā)的第三梯隊或有利爾、中冶、武鋼等鋼鐵行業(yè)用耐火材料制造商，或有由通達(dá)等代表的水泥、環(huán)保等行業(yè)用特色耐火材料制造商。大型企業(yè)和專精特新企業(yè)互相配合、相得益彰，也為中國各高溫企業(yè)耐火材料的技術(shù)進(jìn)步提供完整解決方案。

（5）耐火材料技術(shù)正發(fā)生大移植、大融合、大集成。其中，一個行業(yè)用耐火材料常常借鑒另一行業(yè)用耐火材料的技術(shù)；耐火材料也常常借鑒其他無機(jī)非金屬材料如混凝土、特種陶瓷的技術(shù)；耐火材料還常常借鑒其他材料如粉末冶金、復(fù)合材料的技術(shù)。此外，還有科學(xué)技術(shù)的跨界大融合，例如移植信息技術(shù)甚至社會科學(xué)的研究開發(fā)技術(shù)。

（6）通過科學(xué)的大融合、技術(shù)的大集成、以及科技與市場緊密的結(jié)合和良性的互動將創(chuàng)造比現(xiàn)在更高的科技，取得更好的成果，突破關(guān)鍵點、打通產(chǎn)業(yè)鏈，有可能擔(dān)當(dāng)接棒西方、突破瓶頸和引領(lǐng)世界的重任，支持高溫產(chǎn)業(yè)發(fā)展而助力于中華民族的偉大復(fù)興。