專利分析視角下固體潤(rùn)滑技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)研究

董金鑫，萬(wàn)勇

中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心，湖北 武漢 430071

引 言

研究表明全世界每年有近30%～40%的能源是由于摩擦消耗。此外，摩擦磨損是設(shè)備損壞的主要原因之一，它不僅降低生產(chǎn)效率，還會(huì)造成進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)損失[1]。固體潤(rùn)滑技術(shù)利用固體潤(rùn)滑材料對(duì)摩擦界面進(jìn)行潤(rùn)滑，從而減少摩擦系數(shù)，提高機(jī)械效率。與流體潤(rùn)滑材料相比，固體潤(rùn)滑材料適用溫度范圍更為寬廣，更適于真空、高溫和干摩擦等嚴(yán)苛環(huán)境[2-3]。固體潤(rùn)滑材料主要包括石墨、金屬、二硫化鉬（MoS2）以及聚合物等[4-5]。近年來(lái)，固體自潤(rùn)滑材料越來(lái)越受到關(guān)注。這種材料不僅提供了低摩擦系數(shù)，而且提高了材質(zhì)的耐磨性。目前，主流的工藝包括物理氣相沉積（PVD）、熱噴涂及電沉積等工藝[6]。由于單一材料涂層具有使用壽命短、附著力低等缺點(diǎn)，研究人員普遍開發(fā)復(fù)合材料，并使用類金剛石、MoS2和銀等增強(qiáng)材料，對(duì)鎳基、銅基和鉻基材料進(jìn)行改性，提高其力學(xué)性能及摩擦學(xué)特性[7-8]。

通過(guò)專利分析對(duì)具體技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，能夠更深入地了解該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，這一方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人工智能、汽車、材料和醫(yī)學(xué)等多個(gè)行業(yè)[9-12]。目前，已經(jīng)有學(xué)者運(yùn)用專利分析方法研究潤(rùn)滑技術(shù)。例如，王昊[13]梳理了航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的專利發(fā)展歷程，以及世界范圍內(nèi)的專利申請(qǐng)進(jìn)展。池雪琴[14]分析了專利文獻(xiàn)中碳納米材料在潤(rùn)滑組合物中分散的方法。肖錦春等[15]分析了MoS2在潤(rùn)滑組合物技術(shù)領(lǐng)域的專利布局情況。韓強(qiáng)等[16]著重研究了鎳基高溫自潤(rùn)滑材料的全球?qū)＠暾?qǐng)狀況，從主要申請(qǐng)人和目標(biāo)市場(chǎng)國(guó)等角度探究了這一領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

然而，現(xiàn)有研究缺乏對(duì)于固體潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行專利分析并探究整個(gè)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)。incoPat 目前收錄了全球158 個(gè)國(guó)家、組織和地區(qū)，包括中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)等主要國(guó)家，收錄的專利超過(guò)1.7 億件[17]。通過(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)的專利信息進(jìn)行檢索和分析，能夠較為全面地了解固體潤(rùn)滑技術(shù)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。因此，本文以固體潤(rùn)滑技術(shù)專利數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，對(duì)incoPat 專利數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)專利進(jìn)行檢索，采用計(jì)量分析的方法，研究固體潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及研究熱點(diǎn)變化。檢索策略為：TI= (固體潤(rùn)滑 OR (solid AND lubrica*) OR (self AND lubrica*)OR (lubrica* AND coat*) OR (lubrica* AND film) )AND IPC=(C10M OR C23C OR C10N OR C09D OR C22C OR C08L OR F16C OR C08K OR B22F OR B05D)。與此同時(shí)，本文重點(diǎn)關(guān)注2000 年以來(lái)的專利情況，截至本文檢索時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索得到全球2000 年以來(lái)申請(qǐng)的固體潤(rùn)滑技術(shù)相關(guān)專利共8,810 件，經(jīng)incoPat 簡(jiǎn)單同族專利合并后，共得到5,358 項(xiàng)同族專利。本文對(duì)主要的技術(shù)類別及功效、不同國(guó)家專利申請(qǐng)狀況、主要申請(qǐng)人及其技術(shù)領(lǐng)域布局等進(jìn)行了介紹，梳理并分析了當(dāng)前該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)，為我國(guó)固體潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 研究分析

1.1 固體潤(rùn)滑技術(shù)專利申請(qǐng)趨勢(shì)

2000—2022 年，全球固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利申請(qǐng)共計(jì)5,358 項(xiàng)，其申請(qǐng)趨勢(shì)如圖1 所示。如圖所示，2000—2015 年，固體潤(rùn)滑技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。2016 年起，受中國(guó)申請(qǐng)量激增影響，固體潤(rùn)滑技術(shù)相關(guān)專利年度申請(qǐng)量顯著增多。由于專利從申請(qǐng)到公開最長(zhǎng)有18 個(gè)月遲滯，截至本文檢索日，2021 年和2022 年的相關(guān)專利申請(qǐng)尚未全部公開，圖中數(shù)據(jù)僅供參考。

圖1 固體潤(rùn)滑技術(shù)專利申請(qǐng)數(shù)量趨勢(shì)Fig.1 Patent application trend in solid lubrication technology

1.2 主要技術(shù)類別及功效

國(guó)際專利分類號(hào)（IPC）包含了專利的技術(shù)信息，通過(guò)對(duì)固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利所屬的IPC 分類號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取該領(lǐng)域相關(guān)專利涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)重點(diǎn)。

表1 列舉了固體潤(rùn)滑技術(shù)專利申請(qǐng)量Top 10的IPC 分類號(hào)（大組），這些大組涵蓋了5,025 項(xiàng)專利族。表1 可以看出，申請(qǐng)量最高的五個(gè)分類號(hào)為F16C33、C10N30、C10M169、C10N50 和C10N40，主要涉及軸承零件加工的特殊方法、潤(rùn)滑組合物改性、潤(rùn)滑復(fù)合材料、潤(rùn)滑混合物應(yīng)用以及被潤(rùn)滑的材料上所用潤(rùn)滑劑的形態(tài)等?？梢钥闯觯诠腆w潤(rùn)滑技術(shù)專利中，有相當(dāng)一部分專利著重于潤(rùn)滑材料在軸承零件加工領(lǐng)域的應(yīng)用。這些專利重點(diǎn)研究潤(rùn)滑材料在軸承及其零件中的填充和制備工藝，使固體潤(rùn)滑材料在軸承中長(zhǎng)期穩(wěn)定并發(fā)揮優(yōu)異的潤(rùn)滑作用。此外，針對(duì)潤(rùn)物材料本身的改性、復(fù)合以及使用后的形態(tài)也是關(guān)注的重點(diǎn)方向。

表1 固體潤(rùn)滑技術(shù)專利技術(shù)主題分布（申請(qǐng)數(shù)量TOP 10）Table 1 The key technology categories in solid lubrication technology (Top 10 categories of application amount)

圖2 給出了固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠闹饕π?。如圖所示，固體潤(rùn)滑技術(shù)專利排名前5 的功效分別是光滑性、耐磨性提高、復(fù)雜性降低、壽命提高以及穩(wěn)定性提高。通過(guò)提升光滑性和穩(wěn)定性，固體潤(rùn)滑材料可以有效提升性能并且使其在運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及極端工況等使用過(guò)程中，能維持物理熱穩(wěn)定、化學(xué)熱穩(wěn)定以及時(shí)效穩(wěn)定；而增加耐磨性和壽命，則可以提高材料的使用時(shí)間。

圖2 固體潤(rùn)滑技術(shù)專利主要功效Fig.2 Main efficacies of solid lubrication technology patents

1.3 主要申請(qǐng)國(guó)家/地區(qū)

圖3 展示了固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域中全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量最多的國(guó)家/地區(qū)，中國(guó)、日本、美國(guó)的專利申請(qǐng)總數(shù)為4,681 項(xiàng)，占比87.4%。從圖3 可以看出，中國(guó)是固體潤(rùn)滑技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)最多的國(guó)家，而且遠(yuǎn)多于其他國(guó)家/地區(qū)。圖4 進(jìn)一步對(duì)比分析了中、日、美三國(guó)專利申請(qǐng)隨年份變化的情況。從圖4 中可以看出，在2006 年之前，中國(guó)和日本專利申請(qǐng)數(shù)量相差不大。但在此之后，中國(guó)專利申請(qǐng)量迅速增長(zhǎng)，而其他兩個(gè)國(guó)家專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)緩慢，部分年份甚至出現(xiàn)下降。因此，無(wú)論是從專利申請(qǐng)總數(shù)還是從專利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，中國(guó)在固體潤(rùn)滑技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域處于國(guó)際主導(dǎo)地位。

圖3 主要國(guó)家/地區(qū)固體潤(rùn)滑技術(shù)專利申請(qǐng)情況Fig.3 Main countries and regions of global patent applications insolid lubrication technology

圖4 中日美三國(guó)固體潤(rùn)滑技術(shù)專利申請(qǐng)變化對(duì)比Fig.4 Comparison of patent applications in China, Japan, and United States in solid lubrication technology

通過(guò)觀察各個(gè)國(guó)家專利IPC 分類號(hào)的占比，可以分析其專利技術(shù)專題布局上的差異。圖5 是中、日、美三國(guó)固體潤(rùn)滑技術(shù)專利技術(shù)IPC 分類號(hào)（大組）占比。從圖5 中可以看出，F(xiàn)16C33（軸承零件；制造軸承或其零件的特殊方法）、C10N30（潤(rùn)滑組合物特性的添加劑改進(jìn)）以及C10M169（以潤(rùn)滑組合物的基料、增稠劑或添加劑中多成分混合物作組分為特征的潤(rùn)滑組合物）是各國(guó)主要技術(shù)類別。約有52.6%的中國(guó)專利、43.9%的日本專利以及59.0%的美國(guó)專利屬于這3 個(gè)方向。此外，C10N40（潤(rùn)滑組合物的特定用途或應(yīng)用）在日本相關(guān)專利中占比相對(duì)其他國(guó)家較大，而美國(guó)和日本在C10M125（以添加劑是無(wú)機(jī)材料為特征的潤(rùn)滑組合物）方向占比較高。

圖5 中日美三國(guó)固體潤(rùn)滑技術(shù)專利技術(shù)布局Fig.5 Patent technology layout of solid lubrication technology in China, Japan, and United States

1.4 主要專利申請(qǐng)人

通過(guò)對(duì)專利申請(qǐng)人分析，可以得到該領(lǐng)域的主要技術(shù)研發(fā)力量和研發(fā)情況。本文對(duì)固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)人進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過(guò)人工核查、合并部分主要申請(qǐng)人，得到2000 年到2022 年專利申請(qǐng)量前10 的申請(qǐng)人。圖6 給出了專利申請(qǐng)人專利申請(qǐng)隨時(shí)間變化的情況，并根據(jù)申請(qǐng)人專利申請(qǐng)量，依次從上到下排列。從圖6 中可以看出，固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麕缀醣恢袊?guó)機(jī)構(gòu)包攬。中國(guó)科學(xué)院以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)排名第1，專利申請(qǐng)量為389 項(xiàng)（其中，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所申請(qǐng)了327 項(xiàng)專利）；其次是日本NTN 公司（83 項(xiàng)）、武漢理工大學(xué)（78 項(xiàng)）、江蘇大學(xué)（73 項(xiàng)）、日本帕卡瀨精株式會(huì)社（54 項(xiàng)）、燕山大學(xué)（52 項(xiàng)）、東南大學(xué)（51 項(xiàng)）、福建龍溪軸承股份有限公司（48 項(xiàng)）、美國(guó)滾子軸承有限公司（39項(xiàng)）和安徽工業(yè)大學(xué)（37 項(xiàng)）。從專利申請(qǐng)人的類型來(lái)看，固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)主力是高校和科研院所，在固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域10 個(gè)主要的專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)中，高校和科研院所共占據(jù)了6 席，而且它們申請(qǐng)的專利數(shù)量也遠(yuǎn)超過(guò)其他企業(yè)。

圖6 固體潤(rùn)滑技術(shù)主要專利申請(qǐng)人專利數(shù)量變化趨勢(shì)Fig.6 Patent application tendency of Top 10 applicants in the global solid lubrication technology field

從專利申請(qǐng)時(shí)間變化情況來(lái)看，中國(guó)科學(xué)院從2015 年開始，專利申請(qǐng)量快速增多；日本NTN 公司排名第2，在過(guò)去20 年中持續(xù)有相關(guān)專利申請(qǐng)，但年度申請(qǐng)量一直不是很多；此外，武漢理工大學(xué)、江蘇大學(xué)、福建龍溪軸承股份有限公司、安徽工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)在過(guò)去10 多年中也有持續(xù)有相關(guān)專利申請(qǐng)。

分析申請(qǐng)人專利IPC 分類號(hào)的占比，可以得到其專利技術(shù)布局上的差異。圖7 展示了固體潤(rùn)滑技術(shù)主要專利申請(qǐng)人的IPC 分類號(hào)（大組）分布情況。從圖中可以看出，F(xiàn)16C33 是大部分主要專利申請(qǐng)人的主要技術(shù)類別。中國(guó)科學(xué)院在C23C14（通過(guò)鍍覆形成覆層的方法）、C08K3（使用無(wú)機(jī)物質(zhì)作為混合配料）以及C22C1（有色金屬合金的制造）方面做了較多布局。這3 個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)固體潤(rùn)滑涂層、復(fù)合固體潤(rùn)滑材料以及金屬基自潤(rùn)滑材料。日本NTN 公司則主要集中在F16C33（潤(rùn)滑材料在軸承制造方面的應(yīng)用）、C10N30（使用添加劑進(jìn)行改性）、C10M169（潤(rùn)滑復(fù)合材料）、C10N50（潤(rùn)滑混合物應(yīng)用）以及C10N40（被潤(rùn)滑的材料上所用潤(rùn)滑劑的形態(tài)）等方面。此外，福建龍溪軸承股份有限公司、燕山大學(xué)和美國(guó)滾子軸承有限公司都集中在F16C33，其專利技術(shù)主要包括軸承表面自潤(rùn)滑襯墊的加工方法、固體自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承以及具有自潤(rùn)滑特征的密封件/槽的軸承系統(tǒng)等。

圖7 固體潤(rùn)滑技術(shù)主要專利申請(qǐng)人的技術(shù)類別分布Fig.7 Patent technology layout of Top 10 applicants in the global solid lubrication technology field

1.5 主要專利發(fā)明人

統(tǒng)計(jì)分析專利發(fā)明人，可以發(fā)現(xiàn)該技術(shù)領(lǐng)域的主要研究團(tuán)隊(duì)和研究人員。圖8 為固體潤(rùn)滑技術(shù)申請(qǐng)專利數(shù)量前10 的專利發(fā)明人。申請(qǐng)專利數(shù)量最多的發(fā)明人是劉維民，有47 項(xiàng)；周惠娣（40 項(xiàng)）、楊軍（40 項(xiàng)）、陳建敏（40 項(xiàng)）、王齊華（39 項(xiàng)）、王廷梅（32 項(xiàng)）以及張斌（31 項(xiàng)）；這些研究人員均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所。此外，孫志華申請(qǐng)了43 項(xiàng)專利，來(lái)自浙江長(zhǎng)盛滑動(dòng)軸承股份有限公司；李長(zhǎng)生申請(qǐng)了36 項(xiàng)專利，來(lái)自江蘇大學(xué)；邢佑強(qiáng)申請(qǐng)28 項(xiàng)專利，來(lái)自東南大學(xué)。

圖8 固體潤(rùn)滑技術(shù)專利主要發(fā)明人Fig.8 Main inventors in the solid lubrication technology field

1.6 重點(diǎn)專利技術(shù)分析

incoPat 從技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)先進(jìn)性和保護(hù)范圍等角度對(duì)專利進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算得出合享價(jià)值度。它考慮了專利類型、被引證次數(shù)、IPC 等參數(shù)，綜合計(jì)算得出。因此依據(jù)專利申請(qǐng)的同族專利數(shù)量以及incoPat 的合享價(jià)值度等因素，表2 列出了固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域的部分重點(diǎn)專利。

表2 固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域部分重點(diǎn)專利列表Table 2 Part of key patents in the solid lubrication technology field

CN104736864B 公開了一種自潤(rùn)滑接頭組件，可以在動(dòng)態(tài)的高負(fù)載下操作并且包括組裝在籠中的球形接頭，這種球形接頭能夠容納在其中滑動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的軸。CN101983233B 公開了一種制備用于冷成形的金屬工件的方法，該方法通過(guò)將潤(rùn)滑劑層施用到金屬表面上而實(shí)施，其中該潤(rùn)滑劑層是通過(guò)將該表面與含水的潤(rùn)滑劑組合物接觸來(lái)形成的，該潤(rùn)滑劑組合物含有至少一種水溶性的氧化物和硅酸鹽，以及有機(jī)聚合物材料。KR101633005B1 公開了一種制備用于冷成型的金屬工件的方法，該方法首先施加磷酸鹽層，然后施加在具有潤(rùn)滑劑層的有機(jī)聚合物材料。所述磷酸鹽層的主要成分是鈣、鎂或錳、硝酸以及磷酸的水溶液處理形成磷酸酯的混合物。CN106471075B 公開了一種潤(rùn)滑涂層組合物，包含分散介質(zhì)以及分散在其中的固體顆粒。其中分散介質(zhì)是沸點(diǎn)高于200 ℃的高沸點(diǎn)液體，而固體顆粒的粒徑為5～300 μm。

2 結(jié)論與展望

本文對(duì)固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域開展了初步的專利統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：（1）固體潤(rùn)滑技術(shù)是一個(gè)已經(jīng)經(jīng)過(guò)很多年發(fā)展的領(lǐng)域，但近年來(lái)，中國(guó)科研機(jī)構(gòu)以及公司在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的布局，涵蓋了主要的技術(shù)方向，為該領(lǐng)域的研發(fā)與應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。（2）從研究主題上看，固體潤(rùn)滑技術(shù)主要集中于軸承零件加工的特殊方法、潤(rùn)滑組合物改性、潤(rùn)滑復(fù)合材料、潤(rùn)滑混合物應(yīng)用以及被潤(rùn)滑的材料上所用潤(rùn)滑劑的形態(tài)等方向。（3）從專利產(chǎn)出來(lái)看，中國(guó)在固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量最多，處于優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先地位。除中國(guó)以外，美國(guó)和日本也有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)。（4）在專利申請(qǐng)人方面，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所在固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)最多，涉及的技術(shù)面也較寬。日本NTN 公司緊隨其后，但主要集中于幾個(gè)方向。（5）盡管我國(guó)專利數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家，但99%的現(xiàn)有專利均在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)，僅有幾十項(xiàng)專利在其他國(guó)家或地區(qū)進(jìn)行了申請(qǐng)。因此，在全球范圍內(nèi)的保護(hù)以及專利質(zhì)量方面，仍具有較大進(jìn)步空間。（6）依據(jù)專利申請(qǐng)的同族專利數(shù)量以及合享價(jià)值度評(píng)估，我國(guó)大部分專利價(jià)值不高，這可能是由于我國(guó)大部分專利申請(qǐng)時(shí)間不長(zhǎng)，尚未被大量引證，以及大部分專利僅在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)等因素。

目前，我國(guó)自主研發(fā)的潤(rùn)滑技術(shù)和材料在航天領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，但對(duì)于支撐高端制造業(yè)發(fā)展的潤(rùn)滑劑、潤(rùn)滑脂等核心材料，其相關(guān)設(shè)計(jì)理論、制備技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等仍存在較多難題[18]。從前述專利統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，全球固體潤(rùn)滑技術(shù)領(lǐng)域的重要專利申請(qǐng)人和發(fā)明人基本集中在我國(guó)，對(duì)我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言可以視為一個(gè)機(jī)遇。我國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)應(yīng)積極發(fā)揮不同主體的優(yōu)勢(shì)形成創(chuàng)新合力。加大產(chǎn)學(xué)研合作的力度，以企業(yè)為紐帶加強(qiáng)創(chuàng)新鏈分工協(xié)作，提升科研成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化成效。與此同時(shí)，還應(yīng)該提升專利文本的撰寫質(zhì)量，并且效仿國(guó)際公司更加注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，積極開展海外布局。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。