國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 陳曉宇

0 引言

自從高溫超導材料（HTS）被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)超過百余種高溫超導材料被發(fā)現(xiàn)，但截止目前，從實用性的以及超導帶材規(guī)?；慕嵌瘸霭l(fā)，較為常用的超導材料為Bi-2223系列超導材料、YBCO系列超導材料以及MgB2超導材料；以上這三種材料在應用中較多，并且已經(jīng)實現(xiàn)了企業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)及實際應用[1-3]。

1 概述

Bi-2223超導材料是一種具有層化結(jié)構(gòu)的晶粒，生產(chǎn)中通常利用其機械變形來提高細線材的晶體取向。并且，采用熱處理的方式能促進Bi-2223材料的致密化，并能彌補在加工時產(chǎn)生的變形裂痕，進而改善其晶粒間的相互連接性。Bi-2223線材常見的生產(chǎn)工藝為：粉末裝管法（Power-In-Tube，PIT），其生產(chǎn)工藝如下：配比超導材料的前驅(qū)粉，并取適量添加到金屬套管中（如銀套管），再進行拉拔，通常為圓線或六角形線，拉拔之后截成多股，形成超導芯線，之后再裝入金屬套管內(nèi)，再次進行拉拔直到直徑為1-2mm，然后進行軋制，軋制寬為3-5mm，厚0.2-0.3mm，最后通過反復形變熱處理或者熱處理工藝，使超導材料的晶粒擇優(yōu)取向，形成超導材料的形變織構(gòu)，最后得到成品的超導線材。

目前，主要的Bi-2223超導線材生產(chǎn)商為：美國超導公司（AMSC）以及住友電氣工業(yè)株式會社（SUMITOMO ELECTRIC）。其中，在2003年，美國超導公司就已經(jīng)建成了世界上全球第一條Bi-2223超導線材生產(chǎn)線，可生產(chǎn)20,000千米級的Bi-2223超導線材。而目前，日本住友生產(chǎn)的Bi-2223超導線材臨界電流超過180A（77K，0T）；國內(nèi)的公司中，成立于2000年的北京英納超導公司（InnoST）是目前唯一具有Bi-2223超導線材生產(chǎn)能力的企業(yè)。

YBCO超導材料在液氮溫環(huán)境下，具有較好的高溫磁場特效以及較高的臨界電流。與Bi-2223帶材相比，YBCO超導帶材具有較小的交流損耗以及較低的制造成本。但是，由于YBCO材料晶粒間的結(jié)合力較弱，其制備工藝不能采用PIT方法。因此，YBCO帶材通常在具有雙軸織構(gòu)化的具有隔離層的基帶上通過外延生長的方法來制備。即，首先在金屬基帶上進行沉積，得到基帶隔離層，之后，將YBCO超導層沉積在隔離層上，進而得到具有YBCO超導涂層帶材。目前，基板以及其隔離層的制備工藝主要為：軋制輔助雙軸織構(gòu)（RABITs）以及離子束輔助沉積法（IBAD）等。

目前，全球具備YBCO超導帶材實際生產(chǎn)的公司為：美國超導公司、日本古河電氣工業(yè)株式會社旗下的超能公司（Superpower）、德國Bruker公司旗下的EHTS公司。早在2012年，美國超導公司生產(chǎn)的Amperium系列YBCO超導帶材的臨界電流就已經(jīng)達到200A（77K，0T）。而反觀國內(nèi)，2011年，由上海交通大學李貽杰團隊，研發(fā)出長度超過百米，臨界電流達194A的YBCO高溫超導帶材。

二硼化鎂超導材料是由元素鎂和硼所形成的平面交錯堆砌成的，其化學分子為二元構(gòu)成，具有層狀特性較弱、相干長度較長的特點，因此，其制備技術(shù)相對簡單，通常采用原位反應方法以及粉末套管軋制。由于與Bi-2223超導材料類似，MgB2超導帶材通常采用的是Bi-2223帶材的PIT工藝，套管通常采用金屬材料如：銅、鎳、銀以及不銹鋼等。常見的PIT工藝為：原位粉末套管工藝以及離位粉末套管工藝；其中，離位粉末套工藝為：首先，將MgB2粉末直接灌裝在金屬材料制成的套管中，然后將其進行拉拔成細線材，再進行冷壓成型，得到帶狀超導材料，最后進行燒結(jié)。而原位粉末套管工藝為：采用鎂和硼混合后進行原位反應，生成二硼化鎂，同樣經(jīng)過拉拔成線，再進行冷壓成型，之后在氬氣中燒結(jié)得到超導帶材。

目前，國際上具有多芯二硼化鎂超導帶材制備能力的公司有Hyper公司、哥倫布超導公司、日立株式會社等。其中，哥倫布超導公司采用離位粉末套管工藝制備得到了Cu基二硼化鎂多芯帶材，其長度超過了1800 m，其臨界電流密度為105A/cm2（20K、1.2T）；而在國內(nèi)公司方面，主要為西北有色金屬研究院等，其制備的多芯二硼化鎂超導帶材也可達千米級別，臨界電流密度超過104A/cm2（20K，2T）。

2 專利申請趨勢分析

為了研究高溫超導材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，在DWPI、以及CNABS數(shù)據(jù)庫進行檢索，采用各種算符命令確保檢索的全面性及準確性，然后，在S系統(tǒng)中使用統(tǒng)計命令和Excel軟件對高溫超導材料的全球以及中國國內(nèi)的專利申請數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。

2.1 全球?qū)＠治?/h3>

從應用化高溫超導材料（Bi-2223、YBCO和MgB2）的主要申請人的申請國的國家分布來看，日本、美國、中國、德國以及韓國的申請量遙遙領(lǐng)先，這其中尤以日本、中國、美國最為突出，其申請總量為1138件，占全球申請總量的81%，來自中國的專利申請量共390件，占全球申請總量的27.7%。

繼續(xù)對該領(lǐng)域的主要申請人進行分析。分析全球前15位申請人的申請量比例，來自日本的財團法人國際超電導產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院是該技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)軍企業(yè)，其依托于與電氣行業(yè)巨頭，如住友電氣、日立制作以及昭和電線電纜等聯(lián)合申請，使其專利申請量與其它企業(yè)相比遙遙領(lǐng)先，在技術(shù)發(fā)展、以及實際審查過程中都是應該重點關(guān)注的申請人。國內(nèi)申請人方面自2005年以來，著力開展高溫超導材料的研發(fā)，專利申請量快速增長，而國內(nèi)的主要申請人主要來自研究院和高校，如中國科學院電工研究所、西北有色金屬研究院、上海交通大學等。而美國的主要申請人為超導行業(yè)的高新企業(yè)，如美國超導公司、超能公司，此外，美國的加利福尼亞大學以及德國的電氣巨頭西門子公司也是較為重要的申請人。

下面對該技術(shù)領(lǐng)域的專利申請年份分布趨勢進行分析。在檢索中發(fā)現(xiàn)，自1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導體（HTS）以來，世界各國內(nèi)高溫超導材料的專利申請出現(xiàn)了三個較為明顯的發(fā)展階段。從總的申請量上來看，1987-1999年申請量逐年遞增，2001年出現(xiàn)了申請量的第一個峰值，達到116件，此時的主要申請人主要為來自日本和美國的相關(guān)公司，這一峰值可能與2001年左右出現(xiàn)MgB2超導體相關(guān)。隨后，自2002年至2008年，專利申請的增長量出現(xiàn)了一段停滯，并且在總體上有下降的趨勢，其原因在于，主要申請國家，如美國和日本的申請量在逐年減少，2009年至2014年間，該領(lǐng)域?qū)＠暾埩坑直憩F(xiàn)出逐步上升的趨勢，此時，美國和日本仍然是最主要的申請人，兩國的年申請量為小幅波動上升趨勢，而值得注意的是，中國成為一個重要的申請人出現(xiàn)，受政策影響，中國的申請量在2012-2014年間達到最高峰，直觀表現(xiàn)為在全球所占的比例顯著增大。而由于公開的滯后性，2015-2016年的專利申請并未完全公開，因此，該領(lǐng)域在2015-2016這兩年的數(shù)據(jù)不具有實際的參考價值。整體上來說，我國申請人進入該技術(shù)領(lǐng)域較晚，但是自2008年以后國內(nèi)申請人更為活躍，在一定程度上反映了我國科學技術(shù)的快速發(fā)展和專利意識的逐漸增強。

2.2 國內(nèi)專利分析

從該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)專利申請的申請人分布情況可知，國內(nèi)專利申請占據(jù)了該領(lǐng)域絕大多數(shù)，除國內(nèi)大陸地區(qū)申請外，美國、WO、日本是主要的申請量貢獻者，其中國內(nèi)申請共318件，占在國內(nèi)申請總量的56%。由此可見，日本、美國等傳統(tǒng)的技術(shù)強國十分重視國內(nèi)市場，其專利申請進入國內(nèi)的時間相當早，并且已經(jīng)在國內(nèi)形成了相當規(guī)模的布局。而反觀國內(nèi)的申請，雖然數(shù)量比較多，但由于國內(nèi)申請人申請的時間比較晚，技術(shù)基礎(chǔ)與創(chuàng)新比較薄弱，因此，對于國內(nèi)申請人來說，技術(shù)的發(fā)展和保護依舊面臨很大挑戰(zhàn)。

從國內(nèi)申請量的總體趨勢來看，1998年以前，中國范圍內(nèi)申請量較低，國外公司并未進入國內(nèi)市場，自1999年2004年，隨著國外專利的小范圍進入，專利申請量總體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，這段時間內(nèi)，來自國外的申請量占絕大比例，國內(nèi)的相關(guān)申請幾乎空白。但是，自2005年至至今，隨著國內(nèi)專利申請量的快速增幅，申請量逐年上升，其中在2012-2013年出現(xiàn)申請峰值。值得關(guān)注的是，國內(nèi)申請人成為主要的申請量貢獻者，反超了來自國外的專利申請數(shù)量，成為申請量的主要貢獻者。而考慮到2015年以及2016年申請的絕大部分國外申請還未公開，2015-2016年的數(shù)據(jù)不具有參考意義，但按照趨勢，基本維持在2014年的申請量?？梢?，自2010年開始，國內(nèi)申請人比國外申請人積極性明顯較高，在國外該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)進入發(fā)展的平緩期間，來自國內(nèi)的申請成為該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的新增長極。

國內(nèi)對高溫超導材料的研究起步較晚，目前，申請量前幾位的申請人為中國科學院電工研究所、西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究院，以及國內(nèi)幾所實力較強的工科高校。其中，中國科學院電工研究所與西北有色金屬研究院是國內(nèi)申請量最多的單位，其申請總量在80件左右，與國內(nèi)其它申請人相比，處于領(lǐng)先地位。

在檢索過程中注意到，國內(nèi)該領(lǐng)域的主要申請人為科研院所高校，極少有公司申請。與國外相比，國內(nèi)尚處于前期理論研究階段，實際產(chǎn)業(yè)化應用較弱，企業(yè)對于該領(lǐng)域研發(fā)熱情不足。

自2001年以來快速增長，此后進入相對穩(wěn)定時期。其中，日本、美國以及中國是最主要的申請國家，尤以日本最多。其主要的申請人包括了國際超電導產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院以如住友電氣、日立制作以及昭和電線電纜等電氣行業(yè)巨頭，在全球范圍內(nèi)，該領(lǐng)域的申請主要依靠科研機構(gòu)與公司的合作申請。而在國內(nèi)，則主要依靠國內(nèi)大的科研院所以及高校，實際產(chǎn)業(yè)化應用較弱。

3 專利技術(shù)發(fā)展分析

各國以及各企業(yè)對于三種應用化的高溫超導材料側(cè)重不同，其技術(shù)研發(fā)路線也不盡相同。下面以Bi系超導體、YBCO超導體以及MgB2超導體三種不同材料技術(shù)發(fā)展進行梳理。對各國的專利申請進行分析。

日本在Bi-2223超導材料領(lǐng)域居于較為強勢的地位，其占據(jù)全球范圍內(nèi)超過半數(shù)的申請量，約占52%；其中，以日本的住友電氣、同和申請量居多，住友電氣自2004年至今始終致力于Bi-2223超導材料的研究，而反觀美國，其絕大多數(shù)申請量在2003年以前；中國則以北京英納超導公司和西北有色金屬研究院申請量最多，其中，Bi-2223超導材料制備方法的最早專利申請為日本日立制作公司于1988年的專利申請JP26395788，而中國則是由西北有色金屬研究院的專利申請CN991001621最早提出了基于bi-2223的高溫超導引流線的制備方法，北京英納超導技術(shù)有限公司則在CN00232746專利申請中提出bi-2223超導導線結(jié)構(gòu)及制備方法。

美國和中國在YBCO超導材料領(lǐng)域申請量最大，共同占據(jù)全球范圍內(nèi)55%的申請量；其中，以日本的財團法人國際超電導產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院以及昭和電線電纜同和申請量居多，美國則以加利福尼亞大學、超能公司以及美國超導公司申請最多，中國則以上海交通大學和北京工業(yè)大學申請量最多；其中，YBCO超導材料制備方法的最早專利申請為日本松下電氣公司于1987年的專利申請JP20864787，日本專利申請JP8004889于1989年提出了涂層化生產(chǎn)YBCO超導帶材的方法；而中國則是由中國科學院物理研究所的專利申請CN93112818最早提出了基于YBCO的高溫超導材料的制備方法。中國自2008年YBCO高溫超導材料申請快速增長，而美國和日本的申請則大多集中在1993-2004年左右。

由于MgB2超導材料發(fā)現(xiàn)較晚，其是2001年被日本科學家在2001年偶然發(fā)現(xiàn)。因此，中國在此領(lǐng)域，與國外相差不多，并且有后來居上的發(fā)展趨勢，其中，中國占據(jù)了全球范圍內(nèi)30%的申請量；美國其次，占據(jù)了29%的申請量，而美國在此領(lǐng)域申請量不大；其中，以日本的獨立行政法人物質(zhì)材料研究機構(gòu)以及日立制作公司的申請量居多，中國則以中國科學院電工研究所、天津大學以及寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司申請量最多；其中，MgB2超導材料制備方法的最早專利申請為日本松下電氣公司于2002年的專利申請JP2001069950，而中國則是由西北有色金屬研究院的專利申請CN01120452最早提出了基于MgB2的高溫超導材料的制備方法。中國自2005年MgB2高溫超導材料申請快速增長，與美國和日本相比，無論是最早申請時間以及申請量都相差不大，中國在此領(lǐng)域基本處于較為領(lǐng)先的地位。

4 總結(jié)

目前，HTS帶材已經(jīng)邁入了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；陌l(fā)展階段，具有豐富的HTS的理論研究、新材料的探索和應用，帶材的生產(chǎn)制備，正朝向更深、更高的層次發(fā)展。很多國家加強了HTS的實用技術(shù)研究。我國進入該領(lǐng)域的時間較晚，在發(fā)展高溫超導產(chǎn)業(yè)中面臨很大機遇和挑戰(zhàn)，如國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域還處于研發(fā)階段，高溫超導線材產(chǎn)業(yè)化水平不高，高性能的高溫超導線材壟斷在美國以及日本相關(guān)企業(yè)，嚴重依賴進口等。而我們應當看到隨著我國高溫超導材料研究的不斷深入，像北京英納超導公司、寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司、西北有色金屬研究院相關(guān)的西部超導公司逐漸成為全球高溫超導線材領(lǐng)域、特別MgB2線材領(lǐng)域是的重要力量。

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