（河北工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，天津 300401）

1 研究背景

鋼鐵材料，作為最重要的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)材料，是不斷發(fā)展的新材料，在可預(yù)見的未來還無法完全被其他材料替代。但伴隨著新一輪科技革命的到來，材料主題引起各國關(guān)注，發(fā)達國家紛紛制定并發(fā)布了相應(yīng)的研發(fā)計劃，努力搶占材料技術(shù)發(fā)展的制高點，并明確將先進材料作為支撐戰(zhàn)略的重要一環(huán)；同時，受下游行業(yè)發(fā)展高端化、用鋼需求多元化以及多種新型材料替代的挑戰(zhàn)，倒逼著鋼鐵材料在著力生產(chǎn)工藝技術(shù)進步、明確技術(shù)演化趨勢、實現(xiàn)材料創(chuàng)新突破方面作出重要改變。我國也在不斷審視與國際鋼鐵強國在材料研發(fā)方面的差距，提出以鋼鐵新材料為抓手，加快克服發(fā)展新材料的材料“卡脖子”難題。即便如此，無論從實踐還是理論研究角度，當(dāng)前對鋼鐵材料的探索，特別是技術(shù)預(yù)測研究仍沒有滿足新時期對鋼鐵材料及其技術(shù)發(fā)展趨勢的研發(fā)需求。

從應(yīng)用和研發(fā)部署的實踐研究角度來看，已有研究較多集中在定性視角下鋼鐵材料性能及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用上，多為宏觀層面的研究述評，無法定量地衡量出鋼鐵材料技術(shù)的發(fā)展情況。如曹文全等［1］基于幾種超塑性鋼鐵材料發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種低成本、量大面廣的優(yōu)異超塑性低中碳合金鋼；王舟等［2］總結(jié)第二相顆粒對新型鋼鐵材料抗輻射、蠕變等性能的影響，并結(jié)合第二相顆粒獨特的微觀組織、制備工藝等特點分析其強韌化機理。以上研究有助于我們把握鋼鐵材料的發(fā)展現(xiàn)狀，但根據(jù)新時期實現(xiàn)材料創(chuàng)新突破的要求，在梳理鋼鐵材料系統(tǒng)化的技術(shù)體系、識別演化規(guī)律及預(yù)測未來發(fā)展方向等方面有所欠缺。

從發(fā)展模式和路徑的理論研究角度來看，已有研究多以專利數(shù)量統(tǒng)計方法對鋼鐵材料發(fā)展的現(xiàn)狀和態(tài)勢進行簡單統(tǒng)計，導(dǎo)致研究無法深入；雖有部分演化分析能展示出一定的發(fā)展脈絡(luò)，但這類研究的重心是方法的改進和創(chuàng)新，鋼鐵材料僅僅充當(dāng)著實證數(shù)據(jù)角色，分析成分較少，不足以充分而細致地展示出鋼鐵材料技術(shù)發(fā)展細節(jié)。如周誼軍等［3］分析近20 年來世界鋅鋁鎂鍍層鋼板領(lǐng)域重要國家及創(chuàng)新機構(gòu)的主要專利和技術(shù)研發(fā)情況，了解其專利布局特點和技術(shù)發(fā)展趨勢；靳軍寶等［4］基于汽車用鋼材專利，借助專利地圖揭示汽車用鋼領(lǐng)域的技術(shù)國際態(tài)勢，力求把握汽車用鋼國際發(fā)展變化趨勢；馮梅等［5］選取我國鋼鐵企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新績效指標(biāo)，運用因子分析方法與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法，對技術(shù)創(chuàng)新績效水平進行實證分析，并提出提高我國鋼鐵企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新績效的建議。

針對以上實踐和理論研究的不足，以及新科技革命背景下對鋼鐵材料及其技術(shù)未來發(fā)展的預(yù)測需求，本研究嘗試運用專利文本數(shù)據(jù)深入探析鋼鐵材料技術(shù)的演化脈絡(luò)，從主題視角出發(fā)，引入LDA 模型識別大數(shù)據(jù)背后隱藏的主題信息，并借助劃分時間片方法，在全面挖掘鋼鐵材料技術(shù)主題的同時深入剖析其在演化強度、內(nèi)容中的變化；進一步提煉鋼鐵材料發(fā)展特征及未來發(fā)展方向，結(jié)合工業(yè)化發(fā)展階段繪制相關(guān)路線圖，以期精準(zhǔn)地揭示其技術(shù)演化態(tài)勢，為穩(wěn)定鋼鐵材料成為新時代不可替代的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)地位，推進鋼鐵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展提供啟示與借鑒，同時為鋼鐵材料理論研究提供新視角，彌補以往技術(shù)演化研究中的不足。

2 研究方法及框架

2.1 LDA 主題概率模型

LDA（Latent Dirichlet Allocation，LDA）模型是Blei 等［6］于2003 年提出的一種文檔主題（topic）生成模型，是以文本-主題-詞語的三層貝葉斯結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)文檔中主題及詞匯生成，也是一種非監(jiān)督機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以識別大規(guī)模語料庫中潛藏的主題信息［7］。本研究采用LDA 模型用于鋼鐵材料專利主題研究具有明顯優(yōu)勢：LDA 模型方法的文本處理能力強，面對數(shù)據(jù)量龐大的鋼鐵材料專利，能夠結(jié)合計算機語言實現(xiàn)對專利摘要的主題建模分析，細化研究顆粒度，提取變現(xiàn)力更強的特征詞匯，挖掘更加精確的鋼鐵材料主題。更重要的是，LDA 模型能夠?qū)⒅黝}分析與主題演化分析相結(jié)合，既體現(xiàn)前沿鋼鐵技術(shù)主題，又可以深入進行主題演化趨勢可視化，揭示鋼鐵材料主題所承載的技術(shù)演化方向。

LDA模型采用詞袋方法將文檔轉(zhuǎn)化為詞頻向量，把文檔表示由若干主題以不同概率組成，主題表示由若干詞匯以不同概率組成，最終生成文檔-主題矩陣和主題-詞匯矩陣［8］。LDA 模型具體的數(shù)學(xué)化描述如下：

（3）針對文檔d中的詞匯wd,j，依據(jù)多項分布zd,j～ Mult（），獲得主題zd,j；依據(jù)多項分布wd,j～Mult（），獲得詞匯wd,j。

其中，α和β為預(yù)先設(shè)置好的常數(shù)；w為觀測參數(shù)；θ、φ、z為需要進行推斷的3 個潛在參數(shù)。在訓(xùn)練過程中，鑒于兩參數(shù)α和β的耦合性，本研究采用一種間接的推理算法——吉布斯采樣（Gibbs）進行參數(shù)估算［9］，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置α=50、K=0.01、β=0.01，迭代次數(shù)為1 000 次，以Java 語言進行編程實現(xiàn)基于LDA 的主題挖掘。

2.2 研究框架

本研究目的是借助LDA 主題模型識別鋼鐵材料領(lǐng)域不同的技術(shù)主題并揭示其動態(tài)演化過程，進一步提煉鋼鐵材料發(fā)展特征及未來發(fā)展方向，主要包括前期鋼鐵材料專利數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理、基于LDA模型的鋼鐵材料技術(shù)主題挖掘及演化結(jié)果呈現(xiàn)、我國鋼鐵材料演化趨勢預(yù)測等環(huán)節(jié)。主題演化分析具體流程如圖1 所示。

圖1 鋼鐵材料領(lǐng)域技術(shù)主題演化分析流程

其中最重要的計算步驟如下：

（1）最優(yōu)主題數(shù)目的確定。模型訓(xùn)練中，如何科學(xué)地確定主題參數(shù)K是研究的關(guān)鍵。本研究采用評價函數(shù)Perplexity（困惑度）來確定LDA 模型的最優(yōu)主題數(shù)［10］。困惑度公式如式（1），其中Dtest為測試集；D為文本數(shù)量；Wd為文檔d中的可觀測單詞序列；Nd為文檔d的單詞數(shù)目［11］。

困惑度能夠衡量LDA 主題模型預(yù)測樣本的精確程度，困惑度值越小，預(yù)測精準(zhǔn)度越高。本研究依次計算主題區(qū)間為［20,50］、跨度為5 的Perplexity值，得到當(dāng)K=35 時模型效果最優(yōu)，因此，最終挖掘出35 個鋼鐵材料相關(guān)主題。

（2）主題強度度量。主題強度，作為主題本身的屬性，從抽象的角度對主題進行綜合評估和對比分析［12］，能夠表達鋼鐵材料相關(guān)專利研究的關(guān)注度。主題強度越大，則表明在對應(yīng)時間窗口中這類鋼鐵技術(shù)的受關(guān)注度越高［13］。因此，通過觀察鋼鐵材料領(lǐng)域相關(guān)主題強度在時間軸上的變化情況，來掌握熱點技術(shù)主題的演化趨勢。使用李湘東等［14］提出的主題強度計算方法，具體計算公式如下：

（3）主題相似度度量。主題內(nèi)容演化反映了某主題在各個時間切片下的內(nèi)容變遷，得到這樣的結(jié)果需篩選時間片序列中相近的主題，進而分析文本主題內(nèi)容的演變［15］。通常衡量主題相似度的方法有KL 散度和JS 距離兩種，由于KL 散度表示兩個概率的差異分布，是非對稱的，因此本研究最終選用JS 距離來衡量主題間的相似度。計算公式為：

這里還需要定義一個閥值ε：當(dāng)兩主題在相鄰時間窗口中的相似度大于ε時，表示主題間的內(nèi)容發(fā)生顯著變化；若相似值小于ε時，證明兩主題內(nèi)容是延續(xù)的。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究通過智慧芽全球?qū)＠畔?shù)據(jù)庫，以鋼鐵材料領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)據(jù)為研究對象，以“關(guān)鍵詞=鋼鐵材料”為檢索式進行檢索，時間跨度為2010—2018 年，最終檢索到我國關(guān)于鋼鐵材料的發(fā)明專利和實用新型專利共11 308 件。為獲得科學(xué)而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)源，將已檢索到的全部數(shù)據(jù)進行規(guī)范，即逐一閱讀每條數(shù)據(jù)，去掉重復(fù)出現(xiàn)的專利，如同族專利；此外，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，將檢索結(jié)果利用IPC分類號進一步優(yōu)化，排除與鋼鐵材料主題不相關(guān)和相關(guān)度較低的專利，如G01（測量、測試）、H01（基本電器元件）、B65（輸送；包裝；貯存；搬運薄的或細絲狀材料）、H02（發(fā)電、變電或配電）等等，最終得到6 537 條有效數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理是主題演化分析的最重要環(huán)節(jié)之一，主題聚類結(jié)果的精度及效率都與該過程有著密切關(guān)聯(lián)，因此專利語料庫的選擇、分詞、去除停用詞的每步操作都要保證結(jié)果最優(yōu)［16］，但由于專利詞匯具有很強的專業(yè)性，涉及較多專有名詞，若直接采用Java 軟件自有詞庫進行分詞效果不是很好，故以人工讀取數(shù)據(jù)的方式構(gòu)建自定義詞匯和停用詞詞庫，摘取“微合金化”“納米貝氏體”等日常少見的專有名詞，確保主題被正確劃分，進一步對分詞結(jié)果進行處理，為后續(xù)分析提供好的實驗數(shù)據(jù)。

3.2 LDA 模型主題及演化結(jié)果分析

3.2.1 主題挖掘結(jié)果

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征選擇模型構(gòu)建、困惑度計算、Gibbs 抽樣等計算，最終獲得了6 537 篇專利文獻的文檔-主題分布和35 個主題-詞匯分布，通過人工篩選剔除5 個無效主題，根據(jù)每一主題下的高概率特征詞項，歸納出鋼鐵材料30 個主題的含義，但由于主題內(nèi)容側(cè)重不具有唯一性，進一步將所有主題分為重要技術(shù)、性能研究和材料類型3 個方向，如圖2 所示，圖中的連線表示不同主題間內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性。結(jié)果顯示，重要技術(shù)主題主要涉及鋼鐵材料制備流程中的相關(guān)技術(shù)，包括上游電解方法、溶液的資源化利用等主題，中游材料的精煉技術(shù)、加熱冷卻工藝開發(fā)、鋼材結(jié)構(gòu)設(shè)計等主題以及下游熱處理工藝、焊接技術(shù)、檢測技術(shù)等主題；性能研究主題側(cè)重于強調(diào)鋼鐵材料的研究方向，包括微合金化、高性能、綠色可持續(xù)等主題；材料類型主題具體涉及碳素結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、模具鋼和海洋工程用鋼等鋼材。在主題間關(guān)聯(lián)性上，鋼鐵材料表面處理技術(shù)和精煉技術(shù)更注重改善材料的潔凈度，海洋工程用鋼致力于材料的高強性及耐腐蝕性開發(fā)，不銹鋼的制備過程中更加關(guān)注裂紋的治理與控制等。

圖2 2010—2018 年我國鋼鐵材料研究主題挖掘結(jié)果

3.2.2 主題強度演化結(jié)果

主題強度演化能夠充分反映主題動態(tài)性和發(fā)展性?；趯＠谋局黝}挖掘結(jié)果，計算各主題在每一個時間窗口的強度值，繪制出重要技術(shù)、性能研究和材料類型3 個方向的主題強度按時間變化的折線圖，部分演化趨勢如圖3 所示。

圖3 我國鋼鐵材料研究主題強度演化趨勢

從各重要技術(shù)的主題強度演化來看，著重于鋼鐵材料的基礎(chǔ)性研究，各階段演變方向均呈現(xiàn)一種有序與無序交錯變化的現(xiàn)象。結(jié)合主題發(fā)展態(tài)勢，可以看到熱處理技術(shù)（topic23）、鋼鐵材料強化（topic25）、超細晶粒（topic28）和鋼鐵基復(fù)合材料（topic18）研究4 個技術(shù)主題發(fā)展變化幅度較大，且處在不斷成長的上升狀態(tài)，這些主題的關(guān)注度和成熟度都較高，發(fā)展勢頭良好，也表明這些主題將會是鋼鐵材料領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的對象；而熱浸鍍鋅技術(shù)（topic20）、電解制備方法（topic22）等相關(guān)主題發(fā)展態(tài)勢一般，關(guān)注度普遍偏低，特別是熱浸鍍鋅技術(shù)，目前正處于發(fā)展的冷卻期，長期處于重經(jīng)驗輕理論、技術(shù)落后的困境，部分地區(qū)甚至將其歸為落后淘汰產(chǎn)業(yè)，可見熱浸鍍鋅工藝亟待發(fā)展的緊迫性。

從各性能研究的主題強度演化來看，研究重心呈現(xiàn)出由鋼鐵材料傳統(tǒng)的性能研究轉(zhuǎn)向以新科技革命及國家戰(zhàn)略為導(dǎo)向的研究。其中，微合金化（topic21）主題作為傳統(tǒng)研究方向正在逐漸遠離人們的視野；鋼鐵材料均勻化（topic4）主題的演化強度始終較小且保持在相對平衡的狀態(tài)，說明已經(jīng)形成了較為穩(wěn)定的內(nèi)容；復(fù)合化（topic18）、潔凈性（topic5）和綠色可持續(xù)（topic31）主題關(guān)注度在持續(xù)上升，特別是在2015 年后上升趨勢明顯加強，這與我國相關(guān)戰(zhàn)略政策及技術(shù)水平提高有著密切關(guān)聯(lián)，更與市場多元化的用鋼需求息息相關(guān)。

從鋼鐵材料類型的主題強度演化來看，已由傳統(tǒng)鋼鐵材料類型，如碳素結(jié)構(gòu)鋼（topic3）、低合金鋼（topic28）、模具鋼（topic30）轉(zhuǎn)向發(fā)展重點工程建設(shè)的關(guān)鍵鋼材，如高鐵、能源和海洋工程用鋼（topic1）等研究，更多關(guān)注鋼鐵材料本身并更加注重鋼鐵材料的功能性開發(fā)。這一重要轉(zhuǎn)變也帶來了相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機械制造延伸至建筑、石油天然氣開采、汽車等行業(yè)，進一步結(jié)合現(xiàn)有最新成果擴展至重大工程、現(xiàn)代交通、航空航天等領(lǐng)域。這樣的轉(zhuǎn)變也將大幅提升鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，甚至帶動整個領(lǐng)域的全面轉(zhuǎn)型升級。

3.2.3 主題內(nèi)容演化結(jié)果

為能夠充分反映同一主題內(nèi)容隨時間變化的差異性，特將2010—2018 年數(shù)據(jù)劃分為2010—2012年（第一時段）、2013—2015 年（第二時段）、2016—2018 年（第三時段） 3 個時間切片，分別對每一階段數(shù)據(jù)進行LDA 模型訓(xùn)練，得到各階段主題挖掘結(jié)果并確定技術(shù)主題內(nèi)容，如表1 所示。

表1 不同時段的我國鋼鐵材料研究主題內(nèi)容（部分）

按前文給出的方法計算各時間切片下每一主題的強度值，結(jié)合表1 繪制鋼鐵材料技術(shù)主題內(nèi)容演化圖，如圖4 所示，圖中圓圈大小表示主題的發(fā)展態(tài)勢，圓圈越大，主題發(fā)展態(tài)勢越好；箭頭線段的粗細表示前后主題演變的強度大小，線段上的數(shù)值為演變強度值。

圖4 我國鋼鐵材料技術(shù)主題內(nèi)容演化態(tài)勢

從主題內(nèi)容演化來看，各研究方向趨向穩(wěn)定，未來研究廣度可變性不大，但研究深度會繼續(xù)加深，如何制備復(fù)合化、智能化、高性能、輕量化和低維的鋼鐵材料已成為研究關(guān)鍵。其中，熱處理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用主題正由傳統(tǒng)的“加熱—保溫—降溫”工藝向真空熱處理、激光熱處理、化學(xué)熱處理薄層滲透等方向轉(zhuǎn)變，更加注重改善材料的力學(xué)性能和綠色可持續(xù)發(fā)展，如較為突出的滲硼技術(shù)能夠充分提升鋼鐵材料的抗高溫氧化性、紅硬性和耐磨耐蝕，應(yīng)用廣泛［17］；此外，冷處理、深冷處理作為該主題的延伸，在提升材料力學(xué)性能方面起到良好效果。鋼鐵材料復(fù)合夾雜物的制備與控制檢測主題呈現(xiàn)從傳統(tǒng)的背散射電子衍射儀（EBSD）、透射電鏡（TEM）分析技術(shù)轉(zhuǎn)向微加工技術(shù)（FBI）和TEM 相結(jié)合的趨勢。鋼鐵材料的高強、高韌性及超細晶始終是重點研發(fā)方向，目前正在由晶粒細化至微米、亞微米級向納米結(jié)構(gòu)鋼鐵產(chǎn)品開發(fā)、納米級析出物強化和第二相顆粒強韌化研究轉(zhuǎn)變，這三者突破了鋼材高強和高韌難以兼容的困境，成為未來鋼材強度進展的最有研究價值的領(lǐng)域之一。鋼鐵基復(fù)合材料的制備與應(yīng)用主題中，復(fù)合材料由傳統(tǒng)的WC、TiC、Al2O3 等陶瓷顆粒向碳纖維、陶瓷纖維、無機納米粒子方面擴展，目前仍有充分深入研究空間，并且強調(diào)利用多孔泡沫、三維網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方法實現(xiàn)鋼鐵基材料的循環(huán)再生利用，未來將出現(xiàn)以制備方法協(xié)同化、構(gòu)型復(fù)雜化和材料增強體復(fù)合化為主的發(fā)展趨勢［18］。鋼鐵材料表面處理研究主題較為穩(wěn)定，主要集中在表面膜層的制備、表面腐蝕防護技術(shù)和表面鍍層的復(fù)合化三方面，但隨著近年來鋼鐵材料中各類高新技術(shù)的研發(fā)對表面處理的技術(shù)開發(fā)提出更為嚴格的要求，因此該領(lǐng)域的關(guān)注將會被受到重視。

3 我國鋼鐵材料演化趨勢分析

基于以上LDA 主題模型的訓(xùn)練分別從主題強度和主題內(nèi)容兩方面分析了鋼鐵材料及其技術(shù)的演化情況，進一步通過文獻梳理、專家咨詢等手段更加全面地探求該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，并結(jié)合工業(yè)化發(fā)展進程，全方位總結(jié)與提煉我國鋼鐵材料的發(fā)展特征、發(fā)展方向，呈現(xiàn)出我國鋼鐵材料未來的發(fā)展趨勢。

3.1 鋼鐵材料發(fā)展特征

結(jié)合我國工業(yè)化發(fā)展各個階段，對鋼鐵材料的類型、研發(fā)方向、應(yīng)用領(lǐng)域、重要技術(shù)進行研究（見圖5），以識別和歸納鋼鐵材料及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展特征。

圖5 結(jié)合工業(yè)化進程的鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線

（1）從鋼鐵材料性能看，將以高性能、長壽命、復(fù)合化、低維化、智能化為發(fā)展方向。提高鋼鐵材料的性能使之滿足用戶需求逐漸提高的要求，終是材料發(fā)展的主流方向。其中，“高性能”“超細晶強化”是研發(fā)的永恒主題。采用新工藝、新技術(shù)，生產(chǎn)以高均勻度、高潔凈度、高精度及超細晶粒組織為特點的長壽命、高強度、高韌性鋼鐵材料是未來主要研發(fā)方向。此外，考慮單一鋼鐵材料存在難以克服的缺陷（如彈性模量低、比強度不足等），將不同材料與鋼鐵基體復(fù)合得到優(yōu)于原組分的新型鋼鐵材料成為重要發(fā)展趨勢。目前，新型多相復(fù)合材料的開發(fā)熱點有第二相顆粒彌散強化復(fù)合材料、無機和有機功能復(fù)合材料等，低維材料正在擴大應(yīng)用，可同時用作結(jié)構(gòu)材料和功能材料，納米材料及納米結(jié)構(gòu)用于新型鋼鐵材料的開發(fā)被部署為材料科學(xué)研究戰(zhàn)略的首位。

（2）從鋼鐵材料類型看，整體呈現(xiàn)出由結(jié)構(gòu)性材料向功能性材料延伸的趨勢。早期經(jīng)歷了由碳素結(jié)構(gòu)鋼、高強度低合金鋼等基本鋼材向各類新型工程結(jié)構(gòu)用鋼、不銹鋼與耐熱鋼和高品質(zhì)特殊鋼的擴充，應(yīng)用領(lǐng)域也從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、機械制造延伸至建筑、石油天然氣、汽車等行業(yè)，而目前最新成果致力于應(yīng)用領(lǐng)域的進一步拓展，如研發(fā)耐海水侵蝕、極低溫韌性、抗層狀撕裂的海洋工程用鋼，發(fā)展高端管線用鋼、深海油氣管道、酸性服役鋼管用于石油開采與儲運，開發(fā)高潔凈度、強韌性、耐磨性的車輪鋼以及突破夾雜物和偏析控制技術(shù)難點的車軸鋼等現(xiàn)代交通用鋼等。

（3）新一代鋼鐵材料更加注重可持續(xù)發(fā)展。從環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，功能優(yōu)良、節(jié)省資源和能源、長壽命、環(huán)境友好、易于循環(huán)的綠色化鋼鐵材料成為鋼鐵材料生產(chǎn)工藝技術(shù)研究開發(fā)的新熱點。例如在汽車生產(chǎn)中，國外利用的各種鋼板多數(shù)是涂鍍層鋼板，以此延長車輛的使用壽命。歐洲國家也在利用豐富的技術(shù)框架模擬鋼鐵材料的初級生產(chǎn)、二次生產(chǎn)和鋼鐵廢料的回收［19］，研究如何開發(fā)加倍可用的二次鋼進而實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展。

（4）從材料發(fā)展趨勢看，鋼鐵材料將進入智慧設(shè)計、智慧生產(chǎn)與智慧服務(wù)的新時代。當(dāng)前已是利用鋼鐵材料的基因去設(shè)計材料的時代，而未來發(fā)展的鋼鐵材料，必將進入智慧設(shè)計、智慧生產(chǎn)與智慧服務(wù)的新時代［20］；同時，緊隨新一輪科技革命發(fā)展熱潮，鋼鐵材料將充分體現(xiàn)智能化特征［21］，其中關(guān)鍵鋼鐵材料的研究與制造將與重大裝備、重大工程、特殊環(huán)境、嚴酷競爭的客觀條件密切結(jié)合，展開材料正向設(shè)計、逆向生產(chǎn)，建立材料全壽命周期的環(huán)境、資源、能源、經(jīng)濟、性能評價［22］。

3.2 鋼鐵材料未來發(fā)展方向

目前，世界正處于新材料變革前夜，我國鋼鐵材料領(lǐng)域正迎來新的發(fā)展機遇，鋼鐵材料的需求、研發(fā)和應(yīng)用為鋼鐵企也的轉(zhuǎn)型升級提供了新的契機。借鑒世界先進鋼鐵企業(yè)發(fā)展新型鋼鐵材料的實踐經(jīng)驗，分別從市場需求（客戶）、技術(shù)、資源角度提出我國鋼鐵材料領(lǐng)域的發(fā)展方向：一是根據(jù)現(xiàn)有市場發(fā)展新材料，做到為客戶提供材料需求解決方案。隨著交通裝備、電子信息、能源環(huán)保等領(lǐng)域材料需求的增加，鋼鐵企業(yè)應(yīng)在現(xiàn)有市場基礎(chǔ)上積極拓展材料供應(yīng)范圍、提升材料供應(yīng)能力，成為綜合材料供應(yīng)商，努力滿足客戶的“一站式”需求。二是充分利用鋼鐵企業(yè)自主研發(fā)或技術(shù)引進，形成材料制造的關(guān)鍵核心技術(shù)，并加強技術(shù)的延伸，拓展技術(shù)應(yīng)用范疇，如利用鋼鐵企業(yè)自身在金屬冶煉和軋制上的技術(shù)積累開發(fā)有色金屬、發(fā)展負極材料等等。三是秉承資源循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展的理念，對鋼材生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的材料，如冶金渣、煤瀝青等，進行二次利用開發(fā)新型鋼鐵材料，如發(fā)展新型建材、磁性材料等。

基于以上發(fā)展特點及發(fā)展方向分析，鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展需要先進的知識和技術(shù)作為支撐；同時，鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)與下游產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密，產(chǎn)業(yè)鏈可延伸性較強。根據(jù)這些特征，未來一段時期，我國鋼鐵行業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有能力，以技術(shù)創(chuàng)新突破為核心，拓展新材料業(yè)務(wù)領(lǐng)域，培育我國鋼鐵材料新的競爭優(yōu)勢，特別要結(jié)合當(dāng)前市場前景及國家戰(zhàn)略對鋼鐵材料發(fā)展提出的要求，重點關(guān)注航天航空、軌道交通等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，選擇高性能金屬材料、新型碳材料及纖維材料等作為未來重點發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。

4 結(jié)論

本研究基于LDA 主題概率模型，利用專利文本信息對鋼鐵材料研究領(lǐng)域進行技術(shù)主題演化分析，并在此基礎(chǔ)上提煉我國鋼鐵材料及相關(guān)技術(shù)發(fā)展特征及發(fā)展方向，結(jié)合工業(yè)化發(fā)展階段繪制鋼鐵材料發(fā)展路線圖。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）目前我國鋼鐵材料整體發(fā)展處于快速增長期，鋼鐵材料技術(shù)已有長足發(fā)展，這種增長態(tài)勢的維持得益于鋼鐵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的緊迫性不斷增強，行業(yè)發(fā)展高端化、市場用鋼需求多元化都在倒逼著鋼鐵行業(yè)在材料創(chuàng)新突破方面作出重要改變，但更與鋼鐵技術(shù)戰(zhàn)略布局、國家政策總體規(guī)劃部署和用鋼市場多元化的技術(shù)需求息息相關(guān)。

（2）鋼鐵材料領(lǐng)域的研究重心多集中在鋼鐵材料上游——基礎(chǔ)研究，而對下游——應(yīng)用研究較為不足。事實上，應(yīng)用研究領(lǐng)域具備很大的發(fā)展空間，相關(guān)技術(shù)正在展開深入研究，是今后需要關(guān)注的重點。從鋼鐵材料主題內(nèi)容研究層面看，主要技術(shù)方向已趨向穩(wěn)定，未來技術(shù)主題研究的廣度可變性不大，但研究深度將會繼續(xù)加深。

（3）鋼鐵材料研發(fā)中，高性能、超細晶強化依然是研究的主流方向，但同時長壽命、復(fù)合化、低維化成為領(lǐng)域內(nèi)重要的研究熱點，鋼鐵結(jié)構(gòu)性材料逐步向功能性材料延伸，未來將實現(xiàn)由基于鋼鐵材料基因設(shè)計材料向材料智能設(shè)計、智能生產(chǎn)與智慧服務(wù)的轉(zhuǎn)變。

綜上，鋼鐵材料及相關(guān)技術(shù)正處于全面發(fā)展階段，其邁向產(chǎn)業(yè)高端化進程正在加速。在此過程中，基礎(chǔ)性研究是發(fā)展的根本，一方面應(yīng)進一步加強鋼鐵材料的基礎(chǔ)研究，并促進科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，另一方面要意識到對高性能、高質(zhì)量及其原理機制的研究將成為日后鋼鐵材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破的關(guān)鍵，要充分發(fā)揮鋼鐵材料的優(yōu)異性能，創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)的鋼鐵材料產(chǎn)品，滿足社會生產(chǎn)日益高端化的需求。同時，應(yīng)用是實現(xiàn)鋼鐵材料價值的最終途徑，只有加強相關(guān)應(yīng)用研究才能形成可持續(xù)發(fā)展的良性產(chǎn)業(yè)鏈條?？紤]到鋼鐵材料領(lǐng)域發(fā)展的不確定性以及國家在指導(dǎo)行業(yè)研究和發(fā)展中的關(guān)鍵地位，所以要認真落實國家及行業(yè)政策，密切關(guān)注技術(shù)的變化與發(fā)展，準(zhǔn)確把握鋼鐵材料的技術(shù)方向，合理調(diào)整資源和戰(zhàn)略規(guī)劃，以利于穩(wěn)定鋼鐵材料成為新時代不可替代的基礎(chǔ)原材料，在新科技革命背景下推動鋼鐵行業(yè)邁向產(chǎn)業(yè)高端化，實現(xiàn)高質(zhì)量的可持續(xù)發(fā)展。