汪玲玲

（有色金屬技術經(jīng)濟研究院有限責任公司，北京 100080）

1 引言

近年來，鎂合金在武器裝備中的應用越來越廣，但是，一般鎂合金的強度不高，彈性模量僅幾十兆帕，較低的模量最終導致其抗彈性變形能力差，很難滿足航空航天和軍事設備如導彈﹑火箭及高精度零件(如導彈控制系統(tǒng))對高尺寸穩(wěn)定性的需求。隨著現(xiàn)代軍事科技的不斷發(fā)展，促使各國對武器裝備的性能提出了更高的要求。鎂合金低彈性模量的缺點也極大地阻礙了其在武器裝備領域中用的進一步應用。有研究表明：熱處理﹑溫度﹑變形速率以及塑性變形等工藝條件對鎂合金的模量有著相對較小的影響，而在鎂合金中加入一定量的合金元素或稀土元素，通過合金化能顯著改善鎂基材料的彈性模量。因此，研究人員通過在鎂合金中嘗試添加各種增強體，如陶瓷顆粒﹑晶須或纖維等形成鎂基復合材料，能夠顯著提高鎂基材料的彈性模量。其次，為了獲得優(yōu)異的導熱率﹑低熱膨脹系數(shù)，在鎂基復合材料中添加高導熱的石墨﹑金剛石等顆粒，使得鎂基復合材料能夠在軍事﹑航空航天﹑空間等尖端技術領域中，作為制造衛(wèi)星﹑高精度機載雷達天線﹑精密導航和光學測量系統(tǒng)結構件等結構材料或功能材料。因此，本文從專利的角度對鎂基復合材料的關鍵技術進行統(tǒng)計分析，找出鎂基復合材料的研究熱點﹑發(fā)展趨勢﹑核心技術，幫助相關研制單位獲得技術啟發(fā)﹑借鑒先進技術，突破技術瓶頸，提高鎂基復合材料領域的自主創(chuàng)新能力。

2 鎂基復合材料專利申請態(tài)勢分析

2.1 全球?qū)＠暾堏厔?

本次全球檢索共獲得3253件專利，其中國內(nèi)專利1286件，國外專利1967件。全球鎂基復合材料的年度申請量趨勢如圖1所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，從整體上看，全球?qū)＠暾埩砍噬仙厔荩覈?011年鎂基復合材料相關專利申請數(shù)量劇增，而國外自2011年專利申請數(shù)量開始下降，在2012年國內(nèi)申請數(shù)量超過國外專利申請。（需要說明的是，由于專利申請文件從申請到公開通常需要18個月，而數(shù)據(jù)只有在公開后才會被收入數(shù)據(jù)庫中，并且同時數(shù)據(jù)庫更新存在一定時滯，因此截止本報告數(shù)據(jù)檢索日，2019年至2021年之間提出的部分專利申請尚未在專利檢索庫中公開，因此本文對2019年至2021年專利申請數(shù)據(jù)的統(tǒng)計是不完全的，這會對這兩年的分析結果產(chǎn)生一定影響，后文對此現(xiàn)象和原因不再贅述）。

圖1 鎂基復合材料全球?qū)＠暾埩口厔?/p>

圖2為中國和世界其他國家/地區(qū)申請量比較。從各國申請趨勢來看，除中國外，日本在鎂基復合材料領域申請的專利數(shù)量最多，但在2003年，中國專利申請的數(shù)量超過日本，在2007年以后，日本在鎂基復合材料領域的專利申請數(shù)量逐年下降，相反，美國在2007年以后，在鎂基復合材料領域的專利申請數(shù)量呈上升趨勢。

圖2 中國和世界其他國家/地區(qū)申請量比較

2.2 主要申請人分析

圖3給出了中國申請人類型構成，從圖3可以看出，在鎂基復合材料領域，我國的主要申請人以大專院校為主。高?？蒲性核蠹s占比59%，企業(yè)占比26%，科研單位占比7%，個人占比7%。表4給出了申請量排名前20的申請人及其申請量，從表1的申請人可以看，排名20中有17家是大學，1家科研院所，只有2家是企業(yè)，其中，鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司申請的專利中，其中大部分是與清華大學合作申請，另一家企業(yè)--蘇州萊特復合材料有限公司也只有11件專利申請。以上分析可以看出，鎂基復合材料領域的創(chuàng)新主體是高校及科研院所。另外，目前鎂基復合材料還處于研發(fā)階段，我國企業(yè)自主研發(fā)的能力弱，常常依賴于同高校以及科研院所的合作。但高校等創(chuàng)新主體通常具有“重數(shù)量﹑輕維持”的特點。上海交通大學62件專利中有36件失效，究其原因，高校教師以及研究所的研究人員沒有足夠的動力﹑時間﹑精力以及資金來對專利成果進行轉化，這使得專利難以實施或轉讓，很多專利因為沒有繳納年費而失效，導致很多有用的專利擱置高閣，這浪費研發(fā)資源和資金。

圖3 中國申請人類型構成

表1 排名前20的國內(nèi)申請人

表2 排名前10的國外申請人

從排名前10的申請人來看，全球的主要申請人為日本的豐田汽車﹑本田汽車﹑鈴木汽車，英國的帝國化學等。日本申請人的主要申請方向為汽車滑動件﹑散熱件，元器件﹑生物植入件等鎂基復合材料。

2.3 其他國家的在華申請情況

圖4給出了其他國家的在華申請量。排在前五位的分別為日本（16項）﹑美國（3項）﹑英國（3項）﹑韓國（3項）和德國（2項）。下面分別介紹日本﹑美國﹑英國﹑德國在我國的專利布局情況。

圖4 其他國家的在華申請情況

日本一向重視在我國專利布局，早在本世紀初期，日本的企業(yè)即開始進行包括中國在內(nèi)的全球?qū)＠季?。日本在華的主要申請有株式會社﹑東京大學﹑不二輕金屬株式會社﹑豐田自動車株式會社﹑住友電氣工業(yè)株式會社﹑國立研究開發(fā)法人產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所﹑大成普拉斯株式會社﹑東京理科大學，研究的方向主要是鈦顆粒增強﹑MgO﹑Mg2Si增強鎂基復合材料。但其中有10項專利失效，3項有效，3項在審，3項授權專利在世界知識產(chǎn)權組織﹑韓國﹑美國﹑德國等地也申請了同族專利。

美國在我國的3件專利，其中一件授權專利是通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司申請的“通過擠壓鑄造或半固態(tài)金屬成形和后熱處理使用原位成形的增強相制作鋁或鎂基復合材料發(fā)動機缸體或其他零件的方法”的相關專利，該專利在德國﹑中國﹑美國都有同族專利。

英國在華的2件申請，一件是1987年帝國化學工業(yè)公司申請的“纖維強化的金屬基復合材料”專利，但該專利在公開后一直未提實審，視為撤回已經(jīng)失效。另一件專利是鎂電子有限公司申請的含稀土的鎂合金，該專利在以色列﹑俄羅斯﹑印度﹑日本﹑丹麥等十多個國家。

德國的馬勒有限公司在2006年在中國申請了“CN1863626A制備金屬基體復合材料的方法”，該專利采用觸變模塑的方法Mg2Si增強鎂基復合材料。在2017年由于未繳納年費而終止，該專利在德國﹑日本﹑韓國﹑美國等分別有同族專利，可見該專利具有重要的價值。韓國的徐萬強在2015年在我國申請了“抗腐蝕高強度變形納米鎂合金及其制備方法和應用”，專利獲得了授權。

2.4 我國在海外專利申請分析

在鎂基復合材料領域，我國從2010年開始在海外有專利申請，在海外共有19件專利，主要申請國是美國（9件），世界知識產(chǎn)權組織（7件），日本（2件），主要申請人是鴻富錦精密工業(yè)有限公司﹑清華大學和中北大學。重點專利列表如表3。

表3 海外申請的重點專利

2.5 在華專利技術構成分析

表4給出了在華專利的技術構成，從表4可以看出，鎂基復合材料的專利申請主要為鎂基復合材料及其制備方法，從專利的角度，很難將鎂基復合材料和制備工藝分開，大部分的專利在申請時均以鎂基復合材料及其制備方法進行申報。

表4 在華專利技術構成分析

除此之外，從IPC分類號A61L﹑C23C﹑B32B﹑C01B﹑C01B﹑C04B﹑B23K中可以看出，醫(yī)用鎂基復合材料領域（A61L）有43件專利，在鎂基復合材料的表面處理﹑鎂基復合材料增強體的改性處理領域（C23C）有37件專利，在鎂基層狀復合材料領域（B32B）有22件專利，在鎂基復合儲氫材料領域（C01B）有22件專利，在鎂基復合耐火材料﹑鎂基復合陶瓷材料領域有19件專利，在鎂基復合材料的焊接領域（B23K）有18件專利。

3 鎂基復合材料技術發(fā)展趨勢

通過對鎂基復合材料的專利統(tǒng)計分析，能夠獲得鎂基復合材料的技術發(fā)展路線，如圖5所示。最早在我國的鎂基復合材料的專利申請是帝國化學工業(yè)公司的纖維強化金屬基復合材料，其增強相為無機氧化物纖維，采用的制備工藝是熔體浸滲法，十年以后，也就是在1998年，日本鈴木在我國申請了以硼酸鋁晶須﹑SiC顆粒﹑氧化鋁纖維等增強的鎂基復合材料，其采用的也是熔體浸滲法。1999年才出現(xiàn)本土申請，中國科學院金屬研究所申請了一種鎂基納米復合儲氫材料，其通過球磨法將Mg+ZrFe1.4Cr0.6復合。2000年上海交通大學申請了準晶顆粒增強鎂基復合材料，準晶成分為：AlaCubFec，采用熔煉法獲得鎂基復合材料，這才拉開了我國鎂基復合材料專利申請的序幕。2001-2004期間，鎂基復合材料以原位內(nèi)生含Ti﹑Si顆粒增強為主，以吉林大學的CN1375567A為代表，其主要采用的技術手段為：采用Al份﹑Ti粉﹑C粉進行混合，球磨之后進行壓制﹑燒結獲得預制件，將預制件加入鎂基熔體中進行攪拌澆鑄。由此獲得TiC顆粒增強鎂基復合材料，但其抗拉強度及延伸率均偏低。2005-2006年出現(xiàn)了顆粒改性的相關專利，如采用納米SiC，對SiC進行預處理以及采用鍍銅SiC，ZnAl2O4包覆硼酸鋁晶須，采用SnO2涂覆等方式。其中以哈爾濱工業(yè)大學的CN1786250A﹑上海交通大學的CN1666833A等為代表。目的是為了提高增強相與基體的潤濕性。2007年出現(xiàn)了以原位內(nèi)生AlN﹑Al3Ti﹑B4C﹑TiB2的顆粒增強相鎂基復合材料，以上海交通大學的CN101148723A﹑CN101067188A，以納米SiC﹑碳納米管為增強相的專利以南昌大學的CN101391500A﹑清華大學CN101130836A為代表。制備技術中出現(xiàn)了半固態(tài)熔鑄法，半固體觸變成形法，以南昌大學CN101045965A為代表。2008年清華大學首次采用了超聲波改善增強相的分散度，因為增強相的尺寸逐漸向納米級發(fā)展，納米級的增強相在鎂基體中很容易團聚，使得鎂基復合材料的性能下降，超聲波﹑電磁攪拌等技術能夠使得增強相能夠更均勻的分散。2009-2013年出現(xiàn)了氧化物增強相，以及以增強相碳納米管改性的相關專利，如采用氧化鈦﹑氧化硼﹑氧化鋁﹑氧化鎂增強的鎂基復合材料，以江蘇大學的CN102061421A﹑上海交通大學CN102127668A﹑重慶理工大學CN102392172A為代表。對碳納米管的改性如在氧化鋁表面氣相沉積原位生成碳納米管，以河北工業(yè)大學的CN102206793A為代表。2014年出現(xiàn)了新增強相—石墨烯，但石墨烯與鎂的潤濕性也不是很好，因此，專利申請以石墨烯的改性，以及工藝的變?yōu)橹?，如利用氧化鎂對石墨烯進行包覆，在鎂基中加入稀土元素，采用氣體運送納米級增強相等相關技術涌現(xiàn)。但研究人員發(fā)現(xiàn)，不管是增強相的改性還是制備工藝的改性，鎂基復合材料的力學性能始終沒有很大的提高，因此，在2016年出現(xiàn)了軋制﹑擠壓﹑鍛造以及固溶時效等塑性變形及熱處理工藝，如對鎂基復合材料的鑄坯進行軋制變形，或者進行拉拔，之后再進行退火處理，能夠顯著提高其力學性能。如北京工業(yè)大學申請的CN105506426A，北京有色研究總院的CN108203783A等。近幾年，多種增強相共同增強也是提高其力學性能的重要手段，如采用石墨烯與金屬粉﹑金剛石顆粒與硼酸鎂晶須以及稀土+石墨烯+碳納米管等多種增強相組合增強。

圖5 鎂基復合材料技術發(fā)展路線圖

4 結論

根據(jù)專利統(tǒng)計分析結果及對國內(nèi)多家鎂基復合材料的研究單位的調(diào)研，得出以下結論：

（1）我國鎂基復合材料專利申請量呈上升趨勢，但實際應用少，鎂基復合材料關鍵技術處于研發(fā)階段。

從中國專利申請趨勢來看，我國專利申請量呈上升趨勢，從專利申請的數(shù)量上看，我國已經(jīng)成為鎂基復合材料材料專利申請的主要申請國，而國外的專利申請量數(shù)量近幾年呈下降趨勢，但從非專利文獻中可以看到，國外已經(jīng)有很多鎂基復合材料應用到螺旋槳﹑導彈尾翼等零件上，由此可知，國外鎂基復合材料制備技術已經(jīng)非常成熟，而我國鎂基復合材料還處于研發(fā)階段，實際應用罕見報道，也未形成有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

（2）鎂基復合材料的增強相向著納米級發(fā)展

鎂基復合材料的研究重點在于增強相及其制備工藝的研究與開發(fā)，在增強相方面，增強相的種類從準晶增強﹑晶須增強﹑鈦化物顆粒﹑碳化物顆粒﹑氧化物顆粒增強發(fā)展到石墨烯和碳納米管增強，增強相的尺寸由微米級逐漸向納米級發(fā)展。增強的方式由單一的增強相發(fā)展至多相混合增強，如石墨烯與顆?；旌显鰪?，碳納米管與晶須增強等。

在制備工藝方面，由單一的粉末冶金法﹑攪拌熔鑄法﹑熔體浸滲法﹑原位合成法逐漸發(fā)到多工藝相結合的復合工藝，例如，粉末冶金法與攪拌熔鑄法相結合，粉末冶金法與原位合成法相結合，以及粉末冶金法與熔體浸滲法相結合，多種工藝相結合克服了單一工藝的不足之處。在常用工藝中還添加了超聲波﹑電磁攪拌等先進技術，以使得增強相分散更均勻。

另外，通過塑性變形及熱處理能夠顯著提高鎂基復合材料的力學性能，因此，塑性變形﹑熱處理是提高其力學性能的重要手段。