王杰曾

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司 北京 100024

專利是以公開(kāi)和繳納一定費(fèi)用為代價(jià)，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(dú)占權(quán)利。專利分析指運(yùn)用數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)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(yíng)的重要情報(bào)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(guò)合法手段獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的主要途徑［1-2］。在本文中，主要介紹了用R語(yǔ)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(jì)及數(shù)據(jù)處理

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的高溫工業(yè)發(fā)展迅速。2008年，我國(guó)啟動(dòng)“四萬(wàn)億”計(jì)劃拉動(dòng)大量資金跟進(jìn)，在短時(shí)間內(nèi)，中國(guó)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(guó)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(guò)專利分析來(lái)了解耐材技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，靈活調(diào)整對(duì)策，以正確指導(dǎo)企業(yè)的升級(jí)換代。

中國(guó)知網(wǎng)日更新文獻(xiàn)量達(dá)5萬(wàn)篇以上，但對(duì)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(yǔ)言系統(tǒng)中載入openxlsx包才能訪問(wèn)xlsx文件。再次，在R語(yǔ)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(guò)write.xlsx函數(shù)將其保存［3-6］。最后，對(duì)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(xiàng)減少到5 120項(xiàng)；2）剔除公開(kāi)號(hào)相同的，剩余4 726項(xiàng)；3）剔除作者和摘要完全相同的，剩余4 502項(xiàng)；4）剔除摘要和題名相同的，剩余4 463項(xiàng)；5）再剔除摘要相同的，最后剩余4 410項(xiàng)。

2 專利類別分布

按照國(guó)際專利分類號(hào)，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(lái)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(hào)為C04B35各主要子項(xiàng)公開(kāi)的專利數(shù)見(jiàn)表1。

表1 分類號(hào)為C04B35各主要子項(xiàng)公開(kāi)的專利數(shù)

由表1可知，公開(kāi)的專利主要集中于C04B35／66、C04B35／10和C04B35／04這3個(gè)子項(xiàng)。由于一項(xiàng)專利可能屬于多個(gè)類別，用分類子項(xiàng)統(tǒng)計(jì)出的總專利數(shù)可能大于實(shí)際數(shù)量。

3 專利國(guó)別分布

部分國(guó)家或組織公開(kāi)的耐火材料專利數(shù)見(jiàn)表2。

表2 部分國(guó)家或組織公開(kāi)的耐火材料專利數(shù)

由表2可知，中國(guó)耐火材料專利數(shù)約占所有國(guó)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(qǐng)人的分布

專利申請(qǐng)人是專利技術(shù)的主要貢獻(xiàn)者，也是主要競(jìng)爭(zhēng)者。對(duì)中國(guó)專利中發(fā)明授權(quán)的統(tǒng)計(jì)，能夠準(zhǔn)確反映申請(qǐng)人的成果及申請(qǐng)人的實(shí)力。

4.1 按總體情況統(tǒng)計(jì)申請(qǐng)人分布

公開(kāi)的各申請(qǐng)人耐火材料專利數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 公開(kāi)的各申請(qǐng)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(bào)專利的8強(qiáng)；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(wú)聲無(wú)息地進(jìn)入了耐火行業(yè)。

4.2 按發(fā)明授權(quán)統(tǒng)計(jì)申請(qǐng)人分布

一般，申報(bào)發(fā)明專利后要2至3年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能獲得授權(quán)；另外，國(guó)外公開(kāi)的專利缺少授權(quán)信息，在統(tǒng)計(jì)發(fā)明授權(quán)專利時(shí)，國(guó)外企業(yè)就被排除在外。得到的各申請(qǐng)人耐火材料發(fā)明授權(quán)專利數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，統(tǒng)計(jì)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(shuō)明這兩家申報(bào)發(fā)明專利的獲批率很高，實(shí)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(kāi)＋實(shí)用新型專利總數(shù)縮減很多，說(shuō)明或其申報(bào)的專利數(shù)不穩(wěn)定，或其工作有待改進(jìn)。

圖2 公開(kāi)的各申請(qǐng)人耐火材料發(fā)明授權(quán)專利數(shù)

5 熱點(diǎn)詞的分析

5.1 熱點(diǎn)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(bào)專利的諸強(qiáng)。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(yǔ)言提取其2019—2021年申報(bào)或獲得的耐火材料專利摘要中的熱點(diǎn)詞，再由人工剔除與耐火材料工藝學(xué)無(wú)關(guān)的詞語(yǔ)。從這6家大學(xué)中提取的前幾位熱點(diǎn)詞的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 6家應(yīng)用型大學(xué)專利摘要中熱點(diǎn)詞的矩形樹(shù)狀圖

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

5.2 熱點(diǎn)詞的關(guān)聯(lián)

對(duì)同一項(xiàng)專利摘要中的熱點(diǎn)詞進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以探索熱點(diǎn)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(shí)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(duì)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(kāi)的159項(xiàng)專利和企業(yè)18強(qiáng)的607項(xiàng)耐火材料專利摘要的熱點(diǎn)詞關(guān)聯(lián)，結(jié)果見(jiàn)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(diǎn)詞的關(guān)聯(lián)規(guī)則圖

圖4（a）是從中國(guó)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(kāi)159項(xiàng)耐高溫材料專利摘要中提取的熱點(diǎn)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(chéng)、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(guó)石化、中國(guó)石油、中國(guó)工程物理研究院等被公布607項(xiàng)專利摘要中提取的熱點(diǎn)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(guò)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(qǐng)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(xiàng)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(qǐng)人所服務(wù)的行業(yè)分析

將國(guó)家級(jí)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(jí)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(jì)結(jié)果見(jiàn)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(chǎng)。如特種陶瓷、特殊市場(chǎng)、傳統(tǒng)市場(chǎng)，以上所述的特殊市場(chǎng)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(shí)，確定行業(yè)時(shí)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(qiáng)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(gè)耐火材料行業(yè)的發(fā)展為己任，推進(jìn)整個(gè)耐火材料的技術(shù)進(jìn)步，根據(jù)“抓住重點(diǎn)、帶動(dòng)一般”的原則對(duì)耐火材料市場(chǎng)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(shí)也會(huì)開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，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(guò)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(jiàn)表4。

表4 耐火材料諸強(qiáng)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(ài)的第一類技術(shù)群，總數(shù)高達(dá)601項(xiàng)，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(xiàng)，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(gè)重要方向。新技術(shù)、功能、特陶、涂層、型材總計(jì)124項(xiàng)，這說(shuō)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(dòng)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(diǎn)分析

近20年來(lái)，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(bào)時(shí)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(lái)在技術(shù)上突破不大，但風(fēng)險(xiǎn)小、見(jiàn)效快，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不菲。

開(kāi)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(chǎng)的大結(jié)合來(lái)設(shè)法突破瓶頸、升級(jí)換代和實(shí)現(xiàn)新發(fā)展。

科學(xué)的大融合是一個(gè)突破瓶頸的辦法。早在2001年，時(shí)任中科院副院長(zhǎng)的白春禮先生就認(rèn)為21世紀(jì)科技發(fā)展的趨勢(shì)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(mén)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(huì)化、社會(huì)高度科學(xué)技術(shù)化［7］。2009年，中科院發(fā)布的《中國(guó)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(shì)是從計(jì)算機(jī)支持科學(xué)家做傳統(tǒng)科學(xué)研究轉(zhuǎn)向計(jì)算嵌入科學(xué)研究的全過(guò)程，形成新的科研形式，即出現(xiàn)計(jì)算＋傳統(tǒng)科學(xué)＝新科學(xué)［8］。

技術(shù)的大集成是另一個(gè)突破瓶頸的方法。科學(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(cái)力和時(shí)間。但是，其中不少是低水平重復(fù)，即同一個(gè)問(wèn)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(guò)移植和集成耐火行業(yè)內(nèi)的技術(shù)，也是通過(guò)集成無(wú)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(huì)科學(xué)開(kāi)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(qiáng)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?gòu)?fù)合材料很多是從粉末冶金借鑒的。

技術(shù)與市場(chǎng)大結(jié)合也是一個(gè)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(duì)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(shì)，熟悉這些設(shè)備的工藝，了解用戶存在的問(wèn)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(duì)市場(chǎng)需求，開(kāi)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(gè)為其他高溫行業(yè)服務(wù)的小眾行業(yè)，但也是國(guó)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(qiáng)度和快節(jié)奏的競(jìng)爭(zhēng)。一方面，中國(guó)的耐火材料行業(yè)擁有很大的市場(chǎng)和眾多的企業(yè)；另一方面是激烈的競(jìng)爭(zhēng)和無(wú)情的淘汰。經(jīng)過(guò)暴風(fēng)雨洗禮，中國(guó)耐火材料將變得越來(lái)越有競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)持續(xù)不懈的努力，中國(guó)的耐火材料企業(yè)將打造出世界一流的系列產(chǎn)品；中國(guó)的耐火材料行業(yè)也將有望成為中國(guó)眾多的優(yōu)勢(shì)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(guò)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(guó)不僅是全球最大的耐火材料市場(chǎng)，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(guó)已成為耐火材料技術(shù)發(fā)展的主力軍。

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

（3）中國(guó)耐火材料研發(fā)的第二梯隊(duì)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(jí)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(duì)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(guó)耐火材料研發(fā)的第三梯隊(duì)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(guó)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(gè)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(wú)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(huì)科學(xué)的研究開(kāi)發(fā)技術(shù)。

（6）通過(guò)科學(xué)的大融合、技術(shù)的大集成、以及科技與市場(chǎng)緊密的結(jié)合和良性的互動(dòng)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(diǎn)、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。