董金鑫，萬勇

中國科學院武漢文獻情報中心，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，還會造成進一步的經(jīng)濟損失[1]。固體潤滑技術(shù)利用固體潤滑材料對摩擦界面進行潤滑，從而減少摩擦系數(shù)，提高機械效率。與流體潤滑材料相比，固體潤滑材料適用溫度范圍更為寬廣，更適于真空、高溫和干摩擦等嚴苛環(huán)境[2-3]。固體潤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，固體自潤滑材料越來越受到關(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，研究人員普遍開發(fā)復合材料，并使用類金剛石、MoS2和銀等增強材料，對鎳基、銅基和鉻基材料進行改性，提高其力學性能及摩擦學特性[7-8]。

通過專利分析對具體技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢進行研究，能夠更深入地了解該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和競爭態(tài)勢，這一方法已經(jīng)被廣泛應用于人工智能、汽車、材料和醫(yī)學等多個行業(yè)[9-12]。目前，已經(jīng)有學者運用專利分析方法研究潤滑技術(shù)。例如，王昊[13]梳理了航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的專利發(fā)展歷程，以及世界范圍內(nèi)的專利申請進展。池雪琴[14]分析了專利文獻中碳納米材料在潤滑組合物中分散的方法。肖錦春等[15]分析了MoS2在潤滑組合物技術(shù)領(lǐng)域的專利布局情況。韓強等[16]著重研究了鎳基高溫自潤滑材料的全球?qū)＠暾垹顩r，從主要申請人和目標市場國等角度探究了這一領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢。

然而，現(xiàn)有研究缺乏對于固體潤滑技術(shù)進行專利分析并探究整個領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢。incoPat 目前收錄了全球158 個國家、組織和地區(qū)，包括中國、美國、日本、韓國等主要國家，收錄的專利超過1.7 億件[17]。通過對該數(shù)據(jù)庫的專利信息進行檢索和分析，能夠較為全面地了解固體潤滑技術(shù)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展態(tài)勢。因此，本文以固體潤滑技術(shù)專利數(shù)據(jù)為研究對象，對incoPat 專利數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)專利進行檢索，采用計量分析的方法，研究固體潤滑技術(shù)的發(fā)展趨勢及研究熱點變化。檢索策略為：TI= (固體潤滑 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，本文重點關(guān)注2000 年以來的專利情況，截至本文檢索時間，在數(shù)據(jù)庫中檢索得到全球2000 年以來申請的固體潤滑技術(shù)相關(guān)專利共8,810 件，經(jīng)incoPat 簡單同族專利合并后，共得到5,358 項同族專利。本文對主要的技術(shù)類別及功效、不同國家專利申請狀況、主要申請人及其技術(shù)領(lǐng)域布局等進行了介紹，梳理并分析了當前該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展重點，為我國固體潤滑技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 研究分析

1.1 固體潤滑技術(shù)專利申請趨勢

2000—2022 年，全球固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)專利申請共計5,358 項，其申請趨勢如圖1 所示。如圖所示，2000—2015 年，固體潤滑技術(shù)相關(guān)專利申請呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。2016 年起，受中國申請量激增影響，固體潤滑技術(shù)相關(guān)專利年度申請量顯著增多。由于專利從申請到公開最長有18 個月遲滯，截至本文檢索日，2021 年和2022 年的相關(guān)專利申請尚未全部公開，圖中數(shù)據(jù)僅供參考。

圖1 固體潤滑技術(shù)專利申請數(shù)量趨勢Fig.1 Patent application trend in solid lubrication technology

1.2 主要技術(shù)類別及功效

國際專利分類號（IPC）包含了專利的技術(shù)信息，通過對固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)專利所屬的IPC 分類號進行統(tǒng)計分析，可以準確、及時地獲取該領(lǐng)域相關(guān)專利涉及的主要技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)重點。

表1 列舉了固體潤滑技術(shù)專利申請量Top 10的IPC 分類號（大組），這些大組涵蓋了5,025 項專利族。表1 可以看出，申請量最高的五個分類號為F16C33、C10N30、C10M169、C10N50 和C10N40，主要涉及軸承零件加工的特殊方法、潤滑組合物改性、潤滑復合材料、潤滑混合物應用以及被潤滑的材料上所用潤滑劑的形態(tài)等?？梢钥闯?，在固體潤滑技術(shù)專利中，有相當一部分專利著重于潤滑材料在軸承零件加工領(lǐng)域的應用。這些專利重點研究潤滑材料在軸承及其零件中的填充和制備工藝，使固體潤滑材料在軸承中長期穩(wěn)定并發(fā)揮優(yōu)異的潤滑作用。此外，針對潤物材料本身的改性、復合以及使用后的形態(tài)也是關(guān)注的重點方向。

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

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

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

1.3 主要申請國家/地區(qū)

圖3 展示了固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域中全球?qū)＠暾垟?shù)量最多的國家/地區(qū)，中國、日本、美國的專利申請總數(shù)為4,681 項，占比87.4%。從圖3 可以看出，中國是固體潤滑技術(shù)相關(guān)專利申請最多的國家，而且遠多于其他國家/地區(qū)。圖4 進一步對比分析了中、日、美三國專利申請隨年份變化的情況。從圖4 中可以看出，在2006 年之前，中國和日本專利申請數(shù)量相差不大。但在此之后，中國專利申請量迅速增長，而其他兩個國家專利申請量增長緩慢，部分年份甚至出現(xiàn)下降。因此，無論是從專利申請總數(shù)還是從專利申請增長趨勢來看，中國在固體潤滑技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域處于國際主導地位。

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

圖4 中日美三國固體潤滑技術(shù)專利申請變化對比Fig.4 Comparison of patent applications in China, Japan, and United States in solid lubrication technology

通過觀察各個國家專利IPC 分類號的占比，可以分析其專利技術(shù)專題布局上的差異。圖5 是中、日、美三國固體潤滑技術(shù)專利技術(shù)IPC 分類號（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（潤滑組合物特性的添加劑改進）以及C10M169（以潤滑組合物的基料、增稠劑或添加劑中多成分混合物作組分為特征的潤滑組合物）是各國主要技術(shù)類別。約有52.6%的中國專利、43.9%的日本專利以及59.0%的美國專利屬于這3 個方向。此外，C10N40（潤滑組合物的特定用途或應用）在日本相關(guān)專利中占比相對其他國家較大，而美國和日本在C10M125（以添加劑是無機材料為特征的潤滑組合物）方向占比較高。

圖5 中日美三國固體潤滑技術(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 主要專利申請人

通過對專利申請人分析，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。本文對固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的專利申請人進行了統(tǒng)計，通過人工核查、合并部分主要申請人，得到2000 年到2022 年專利申請量前10 的申請人。圖6 給出了專利申請人專利申請隨時間變化的情況，并根據(jù)申請人專利申請量，依次從上到下排列。從圖6 中可以看出，固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麕缀醣恢袊鴻C構(gòu)包攬。中國科學院以絕對優(yōu)勢排名第1，專利申請量為389 項（其中，中國科學院蘭州化學物理研究所申請了327 項專利）；其次是日本NTN 公司（83 項）、武漢理工大學（78 項）、江蘇大學（73 項）、日本帕卡瀨精株式會社（54 項）、燕山大學（52 項）、東南大學（51 項）、福建龍溪軸承股份有限公司（48 項）、美國滾子軸承有限公司（39項）和安徽工業(yè)大學（37 項）。從專利申請人的類型來看，固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)主力是高校和科研院所，在固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域10 個主要的專利申請機構(gòu)中，高校和科研院所共占據(jù)了6 席，而且它們申請的專利數(shù)量也遠超過其他企業(yè)。

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

從專利申請時間變化情況來看，中國科學院從2015 年開始，專利申請量快速增多；日本NTN 公司排名第2，在過去20 年中持續(xù)有相關(guān)專利申請，但年度申請量一直不是很多；此外，武漢理工大學、江蘇大學、福建龍溪軸承股份有限公司、安徽工業(yè)大學等機構(gòu)在過去10 多年中也有持續(xù)有相關(guān)專利申請。

分析申請人專利IPC 分類號的占比，可以得到其專利技術(shù)布局上的差異。圖7 展示了固體潤滑技術(shù)主要專利申請人的IPC 分類號（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人的主要技術(shù)類別。中國科學院在C23C14（通過鍍覆形成覆層的方法）、C08K3（使用無機物質(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 個方向分別對應固體潤滑涂層、復合固體潤滑材料以及金屬基自潤滑材料。日本NTN 公司則主要集中在F16C33（潤滑材料在軸承制造方面的應用）、C10N30（使用添加劑進行改性）、C10M169（潤滑復合材料）、C10N50（潤滑混合物應用）以及C10N40（被潤滑的材料上所用潤滑劑的形態(tài)）等方面。此外，福建龍溪軸承股份有限公司、燕山大學和美國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滑襯墊的加工方法、固體自潤滑滑動軸承以及具有自潤滑特征的密封件/槽的軸承系統(tǒng)等。

圖7 固體潤滑技術(shù)主要專利申請人的技術(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)域的主要研究團隊和研究人員。圖8 為固體潤滑技術(shù)申請專利數(shù)量前10 的專利發(fā)明人。申請專利數(shù)量最多的發(fā)明人是劉維民，有47 項；周惠娣（40 項）、楊軍（40 項）、陳建敏（40 項）、王齊華（39 項）、王廷梅（32 項）以及張斌（31 項）；這些研究人員均來自中國科學院蘭州化學物理研究所。此外，孫志華申請了43 項專利，來自浙江長盛滑動軸承股份有限公司；李長生申請了36 項專利，來自江蘇大學；邢佑強申請28 項專利，來自東南大學。

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

1.6 重點專利技術(shù)分析

incoPat 從技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)先進性和保護范圍等角度對專利進行評價，并計算得出合享價值度。它考慮了專利類型、被引證次數(shù)、IPC 等參數(shù)，綜合計算得出。因此依據(jù)專利申請的同族專利數(shù)量以及incoPat 的合享價值度等因素，表2 列出了固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的部分重點專利。

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

CN104736864B 公開了一種自潤滑接頭組件，可以在動態(tài)的高負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，該方法通過將潤滑劑層施用到金屬表面上而實施，其中該潤滑劑層是通過將該表面與含水的潤滑劑組合物接觸來形成的，該潤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，然后施加在具有潤滑劑層的有機聚合物材料。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)是沸點高于200 ℃的高沸點液體，而固體顆粒的粒徑為5～300 μm。

2 結(jié)論與展望

本文對固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域開展了初步的專利統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：（1）固體潤滑技術(shù)是一個已經(jīng)經(jīng)過很多年發(fā)展的領(lǐng)域，但近年來，中國科研機構(gòu)以及公司在該領(lǐng)域進行了大量的布局，涵蓋了主要的技術(shù)方向，為該領(lǐng)域的研發(fā)與應用做出了貢獻。（2）從研究主題上看，固體潤滑技術(shù)主要集中于軸承零件加工的特殊方法、潤滑組合物改性、潤滑復合材料、潤滑混合物應用以及被潤滑的材料上所用潤滑劑的形態(tài)等方向。（3）從專利產(chǎn)出來看，中國在固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量最多，處于優(yōu)勢領(lǐng)先地位。除中國以外，美國和日本也有一定數(shù)量的專利申請。（4）在專利申請人方面，中國科學院蘭州化學物理研究所在固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的專利申請最多，涉及的技術(shù)面也較寬。日本NTN 公司緊隨其后，但主要集中于幾個方向。（5）盡管我國專利數(shù)量遠超過其他國家，但99%的現(xiàn)有專利均在國內(nèi)申請，僅有幾十項專利在其他國家或地區(qū)進行了申請。因此，在全球范圍內(nèi)的保護以及專利質(zhì)量方面，仍具有較大進步空間。（6）依據(jù)專利申請的同族專利數(shù)量以及合享價值度評估，我國大部分專利價值不高，這可能是由于我國大部分專利申請時間不長，尚未被大量引證，以及大部分專利僅在國內(nèi)申請等因素。

目前，我國自主研發(fā)的潤滑技術(shù)和材料在航天領(lǐng)域得到大量應用，但對于支撐高端制造業(yè)發(fā)展的潤滑劑、潤滑脂等核心材料，其相關(guān)設(shè)計理論、制備技術(shù)、應用技術(shù)等仍存在較多難題[18]。從前述專利統(tǒng)計分析來看，全球固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的重要專利申請人和發(fā)明人基本集中在我國，對我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展而言可以視為一個機遇。我國相關(guān)研究機構(gòu)和企業(yè)應積極發(fā)揮不同主體的優(yōu)勢形成創(chuàng)新合力。加大產(chǎn)學研合作的力度，以企業(yè)為紐帶加強創(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，還應該提升專利文本的撰寫質(zhì)量，并且效仿國際公司更加注重知識產(chǎn)權(quán)保護，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。