采用离子注入法对金属表面改性专利技术综述

赵亮 于慧泽

摘要：离子注入技术属原子级表面加工技术，其具备改性效果明显、效率高、可控性和可操作性强、无污染等优点，在金属材料、半导体器件、医用抗菌等众多领域应用广泛。本文分析了采用离子注入法对金属表面改性的国内外专利申请文献，分析了该领域的专利申请量，归纳出申请人国别和应用领域分布，同时对该领域未来发展趋势进行了预测。

关键词：离子注入；金属；表面改性；核心专利

中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）24-0052-03

Patent Overview of Metal Surface Modification by Ion Implantation

ZHAO Liang YU Huize

（Patent Examination Cooperation Tianjin Center of the Patent Office，State Intellectual Property Office， Tianjin 300304）

Abstract： Ion implantation technology is atomic level surface processing technology， which has the advantages of obvious modification effect， high efficiency， controllability and operability， and no pollution. It is widely used in many fields such as metal materials， semiconductor devices， and medical antibacterial. This article analyzed the domestic and foreign patent application literatures that use ion implantation to modify metal surfaces， analyzed the number of patent applications in this field， summarized the distribution of applicant country and application fields ， and predicted the future development trend of the field.

Key words： ion implantation；metal；surface modification；core patent

1 概述

离子注入是20世纪70年代初逐渐发展起来的一种表面改性方法，其是将某些元素的原子电离成离子，在几万至几十万伏的高压电场中予以加速形成高能离子束，高速轰击并注入基体表面，从而获得具有特殊物理、化学、力学性能表层的表面改性技术。注入过程是一个非平衡过程，注入元素选择不受冶金学的限制，注入的浓度也不受平衡相图的约束，可以将任何元素注入任何材料基体中，且由于注入离子与基体之间没有界面，所以不存在注入层剥落的技术问题[1]，极大地弥补了传统的金属表面处理技术（气相沉积、热喷涂、化学镀等）的局限性。

离子注入金属表面改性，可以使金属材料表面陶瓷化和金刚石化，使其披上一层十分坚固的盔甲[2]。大量研究表明，离子注入能够改善金属材料的耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性、抗疲劳、耐高温等性能。近年来，随着传统产业改造升级、航空航天科技创新、电子产业迅猛发展，对金属材料的表面性能的要求日益提高，在传统性能的基础上，还有更多的研究者开始关注生物相容性、极端条件下的耐受性等性能，以及如何进一步提高其使用可靠性，拓展应用范围。

为了研究离子注入法对金属表面改性领域专利技术的发展情况，结合实际审查工作经验，本文选择中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特世界专利数据库（DWPI）作为主要检索数据库，选用的通用检索词为：离子注入，离子植入，ion implant+，金属，metal+，合金，alloy+，钢，steel，主要分类号为：C23C14/48，并对上述关键词和分类号进行了适当扩展。通过以上检索要素所获取的专利申请进行进一步人工筛选，所得到的专利文献作为本文所研究的对象。检索对象限定在公开日或公告日在2017年之前的发明和实用新型专利申请。

2 专利申请趋势分析

2.1 专利申请量趋势

图1显示了采用离子注入法对金属表面改性的专利申请量的年度分布，从图中可以看出，专利申请起始于20世纪70年代初，一直到1986年都处于相对较低的水平，申请量较少，为技术起步阶段；1986年至1997年间，申请量略有起伏，但总体保持增长趋势，各国申请人探索将不同种类的离子注入金属表面，以提高金属表面的机电性能，为技术初步发展阶段；1998年，受全球金融危机影响，申请量下滑至最低值；1999年起，随着全球经济的逐步复苏，加之申请人对金属综合性能及应用领域的需求不断提升，专利申请进入增长时期，并在2003年后有了大幅度上升，在2011年达到顶峰，这是采用离子注入对金属表面改性的一个发展高潮；从2012年起，该技术开始步入成熟阶段，申请量有所下滑，可能的原因在于采用离子注入技术对金属表面改性已经发展到较为成熟的状态，创新遇到瓶颈，有待新的突出技术出现。

对于在中国国内的专利申请，从图中可以看出，在2003年以前一直保持相当低的数量，这说明国内相关技术的研究起步较晚，且在中国加入WTO之前国外企业对于中国国内的市場也不甚重视。值得注意的是，在2004年之后，中国国内申请数量增长迅猛，且逐步成为该技术的重要研发成员，说明随着中国市场越来越受到世界范围内的重视，且国内本土企业和科研机构也积极开展此项技术的研发工作；2012年之后，申请量也有所下滑，然而申请总数仍然保持较高水平。2016年的数据涉及部分申请尚未公开的情况。

2.2 专利申请国家/地区分布

离子注入属于原子级表面加工技术，其能够有效改善金属表面的物理、化学、机械性能；该技术的地域分布可以反映出世界各国对金属产品性能的需求和研发热度。对该领域的专利申请的所在国家和地区进行统计，得到图2的数据，从图中可以看出，排名前4位的分别是：中国、日本、美國、俄罗斯，这5个国家/地区占据了所有专利申请的87.3%，是该项技术的最主要研发市场。可以看到的是，这5个国家/地区也是世界主要的制造业国家/地区。而德国、英国、法国等传统制造业强国的申请量分列第5位到第7位，分别占比3.5%、2.6%和1.8%。可见世界各主要制造业国家/地区对于采用离子注入技术提高金属表面性能有着较高的研发热情。

2.3 重点专利技术领域

采用离子注入法对金属表面改性可以改善金属物化性能，同时还扩展了其应用领域。为了展现该技术整体的分布情况，本研究采用了IPC作为分类标准进行分析，进而挖掘该领域各申请人研发的重心和热点。从图3可以看出，本领域的主要专利集中在C23C小类，即对金属材料的镀覆，这也是离子注入法所在的分类号。其次，从图中可以看出，该技术的应用领域分布广泛，与层状材料、合金、医用抗菌材料、半导体器件、印刷电路、金属复合材料、整形外科、电解电泳、阴极溅射等领域均有着密不可分的联系。而该领域申请人的研发重心和热点并不尽相同，虽然大部分集中在对离子注入法本身工艺条件（如注入剂量、注入离子能量、注入温度、注入离子种类）的研究，但是也有大量的申请人的关注点在于提高特定金属的特定能力，如提高多层材料的层间密合性、提高钛合金的抗菌性、提高半导体元件的焊接强度等，这些热点也与近年来半导体产业、整形产业飞速发展密切相关。

3 结论

通过对上述的国内外专利申请文献的梳理，发现采用离子注入对金属表面改性的在国内外技术发展中均遇到了瓶颈，但该领域申请人的研发重心和热点并不尽相同，虽然大部分集中在对离子注入法本身工艺条件（如注入剂量、注入离子能量、注入温度、注入离子种类）的研究，但是也有大量的申请人的关注点在于提高特定金属的特定能力，如提高多层材料的层间密合性、提高钛合金的抗菌性、提高半导体元件的焊接强度等，这些热点也与近年来半导体产业、整形产业飞速发展密切相关。

参考文献：

[1] 徐滨士.表面工程技术手册.下[M].北京：化学工业出版社，2009：225-242.

[2] 窦光宇.离子注入显神奇材料披上新盔甲[J].金属世界，2001（5）：3.