从专利视角看金属多孔材料的研究现状

高敬 王方

1 前言

金属多孔材料是采用粉末冶金制备技术，将金属粉末、金属丝经成型、烧结制备成的一种具有连通孔隙、可渗透性能的特殊功能材料，亦称金属过滤材料、金属微孔材料等。该材料内部弥散分布着大量的有方向性或随机分布的孔洞，这些孔洞的直径约2～3mm之间，孔洞可以是泡沫型、藕状型、蜂窝型等。根据其孔洞的形态可以分为独立孔洞型和连续孔洞型2大类，其中独立孔洞型具有密度小、刚性和比强度好、吸振及吸音性能好等特点；连续孔洞型除了具有上述特点之外，还具有浸透性、通气性好等特点。金属多孔材料同时兼具了结构材料和功能材料的特性，其孔径的大小、孔隙率、孔径分布等均可实现准确的量控，独特的迷宫式孔道更易提高对微小粒子的捕捉能力，具有耐热性能好，抗急冷急热性高，适用于多种酸、碱等腐蚀性介质，在高压环境中强度高、韧性好、使用寿命长、再生能力强，因此被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、通讯工程，环保工程等领域。通过专利分析发现，其核心技术主要集中在复合材料、金属氧化物、基础材料、新材料等领域的制备技术方向，利用仿真技术开发的金属多孔材料人工骨骼，更是开创了该材料的生物医用新领域。

2 数据来源

智慧芽PatSnap专利分析系统研发公司总部位于新加坡，2007年成立。2011年在中国苏州成立了智慧芽信息科技有限公司。“PatSnap全球专利数据库”为PatSnap旗下首款产品，历时3年精心打造和优化。数据库涵盖了欧专局、世界知识产权组织、美国、中国、德国、日本等7个地区或组织的专利全文以及90多个国家和地区的专利摘要数据，总数超过1亿条。本文以该数据库收录的1997—2018年间全球金属多孔材料相关专利为数据源，采用“TTL：金属多孔材料or Metal Porous Materials”的检索策略，检索时间为2019年3月14日，对比分析了该领域20多年来的专利申请趋势、主要发明人、全球地域趋势、技术科技领域趋势、专利生命周期、专利家族等。

3 全球金属多孔材料技术专利现状

3.1 全球专利申请及授权情况

智慧芽PatSnap专利分析系统数据显示，全球金属多孔材料领域的技术专利申请及授权数量在1997—2011年间一直处于平稳上升趋势，从2012—2014年大幅度增加，并连年增长（图1）。虽然2015年以后有所下降，但下降幅度并不大，可见全球对该领域的技术研究从未停止，并且在稳步推进中。在20多年间该领域的专利申请总数达到了34 093件，其中，发明专利占到98.58%，实用新型专利占1.42%，外观设计类等专利尚无收录。

3.2 专利地理分布趋势

通常专利申请及授权数量的多少是衡量一个国家或一个企业技术创新能力的一个重要指标。企业的专利申请越多，表明这个企业的创新能力越强。智慧芽PatSnap专利分析系统数据反映出金属多孔材料技术领域在不同国家和区域的发展情况（见图2）。美国、欧洲和世界知识产权组织的专利申请数量20多年来发展平稳；日本起步最早，1997年的发明专利就有300多件，而后略有下降，但还是稳定在每年200件左右的申请量；中国在该领域的发展起步较晚，2000年以前专利申请量还很少，但随后的十几年逐渐增加，2012—2013年每年接近400件，2014年更是达到年600件的顶峰，2015年虽有所下降，但仍有400多件的申请量，2016—2018年也基本稳定在每年400件的申请量，足见中国在该领域的发展是突飞猛进的。

据悉，西北有色金属研究院是国内最早开展金属多孔材料研究的单位之一，拥有金属多孔材料国家重点实验室，获科研成果50余项，2017年凭借“高性能金属多孔材料制备及应用”项目获得了国家技术发明二等奖。此外，我国科研人员成功将增材制造工艺方法和高温烧结工艺过程相结合，发明制备出了由具有三维网格结构的框架和嵌套于该三维网格结构内部的多孔烧结体组成的金属多孔材料。该方法发挥了2种制备工艺的优势，制备出了能满足多种特殊要求的高强度结构金属多孔材料，说明我国在该领域的发展正走向世界前列。

3.3 专利核心技术分布领域

智慧芽PatSnap专利分析系统将该领域的专利进行了技术归类，统计出了该领域TOP10的核心技术分布（见图3）。通过图3可知，可以迅速了解该领域的核心技术主要集中在：直接转变化学能为电能的方法和装置；化学或物理方法；分离技术；金属粉末加工；金属铸造；层状产品；半导体器件；石灰、氧化镁、矿渣、水泥及其化合物；非金属元素及其化合物；借助于测定材料的化学或物理性质的一般系统等10个方面。

3.4 专利技术影响力分析

被引用次数较多的专利通常代表了该专利具有较强的技术影响力，通过对金属多孔材料领域被引用次数最多的TOP10专利的分析发现，美国在该领域的相关专利被引用次数最多，TOP10中占据了9个，其中专利号US4743256的专利被引用次数接近了750次，该专利由发明人John WBrantigan于1987年申请、1988年公开，是有关外科假肢椎间融合术方面的授权专利（如图4）。

在全球该领域引用次数最多的TOP10专利中，可以看到，研究热点主要集中在了脊柱柔性稳定系统、多孔支架给药系統、促进骨/组织生长的假体装置等医疗领域以及关于固定化酶电极、分子与组织之间运输的微针装置、交替层沉积前的保护层、含硅和硼氧化物的合成晶体多孔材料、固体多组分膜、电化学反应器组件、电化学反应器以及膜、反应器组件和氧化反应器的应用等方向（如表1）。

3.5 专利家族规模分析

拥有较大专利家族的专利，有更多相关的同族专利，通常代表申请人认为该项技术非常有价值，因而在全球范围内申请专利授权。通过检索金属多孔材料领域的专利家族，发现美国专利US7180081有约1 700个同族专利，专利名称为《放电产生的等离子体EUV光源》，是美国John Walker等于2003年申请、2007年公开的授权专利；中国专利CN102645455A有接近300个同族专利，由南京工业大学汪勇等人于2012年申请并公开，专利名《一种灵敏的湿度传感器材料的制备方法》的授权专利（如图5）。

3.6 最具价值专利分析

在金属多孔材料领域最有价值专利的前10名专利中，超过1 000万美元的专利就有7个（如图6）。其中加拿大专利CA2544859C，专利名称《电化学生产一种多孔金属有机骨架材料的方法》创造的价值高达1 600万美元；中国专利CN101381972B，专利名称《带有可燃纸的低侧流烟香烟》创造了近900万美元的价值。这些专利是非常具有竞争力的无形资产。

3.7 主要发明人分布趋势

专利发明人对专利发挥着重要的作用，所以了解一个科技领域的主要发明人及其贡献，能加深对该科技领域的了解。智慧芽PatSnap专利分析系统中该领域专利发明人在50件以上的有5人（如图7）。其中美国国家科学基金会工程指挥部催化和生物催化项目主任ANTOSGEORGEJ最多，接近150件，他自1981年起独自或合作申请了大量相关领域的专利，主要内容包括：金属催化剂上的基本重整反应、催化剂孔结构的优化、新一代的工业化催化剂、催化剂再生与连续重整、废催化剂的贵金属回收、工业化的重整装置的控制系统、石脑油催化重整的建模等。

智慧芽PatSnap专利分析系统数据显示，国内该领域专利主要出自图8所列单位。其中成都易态科技有限公司专利申请量达到213件，远远高于国内其他单位。该公司曾研制出了铝系金属间化合物多孔/膜材料；2017年开发的“基于金属间化合物多孔/膜材料高温气体过滤技术”处于国际领先水平，原创的“金属间化合物膜材料”被列入《新材料产业发展指南》中的国家重点推广应用新型节能环保材料。

西北有色金属研究院制订了我国烧结金属多孔材料及元件的国家材料标准和检测标准7个，“高性能金属多孔材料制备及应用”项目历经15年，从多孔介质流体力学和粉末冶金基本原理出发，提出了分区孔结构设计与一体化制备的新思路，发明了无焊接一体化洁净制备、外力辅助沉积等系列高性能金属粉末多孔材料及制备技术，突破了流体透过性与分离效果难以兼得、大尺寸异形整体结构元件难以制备的技术瓶颈，攻克了苛刻环境下安全可靠性低、使用寿命短的难题。并在此基础上，开发的新产品获得了规模应用，支撑了我国核燃料的安全生产，促进了全球煤气化和多晶硅技术的进步。

中国科学院金属研究所在1997—2018年间专利申请量比其他公司都多，达到266件，他们在该领域的专利技术较为成熟，主要专利方向有制备具有三维通孔结构的多孔金属材料、多孔纯铜或铜合金、多孔陶瓷负载纳米金刚石复合催化材料、金属氧化物多孔单晶阵列薄膜、兼具高强度和高吸收能梯度多孔Ti—6Al—4V块体材料以及高疲劳性能多孔Ti—6Al—4V块体材料等的工艺和方法。

智慧芽PatSnap专利分析系统的专利年趋势变化显示，该领域国外专利申请量TOP10的公司中日本有8家，分别是尼桑公司、三洋公司、国家高级研究所、三菱材料公司、碍子株式会社、丰田公司、住友电气工业公司、松下电器公司；德国有1家：巴斯夫股份公司（BASF）；中国有1家：中国科学研究院。它们在全球市场的领域分布基本都是在本国。德国BASF在2008年时专利申请量最多，达到39件，而后连年下降，表明该公司主导技术已改为其他方向。日本松下电器公司在该领域的专利申请量在1998年时最多，有39件，而后虽有所下降，但10多年来的专利申请量基本稳定在每年20件左右，只是在2013年后急剧减少，说明该公司技术重点不再以金属多孔材料为主导。金属多孔材料领域公司专利申请的年趋势变化见图9。气泡大表示公司的主导领域是金属多孔材料，专利申请数量就大；气泡小表示公司的技术领域已经变为其他领域，专利申请量在下降。如果气泡逐年增大，表示是新进入该领域的公司。

3.8 专利技术概念分析

使用最新的5 000件金属多孔材料领域专利，从标题及摘要中提取了关键词，可以帮助读者快速了解该领域的研究主题和方向。图10显示了该领域核心技术主要集中于复合材料、金属氧化物、基础材料、新材料等。

金属多孔材料正朝着多功能化、结构功能一体化的趋势发展，说明材料研究者已经认识到传统的致密材料并非是世界上最好的结构材料，与其将更多的精力花费在消除传统结构材料中的孔缺陷，还不如研究具有结构功能一体化的新型多孔材料。

4 结语

金属多孔材料是近十几年来发展起来的新材料，目前该材料正朝着多功能化、结构功能一体化的趋势发展，这是多孔材料研究自然本性的一种回归。日本材料学家中峙英雄认为，21世纪前50年金属多孔材料的研究和应用将会受到人们很大的关注。

本文从专利的视角分析了国内外金属多孔材料领域专利申请的数量、地理分布趋势和发明人分布趋势等多项指标，发现该领域的专利申请人（公司）大多具有较强的研发实力，且研发的产品市场份额也基本在本国。虽然有些公司在该领域的专利申请量逐年下降，表明他们的主导研发方向发生了改变，但大多数公司并没有停止对金属多孔材料的研究，比如日本，近年来就在利用仿真技术开发金属多孔材料的人工骨骼，据称该材料具有生物材料的特性，是理想的人体骨骼材料。

通过专利数据分析，业界在该领域的研究主要包括多孔金属氧化物材料（二氧化钛、铋系半导体、氧化锌、氧化亚铜等）在光催化领域的研究等；金属有机框架多孔材料（MOFs），主要包括MOFs的制备方法，如溶剂热法、界面扩散法、微波法、化学机械合成法等。MOFs是将有机配体与金属离子通过络合作用自组装形成的超分子微孔网络结构的类沸石材料。MOFs已经成为一种令研究者们兴奋的多孔材料，可以通过需要来选择特定的组分进行结构设计。

我国在该领域的发展起步晚，但近几年发展迅速，但是我国的专利申请人除了少量的公司以外，大部分是科研院所和高校。因此加强产学研用深度融合，重点推进校企合作重大科技攻关平台建设是未来发展的方向。

参考文献

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