基于专利分析的PCD超硬刀具发展态势研究

郭文娟，刘玉琴，孙 源，叶 茂

(1. 中国科学院武汉文献情报中心，湖北 武汉 430070)(2. 北京印刷学院新闻出版学院，北京 102600)

1 前 言

硬度明显高于硬质材料的一类材料称为超硬材料[1]。目前使用的超硬材料主要包括金刚石和立方氮化硼及以其为主材制成的复合材料[2]。超硬材料具备优异的力学、光学、电学、热学、声学和生物学等性能，因此享有“材料之王”的美誉[2, 3]。

随着航空航天、汽车、能源工业的发展，大量高性能新型材料涌现出来，如硅铝合金、纤维增强复合材料等，这些高性能新型材料的切削加工需求推动了超硬刀具材料的发展。用超硬材料制作的刀具具有硬度高、耐磨性和热稳定性好等特点，可以实现高速、高效和高精度加工。其中，聚晶金刚石(PCD)超硬刀具因其良好的加工质量和加工经济性在非金属材料、有色金属及其合金材料、金属基复合材料等的切削加工领域显示出其它刀具难以比拟的优势，在超硬刀具领域的地位尤为重要，已被广泛应用于汽车、航空航天、木材加工、电子及石油地质钻探等多个领域[4]。

PCD是由金刚石微粉与结合剂在高温高压下烧结而成的，其耐磨性为硬质合金的100多倍、硬度为硬质合金的2～4倍、寿命为硬质合金的几十至数百倍[5]。工业发达国家对PCD超硬刀具的研究开展较早，PCD超硬刀具的应用已比较成熟，在切削刀具中的应用比例约为10%。在国内，PCD超硬刀具的应用仅占约2%，相关产业仍以高速钢刀具和硬质合金刀具为主[6]。

为了推动PCD超硬刀具在我国相关领域的应用，应该明确其技术热点及竞争优势，而以专利为突出代表的知识产权作为一种新兴生产要素,在世界范围内的产业竞争中发挥着越来越重要的战略性作用。通过专利分析，可以识别全球PCD超硬刀具领域的技术热点，分析主要专利权人的专利布局，获取其技术领域动向，从而全面掌握PCD超硬刀具领域的竞争格局。

2 数据来源与检索策略

本文采用德温特专利数据库(Derwent innovations index，DII)作为专利检索工具，以PCD超硬刀具为主题，检索策略为“TS=((PCD or PDC or “polycrystalline diamond”) and (tool or cutting or cutter or cutlery or blade))”，共检索到相关专利4657件(检索日期为2020年1月3日)。以ITGInsight[7]为文献分析工具进行文献计量分析，辅助使用excel进行统计分析。

3 总体态势分析

3.1 专利申请态势分析

图1列出了全球PCD超硬刀具相关专利申请量的年度变化趋势。该领域的专利申请最早出现在1963年，直到20世纪末专利申请量都不多。1963～1999年，PCD超硬刀具领域的专利申请量共642件，仅占历年专利申请总量的13.8%。进入21世纪后，该领域的专利申请量逐年递增，且增长速度较快，由此说明PCD超硬刀具的开发及应用越来越受到重视。PCD超硬刀具领域的专利申请量在2007年突破100件，在2015年则达到峰值(407件)。然而，近几年该领域的专利申请量有所下降，出现这种回落趋势的原因可能有两种：其一，PCD超硬刀具相关技术逐渐进入成熟期；其二，新技术和新方法正在酝酿中。

3.2 技术生命周期分析

专利数据能评估技术生命周期，技术生命周期一般可分为5个阶段，依次是萌芽期、发展期、成熟期、衰退期和复苏期[8, 9]。通过对专利数量和专利权人数量进行时序变化分析，可以评估出PCD超硬刀具所处的技术生命周期阶段，为企业进行前瞻性管理，同时为规划如何使技术持续成长提供参考。

全球PCD超硬刀具的相关技术已走向成熟，且呈现出即将衰退的趋势，如图2所示。2005～2015年，专利申请量和专利权人数量都快速增长，处于快速发展期；2016年，专利申请量和专利权人数量都开始出现负增长，说明该技术的发展已濒临饱和。这表示在PCD超硬刀具领域，技术的老化可能正在导致一些企业因收益递减而逐渐退出市场，该领域需要新的技术创新及产品创新。

Note: Since there is a time lag of 18 months between patent application and publication, the data from 2017 to 2019 are just for reference.图1 全球范围内PCD超硬刀具领域历年专利申请量(单位：件)Fig.1 The number of patent applications worldwide in the field of PCD superhard cutting tools annually (Unit: Pieces)

图2 PCD超硬刀具的技术生命周期图Fig.2 Technology lifecycle diagram of PCD superhard cutting tools

4 区域布局分析

在PCD超硬刀具领域，全球专利受理量排名前10位的国家/地区的年度专利受理量趋势如图3所示。可以看出，20世纪后期，美国、日本、德国等国在PCD超硬刀具相关领域的专利已有一定的受理量，而中国在此领域的专利受理量相对较少。进入21世纪以后，中国在PCD超硬刀具领域的专利受理量才开始出现大幅增加，且增幅和增速都远超其他国家。从受理总量来看，中国以2407件位居世界第一，其次为美国(2016件)，世界知识产权组织(886件)、欧洲专利局(742件)、英国(443件)、日本(423件)紧随其后。2018年，中国在PCD超硬刀具领域的专利受理量为318件，排名第二的美国的专利受理量仅为71件。

图3 全球代表性国家/地区在PCD超硬刀具领域的年度专利受理量变化趋势(单位：件)Fig.3 Variation tendency of annual patent acceptances in the field of PCD superhard cutting tools for the representing countries or areas worldwide (Unit: Pieces)

一件专利可以在多个国家/地区申请，以期获得更大范围的技术保护，同时也要付出更多的申请和维持费用，这也成为众多专利权人对高价值专利的保护策略。图4是PCD超硬刀具领域相关专利在多个国家/地区间同时申请的情况，连线的粗细表示同时在两个国家申请专利数量的多少，某一节点与外界连线的多少则表示该节点所代表的受理国受关注的广泛程度。由图4中连线的粗细可知，同时在美国和世界知识产权组织，以及同时在美国和欧洲专利局申请的专利数量最多，分别为728和628件；同时在美国和中国，以及同时在美国和加拿大申请的专利数量也较多，分别为404和392件；在其他国家/地区同时申请的专利数量则相对较少。由此可见，美国市场受到广泛重视。虽然，在PCD超硬刀具领域中国的专利受理量比美国的多，但在吸引高价值专利方面中国与美国仍然差距显著。

图4 PCD超硬刀具领域相关专利同时在不同国家/地区申请的情况Fig.4 Situation of patents in the field of PCD superhard cutting tools simultaneously applied in different countries or areas

5 主要专利权人实力分析

全球PCD超硬刀具领域的主要专利权人如表1所示，专利申请量排名前10的专利权人中美国占据5席。美国史密斯公司(SMITH)及美国贝克休斯公司(BAKER HUGHES)的专利申请量相对较多，分别为334和282件；美国合成公司(SYNTHETIC)、卢森堡元素六集团(ELEMENT SIX)紧随其后，专利申请量分别为246和196件。

表1 全球范围内PCD超硬刀具领域的主要专利权人

专利申请量前20位的主要专利权人中，中国占据了8席，与美国相等。中国专利权人排名相对靠前的是西南石油大学(UNIV SOUTHWEST PETROLEUM)和中国石油天然气集团有限公司(CNPC)，专利申请量分别位列全球第7和第8，另外6席分别是郑州市钻石精密制造有限公司(ZHENGZHOU DIAMOND PRECISION)、中国石油化工集团有限公司(SINOPEC)、中国石油大学(UNIV CHINA PETROLEUM)、河南四方达超硬材料股份有限公司(HENAN SF DIAMOND)、四川川石金刚石钻头有限公司(SICHUAN CHUANSHI DIAMOND)以及深圳市兴沃实业有限公司(SHEENWORLD SHENZHEN ENTERPRISES)，排名依次是第12，13，17，18，19，20位。

综上，美国在PCD超硬刀具领域的专利受理量虽然落后于中国，但美国专利权人的科研实力相对较强；中国专利权人同样具备一定的科研实力，然而从单个专利权人的专利申请量来看，还有较大的进步空间。

6 研究热点分析

6.1 研究热点分布

基于ITGInsight技术的主题图绘制功能[10]绘制了PCD超硬刀具领域专利研究的主题分布图，得到了该领域的研究热点。图5中每个点表示一个技术热点词，根据颜色深浅度形成等高线，表示该词出现的频次高低与密集程度，等高线中心山峰区域表示一个技术主题聚类。因此，PCD超硬刀具的研究主要围绕以下热点词：drill bit，polycrystalline diamond，bit body，polycrystalline diamond compact，pdc drill bit，cutting elements等。不难看出，热点词集中在drill bit，polycrystalline diamond，polycrystalline diamond compact，cutting elements等方面。

图5 PCD超硬刀具领域专利研究的技术主题分布图Fig.5 Descriptors distribution map for patent research in the field of PCD superhard cutting tools

6.2 研究热点演化

主题演化分析有助于了解领域主题产生、消亡、增强、减弱、扩张和收缩的过程[11]，可作为技术新兴趋势探测方法之一。使用ITGInsight进行主题演化跟踪，基本过程为：提取每个时间段的主题词，统计各主题词频数，列出频数较高的主题词，依据频数高低排序；计算各个时间段主题词(或主题词组)之间的同现关系强度，主题词的同现关系作为上一阶段与下一阶段主题词之间的关系强度，关系强弱依次用不同粗细的实线及虚线表示。

由PCD超硬刀具领域的技术主题演化图(图6)可以分析出，2012年，rotary drill bit 扩张为drill bit,polycrys-talline diamond及cutting element等，而diamond material,polycrystalline diamond material则收缩为polycrystalline diamond；2012年后，主题词diamond particle几乎消亡；2015年后，diamond table扩张为polycrystalline diamond,polycrystalline diamond compact等；2018年后，产生了新的主题词polycrystalline diamond layer，而主题词main body则几乎消亡。

图6 近10年PCD超硬刀具领域的技术主题演化图Fig.6 Descriptors evolution diagram for the field of PCD superhard cutting tools in recent 10 years

6.3 基于主题词的专利权人聚类

图7是基于主题词的专利权人聚类，通过聚类分析可以看出不同专利权人的技术侧重和关联，帮助科研人员了解PCD超硬刀具领域主要专利权人的技术动向。图7中的节点代表专利权人，节点大小代表专利申请量的多少，每个聚类表示主题词相同或相近的专利权人，节点之间的平面距离与主题词之间的同现关系强度成正比。结合各专利权人技术主题分布的元数据，可以分析出，美国史密斯公司、美国贝克休斯公司、美国合成公司、阿联酋哈里伯顿公司(HALLIBURTON)、美国金刚石创新中心(DIAMOND INNOVATIONS)、美国VAREL国际能源服务公司(VAREL)等关注领域相对类似，涉及的主题词包括drill bit，bit body，polycrystalline diamond compact，cutting element；卢森堡元素六集团的主题词与其他公司的重合度不高，与一些以个人为专利权人，如Lachmann，Nilsson等，申请的专利在研究领域上有部分重叠，涉及的主题词包括polycrystalline diamond material，PCD material，super hard material，super hard structure等；此外，西南石油大学、中国石油天然气集团有限公司、中国石油化工集团有限公司、中国石油大学、四川川石金刚石钻头有限公司、深圳市兴沃实业有限公司等也有共同的研究领域，包括drill bit,drill bit body,drill bit main body,pdc drill bit,cutter wing等。

图7 基于PCD超硬刀具领域主题词的专利权人聚类Fig.7 Patentee clusters based on descriptors in the field of PCD superhard cutting tools

7 核心专利识别

一个企业是否具有很强的创新能力，其中一个重要判据在于企业在所从事的领域是否拥有核心技术，而拥有核心技术的标志就是“核心专利”[12]。目前，核心专利还没有一个统一的、公认的定义。在国外，核心专利一般指基础专利、基本专利或高价值专利[13]。本文选取在多个国家享有专利权、受到多地域保护的专利作为核心专利，综合考虑专利家族被引次数及权利要求数量等指标，挑选出了PCD超硬刀具领域的15件核心专利，如表2所示。

表2 PCD超硬刀具领域的部分核心专利

续表

核心专利的挖掘，对科研人员及管理决策者识别潜在竞争对手和发现专利权人的技术实力有重要的参考价值，对科研单位的专利布局和专利攻防战略制定具有重大意义。从专利的有效性来看，美国通用电气公司(GENERAL ELECTRIC)、卢森堡元素六集团、美国史密斯公司等公司的部分专利显示无效，而这类国际巨头的失效专利仍具有相当大的市场前景，且成本低廉，充分利用这些失效专利将有利于国内企业实现技术创新；而且，了解有效核心专利也能避免专利侵权。

此外，涉及到诉讼案件的专利都是技术含量高、价值大的专利，因此专利诉讼也是识别核心专利的重要指标之一[14, 15]。表3显示的是PCD超硬刀具领域涉及到专利诉讼的专利。第1例和第2例专利诉讼案件，原告都是英国REEDHYCALOG 公司，被告都是美国金刚石创新中心。REEDHYCALOG公司认为金刚石创新中心对外出售了侵权的PCD超硬刀具，案件涉及到若干件同属一个扩展专利族的专利，包括US6585064B2和US6601662B2。第3例专利诉讼案件，原告是阿联酋哈里伯顿公司，被告是美国WEATHERFORD公司和英国BJ石油服务公司，案件涉及到的产品包括阿联酋哈里伯顿公司的“FracGuard series composite bridge plugs”和“FracGuard series composite frac plugs”，以及BJ石油服务公司的“Python composite bridge plug”。以上案件涉及到的专利均可作为PCD超硬刀具领域的核心专利。

表3 PCD超硬刀具领域的专利诉讼案件

8 结 论

通过对PCD超硬刀具进行专利分析，可以得出以下结论：

(1)从德温特专利数据库中检索到全球PCD超硬刀具领域的相关专利共4657件。对该领域的研究始于20世纪60年代，进入21世纪后专利申请量才出现显著增长。从技术生命周期图可以看出，PCD超硬刀具的发展已经进入成熟期，且有衰退的趋势。

(2)从专利的受理国家/地区来看，中国以2407件的受理量位居全球第一，其次为美国，受理量为2016件。20世纪后期，中国在PCD超硬刀具领域的专利受理量不如美国、日本、德国等国，但进入21世纪后，专利受理量出现激增，增幅和增速都远超其他国家。此外，该领域同时在美国和世界知识产权组织，以及同时在美国和欧洲专利局申请的专利数量最多，其次为同时在美国和中国申请的专利数量。

(3)从主要专利权人来看，美国专利权人在PCD超硬刀具领域的科研实力相对较强，其中美国史密斯公司及贝克休斯公司的专利申请量相对较多。然而在PCD超硬刀具领域的前20位主要专利权人中，中国占据了8席，其中西南石油大学和中国石油天然气集团有限公司的专利申请量排名进入前10。

(4)从技术主题分布来看，热点主题集中在drill bit，polycrystalline diamond，polycrystalline diamond compact，cutting elements等方面；从技术主题演化来看，近两年出现了新的主题词polycrystalline diamond layer，而main body，diamond particle等主题词则几乎消亡；通过分析专利权人的专利布局，获取了主要专利权人的技术领域动向，发现美国的史密斯公司、合成公司、金刚石创新中心以及VAREL国际能源服务公司等的研究领域有很多相似之处，而卢森堡元素六集团则与这些公司的研究领域有所不同。