基于专利分析的透明陶瓷技术发展态势研究

董晓恒，付振康，宗超凡

(景德镇陶瓷大学， 景德镇 333403)

1 前言

透明陶瓷，又名光学陶瓷，是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷，除具有传统陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光学特性[1]。世界上第一块透明陶瓷是由美国陶瓷学家Coble 于1957 年制造的氧化铝陶瓷“Lucalox”[2]。继Lcualox 之后,又开发出具有更高透光度、强度,使用性能稳定和具有亚微晶结构的Al2O3透明陶瓷。不久,Genaral Eleetrieo Cmpany 公司又开发出Y2O3透明陶瓷。日本、德国等国在该领域也取得了一定的成就。我国透明陶瓷研究于“七五”计划开始立项，起步较晚。目前,许多高校和科研机构都开展了对该领域的研究工作。经过我国科研工作者的共同努力,现已取得不少成绩,其中上海硅酸盐研究所在该领域较为突出[3]，其经过10 年数百次实验，终于2007 年研制出我国第1 块“透明陶瓷之王”-- 激光陶瓷，使中国成为世界上继日本之后第2 个掌握激光陶瓷的国家[4]。

透明陶瓷具有单晶耐高温、抗腐蚀、高绝缘、高强度等特性[5]，而且还具有低电导率、低介电常数和介电损耗、耐摩擦等一系列优异的综合性能[3]，在工业、航空航天、国防军事、医疗等领域得到了广泛应用[1]，被称为无机材料研究与发展重要方向之一[6]。随着透明陶瓷得到愈来愈多的应用，研发重视度也不断提升，加速我国透明陶瓷的研发与生产具有重要的战略意义。

本文依托IncoPat 全球专利数据库(http://www.incopat.com)[7]，检索日期截止2022 年1 月28 日，对公开(公告)的6598 件透明陶瓷专利申请，进行包括申请趋势、地域分布、主要创新主体和技术领域等维度的分析，揭示透明陶瓷技术发展现状，对科研人员和行业从业人员了解透明陶瓷技术研发动态，研判未来发展趋势提供参考。

2 全球透明陶瓷专利信息分析

2.1 申请趋势分析

截至2022 年1 月28 日，全球透明陶瓷专利申请共计6598 件，相关数据见图1。由图可知，全球透明陶瓷专利申请数量在总体上呈增长态势，大致经历了三个主要阶段。1957-1966 年，全球学者对透明陶瓷的制备研究处于探索阶段，专利申请量处于低水平状态，每年均不足10 件，为技术萌芽期；1967 年，全球专利申请首次突破10 件。随着Al2O3等透明氧化物陶瓷的问世，专利申请也由1967 年的20 件逐步发展到1986 年的89 件，涉及透明陶瓷制备、透明陶瓷装甲、照明电弧管、光学电路等众多技术领域，此阶段为平稳增长期；随着美、日、德等国对非氧化物透明陶瓷研究的不断深化和中国对透明陶瓷开始立项之后。1987 年，全球申请首次突破100 达138 件，并由此进入平稳发展阶段。2011 年，申请量达200 件，2015 年高达315 件，创历史新高。该年度中国专利申请为72 件，成为全球申请量稳定增长的主推手。至此，1987 年后，透明陶瓷技术专利申请维持在一个高水平稳定状态。

鉴于我国专利申请为申请日起18 个月才公开，加之IncoPat 全球专利数据库在数据更新上存在一定程度滞后，部分专利申请的公开出现了延迟，2019 年后数据仅供参考。

2.2 专利申请国和技术来源国分析

图2 显示，全球透明陶瓷领域的专利申请涉及到50多个国家和地区，排名靠前的国家和地区分别是日本、中国、美国、德国、世界知识产权组织、韩国、欧洲专利局、俄罗斯、加拿大，其专利总量占到世界专利总量的85.77%，可见全球透明陶瓷技术专利分布较为集中，关键技术基本掌握在较为发达的国家。

图1 全球透明陶瓷专利申请趋势

图2 全球透明陶瓷专利申请国别分布

图3 全球透明陶瓷专利技术来源国分布

从图3 可以看出，全球透明陶瓷技术来源国前十排名中，日本和美国分别以占比22.82%和21.48%位居第一和第二，且优势显著；中国和德国分别以16.90%和15.49%位居第三和第四；前四个国家的申请量总和占全球申请总量的76.69%，可见，日、美、中、德是全球主要技术创新国。排名第五至第九的依次为法国、韩国、俄罗斯、西班牙和英国。

结合专利申请国和技术来源国分布情况来看，日本透明陶瓷技术专利总申请量占比达到22.82%，对比日本本土专利申请总量20.26%的比重，可以看出日本企业和科研院所非常重视国外市场的专利布局；中国作为世界第一消费大国，专利申请占比为15.93%，同时作为传统的陶瓷大国，其作为主要技术来源国在全球布局了16.90%的透明陶瓷专利；美国和德国对于透明陶瓷技术专利总持有量占比也高于本国的专利申请量。作为透明陶瓷发展较早的国家，他们均掌握了透明陶瓷的前沿技术，其专利的实用价值和技术生命周期较长[8]。

2.3 主要创新主体分析

全球透明陶瓷专利申请量主要创新主体排名可以反映出透明陶瓷技术领域的活跃机构[9]，表1 为全球主要创新主体分布表。表中显示，全球前10 申请人中9 家为国外企业。作为全球特殊玻璃和陶瓷材料的全球领导厂商，美国康宁研发实力最强，以396 件专利申请占前十总量27.62%的绝对优势稳居榜首，该公司主要涉及微晶玻璃的制备(C03C10/00,147 件)研究。例如，透明玻璃陶瓷；具有钙钛矿和硅酸锂结构的高强度微晶玻璃等。位居第二的是德国肖特，以303 件专利申请占前十总量的21.13%；主要涉及锂铝硅酸盐，例如锂辉石、锂霞石(C03C10/12,37 件)。例如，加入钒氧化物的透明玻璃陶瓷；薄的透明彩色锂铝硅酸盐陶瓷及其应用等。美国康宁和德国肖特申请量均超过300 件，优势显著，两家公司申请总和占前十总量的48.75%。法国圣戈班集团，以150 件专利申请排名第三；主要涉及微晶玻璃的制备(C03C10/00,20 件)、含二价金属氧化物(C03C3/085,12 件)等。例如，石英无色透明陶瓷材料；透明无色的低二氧化钛β- 石英玻璃陶瓷材料等。排名第四和第五的分别是日本村田制作所和中国科学院上海硅酸盐研究所，申请量分别为117 件和96 件。村田制作所涉及的技术领域主要涉及以成分为特征的陶瓷成型制品(C04B35/00,22件)、陶瓷电子部件(H05K3/46,12 件)等。中国科学院上海硅酸盐研究所主要涉及以稀土化合物为基料的陶瓷组合物（C04B35/50，11 件）等。排名第六到第十的依次是日本住友、日本信越、日本碍子、美国3M及德国西门子[9]。全球主要申请人前10 中，九家创新主体均为国外企业，其中，日本4 家、美国2 家、法德国2 家、法国1 家；1 家科研院所，为中国的上海硅酸盐研究所。前10 申请人累计申请专利1434 件，占全球申请总量的21.80%。可见除了美国康宁和德国肖特外，日本在透明陶瓷技术领域的研究也处于世界领先的地位，而我国对于透明陶瓷的研究主体还以科研院所为主。

表1 全球透明陶瓷前十创新主体

2.4 IPC 主分类

表2 全球透明陶瓷专利技术构成前十(IPC 小组)分布

IPC 主分类号作为专利技术的归类依据，可以很大程度上看出其技术的研究热点[11]。从表2 可以看出，全球透明陶瓷专利的技术热点基本集中在以成分为特征的陶瓷成型制品、陶瓷组合物、准备制造陶瓷制品的无机化合物的加工粉末、玻璃陶瓷、用于激光束加工材料中等，其中，涉及以成分为特征的陶瓷成型制品；陶瓷组合物；准备制造陶瓷制品的无机化合物的加工粉末的专利量达到1623 件，相关专利内容的主要技术点包括透明光电陶瓷材料运用、纳米复相红外透明陶瓷材料及其制备方法。涉及玻璃陶瓷的专利同样较多，对于透明玻璃陶瓷的研究同样具有重要意义。B23K26 描述的技术热点为用激光束加工，具体包括氮化物陶瓷基板的制造方法、使用光束焦线划线薄陶瓷材料等。排名靠前的主分类号均为陶瓷相关方面的专利技术，说明透明陶瓷以陶瓷本体材料的研究较为多见。H05K3、H01S3、G02B6、C09K11 则说明透明陶瓷还应用于涉及基本电气元件、电气元件组件的制造、光学元件和发光材料方面的技术点上，但其专利量明显少于陶瓷相关技术领域。

3 国内透明陶瓷专利信息分析

3.1 中国申请趋势分析

截止2022 年1 月28 日，中国透明陶瓷专利申请量累计达到1070 件，申请量的总体发展趋势见图4。由图可以看出，1985 年到2003 年间，透明陶瓷材料专利申请量处于每年10 件以下的低水平状态，中国在该领域的专利申请起步较晚，研究处于较低的水平。2003 年之后专利申请趋势开始稳步上升，2004 年专利申请上升至12 件，2015 年激增到72 件。2016—2021 年间增长更加迅速，我国透明陶瓷技术进入快速发展阶段。这不仅说明近年来我国透明陶瓷技术的进步，也说明国内创新主体的专利保护意识和布局意识进一步提高。

图4 中国透明陶瓷专利申请时间趋势

3.2 主要创新主体分析

国内透明陶瓷专利排名前10 位的专利权人见表3，累计申请专利达到339 件，占国内专利申请总量的31.68%。其中排名第一位的中国科学院上海硅酸盐研究所专利量达到96 件，占前十总量的28.32%，其以透明陶瓷材料的制备方法的专利居多。第二位江苏师范大学，专利申请量为44 件，其透明陶瓷团队目前主要从事光功能透明陶瓷材料(激光陶瓷、照明/显示用荧光陶瓷、透明窗口陶瓷、蓄光陶瓷等)的设计、制备与性能调控研究及其成果转化工作。排名第三的上海大学则在闪烁体透明陶瓷的研究中取得较大突破，申请量达到42 件。排在第四和第五位的分别是武汉理工大学（32 件）和中国科学院上海光学精密机械研究所（32 件）。排在前10 名的创新主体中，6 家高校、3 家科研院所和1 家企业，前10 创新主体中9 位创新主体为高校或科研院所，说明在该技术领域中国尚处于实验室研发阶段。

表3 中国陶瓷前十创新主体

3.3 专利地图及技术热点

采用IncoPat 全球专利数据库自带的专利信息分析工具对国内透明陶瓷技术专利进行聚类分析，生成透明陶瓷专利技术研究热点分布图，如图5 所示。从整体情况来看，国内透明陶瓷专利主要技术点集中在:透明氧化物陶瓷本体（440 件）、氧化铝陶瓷应用（230 件）、纳米氧化铽（192 件）与透明陶瓷材料（72 件）。其中，透明氧化物陶瓷本体研究主要涉及透明铁电陶瓷（116 件）、钇铝石榴石（114 件）、氧化镧钇透明陶瓷（45 件）和荧光陶瓷（33 件）等；氧化铝陶瓷应用主要涉及陶瓷砖、陶瓷刀具和烧结方法等。由此可见，当前，相比较于非氧化物透明陶瓷，对于氧化物透明陶瓷的研究依然是国内创新主体的主要研究方向。

图5 中国透明陶瓷专利地图

3.4 透明陶瓷专利省市分布

中国透明陶瓷专利申请人排名前十位的省市中(见表4)，排名第一位的上海省专利申请量为206 件，其主要依靠上海硅酸盐研究所和上海大学较强的透明陶瓷研发实力。江苏省排名第二，专利申请量为171 件，其主要申请人类型则是陶瓷企业和高校，主要代表为江苏诚赢照明电器有限公司、江苏灵湾特种陶瓷科技有限公司、江苏师范大学等。广东省专利申请量达到81 件，以企业为主要申请人，广东省作为我国陶瓷重要主产区，其透明陶瓷的优势企业主要集中在深圳、佛山、广东等几个地区，例如以生产纳米晶透明陶瓷为主的深圳精匠云创科技有限公司、基于陶瓷转换的LED 的摇头灯为主的广州达森灯光股份有限公司等。前10 申请省市占国内专利申请总量的76.17%，以经济发达地区和陶瓷主产区为主。

表4 中国透明陶瓷专利省市分布

4 结论与建议

4.1 结论

（1）21 世纪初至今，中国透明陶瓷专利申请趋势明显上升，而全球专利处在一个较为平稳的上升态势，使得我国透明陶瓷技术在全球的地位稳步上升。政府对透明陶瓷行业的支持，也是主要的推动因素。从专利申请量来看，中国走在世界前列，数量方面仅次于日本，足见国内透明陶瓷相关企业与科研机构对专利技术保护的重视，专利布局意识不断加强。

（2）从专利申请国和技术来源情况可以看出，日本和美国等世界科技强国的专利全球布局意识非常强。其中日本无论是专利申请量，还是主要创新主体数量，在全球处于绝对领先地位；美国作为研究透明陶瓷最早的国家，其专利在全球的布局和龙头企业专利申请数量，同样处于领先地位。经过30 多年的发展我国也成为透明陶瓷技术的主要创新国家。全球创新主体来看，以国外透明陶瓷技术主要以企业申请为主，而我国则以高校和科研院所为主。

（3)从专利技术分析和中国主要技术热点来看，全球透明陶瓷技术主要陶瓷成型制品、陶瓷组合物、准备制造陶瓷制品的无机化合物的加工粉末为主，并大量应用到电子元件中。我国透明陶瓷技术则以氧化物透明陶瓷的研究较为多见，研究地域以经济发达省份和陶瓷主产区所在省份为主。

4.2 建议

（1）加速核心专利海外部件。从全球专利布局来看，与日本、美国等发达国家相比，虽然我国专利申请量稳步提升，但作为技术来源国我国透明陶瓷技术的对外输出不及日本和美国，应当加速核心专利的海外布局，在全球形成自身的技术优势。

（2）推动优质专利转移转化。我国透明陶瓷技术以高校和科研院所为主要申请人，而企业是科技成果向生产力转化的助推者与实施者，推动高校科研院所优质专利的转移转化对行业发展和技术应用有重要作用。

（3）更多关注非氧化物透明陶瓷的研究。与氧化物透明陶瓷相比, 大多数的非氧化物透明陶瓷不仅室温强度高,而且高温力学性能好,此外,还具有优良的抗急冷急热冲击性能[3]。而我国对于氧化物透明陶瓷的研究成果明显比非氧化物陶瓷突出。开展对非氧化物陶瓷的研究显得尤为重要。