耐火材料专利技术发展特点分析

王杰曾

中国建筑材料科学研究总院有限公司 北京 100024

专利是以公开和缴纳一定费用为代价，获得在某一地域、某一期限内生产、销售或以其他方式使用发明的独占权利。专利分析指运用数据处理、统计分析、专家分析等手段，挖掘出隐含在专利中的信息，使其成为指导企业经营的重要情报的分析方法。由于核心技术的敏感性，分析相关专利信息也就成为企业通过合法手段获得竞争优势的主要途径［1-2］。在本文中，主要介绍了用R语言、Excel中的大数据和人工智能技术分析2019—2021年耐火材料专利的情况。

1 研发设计及数据处理

自改革开放以来，我国的高温工业发展迅速。2008年，我国启动“四万亿”计划拉动大量资金跟进，在短时间内，中国的高温工业产量达到世界总产量的50% ～60%。到2012年，我国的经济进入了“新常态”；2020年，又受到新冠疫情的重创，导致高温行业大幅萎缩，耐火材料单耗不断降低。因此，耐火材料企业需要通过专利分析来了解耐材技术的现状和发展趋势，灵活调整对策，以正确指导企业的升级换代。

中国知网日更新文献量达5万篇以上，但对客户的下载进行了一定程度的限制。因此，首先，需要将分块下载的专利文件由xls转为xlsx文件。其次，在系统中预装java，为其设置环境变量，并在R语言系统中载入openxlsx包才能访问xlsx文件。再次，在R语言系统中载入dplyr包，用其full_jion函数合并读入的表格，通过write.xlsx函数将其保存［3-6］。最后，对获取的数据反复清洗：1）剔除全部属性相同的信息，记录从5 968项减少到5 120项；2）剔除公开号相同的，剩余4 726项；3）剔除作者和摘要完全相同的，剩余4 502项；4）剔除摘要和题名相同的，剩余4 463项；5）再剔除摘要相同的，最后剩余4 410项。

2 专利类别分布

按照国际专利分类号，C04B35／00指以成分为特征的陶瓷和耐火材料。其中，C04B35／035指用含有非氧化物的粒度混合物制成的耐火材料；C04B35／04指以氧化镁为基料的材料；C04B35／05指熔铸法耐火材料；C04B35／10指为以氧化铝为基料的材料；C04B35／185为莫来石；C04B35／482、C04B35／567与C04B35／586均指用粒度混合物制造的耐火材料；C04B35／484熔铸法耐火材料；C04B35／599以硅铝氧氮化物（SIALONS）为原料，采用化学气相沉积法制备的硅铝氧氮化物；C04B35／657用于制造业的耐火材料；C04B35／66含或不含有黏土的整体耐火材料或耐火砂浆。分类号为C04B35各主要子项公开的专利数见表1。

表1 分类号为C04B35各主要子项公开的专利数

由表1可知，公开的专利主要集中于C04B35／66、C04B35／10和C04B35／04这3个子项。由于一项专利可能属于多个类别，用分类子项统计出的总专利数可能大于实际数量。

3 专利国别分布

部分国家或组织公开的耐火材料专利数见表2。

表2 部分国家或组织公开的耐火材料专利数

由表2可知，中国耐火材料专利数约占所有国家或组织的耐火材料专利总数的83%，已成为耐火技术的主要引领者。

4 专利申请人的分布

专利申请人是专利技术的主要贡献者，也是主要竞争者。对中国专利中发明授权的统计，能够准确反映申请人的成果及申请人的实力。

4.1 按总体情况统计申请人分布

公开的各申请人耐火材料专利数见图1。

图1 公开的各申请人耐火材料专利数

由图1可知，武汉科技大学（武科大）、利尔、瑞泰、中钢、武钢、中冶、中科院、通达是申报专利的8强；黑崎播磨（黑崎）、圣戈班和品川耐火（品川）3家外企紧随其后；中科院也无声无息地进入了耐火行业。

4.2 按发明授权统计申请人分布

一般，申报发明专利后要2至3年，甚至更长时间才能获得授权；另外，国外公开的专利缺少授权信息，在统计发明授权专利时，国外企业就被排除在外。得到的各申请人耐火材料发明授权专利数的统计结果见图2。由图2可知，统计发明授权后，可算出武科大和郑大的专利数占总专利数的约50%。这说明这两家申报发明专利的获批率很高，实用新型专利较少；相反，一些单位的发明授权较发明授权＋发明公开＋实用新型专利总数缩减很多，说明或其申报的专利数不稳定，或其工作有待改进。

图2 公开的各申请人耐火材料发明授权专利数

5 热点词的分析

5.1 热点词的分布

如图1和图2所示，武汉科技大学、利尔、瑞泰、中钢、武钢、中冶、中科院、通达、濮耐、黑崎、品川、圣戈班是申报专利的诸强。因此，将武汉科技大学、辽宁科技大学、北京科技大学、郑州大学、西安建筑科技大学和浙江大学这6家大学分为一组，用R语言提取其2019—2021年申报或获得的耐火材料专利摘要中的热点词，再由人工剔除与耐火材料工艺学无关的词语。从这6家大学中提取的前几位热点词的统计结果见图3。

图3 6家应用型大学专利摘要中热点词的矩形树状图

在图3中，n为热点词出现的频率，矩形的面积越大、颜色越浅，表明该热点词出现的频率越高。由此，可反映耐材研究人员对技术进步的关注方向。

5.2 热点词的关联

对同一项专利摘要中的热点词进行关联分析，可以探索热点词之间的关系。其中，圆圈的直径表示支持度的大小，圆圈内颜色（可理解为灰度：纯白＝0；纯黑＝255）代表提升度的高低。支持度用以表示同时含有原因X和结果Y的概率P（X，Y）；提升度为原因X的出现对Y的出镜率的提升程度。

12家研究型大学外加中科院被公开的159项专利和企业18强的607项耐火材料专利摘要的热点词关联，结果见图4。

图4 中科院及12家研究型大学和18家企业专利摘要中的热点词的关联规则图

图4（a）是从中国科学院大学、广东工业大学、中南大学、武汉理工大学、西北工业大学、东北大学、哈尔滨工业大学（哈工大）、解放军系统各大学、清华大学（清华）、山东大学、电子科技大学和北京航空航天大学这12家研究型大学及中科院被公开159项耐高温材料专利摘要中提取的热点词关联图。由图可知，研究的核心是陶瓷的制备方法，主要技术特征是调节基体中结合相的含量。

图4（b）是从利尔、瑞泰、中钢、武钢、中冶、通达、濮耐、浙江锦诚、宝钢、航天（特种）材料及工艺研究所、黑崎播磨、耐火控股、圣戈班、中国石化、中国石油、中国工程物理研究院等被公布607项专利摘要中提取的热点词关联图。由图可知，企业耐火材料技术进步的途径有两条：1）采用微粉等研发含铝酸钙水泥的浇注料；2）定形耐火材料制品，其核心是制备方法，途径是调节细粉、结合剂、金属等组分，通过采取混合等措施，达到提高所制产品综合质量指标的目的。

6 申请人所服务的行业及其专利的技术特征

为进一步提取隐含在专利数据中的信息，筛选出中科院、哈工大、清华大学、武科大、郑大（郑州大学）、中钢、瑞泰、圣戈班、通达、利尔、中冶、武钢、濮耐、黑崎、耐火产权、品川、维苏威等17家单位的958项专利。首先，由专家逐一进行分析给出其所服务的行业以及所属的技术特征；然后，再用Excel作出数据透视表，分类排序后用上色渲染成热力图，以便读者研究其规律。

6.1 申请人所服务的行业分析

将国家级研究单位中科院和研究型大学哈工大、清华作第1组；将应用型大学武科大、郑大及原部级研究所的转制企业中钢和瑞泰作第2组；将其他企业放入第3组，统计结果见表3。由表3可知，中科院、哈工大、清华主要从事与高温有关的特种陶瓷研究，但也涉及其他耐高温材料市场。如特种陶瓷、特殊市场、传统市场，以上所述的特殊市场指航天、航海、新能源、新窑如微波窑、特殊冶炼、特殊铸造等行业用耐火材料。同时，确定行业时还将石灰、耐磨、防火、装备、普通陶瓷、工业陶瓷等行业统归于其他。

表3 耐火材料行业诸强专利所服务的行业分布

武科大、郑大、中钢和瑞泰都以引领整个耐火材料行业的发展为己任，推进整个耐火材料的技术进步，根据“抓住重点、带动一般”的原则对耐火材料市场进行全面布局。除通用、钢铁、水泥、玻璃、有色、化工、煤化、石化、铸造、电力、铁合金及陶瓷窑炉用耐火材料外，也注重前述特殊行业用耐火材料，不时也会开发耐高温的工程陶瓷甚至功能陶瓷。

其他耐火材料企业分两类。其一，是以利尔、中冶、武钢等代表的，为主流市场即钢铁和通用行业服务的企业；其二，是以圣戈班或通达为代表的，以服务于其他耐火市场为特色的企业。例如，圣戈班以服务玻璃行业为特色；通达则以服务水泥和环卫行业为特色。

6.2 各服务行业所需要的技术

确定技术时，将纤维、晶须、梯度、低维、稀土、纳米、层状、3D、高熵、石墨烯、表面处理归于新技术；将光学、蓄热、控流、防弹、超导、过滤、载体、介质、高导热、防结瘤、透波、低吸波、微波吸收、特殊助剂、高温热敏归于功能；将助剂、坩埚、闭孔、多孔、微孔、低气孔、低磨损、低污染、金属陶瓷归于其他；将型壳、型芯归于型材。汇总结果见表4。

表4 耐火材料诸强专利所服务行业与其技术特征关联

由表4可知，不定形、常规和复合是耐火材料技术人员最爱的第一类技术群，总数高达601项，表明传统方法在耐火材料技术进步中仍扮演主要角色。利废、隔热、低碳、环保是被广泛使用的第二技术群，总数达129项，因此，节约资源、保护环境已成为耐火材料技术进步的一个重要方向。新技术、功能、特陶、涂层、型材总计124项，这说明新技术和功能化正在快速渗透到传统的耐火材料行业，逐渐成为推动耐火材料技术发展的主力。

7 耐火材料技术发展特点分析

近20年来，在耐火材料行业鲜有类似镁碳砖、铝碳砖、直接结合镁铬砖、低水泥浇注料、氧化法熔铸AZS砖之类的重大发明。因此，专利申报时绝大多数专利都是依靠不定形、其他常规技术或复合进行的“小改小革”。小改小革和小创新看起来在技术上突破不大，但风险小、见效快，经济价值不菲。

开发新技术，要靠科学的大融合、技术的大集成、科技与市场的大结合来设法突破瓶颈、升级换代和实现新发展。

科学的大融合是一个突破瓶颈的办法。早在2001年，时任中科院副院长的白春礼先生就认为21世纪科技发展的趋势是：1）科学与技术结构中心发生转化，信息技术将成为影响力最为广泛的技术；2）高度数学科学化；3）跨门类科学与技术整合化；4）科学与技术一体化；5）科学技术高度社会化、社会高度科学技术化［7］。2009年，中科院发布的《中国至2050年信息科学发展路线图》也认为：21世纪的发展趋势是从计算机支持科学家做传统科学研究转向计算嵌入科学研究的全过程，形成新的科研形式，即出现计算＋传统科学＝新科学［8］。

技术的大集成是另一个突破瓶颈的方法。科学研究特别是技术研究的规模很大，为了取得突破，很多行业、很多单位投入了巨大的人力、物力、财力和时间。但是，其中不少是低水平重复，即同一个问题在不同的科学分支特别是技术分支中反复研究。因此，耐火材料的很多新技术不仅是通过移植和集成耐火行业内的技术，也是通过集成无机非金属材料其他分支技术如精细陶瓷、金属陶瓷、信息技术、甚至社会科学开发的。例如，不定形耐火材料中的低水泥浇注料、自流浇注料、钢纤维增强等技术都是从建筑混凝土借鉴的；氧化物与非氧化物复合材料很多是从精细陶瓷借鉴的；非金属与金属复合材料很多是从粉末冶金借鉴的。

技术与市场大结合也是一个突破瓶颈的方法。耐火材料行业是为钢铁、有色、铸造、水泥、玻璃、陶瓷、石化、煤化、电力、环卫、以及其他拥有高温设备的行业为服务对象的，耐火创新人自然要了解所服务下游行业的现状与趋势，熟悉这些设备的工艺，了解用户存在的问题和用户的需求，也才能根据科学技术发展的规律，针对市场需求，开发受客户青睐的产品。

8 结论

耐火材料行业是一个为其他高温行业服务的小众行业，但也是国民经济不可或缺的行业。目前，耐火材料行业正面临全方位、高强度和快节奏的竞争。一方面，中国的耐火材料行业拥有很大的市场和众多的企业；另一方面是激烈的竞争和无情的淘汰。经过暴风雨洗礼，中国耐火材料将变得越来越有竞争力。通过持续不懈的努力，中国的耐火材料企业将打造出世界一流的系列产品；中国的耐火材料行业也将有望成为中国众多的优势产业之一，有力支持中华民族的伟大复兴。以下，是本文通过分析和研究近三年耐火材料专利所得到的主要结论：

（1）中国不仅是全球最大的耐火材料市场，发布的耐火材料专利数也占耐火材料专利总数的绝大部分，其中绝大多数又是中资企业。中国已成为耐火材料技术发展的主力军。

（2）中国耐火材料研发的第一梯队是中科院和一些研究型大学组成的高温陶瓷技术开发者。在很大程度上，这一梯队引领着耐火新技术的发展，并越来越多地向应用转化。

（3）中国耐火材料研发的第二梯队是武汉科技大学等应用型大学，以及中钢和瑞泰这两家从原部级研究所转制的企业＋某些骨干企业组成的集团。它们是耐火材料全面应用技术提供者，其中每一家对每一类耐火材料主要用户几乎都可提供完整的解决方案。

（4）中国耐火材料研发的第三梯队或有利尔、中冶、武钢等钢铁行业用耐火材料制造商，或有由通达等代表的水泥、环保等行业用特色耐火材料制造商。大型企业和专精特新企业互相配合、相得益彰，也为中国各高温企业耐火材料的技术进步提供完整解决方案。

（5）耐火材料技术正发生大移植、大融合、大集成。其中，一个行业用耐火材料常常借鉴另一行业用耐火材料的技术；耐火材料也常常借鉴其他无机非金属材料如混凝土、特种陶瓷的技术；耐火材料还常常借鉴其他材料如粉末冶金、复合材料的技术。此外，还有科学技术的跨界大融合，例如移植信息技术甚至社会科学的研究开发技术。

（6）通过科学的大融合、技术的大集成、以及科技与市场紧密的结合和良性的互动将创造比现在更高的科技，取得更好的成果，突破关键点、打通产业链，有可能担当接棒西方、突破瓶颈和引领世界的重任，支持高温产业发展而助力于中华民族的伟大复兴。