专利分析视角下固体润滑技术发展态势研究

董金鑫，万勇

中国科学院武汉文献情报中心，湖北 武汉 430071

引 言

研究表明全世界每年有近30%～40%的能源是由于摩擦消耗。此外，摩擦磨损是设备损坏的主要原因之一，它不仅降低生产效率，还会造成进一步的经济损失[1]。固体润滑技术利用固体润滑材料对摩擦界面进行润滑，从而减少摩擦系数，提高机械效率。与流体润滑材料相比，固体润滑材料适用温度范围更为宽广，更适于真空、高温和干摩擦等严苛环境[2-3]。固体润滑材料主要包括石墨、金属、二硫化钼（MoS2）以及聚合物等[4-5]。近年来，固体自润滑材料越来越受到关注。这种材料不仅提供了低摩擦系数，而且提高了材质的耐磨性。目前，主流的工艺包括物理气相沉积（PVD）、热喷涂及电沉积等工艺[6]。由于单一材料涂层具有使用寿命短、附着力低等缺点，研究人员普遍开发复合材料，并使用类金刚石、MoS2和银等增强材料，对镍基、铜基和铬基材料进行改性，提高其力学性能及摩擦学特性[7-8]。

通过专利分析对具体技术领域的发展趋势进行研究，能够更深入地了解该技术领域的发展现状和竞争态势，这一方法已经被广泛应用于人工智能、汽车、材料和医学等多个行业[9-12]。目前，已经有学者运用专利分析方法研究润滑技术。例如，王昊[13]梳理了航空发动机润滑系统的专利发展历程，以及世界范围内的专利申请进展。池雪琴[14]分析了专利文献中碳纳米材料在润滑组合物中分散的方法。肖锦春等[15]分析了MoS2在润滑组合物技术领域的专利布局情况。韩强等[16]着重研究了镍基高温自润滑材料的全球专利申请状况，从主要申请人和目标市场国等角度探究了这一领域的发展态势。

然而，现有研究缺乏对于固体润滑技术进行专利分析并探究整个领域发展态势。incoPat 目前收录了全球158 个国家、组织和地区，包括中国、美国、日本、韩国等主要国家，收录的专利超过1.7 亿件[17]。通过对该数据库的专利信息进行检索和分析，能够较为全面地了解固体润滑技术在世界范围内的发展态势。因此，本文以固体润滑技术专利数据为研究对象，对incoPat 专利数据库中的相关专利进行检索，采用计量分析的方法，研究固体润滑技术的发展趋势及研究热点变化。检索策略为：TI= (固体润滑 OR (solid AND lubrica*) OR (self AND lubrica*)OR (lubrica* AND coat*) OR (lubrica* AND film) )AND IPC=(C10M OR C23C OR C10N OR C09D OR C22C OR C08L OR F16C OR C08K OR B22F OR B05D)。与此同时，本文重点关注2000 年以来的专利情况，截至本文检索时间，在数据库中检索得到全球2000 年以来申请的固体润滑技术相关专利共8,810 件，经incoPat 简单同族专利合并后，共得到5,358 项同族专利。本文对主要的技术类别及功效、不同国家专利申请状况、主要申请人及其技术领域布局等进行了介绍，梳理并分析了当前该领域的技术发展重点，为我国固体润滑技术的发展提供参考。

1 研究分析

1.1 固体润滑技术专利申请趋势

2000—2022 年，全球固体润滑技术领域的相关专利申请共计5,358 项，其申请趋势如图1 所示。如图所示，2000—2015 年，固体润滑技术相关专利申请呈现缓慢增长趋势。2016 年起，受中国申请量激增影响，固体润滑技术相关专利年度申请量显著增多。由于专利从申请到公开最长有18 个月迟滞，截至本文检索日，2021 年和2022 年的相关专利申请尚未全部公开，图中数据仅供参考。

图1 固体润滑技术专利申请数量趋势Fig.1 Patent application trend in solid lubrication technology

1.2 主要技术类别及功效

国际专利分类号（IPC）包含了专利的技术信息，通过对固体润滑技术领域相关专利所属的IPC 分类号进行统计分析，可以准确、及时地获取该领域相关专利涉及的主要技术领域和技术重点。

表1 列举了固体润滑技术专利申请量Top 10的IPC 分类号（大组），这些大组涵盖了5,025 项专利族。表1 可以看出，申请量最高的五个分类号为F16C33、C10N30、C10M169、C10N50 和C10N40，主要涉及轴承零件加工的特殊方法、润滑组合物改性、润滑复合材料、润滑混合物应用以及被润滑的材料上所用润滑剂的形态等。可以看出，在固体润滑技术专利中，有相当一部分专利着重于润滑材料在轴承零件加工领域的应用。这些专利重点研究润滑材料在轴承及其零件中的填充和制备工艺，使固体润滑材料在轴承中长期稳定并发挥优异的润滑作用。此外，针对润物材料本身的改性、复合以及使用后的形态也是关注的重点方向。

表1 固体润滑技术专利技术主题分布（申请数量TOP 10）Table 1 The key technology categories in solid lubrication technology (Top 10 categories of application amount)

图2 给出了固体润滑技术领域专利的主要功效。如图所示，固体润滑技术专利排名前5 的功效分别是光滑性、耐磨性提高、复杂性降低、寿命提高以及稳定性提高。通过提升光滑性和稳定性，固体润滑材料可以有效提升性能并且使其在运输、储存以及极端工况等使用过程中，能维持物理热稳定、化学热稳定以及时效稳定；而增加耐磨性和寿命，则可以提高材料的使用时间。

图2 固体润滑技术专利主要功效Fig.2 Main efficacies of solid lubrication technology patents

1.3 主要申请国家/地区

图3 展示了固体润滑技术领域中全球专利申请数量最多的国家/地区，中国、日本、美国的专利申请总数为4,681 项，占比87.4%。从图3 可以看出，中国是固体润滑技术相关专利申请最多的国家，而且远多于其他国家/地区。图4 进一步对比分析了中、日、美三国专利申请随年份变化的情况。从图4 中可以看出，在2006 年之前，中国和日本专利申请数量相差不大。但在此之后，中国专利申请量迅速增长，而其他两个国家专利申请量增长缓慢，部分年份甚至出现下降。因此，无论是从专利申请总数还是从专利申请增长趋势来看，中国在固体润滑技术相关领域处于国际主导地位。

图3 主要国家/地区固体润滑技术专利申请情况Fig.3 Main countries and regions of global patent applications insolid lubrication technology

图4 中日美三国固体润滑技术专利申请变化对比Fig.4 Comparison of patent applications in China, Japan, and United States in solid lubrication technology

通过观察各个国家专利IPC 分类号的占比，可以分析其专利技术专题布局上的差异。图5 是中、日、美三国固体润滑技术专利技术IPC 分类号（大组）占比。从图5 中可以看出，F16C33（轴承零件；制造轴承或其零件的特殊方法）、C10N30（润滑组合物特性的添加剂改进）以及C10M169（以润滑组合物的基料、增稠剂或添加剂中多成分混合物作组分为特征的润滑组合物）是各国主要技术类别。约有52.6%的中国专利、43.9%的日本专利以及59.0%的美国专利属于这3 个方向。此外，C10N40（润滑组合物的特定用途或应用）在日本相关专利中占比相对其他国家较大，而美国和日本在C10M125（以添加剂是无机材料为特征的润滑组合物）方向占比较高。

图5 中日美三国固体润滑技术专利技术布局Fig.5 Patent technology layout of solid lubrication technology in China, Japan, and United States

1.4 主要专利申请人

通过对专利申请人分析，可以得到该领域的主要技术研发力量和研发情况。本文对固体润滑技术领域的专利申请人进行了统计，通过人工核查、合并部分主要申请人，得到2000 年到2022 年专利申请量前10 的申请人。图6 给出了专利申请人专利申请随时间变化的情况，并根据申请人专利申请量，依次从上到下排列。从图6 中可以看出，固体润滑技术领域专利几乎被中国机构包揽。中国科学院以绝对优势排名第1，专利申请量为389 项（其中，中国科学院兰州化学物理研究所申请了327 项专利）；其次是日本NTN 公司（83 项）、武汉理工大学（78 项）、江苏大学（73 项）、日本帕卡濑精株式会社（54 项）、燕山大学（52 项）、东南大学（51 项）、福建龙溪轴承股份有限公司（48 项）、美国滚子轴承有限公司（39项）和安徽工业大学（37 项）。从专利申请人的类型来看，固体润滑技术领域的研发主力是高校和科研院所，在固体润滑技术领域10 个主要的专利申请机构中，高校和科研院所共占据了6 席，而且它们申请的专利数量也远超过其他企业。

图6 固体润滑技术主要专利申请人专利数量变化趋势Fig.6 Patent application tendency of Top 10 applicants in the global solid lubrication technology field

从专利申请时间变化情况来看，中国科学院从2015 年开始，专利申请量快速增多；日本NTN 公司排名第2，在过去20 年中持续有相关专利申请，但年度申请量一直不是很多；此外，武汉理工大学、江苏大学、福建龙溪轴承股份有限公司、安徽工业大学等机构在过去10 多年中也有持续有相关专利申请。

分析申请人专利IPC 分类号的占比，可以得到其专利技术布局上的差异。图7 展示了固体润滑技术主要专利申请人的IPC 分类号（大组）分布情况。从图中可以看出，F16C33 是大部分主要专利申请人的主要技术类别。中国科学院在C23C14（通过镀覆形成覆层的方法）、C08K3（使用无机物质作为混合配料）以及C22C1（有色金属合金的制造）方面做了较多布局。这3 个方向分别对应固体润滑涂层、复合固体润滑材料以及金属基自润滑材料。日本NTN 公司则主要集中在F16C33（润滑材料在轴承制造方面的应用）、C10N30（使用添加剂进行改性）、C10M169（润滑复合材料）、C10N50（润滑混合物应用）以及C10N40（被润滑的材料上所用润滑剂的形态）等方面。此外，福建龙溪轴承股份有限公司、燕山大学和美国滚子轴承有限公司都集中在F16C33，其专利技术主要包括轴承表面自润滑衬垫的加工方法、固体自润滑滑动轴承以及具有自润滑特征的密封件/槽的轴承系统等。

图7 固体润滑技术主要专利申请人的技术类别分布Fig.7 Patent technology layout of Top 10 applicants in the global solid lubrication technology field

1.5 主要专利发明人

统计分析专利发明人，可以发现该技术领域的主要研究团队和研究人员。图8 为固体润滑技术申请专利数量前10 的专利发明人。申请专利数量最多的发明人是刘维民，有47 项；周惠娣（40 项）、杨军（40 项）、陈建敏（40 项）、王齐华（39 项）、王廷梅（32 项）以及张斌（31 项）；这些研究人员均来自中国科学院兰州化学物理研究所。此外，孙志华申请了43 项专利，来自浙江长盛滑动轴承股份有限公司；李长生申请了36 项专利，来自江苏大学；邢佑强申请28 项专利，来自东南大学。

图8 固体润滑技术专利主要发明人Fig.8 Main inventors in the solid lubrication technology field

1.6 重点专利技术分析

incoPat 从技术稳定性、技术先进性和保护范围等角度对专利进行评价，并计算得出合享价值度。它考虑了专利类型、被引证次数、IPC 等参数，综合计算得出。因此依据专利申请的同族专利数量以及incoPat 的合享价值度等因素，表2 列出了固体润滑技术领域的部分重点专利。

表2 固体润滑技术领域部分重点专利列表Table 2 Part of key patents in the solid lubrication technology field

CN104736864B 公开了一种自润滑接头组件，可以在动态的高负载下操作并且包括组装在笼中的球形接头，这种球形接头能够容纳在其中滑动或旋转的轴。CN101983233B 公开了一种制备用于冷成形的金属工件的方法，该方法通过将润滑剂层施用到金属表面上而实施，其中该润滑剂层是通过将该表面与含水的润滑剂组合物接触来形成的，该润滑剂组合物含有至少一种水溶性的氧化物和硅酸盐，以及有机聚合物材料。KR101633005B1 公开了一种制备用于冷成型的金属工件的方法，该方法首先施加磷酸盐层，然后施加在具有润滑剂层的有机聚合物材料。所述磷酸盐层的主要成分是钙、镁或锰、硝酸以及磷酸的水溶液处理形成磷酸酯的混合物。CN106471075B 公开了一种润滑涂层组合物，包含分散介质以及分散在其中的固体颗粒。其中分散介质是沸点高于200 ℃的高沸点液体，而固体颗粒的粒径为5～300 μm。

2 结论与展望

本文对固体润滑技术领域开展了初步的专利统计分析，得出以下结论：（1）固体润滑技术是一个已经经过很多年发展的领域，但近年来，中国科研机构以及公司在该领域进行了大量的布局，涵盖了主要的技术方向，为该领域的研发与应用做出了贡献。（2）从研究主题上看，固体润滑技术主要集中于轴承零件加工的特殊方法、润滑组合物改性、润滑复合材料、润滑混合物应用以及被润滑的材料上所用润滑剂的形态等方向。（3）从专利产出来看，中国在固体润滑技术领域专利申请数量最多，处于优势领先地位。除中国以外，美国和日本也有一定数量的专利申请。（4）在专利申请人方面，中国科学院兰州化学物理研究所在固体润滑技术领域的专利申请最多，涉及的技术面也较宽。日本NTN 公司紧随其后，但主要集中于几个方向。（5）尽管我国专利数量远超过其他国家，但99%的现有专利均在国内申请，仅有几十项专利在其他国家或地区进行了申请。因此，在全球范围内的保护以及专利质量方面，仍具有较大进步空间。（6）依据专利申请的同族专利数量以及合享价值度评估，我国大部分专利价值不高，这可能是由于我国大部分专利申请时间不长，尚未被大量引证，以及大部分专利仅在国内申请等因素。

目前，我国自主研发的润滑技术和材料在航天领域得到大量应用，但对于支撑高端制造业发展的润滑剂、润滑脂等核心材料，其相关设计理论、制备技术、应用技术等仍存在较多难题[18]。从前述专利统计分析来看，全球固体润滑技术领域的重要专利申请人和发明人基本集中在我国，对我国产业发展而言可以视为一个机遇。我国相关研究机构和企业应积极发挥不同主体的优势形成创新合力。加大产学研合作的力度，以企业为纽带加强创新链分工协作，提升科研成果的转移转化成效。与此同时，还应该提升专利文本的撰写质量，并且效仿国际公司更加注重知识产权保护，积极开展海外布局。

利益冲突声明

所有作者声明不存在利益冲突关系。