由专利申请态势看金刚石产业发展

付继光， 李银锁

(国家知识产权局, 北京 100088)

1 产业和技术现状

金刚石又名钻石，是世界上已知最硬的物质。金刚石包括天然金刚石和人造金刚石，具有硬度高、耐磨和热稳定性好等特性，在超精加工中应用广泛[1]。在20世纪中叶之前，人们一直停留在开采和使用天然金刚石的阶段，随着人造金刚石的问世，金刚石材料及金刚石工具在工业应用中迅速发展。21世纪初以来，随着我国在设备、技术、原料合成领域的突破，国内人造金刚石产量迅速增长。

金刚石等超硬材料是一国制造业发展的重要支撑，是整个制造业发展的重要基础与先导。作为迄今硬度最高的材料，金刚石材料“无坚不摧”并且“坚不可摧”，在加工目前航空航天、海洋工程、汽车、机械、光伏等领域中的代表性材料如高温合金、钛合金、不锈钢等方面具有极为明显的优势，其加工效率、加工损耗、能源损耗和加工精度都远优于以往的硬质材料，其整个发展史正是对以往硬质材料的替代史。从这一意义上讲，金刚石材料的发展是制造业升级发展的重要保障[2>-3]。

一条金刚石材料的完整产业链自上而下依次为原辅料-材料制备-材料制品-应用。其中原辅料和金刚石材料制备是整个产业链的上游，原辅料包括基本的原料、传压介质和触媒，材料制备依照合成的先后顺序还可以被进一步的细分为单晶、微粉、聚晶和膜。金刚石材料制品是整个产业链的中游，主要包括磨具、钻进工具、锯切工具、刀具和拉丝模等。下游的应用领域涵盖了制造业、建筑业和勘探采掘业等，几乎包含了9成以上的工业领域。由此，整个超硬材料产业链可以被简化表述为上游材料-中游制品-下游应用。整个超硬材料产业的技术要求自上而下依次递增，由此带来的产业附加值和盈利能力也依次递增。从2017年上半年产品出口市场看，中国的金刚石、金刚石锯片达到了世界先进水平，砂轮及刀具类产品尚未打开国际市场，创新发展空间巨大[4]。

下面拟从专利统计的视角，对金刚石材料及制品的相关专利申请进行分析，并结合专利申请态势的历史演变对行业的发展进行总结。

2 专利申请态势分析

2.1 全球专利申请态势

截止到2017年底，检索得到全球范围内公开的金刚石材料及制品(以下简称金刚石)相关专利申请量共计25 149项。通过统计其年代分布状况，并对历年专利申请量按照申请人的国籍进行区分，得到图1。按照专利申请所涉及的技术主题进行统计，得到图2和图3。

图1表明金刚石全球专利申请的发展大致经历了奠基、发展、成熟和爆发4个时期。奠基期是1955-1968年，美国的GE公司最先申请了第1件金刚石材料的专利，奠定了金刚石材料和制品发展的基础。这一阶段专利申请数量较少，年专利申请量只有零星几项，并且基本垄断在美国等西方国家的申请人手中。发展期是1969-1991年，随着人造金刚石和金刚石工具制造技术的不断进步完善，不少发达国家开始鼓励和支持用金刚石取代碳化硅和刚玉等传统磨料，并投入大量的人力和物力进行研发，专利申请量也开始快速增长，日本、美国和欧洲的专利申请量均呈现出增长的态势，特别是日本，其年均专利申请量远超其他国家和地区，体现出明显的主体地位。成熟期是1992-2000年，这一阶段属于金刚石材料全球格局的调整期，表现为专利申请量增速的放缓和优势地区的调整，其中美国和欧洲的专利申请量仍较为稳定，中国开始初露矛头，而日本则受其国内经济回落的影响，开始呈现下降的趋势。爆发期是2000年以后，中国迅速崛起成为全球制造业中心，美国、欧洲在其掌握新技术的基础上，也不断研发、创新，开拓新的技术和经济增长点，这些国家都把专利保护纳入与技术发展并行的轨道，在此背景下，全球金刚石专利申请增长迅猛，进入高速增长的阶段。后面将会对这4个阶段作更为详细的介绍。

图1 金刚石全球专利申请趋势

图2为全球金刚石专利申请的技术主题分布情况。金刚石专利申请主要分为金刚石材料和金刚石制品2大部分，其中金刚石材料主要包括微粉、膜、单晶和聚晶，而金刚石制品则主要包括拉丝模具、刀具、钻具、锯切以及磨具等。由图2可知：相对于金刚石材料，金刚石制品构成了金刚石专利申请总量的主体，其占比达到了86%，表明了全球主要国家和地区无一例外的重视高附加值的下游产品即金刚石制品的研发和专利保护，各地区金刚石制品的比例均达到了70%以上。

图2 全球及主要申请国家(地区)金刚石专利申请技术主题分布

表1和表2则进一步给出了各个国家和地区中金刚石材料和金刚石制品的专利分布情况。从中可以看出：在材料研发方面，全球主要国家和地区发展的侧重点并不相同，日本在金刚石膜的研究上独占鳌头。金刚石膜主要应用于高端的电子、航天航空领域，日本在此投入大量资金研发与其发达的电子科技和信息工业密切相关。美国在聚晶领域的研发上占据优势，而中国的研发重点则是单晶材料，各主要国家和地区对于技术难度相对较低的微粉材料均研究较少。在制品应用方面，日本在刀具和磨具领域优势明显，而美国则在钻具领域上独树一帜，而中国在锯切方面的研究则相对较多，这也与近些年我国金刚石制品的出口以金刚石锯片为主的情况相吻合。

表1 主要申请国家(地区)金刚石材料专利申请技术主题分布

表2 主要申请国家(地区)金刚石制品专利申请技术主题分布

2.2 中国专利申请态势

截止到2017年底，检索得到在中国提交并公开的金刚石专利申请量共计4847件。通过统计其年代分布，并对历年专利的申请量按照申请人的国籍进行区分，得到图3。根据申请人申请总量进行排名得到图4。

图3 金刚石中国专利申请趋势

图3显示：中国金刚石专利申请的发展大致经历了3个阶段。1985-2000年属于中国金刚石专利的萌芽期，其中郑州磨料磨具磨削研究所有限公司作为我国首个合成人造金刚石的综合性研究机构，最早于1985年提出采用高温高压法制备聚晶金刚石的专利申请(公开号为CN85106509A)，同年就有外国的专利申请人GE公司和元素六公司开始在中国提交有关金刚石的专利申请。而2001-2008年属于中国专利申请的动荡发展期，国内企业申请专利的热情开始增加，其中中南钻石股份有限公司在2001年实现触媒粉末化技术的重要突破，并于2002年申请了关于“一种合成高品级金刚石的触媒结构”的专利申请(公开号为CN2553882Y)，郑州华晶金刚石股份有限公司在2003-2007年对六面顶压机的大型化研制成功，并在这一时期申请了多项专利，带动了中国金刚石产业的发展。而2009年至今则属于中国金刚石专利申请的高速发展阶段。得益于前期的技术积累和国家、地方政府对金刚石产业的大力支持，使得中国金刚石的专利申请量迅速攀升，并于2016年达到年申请量在1000件以上，包括中南钻石有限公司、郑州华晶金刚石股份有限公司、河南黄河旋风股份有限公司、富耐克超硬材料股份有限公司等在内的许多国内企业提出了更多的专利申请，同时国外申请人例如元素六、日本住友公司、GE公司和贝克休斯公司等在中国的专利布局也更为积极。

图4 金刚石中国专利申请申请人排名

3 专利申请态势演变与产业发展

由上述专利统计分析数据可知，金刚石在全球和中国范围内的申请态势的演变都与产业的发展和产业格局的演变密切相关。根据图1所示的4个阶段所反映出的申请人、技术和地域分布的特点，并对各个阶段的代表性成果(以专利为主)做进一步的归纳和总结，得到金刚石专利申请态势演变特点如表3所示。

表3 金刚石专利申请态势演变特点

从表3中可以看出：美国作为该领域的最早奠基者，在20世纪50年代中期便由GE公司采用高温高压法首次合成人造金刚石，并且随后对金刚石加热的方式进行了改进，这些方法成为了今后工业化合成人造金刚石的基础方法，至今在合成的基础路径上并未出现大的革新，而仅在现有的合成工艺条件以及合成设备方面进行优化和改进。此后，以GE公司为首的美国多家企业又于20世纪60年代首次提出了聚晶金刚石的制备方法，将金刚石粉末与特定金属粉末混合后进行高温高压烧结，以解决当时大颗粒单晶匮乏的问题。随后，美国的克里斯坦森公司(后更名为贝克休斯公司)又将人造金刚石单晶和聚晶产品进一步用于石油钻具等金刚石制品[5]，而欧洲、日本和苏联的企业在GE公司的基础上，也开始研究和改进人工合成金刚石单晶和聚晶的工艺。

进入20世纪70年代，美国的GE公司又首次合成了金刚石聚晶复合片，并在聚晶合成的黏结剂、掺杂材料方面提出了诸多改进，包括美国、日本和欧洲在内的许多国家和地区的公司开始更多的关注金刚石材料在刀具、钻具和磨具等制品上的应用。进入80年代，金刚石绳锯第3代产品的成功研制和推广也极大地拓宽了金刚石在石材锯切领域的应用。与此同时，人造金刚石膜的合成技术开始取得重大突破，美国于1970年提出在Hg和氧气蒸汽的存在下氧化烃沉积金刚石膜的方法，一些具有丰富的化工产品生产经验的日本企业(例如住友、三菱)进入该领域，逐步完成了金刚石膜制备技术的工业化生产探索和生产经验积累，并逐渐成为该领域的技术研发和生产主体，并在20世纪80-90年代先后研发出微波等离子体、热丝等离子体、直弧等离子体等金刚石膜的制备工艺，使得金刚石膜的品质得到保障，奠定了日本企业在该领域长期的龙头地位。

进入90年代以后，随着技术的不断成熟和整个下游应用领域产业的推动，更多的大公司加入到金刚石领域的研发和专利申请队伍中，申请人的构成和国籍也更为多元化。受90年代日本经济大萧条和东南亚金融危机的影响，日本在这一时期虽仍占主体地位，但优势不再明显，各主要国家和地区对金刚石材料合成工艺的研究日益深入，从原料选择和处理、工艺流程、生产设备、后续纯化以及回收方面都积极展开了技术研发，生产技术日臻完善。与此同时，在金刚石制品方面，CAMCO、贝克休斯以及史密斯国际公司在金刚石钻具的热稳定性、倒角技术、表面抛光等方面深入研究，借此进一步加深了其在该领域的影响。而瑞典的山特维克则凭借其在刀具的研究和应用方面加强和巩固了其行业地位。

进入2000年以后，随着中南钻石和郑州华晶在实现触媒粉末化和六面顶压机大型化等一系列重要的技术突破，中国开始在单晶领域承接全球的产能转移。截至2011年，中国在人造金刚石单晶领域的产量已达110亿克拉，占全球总产量的90%。尤其是在2008年以后，得益于国家政策的支持和河南地区金刚石企业的集群效应，中国逐渐转变为该领域的专利申请主体，并由此引领全球金刚石专利申请迅速增长，进入了高速增长模式。

4 产业发展建议

通过上述分析可知，金刚石专利申请态势的演变与各个年代的产业发展特点、产业格局的演变状况高度一致。同时，该领域的技术进步状况也反映了产业快速发展的持续需求。通过解读全球范围内专利申请态势的演变，也可以为我国的产业发展提供一些借鉴：

(1)对重点但相对薄弱的技术继续加强研发投入。金刚石目前的合成技术已经较为成熟，技术扩散速度加快，产业逐渐向中国转移，未来围绕产业链的控制和下游制品的应用将成为产业竞争的热点。我国的金刚石已经实现了全产业链的发展，其中在某些应用领域例如金刚石单晶和锯切制品领域，中国企业已经占据了世界领先地位。但是也应该意识到，上述应用领域有限，产品的附加值较低，在更具应用前景的聚晶材料及其下游制品的研发上，我国与美、日、欧等国家的企业相比，还有一定的差距。而纵观金刚石技术的发展历史，日本企业正是在吸收消化美国早期技术的基础上，通过对工艺的深度开发和完善而由此形成了自身在该领域的长期垄断地位。因此，作为后进者的中国企业，在技术发展和创新上要放眼全球，不断了解和跟进国外的技术发展，持续加强自主研发投入，对于高性能单晶、聚晶材料，从新的角度进行挖掘和探索，进而将其应用到更为高精尖的技术领域，以产生更大的应用价值。

(2)积极适时开展海外的专利布局。目前，中国企业的专利申请基本还是集中于国内，国内的市场空间虽然很大，但是也面临着来华外企的激烈竞争。为了寻求长远发展，企业应该把目光放远，将那些有需求，但资料缺乏、技术发展不足的国家和地区作为发展的目标市场，及早作好专利布局，以便在这些国家和地区形成知识产权优势。正如该领域的产业格局正逐渐由曾经占据主导地位的日本向中国进行转移，随着产品竞争的加剧、技术的扩散和消费市场在全球范围内的扩张，也必然会催生出进一步的产业转移动力。而适时进行海外产业布局，并提早进行专利布局，以维持其长久的竞争力，也是值得目前国内企业思考的内容之一。

(3)适度引导跨区域的产学研结合。目前，我国的各个研究机构和高校也对金刚石材料和制品进行了广泛深入的研究，尤其是在高品质的金刚石单晶、金刚石膜以及纳米金刚石方面，我国的发展步伐甚至处于较为领先的地位，具备一定的技术优势，而我国的金刚石企业主要集中在河南，这些企业在合成原料和设备上均具备天然的成本优势。因此，在产学研结合各方面条件都非常充分的情况下，如果有一定的政策来扶持国内企业与研究机构和高校的开发合作，相信一定能够在国内金刚石产业产生新的突破，从而形成良性循环，有利于整个金刚石产业的整体发展和经济效益的最大化。