基于專利分析的PCD超硬刀具發展態勢研究

郭文娟，劉玉琴，孫 源，葉 茂

(1. 中國科學院武漢文獻情報中心，湖北 武漢 430070)(2. 北京印刷學院新聞出版學院，北京 102600)

1 前 言

硬度明顯高于硬質材料的一類材料稱為超硬材料[1]。目前使用的超硬材料主要包括金剛石和立方氮化硼及以其為主材制成的復合材料[2]。超硬材料具備優異的力學、光學、電學、熱學、聲學和生物學等性能，因此享有“材料之王”的美譽[2, 3]。

隨著航空航天、汽車、能源工業的發展，大量高性能新型材料涌現出來，如硅鋁合金、纖維增強復合材料等，這些高性能新型材料的切削加工需求推動了超硬刀具材料的發展。用超硬材料制作的刀具具有硬度高、耐磨性和熱穩定性好等特點，可以實現高速、高效和高精度加工。其中，聚晶金剛石(PCD)超硬刀具因其良好的加工質量和加工經濟性在非金屬材料、有色金屬及其合金材料、金屬基復合材料等的切削加工領域顯示出其它刀具難以比擬的優勢，在超硬刀具領域的地位尤為重要，已被廣泛應用于汽車、航空航天、木材加工、電子及石油地質鉆探等多個領域[4]。

PCD是由金剛石微粉與結合劑在高溫高壓下燒結而成的，其耐磨性為硬質合金的100多倍、硬度為硬質合金的2～4倍、壽命為硬質合金的幾十至數百倍[5]。工業發達國家對PCD超硬刀具的研究開展較早，PCD超硬刀具的應用已比較成熟，在切削刀具中的應用比例約為10%。在國內，PCD超硬刀具的應用僅占約2%，相關產業仍以高速鋼刀具和硬質合金刀具為主[6]。

為了推動PCD超硬刀具在我國相關領域的應用，應該明確其技術熱點及競爭優勢，而以專利為突出代表的知識產權作為一種新興生產要素,在世界范圍內的產業競爭中發揮著越來越重要的戰略性作用。通過專利分析，可以識別全球PCD超硬刀具領域的技術熱點，分析主要專利權人的專利布局，獲取其技術領域動向，從而全面掌握PCD超硬刀具領域的競爭格局。

2 數據來源與檢索策略

本文采用德溫特專利數據庫(Derwent innovations index，DII)作為專利檢索工具，以PCD超硬刀具為主題，檢索策略為“TS=((PCD or PDC or “polycrystalline diamond”) and (tool or cutting or cutter or cutlery or blade))”，共檢索到相關專利4657件(檢索日期為2020年1月3日)。以ITGInsight[7]為文獻分析工具進行文獻計量分析，輔助使用excel進行統計分析。

3 總體態勢分析

3.1 專利申請態勢分析

圖1列出了全球PCD超硬刀具相關專利申請量的年度變化趨勢。該領域的專利申請最早出現在1963年，直到20世紀末專利申請量都不多。1963～1999年，PCD超硬刀具領域的專利申請量共642件，僅占歷年專利申請總量的13.8%。進入21世紀后，該領域的專利申請量逐年遞增，且增長速度較快，由此說明PCD超硬刀具的開發及應用越來越受到重視。PCD超硬刀具領域的專利申請量在2007年突破100件，在2015年則達到峰值(407件)。然而，近幾年該領域的專利申請量有所下降，出現這種回落趨勢的原因可能有兩種：其一，PCD超硬刀具相關技術逐漸進入成熟期；其二，新技術和新方法正在醞釀中。

3.2 技術生命周期分析

專利數據能評估技術生命周期，技術生命周期一般可分為5個階段，依次是萌芽期、發展期、成熟期、衰退期和復蘇期[8, 9]。通過對專利數量和專利權人數量進行時序變化分析，可以評估出PCD超硬刀具所處的技術生命周期階段，為企業進行前瞻性管理，同時為規劃如何使技術持續成長提供參考。

全球PCD超硬刀具的相關技術已走向成熟，且呈現出即將衰退的趨勢，如圖2所示。2005～2015年，專利申請量和專利權人數量都快速增長，處于快速發展期；2016年，專利申請量和專利權人數量都開始出現負增長，說明該技術的發展已瀕臨飽和。這表示在PCD超硬刀具領域，技術的老化可能正在導致一些企業因收益遞減而逐漸退出市場，該領域需要新的技術創新及產品創新。

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.圖1 全球范圍內PCD超硬刀具領域歷年專利申請量(單位：件)Fig.1 The number of patent applications worldwide in the field of PCD superhard cutting tools annually (Unit: Pieces)

圖2 PCD超硬刀具的技術生命周期圖Fig.2 Technology lifecycle diagram of PCD superhard cutting tools

4 區域布局分析

在PCD超硬刀具領域，全球專利受理量排名前10位的國家/地區的年度專利受理量趨勢如圖3所示?？梢钥闯觯?0世紀后期，美國、日本、德國等國在PCD超硬刀具相關領域的專利已有一定的受理量，而中國在此領域的專利受理量相對較少。進入21世紀以后，中國在PCD超硬刀具領域的專利受理量才開始出現大幅增加，且增幅和增速都遠超其他國家。從受理總量來看，中國以2407件位居世界第一，其次為美國(2016件)，世界知識產權組織(886件)、歐洲專利局(742件)、英國(443件)、日本(423件)緊隨其后。2018年，中國在PCD超硬刀具領域的專利受理量為318件，排名第二的美國的專利受理量僅為71件。

圖3 全球代表性國家/地區在PCD超硬刀具領域的年度專利受理量變化趨勢(單位：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)

一件專利可以在多個國家/地區申請，以期獲得更大范圍的技術保護，同時也要付出更多的申請和維持費用，這也成為眾多專利權人對高價值專利的保護策略。圖4是PCD超硬刀具領域相關專利在多個國家/地區間同時申請的情況，連線的粗細表示同時在兩個國家申請專利數量的多少，某一節點與外界連線的多少則表示該節點所代表的受理國受關注的廣泛程度。由圖4中連線的粗細可知，同時在美國和世界知識產權組織，以及同時在美國和歐洲專利局申請的專利數量最多，分別為728和628件；同時在美國和中國，以及同時在美國和加拿大申請的專利數量也較多，分別為404和392件；在其他國家/地區同時申請的專利數量則相對較少。由此可見，美國市場受到廣泛重視。雖然，在PCD超硬刀具領域中國的專利受理量比美國的多，但在吸引高價值專利方面中國與美國仍然差距顯著。

圖4 PCD超硬刀具領域相關專利同時在不同國家/地區申請的情況Fig.4 Situation of patents in the field of PCD superhard cutting tools simultaneously applied in different countries or areas

5 主要專利權人實力分析

全球PCD超硬刀具領域的主要專利權人如表1所示，專利申請量排名前10的專利權人中美國占據5席。美國史密斯公司(SMITH)及美國貝克休斯公司(BAKER HUGHES)的專利申請量相對較多，分別為334和282件；美國合成公司(SYNTHETIC)、盧森堡元素六集團(ELEMENT SIX)緊隨其后，專利申請量分別為246和196件。

表1 全球范圍內PCD超硬刀具領域的主要專利權人

專利申請量前20位的主要專利權人中，中國占據了8席，與美國相等。中國專利權人排名相對靠前的是西南石油大學(UNIV SOUTHWEST PETROLEUM)和中國石油天然氣集團有限公司(CNPC)，專利申請量分別位列全球第7和第8，另外6席分別是鄭州市鉆石精密制造有限公司(ZHENGZHOU DIAMOND PRECISION)、中國石油化工集團有限公司(SINOPEC)、中國石油大學(UNIV CHINA PETROLEUM)、河南四方達超硬材料股份有限公司(HENAN SF DIAMOND)、四川川石金剛石鉆頭有限公司(SICHUAN CHUANSHI DIAMOND)以及深圳市興沃實業有限公司(SHEENWORLD SHENZHEN ENTERPRISES)，排名依次是第12，13，17，18，19，20位。

綜上，美國在PCD超硬刀具領域的專利受理量雖然落后于中國，但美國專利權人的科研實力相對較強；中國專利權人同樣具備一定的科研實力，然而從單個專利權人的專利申請量來看，還有較大的進步空間。

6 研究熱點分析

6.1 研究熱點分布

基于ITGInsight技術的主題圖繪制功能[10]繪制了PCD超硬刀具領域專利研究的主題分布圖，得到了該領域的研究熱點。圖5中每個點表示一個技術熱點詞，根據顏色深淺度形成等高線，表示該詞出現的頻次高低與密集程度，等高線中心山峰區域表示一個技術主題聚類。因此，PCD超硬刀具的研究主要圍繞以下熱點詞：drill bit，polycrystalline diamond，bit body，polycrystalline diamond compact，pdc drill bit，cutting elements等。不難看出，熱點詞集中在drill bit，polycrystalline diamond，polycrystalline diamond compact，cutting elements等方面。

圖5 PCD超硬刀具領域專利研究的技術主題分布圖Fig.5 Descriptors distribution map for patent research in the field of PCD superhard cutting tools

6.2 研究熱點演化

主題演化分析有助于了解領域主題產生、消亡、增強、減弱、擴張和收縮的過程[11]，可作為技術新興趨勢探測方法之一。使用ITGInsight進行主題演化跟蹤，基本過程為：提取每個時間段的主題詞，統計各主題詞頻數，列出頻數較高的主題詞，依據頻數高低排序；計算各個時間段主題詞(或主題詞組)之間的同現關系強度，主題詞的同現關系作為上一階段與下一階段主題詞之間的關系強度，關系強弱依次用不同粗細的實線及虛線表示。

由PCD超硬刀具領域的技術主題演化圖(圖6)可以分析出，2012年，rotary drill bit 擴張為drill bit,polycrys-talline diamond及cutting element等，而diamond material,polycrystalline diamond material則收縮為polycrystalline diamond；2012年后，主題詞diamond particle幾乎消亡；2015年后，diamond table擴張為polycrystalline diamond,polycrystalline diamond compact等；2018年后，產生了新的主題詞polycrystalline diamond layer，而主題詞main body則幾乎消亡。

圖6 近10年PCD超硬刀具領域的技術主題演化圖Fig.6 Descriptors evolution diagram for the field of PCD superhard cutting tools in recent 10 years

6.3 基于主題詞的專利權人聚類

圖7是基于主題詞的專利權人聚類，通過聚類分析可以看出不同專利權人的技術側重和關聯，幫助科研人員了解PCD超硬刀具領域主要專利權人的技術動向。圖7中的節點代表專利權人，節點大小代表專利申請量的多少，每個聚類表示主題詞相同或相近的專利權人，節點之間的平面距離與主題詞之間的同現關系強度成正比。結合各專利權人技術主題分布的元數據，可以分析出，美國史密斯公司、美國貝克休斯公司、美國合成公司、阿聯酋哈里伯頓公司(HALLIBURTON)、美國金剛石創新中心(DIAMOND INNOVATIONS)、美國VAREL國際能源服務公司(VAREL)等關注領域相對類似，涉及的主題詞包括drill bit，bit body，polycrystalline diamond compact，cutting element；盧森堡元素六集團的主題詞與其他公司的重合度不高，與一些以個人為專利權人，如Lachmann，Nilsson等，申請的專利在研究領域上有部分重疊，涉及的主題詞包括polycrystalline diamond material，PCD material，super hard material，super hard structure等；此外，西南石油大學、中國石油天然氣集團有限公司、中國石油化工集團有限公司、中國石油大學、四川川石金剛石鉆頭有限公司、深圳市興沃實業有限公司等也有共同的研究領域，包括drill bit,drill bit body,drill bit main body,pdc drill bit,cutter wing等。

圖7 基于PCD超硬刀具領域主題詞的專利權人聚類Fig.7 Patentee clusters based on descriptors in the field of PCD superhard cutting tools

7 核心專利識別

一個企業是否具有很強的創新能力，其中一個重要判據在于企業在所從事的領域是否擁有核心技術，而擁有核心技術的標志就是“核心專利”[12]。目前，核心專利還沒有一個統一的、公認的定義。在國外，核心專利一般指基礎專利、基本專利或高價值專利[13]。本文選取在多個國家享有專利權、受到多地域保護的專利作為核心專利，綜合考慮專利家族被引次數及權利要求數量等指標，挑選出了PCD超硬刀具領域的15件核心專利，如表2所示。

表2 PCD超硬刀具領域的部分核心專利

續表

核心專利的挖掘，對科研人員及管理決策者識別潛在競爭對手和發現專利權人的技術實力有重要的參考價值，對科研單位的專利布局和專利攻防戰略制定具有重大意義。從專利的有效性來看，美國通用電氣公司(GENERAL ELECTRIC)、盧森堡元素六集團、美國史密斯公司等公司的部分專利顯示無效，而這類國際巨頭的失效專利仍具有相當大的市場前景，且成本低廉，充分利用這些失效專利將有利于國內企業實現技術創新；而且，了解有效核心專利也能避免專利侵權。

此外，涉及到訴訟案件的專利都是技術含量高、價值大的專利，因此專利訴訟也是識別核心專利的重要指標之一[14, 15]。表3顯示的是PCD超硬刀具領域涉及到專利訴訟的專利。第1例和第2例專利訴訟案件，原告都是英國REEDHYCALOG 公司，被告都是美國金剛石創新中心。REEDHYCALOG公司認為金剛石創新中心對外出售了侵權的PCD超硬刀具，案件涉及到若干件同屬一個擴展專利族的專利，包括US6585064B2和US6601662B2。第3例專利訴訟案件，原告是阿聯酋哈里伯頓公司，被告是美國WEATHERFORD公司和英國BJ石油服務公司，案件涉及到的產品包括阿聯酋哈里伯頓公司的“FracGuard series composite bridge plugs”和“FracGuard series composite frac plugs”，以及BJ石油服務公司的“Python composite bridge plug”。以上案件涉及到的專利均可作為PCD超硬刀具領域的核心專利。

表3 PCD超硬刀具領域的專利訴訟案件

8 結 論

通過對PCD超硬刀具進行專利分析，可以得出以下結論：

(1)從德溫特專利數據庫中檢索到全球PCD超硬刀具領域的相關專利共4657件。對該領域的研究始于20世紀60年代，進入21世紀后專利申請量才出現顯著增長。從技術生命周期圖可以看出，PCD超硬刀具的發展已經進入成熟期，且有衰退的趨勢。

(2)從專利的受理國家/地區來看，中國以2407件的受理量位居全球第一，其次為美國，受理量為2016件。20世紀后期，中國在PCD超硬刀具領域的專利受理量不如美國、日本、德國等國，但進入21世紀后，專利受理量出現激增，增幅和增速都遠超其他國家。此外，該領域同時在美國和世界知識產權組織，以及同時在美國和歐洲專利局申請的專利數量最多，其次為同時在美國和中國申請的專利數量。

(3)從主要專利權人來看，美國專利權人在PCD超硬刀具領域的科研實力相對較強，其中美國史密斯公司及貝克休斯公司的專利申請量相對較多。然而在PCD超硬刀具領域的前20位主要專利權人中，中國占據了8席，其中西南石油大學和中國石油天然氣集團有限公司的專利申請量排名進入前10。

(4)從技術主題分布來看，熱點主題集中在drill bit，polycrystalline diamond，polycrystalline diamond compact，cutting elements等方面；從技術主題演化來看，近兩年出現了新的主題詞polycrystalline diamond layer，而main body，diamond particle等主題詞則幾乎消亡；通過分析專利權人的專利布局，獲取了主要專利權人的技術領域動向，發現美國的史密斯公司、合成公司、金剛石創新中心以及VAREL國際能源服務公司等的研究領域有很多相似之處，而盧森堡元素六集團則與這些公司的研究領域有所不同。