基于德温特专利数据的低维纳米碳材料发展态势文献分析

张静端，姚静，荣海琴（东华大学图书馆，上海 200051）

产品与市场

基于德温特专利数据的低维纳米碳材料发展态势文献分析

张静端，姚静，荣海琴
（东华大学图书馆，上海 200051）

富勒烯、碳纳米管和石墨烯等低维纳米碳材料为近年来纳米材料和纳米技术领域的研究热点。本文以 3种典型的低维纳米碳材料为研究对象，通过对德温特（Derwent）专利数据库收录的从2005—2015年专利受理数量、国家分布、专利权人名称、学科类别及国际专利分类代码等相关信息进行分析，发现近年来研发人员更加关注石墨烯，对碳纳米管和富勒烯的关注度在逐渐下降。经过对全球低维纳米碳材料技术创新现状与发展趋势的分析，指出我国低维纳米碳材料在进一步发展中还存着研发领域发展不均衡、缺乏全方位发展战略的整体布局研究、技术成果不能顺利转化、经费投入偏低等问题，并针对以上问题提出了建设性意见，以期为我国低维纳米碳材料相关领域的技术创新和决策提供参考。

德温特专利数据；低维纳米碳材料；纳米材料；纳米技术；专利分析；数值分析；发展态势

专利信息与情报是集技术、商业和法律信息于一体的独特信息源，它能反映最新的科技发明、创造和设计，其所包含的科技信息中有80%未被公开，是非常重要的科技情报信息源。德温特专利情报数据库简称 DII（Derwent Innovations Index）是由DWPI（Derwent World Patents Index，德温特世界专利索引数据库）和PCI（Patents Citation Index，专利引文索引数据库）两个部分组成。它是Thomson Reuters科技与医疗集团推出的世界专利索引数据库，是世界上最全面的国际专利信息数据库，在全球享有盛誉［1］。数据库收录来自全球41个专利机构的专利情报，涵盖100多个国家和地区，其中，中国的实用新型专利信息超过1800万条，基本发明专利也达3890多万条［2-4］。

目前，许多学者利用专利情报数据库研究一些热点问题或某种单一材料。本文基于DII数据库，在2005—2015年文献资料分析的基础上，主要以富勒 烯 （ fullerene）［5］、 碳 纳 米 管 （ carbonnanotube）［6-9］、石墨烯（graphene）［10-11］为代表的低维纳米碳材料作为研究对象，采用由浅到深的分析思路，通过从2005—2015年间的专利受理数量、国家分布、专利权人名称、学科类别及国际专利分类代码等相关数据，对全球低维纳米碳材料及其相关技术的整体发展态势、研发格局及学科分布等进行分析，客观展现该学科的技术创新现状与发展趋势。经过研究、分析，明确提出了低维纳米碳材料在进一步发展中还存在的问题并提出建议，以期为我国低维纳米碳材料相关领域的技术创新和决策提供参考。

材料学科是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能以及它们之间的相互关系，它是集物理学、化学等多种学科于一体的应用学科，是人类赖以生存和发展的物质基础。材料根据维数可以将其分为零维材料、一维材料、二维材料及三维材料。通常人们把零维、一维和二维材料称为低维材料，它们是一类新型无机材料，是材料学科研究的前沿领域之一。低维纳米碳材料的主要表现形态分别是碳纳米粒子（代表形式为富勒烯）、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管（代表形式总称为碳纳米 管）［6，12-13］以及碳纳米单层（代表形式为石墨 烯）［10-11，14］。低维纳米碳材料的涵盖范围包括 1985年由英国化学家KROTO等［5］首次制备得到的富勒烯（C60）、1991年日本科学家饭岛澄男等［6］发现的碳纳米管，以及2004年由英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆（Andre GEIM）［10］首次制备得到的石墨烯等。其中，KROTO等和安德烈·海姆因富勒烯和石墨烯的发现，分别在1996年和2010年被授予诺贝尔奖。因为石墨烯［15-16］具有独特的结构，集诸多优异的特性于一身，所以引发了世界科学家的研究热潮，迅速成为多学科的热门研究主题之一。

1　以富勒烯、碳纳米管、石墨烯为代表的低维纳米碳材料数据分析

1.1低维纳米碳材料受理专利数量的年度变化及整体发展分析（2005—2015年）

图1展示了低维纳米碳材料富勒烯、碳纳米管、石墨烯在 2005—2015年间专利受理数量及各类合计数量，（因专利数据入库时滞关系，数据统计到2015年11月份，小部分数据未被统计，所以相关数据仅供参考）。

根据德温特专利情报数据库的统计结果，从图1可看出，2005—2015年富勒烯专利受理数量总计为 4654件，碳纳米管专利受理数量总计为 19072件，石墨烯专利受理数量总计为17046件。

图1　专利受理数量

富勒烯受理数量多数年份都在每年 500件以内，仅在2013年和2014年分别为502件和525件，到了2015年又下降为410件。通过其专利受理数量变化可发现它整体发展趋势基本平缓，可以推测富勒烯自1985年被发现至今近30年的研究过程中，由于种种原因，一直停留在基础研究状态，研究者的关注程度不高。

碳纳米管的受理数量从 2005—2009年一直处于上升的趋势，2009—2013年趋于平稳发展，从2013年开始逐步下滑，详见图1。可以推测碳纳米管从1991年被发现至今20多年的研发过程中，从基础研究阶段到现在经历了一个迅速发展阶段之后，就直接进入了衰退期。

石墨烯的研究在 2005—2007年间发展较为缓慢，专利受理数量没有明显增长，说明还停留在基础研究阶段；2007年和2008年两年间专利受理数量略有增长，直到2009年才出现了实质性的大幅增长。特别从2010年开始，专利受理数量呈现出直线上升趋势，表明其相关专利技术的研发进入了快速发展轨道。石墨烯从2004年被发现至今也就11年，尽管其产业化发展前景还未成熟，但根据其近5年的直线上升势头，可以断定其发展前景和应用领域方兴未艾。

1.2低维纳米碳材料主要专利受理国家/地区年度变化分析（2005—2015年）

通过表1可以看出，早在20世纪80年代，富勒烯的研发在日本、美国轰轰烈烈，自2005—2015年日本富勒烯的受理数量是2086件，为全球之最；美国富勒烯的受理数量是1560件；中国的受理数量是1190件；韩国的受理数量是968件。20世纪90年代，日本科学家发现了碳纳米管，世界各国学者研究碳纳米管的热情非常高涨。自2005—2015年中国碳纳米管的受理数量是6999件，为全球之最；美国的受理数量是6518件；日本的受理数量是5839件；韩国的受理数量是4763件。自从2004年石墨烯被发现以来，全球学者非常关注。从2005—2015年中国石墨烯受理数量达10048件，为全球之最；美国的受理数量是4307件；韩国的受理数量是3534件；日本的受理数量是1649件。通过以上数据分析可以发现，在低维纳米碳材料的研究领域美国、日本起步很早。近年来日本在石墨烯相关专利受理数量方面上升较为缓慢，被中国、美国和韩国先后超越。特别指出的是，中国受理石墨烯的相关专利大都集中在近几年，发展速度迅猛，跃居全球第一；中国、美国专利受理的合计数为14355件，其合计受理数量占到全球受理总量20745件的69%，韩国、日本紧随其后。

1.3低维纳米碳材料专利权人名称分析（2005—2015年）

1.3.1富勒烯专利权人名称分析

根据表 2德温特专利情报数据库统计结果发现，从2005—2015年间富勒烯技术的专利权人名称包括了4654家企业、研究机构、大学和个人。位于前三的分别是：日本住友化学有限公司、日本三菱化学株式会社、日本富士公司。通过统计资料分析发现，富勒烯排名前10的研究机构中7名是日本研究机构，日本研究机构的受理量为527件，占受理总量的11.34%，这也反映了日本在这一研究领域的集团优势，因此，富勒烯技术的研究热点集中于亚洲的日本。

1.3.2碳纳米管专利权人名称分析

根据表 3德温特专利情报数据库统计结果分析，从2005—2015年间碳纳米管技术的专利权人名称包括了19353家企业、研究机构、大学和个人。表3给出了碳纳米管排名前10的专利权人。另外从表3可以看出，虽然中国鸿海精密工业公司为1209件，排在第一，但是由于中国清华大学的拼写不同，被分为两部分，分别为679件和610件，实际上清华大学合计数量为1289件，是真正的第一名；第二名是鸿海精密工业公司；第三名是鸿富锦精密工业深圳有限公司。中国名列前四位的研究机构专利受理量为3074件，占受理总量的15.89%，韩国的研究机构紧随其后，研究量为650件，占受理总量的3.37%。从以上分析可以看出中国在碳纳米管技术领域的科研实力和卓越贡献。

1.3.3石墨烯专利权人名称分析

根据表 4德温特专利情报数据库统计结果分析，从 2005—2015年间石墨烯技术的专利权人名称包括了17109家企业、研究机构、大学和个人。表4中给出了石墨烯排名前10的专利权人，中国海洋景照明科技有限公司的专利受理数量为320件，占受理总量的1.87%，位居第一；韩国三星电子有限公司专利受理数量为312件，占受理总量的1.82%，位居第二；中国深圳海洋景照明科技的专利受理数量为257件，占受理总量的1.50%，位居第三。值得注意的是，石墨烯技术经过近十年的发展，中国的研究机构厚积薄发，前10名专利受理量共计2098件中，中国的受理量为1449件，占前10名受理总量的69%；在排名前10的专利权人中，中国有7名，其中包括4所高校和3家科技公司。通过以上研究发现，中国高校是该研究领域的主角，其次是科技公司；同时从另一个角度也反映出中国在该研究领域的科研实力及国家对该学科的支持力度。

表1　专利受理国家/地区　　单位：件

表2　富勒烯专利权人名称

表3　碳纳米管专利权人名称

表4　石墨烯专利权人名称

1.4低维纳米碳材料的学科分布分析（2005—2015年）

根据德温特专利数据库的统计结果，表5～表7展示了低维纳米碳材料从 2005—2015年学科分布的变化情况。

1.4.1富勒烯的学科分布分析

从表5可以看出，富勒烯在化学学科受理数量为4431件，占受理总数量的95.21%，位居第一；工程学科受理数量为 3617件，占受理总数量的77.72%，位居第二；仪器仪表学科受理数量为2651件，占受理总数量的56.96%，位居第三；高分子学科受理数量为2392件，占受理总数量的51.40%，位居第四；能源和燃料受理数量为1456件，占受理总数量的31.29%，位居第五。

1.4.2碳纳米管的学科分布分析

从表6可以看出，碳纳米管在化学学科受理数量为17406件，占受理总数量的89.94%，位居第一；工程学科受理数量为 15127件，占受理总数量的78.16%，位居第二；仪器仪表学科受理数量为11159件，占受理总数量的57.66%，位居第三；高分子学科受理数量为9197件，占受理总数量的47.52%，位居第四；能源和燃料受理数量为4072件，占受理总数量的21.04%，位居第五。

1.4.3石墨烯的学科分布分析

从表7可以看出，石墨烯在化学学科受理数量为14451件，占受理总数量的84.46%，位居第一；工程学科受理数量为 12140件，占受理总数量的70.96%，位居第二；仪器仪表学科受理数量为8053件，占受理总数量的47.07%，位居第三；高分子学科受理数量为7457件，占受理总数量的43.59%，位居第四；能源和燃料受理数量为3983件，占受理总数量的23.28%，位居第五。

通过以上数据研究发现，以富勒烯、碳纳米管、石墨烯为代表的低维纳米碳材料的主要学科分布前10排名基本一致，前5排名次序完全相同，依次为：化学、工程、仪器仪表、高分子、能源和燃料，这就说明其研究、应用领域的一致性。

1.5国际专利分类代码分析（2005—2015年）

国际专利分类代码包含了专利的技术信息，是根据 1971年签订的《国际专利分类斯特拉斯堡协定》编制的《国际专利分类表》，又称为IPC分类，是目前唯一国际通用的专利文献分类和检索工具，为世界各国所必备。IPC采用了功能和应用相结合，以功能性为主、应用性为辅的分类原则，采用等级的形式通过逐级分类将技术内容注明，形成完整的分类体系（例如：部-分部-大类-小类-大组-小组）。人们可以依据某种产品的国际分类，很快检索出本产品所属技术领域的专利信息。

表5　富勒烯学科类别

表6　碳纳米管学科类别

表7　石墨烯学科类别

通过对低维纳米碳材料国际专利分类代码及相关专利数据进行分析，可以了解、分析其专利主要涉及的技术领域和技术重点（注：一个专利［族］会涉及多个IPC分类号，所以各分类号的专利数量会有部分重叠）。

根据德温特专利数据库的统计结果，表 8～表10显示了低维纳米碳材料从2005—2015年间国际专利分类代码的变化情况（因专利数据入库时滞关系，数据统计到2015年11月份，因此小部分数据未被统计，相关数据仅供参考）。

1.5.1 富勒烯的国际专利分类代码分析

从表8可以看出，富勒烯国际专利分类代码变化是：国际专利分类代码C01B-031/02的记录数是760件，占受理总量的16.33%，位居第一；国际专利分类代码H01L-051/42的记录数是692件，占受理总量的 14.87%，位居第二；国际专利分类代码C01B-031/00的记录数是 382件，占受理总量的8.21%，位居第三。表 8列出了富勒烯专利受理量不少于200件排名前10的专利技术领域及其受理情况。通过以上数据的研究分析发现富勒烯专利技术主要集中在以下几个方向：

（1）用于碳及其化合物的制备，主要分类号包括C01B-031/02、C01B-031/00等；

（2）用于制备半导体器件及电子固体器件，主要分类号包括 H01L-051/42、H01L-051/00、H01L-051/46、H01L-051/30等；

（3）用于复合材料的制备和加工，主要分类号包括C08K-003/04、C08G-061/12等；

（4）通过操纵单个原子、分子或作为孤立单元的极少量原子或分子的集合而形成的富勒烯纳米结构及其制造或处理，主要分类号包括B82B-003/00、B82Y-030/00等。

表8　富勒烯国际专利分类代码

1.5.2碳纳米管的国际专利分类代码分析

从表9可以看出，碳纳米管国际专利分类代码C01B-031/02的记录数是 4092件，占受理总量的21.14%，位居第一；国际专利分类代码B82B-003/00的记录数是2155件，占受理总量的11.14%，位居第二；国际专利分类代码C08K-003/04的记录数是1606件，占受理总量的8.30%，位居第三。通过对碳纳米管相关专利数据进行基于IPC的统计分析，可以了解、分析碳纳米管专利主要涉及的技术领域和技术重点。表9列出了碳纳米管专利受理量不少于500件排名前10的专利技术领域及其受理情况。可以看出，碳纳米管专利技术主要集中在以下几个方向：

表9　碳纳米管国际专利分类代码

（1）碳纳米管用于碳及其化合物的制备，其主要分类号包括C01B-031/02、C01B-031/00等；

（2）碳纳米管用于超微结构的制造或处理，其主要分类号包括B82B-003/00、B82B-001/00等；

（3）碳纳米管用于复合材料的制备加工及使用无机配料，其主要分类号包括C08K-003/04、C08K-007/00等；

（4）碳纳米管用于制备材料和表面科学中的纳米材料，其主要分类号包括 B82Y-040/00、B82Y-030/00等。

1.5.3石墨烯的国际专利分类代码分析

从表10可以看出，石墨烯国际专利分类代码为C01B-031/04的记录数是2954件，占受理总量的17.27%，位居第一；国际专利分类代码C01B-031/02的记录数是1735件，占受理总量的10.14%，位居第二；国际专利分类代码B82Y-030/00的记录数是1293件，占受理总量的 7.56%，位居第三；表 10列出了石墨烯专利受理量不少于 300件排名前 10的专利技术领域及其受理情况。可以看出，石墨烯的专利技术主要集中在以下几个方向：

（1）石墨烯主要用于碳及其化合物的制备（如氧化还原法、沉积法等），主要分类号包括C01B-031/04、C01B-031/02等；

（2）石墨烯可以通过气态化合物分解来制备，表面材料的反应产物无留存于镀层中的化学镀覆法制备及使用无机配料来制备，其主要分类号包括C23C-016/26、C08K-003/04等；

（3）石墨烯还可用于超微结构材料的制造处理及表面科学中的纳米技术，主要分类号包括B82B-003/00、B82Y-030/00、B82Y-040/00等；

（4）石墨烯通常用于制备电池电极导体及半导体器件、光电器件、有机固体器件及其材料，主要分类号包括 H01M-004/62、H01B-001/04、H01M-004/36等。

表10　石墨烯国际专利分类代码

2　结语与建议

从以上分析可以看出，在各方面的共同努力下，我国材料学科研究得到了较快速度的发展，在基础研究、应用技术与成果转化等方面均取得较好成绩，低维纳米碳材料的研发态势更是可喜，部分成果已经走向产业化，取得了良好的社会、经济效益［17-18］。通过以上分析、研究发现，近年来研发人员更加关注石墨烯，对碳纳米管和富勒烯的关注度在逐渐下降，从专利受理数量上来看虽然与发达国家差别不大，但科技成果的转化却相距甚远，同时低维纳米碳材料的进一步发展还存在以下问题。

（1）研发领域发展不均衡，缺乏全方位发展战略的整体布局研究。低维纳米碳材料是新兴交叉学科，涉及物理、化学工程、仪器仪表、高分子、材料、信息、生物和医药等几乎所有领域，是当今前沿科技领域的代表。我国低维纳米碳材料技术的研发大部分集中在化学、工程、仪器仪表、高分子学科，研究领域及多学科发展不够均衡，存在条块分割、研究方向过于分散问题，不同机构之间的跟踪研究、重复研究现象普遍存在，耗费人力、财力、物力。从源头上看，是缺乏全方位发展战略的整体布局。

（2）缺少基础工业的有效支撑。尽管在基础科学研究方面，我国低维纳米碳材料领域处于世界前列，但是，我国低维纳米碳材料的综合发展水平和发达国家相比差距还很大。由于缺少基础工业的有效支撑，与未来技术密切相关的低维纳米碳材料加工工艺、器件生产、新能源加工等环节相对薄弱，如果不能尽快改善，这种差距可与日俱增。

（3）产、学、研各环节缺乏无缝对接机制，技术成果不能顺利转化。通过资料研究分析其原因发现，由于低维纳米碳材料创新链无缝对接的内在动力不足，产、学、研各环节结合不够，研究方向太过分散，交叉学科技术成果稀缺，导致以应用为导向发展低维纳米碳材料技术的力度不够，成果转化较为缓慢。具体来讲，一方面对低维纳米碳材料技术中基础问题的深入系统分析总结不够充分；另一方面，我国企业的早期介入不够。

（4）经费投入偏低。材料学科中低维纳米碳材料研究是国家重大科研计划。从政府投入来看，国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家自然科学基金以及各省市和各部门都在不断强化项目资助，但各计划、各部门之间缺乏有效沟通和有机协调机制，经费投入领域涉及面比较广，落到具体项目上就很少了，与国外相比经费投入水平偏低。

针对以上存在的问题，提出以下几个建议。

（1）强化国家总体布局，增加经费投入。通过分析我国科研综合优势，进一步明确我国材料学科发展战略和重点发展领域，成立国家级“材料学科发展协调研究中心”并发挥其作用，使其在总体设计、统筹协调、整体推进和督促落实等方面充分研究、布局、实施，以有限的资金聚焦重点，提高效率，引导材料学科的研究发展方向；同时建立项目的管理与评估机制，加快标准化、安全性等研究，尽快制定标准化、安全性指标，为低维纳米碳材料的产业化发展保驾护航，同时结合国情增加经费投入。

（2）制定行之有效的政策，鼓励跨学科交叉渗透的产学研相结合发展模式。当今科研领域的渗透性研究已经成为科研取得重要进展的必要条件，面对越来越复杂的研究体系，就需要更多学科的加入、融合、渗透，以达到综合研究、相互渗透、产业化发展之目的。因此，鼓励企业从头开始参与，发挥其积极作用，以行之有效的政策鼓励跨学科交叉渗透的产学研相结合发展模式，切实推动低维纳米碳材料的产业发展。

［1］汤森路透集团. 汤森路透知识产权与科技·科技信息产品与服务Derwent Innovations IndexSM，纽约：汤森路透集团. ［2008-04-17］. http://ip-science.thomsonreuters.com.cn/ productsservices/ diimedia/.

［2］张帆，肖国华，张娴. 专利地图典型应用研究［J］. 科技管理研究，2008，28（2）：190-193.

［3］吴新银. 专利地图在企业专利战略中的应用研究［D］. 武汉：华中科技大学，2004.

［4］朴京顺. 浅谈专利数据库及专利文献检索［J］. 中国发明与专利，2011（9）：63-65.

［5］KROTO H W，HEATH J R，OBRIEN S C，et al. Buckminster fullerene［J］. Nature，1985，318:162-163.

［6］IIJIMA S. Helical microtubules of graphitic carbon［J］. Nature，1991，354：56-58.

［7］冯国梧. 天津率先实现碳纳米管触控屏产业化［N］. 科技日报，2013-05-20（6）.

［8］朴玲钰，李永丹. 碳纳米管的研究进展［J］. 化工进展，2001，20 （11）：18-22.

［9］魏静. 碳纳米管迎来重大发展机遇［N］. 中国证券报，2013-04-17（3）.

［10］NOVOSELOV K S，GEIM A K，MOROZOV S V，et al. Electricfield effect in atomically thin carbon films ［J］. Science，2004，306（5696）：666-669.

［11］俞娟，王晓东，黄培. 石墨烯/聚合物纳米复合材料研究进展［J］. 化工进展，2014，33（9）：202-209.

［12］周庆祥，肖军平，汪卫东，等. 碳纳米管应用研究进展［J］. 化工进展，2006，25（7）：750-754.

［13］刘会景，霍翠婷. 碳纳米管技术中国专利分析［J］. 化工进展，2013，32（11）：2787-2791.

［14］肖淑娟，于守武，谭小耀. 石墨烯类材料的应用及研究进展［J］. 化工进展，2015，34（5）：1345-1348.

［15］方陵生. 神奇材料石墨烯——2010年度诺贝尔物理学奖得主安德烈·盖姆访谈录［J］. 世界科学，2010，（11）：11-12.

［16］HASHIMOTO A，SUENAGA K，GLOTER A，et al. Direct evidence for atomic defects ingraphene layers［J］. Nature，2004，430（7002）：870-873.

［17］ROCO M C. The long view of nanotechnology development：the national nanotechnology initiative at 10 years［J］. Nanopart Res.，2011，13（4）：427-445.

［18］科技日报国际部. 2014年世界科技发展回顾［N］. 科技日报2015-01-07（2）.

Patent analysis on the development trend of low-dimensional carbon nanomaterials by Derwent innovations index

ZHANG Jingduan，YAO Jing，RONG Haiqin
（Donghua University Library，Shanghai 200051，China）

Low-dimensional carbon nanomaterials，including fullerene，carbon nanotube and grapheme，are the research hotspot in the field of nanomaterial and nanotechnology. In this paper，three kinds of typical low-dimensional carbon nanomaterials were selected as the research object. Patent information about the three kinds of low-dimensional carbon nanomaterials was collected by Derwent innovations index database from 2005 to 2015. Through analyzing the granted patent numbers，country distribution of patent applications，patentee's names，subject category and the international patent classification code，the authors found that in recent years，researchers has gradually paid pay more attention to grapheme，but less to carbon nanotubes and fullerene. By the analysis of the technical innovation status and the development trend of low-dimensional carbon nanomaterials，we also revealed the existing problems in the further development of low-dimensional carbon nanomaterials. The development levels of low-dimensional carbon nanomaterials in different research fields are unbalanced，and there is still lack of comprehensive development strategy. The industrialization of technological achievements and the research outcomes of original innovation is still problematic and the investment for research and development is insufficient. This article also gave the corresponding suggestions about the restrictions of developing low-dimensional carbon nanomaterials. The results will provide references for the technical innovation and strategic development of low-dimensional carbon nanomaterials.

Derwent innovations index；low-dimensional carbon nanomaterials；nanomaterials；nanotechnology；patent analysis；numerical analysis；development trend

TB 321；G 358

A

1000-6613（2016）08-2622-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.51

2015-12-28；修改稿日期：2016-02-16。

纤维材料改性国家重点实验室开放课题（V201212）。

及联系人：张静端（1963—），女，工程师，研究方向为图书情报及工程材料。E-mail zhangjingduna2@163.com。