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专利类专科开题报告范文 与我国富勒烯专利现状分析方面专科开题报告范文

主题:专利论文写作 时间:2024-03-19

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一、富勒烯的发现

富勒烯(F u l l e r e n e )与碳纳米管、石墨烯一样是一种碳的同素异形体,拥有完美的对称结构.富勒烯与石墨结构类似,但石墨的结构中只有碳的六元环,而富勒烯中存在碳的五元环和六元环.在宇宙里,宏观物质生成的过程中,纳米材料与纳米结构也许起到了重要作用,微观粒子形成分子、原子后,构成宏观物质的过程中,纳米尺度可能是一个不可逾越的阶段,以至于在6 500光年以外的星云光谱中发现了富勒烯的存在.但究竟是一个什么样的过程和相互作用,还有待去揭示.

1971年,日本大泽映二在其出版的《芳香性》一书中描述了富勒烯分子的设想,但没有把想法付诸实践;1980年,饭岛澄男在分析碳膜的透射电子显微镜图时发现同心圆结构,就像切开的洋葱,这是富勒烯的第一个电子显微镜图,但他不认为发现了新材料;1984年,富勒烯的第1个光谱证据在1984年由美国新泽西州的艾克森实验室的罗芬等人发现,但是他们不认为这是富勒烯材料产生的.1985年,英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国赖斯大学的科学家理查德·斯莫利、海斯、欧布莱恩和科乐发现富勒烯,证实了富勒烯的笼型结构,从此富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段.富勒烯结构的发现,还是一个科技与艺术结合的典范,斯莫利等人在研究富勒烯结构时曾经一愁莫展,后来受到建筑学家富勒以球棍建造的世界博览会美国馆的外形启发,确定了富勒烯的分子结构,为了纪念富勒的贡献,该分子被命名为富勒烯.1996年,罗伯特·科尔(美)、哈罗德·沃特尔·克罗托(英)和理查德·斯莫利(美)因富勒烯的发现获诺贝尔化学奖.

富勒烯之所以受到如此重视的原因在于富勒烯具有一些传统材料不具备的优异性能.例如,硬度比还高,是典型的新超硬材料之一;延展性(轫度)是钢的100倍;它是电的良导体,导电性比铜强;典型的轻质材料,密度只有铜的1/6 ;它的成分是碳,来源广泛.

二、国内富勒烯专利情况

截至2018年2月28日,以富勒烯为关键词,依托国家知识产权局专利数据库,对我国1992-2018年以来的专利进行检索发现,总的专利数量为1 276件,其中发明专利1 209件,占95%;实用新型64件,占5%;外观设计3件,比例基本上可以忽略不计(见图1).以下从专利主申请人、专利主发明人、专利申请情况、专利公开情况、专利授权情况、专利法律状态、专利诉讼和运营状态和专利主分类情况等方面进行分析.

1. 专利主申请人

对与富勒烯相关的专利主申请人检索分析发现,国内申请单位基本上是以高校和科研院所为主,只有少数几家企业.值得一提的是,排名第1的海洋王照明科技股份有限公司不仅申请了大量与富勒烯相关的专利,还申请了大量与碳纳米管相关的专利(见图2).

2. 专利主发明人

对与富勒烯相关的专利主发明人检索分析发现,专利主发明人很分散,拥有10件以上专利主发明人仅有5位.值得一提的是,排名第1主发明人——周明杰属于同样排名第1的主申请人——海洋王照明科技股份有限公司(见图3).

3. 专利申请情况

从不同时间与富勒烯相关的专利申请情况检索分析发现,在申请的过程中有一定的起伏,1992-2000年是富勒烯相关专利申请的萌芽阶段,申请量不大,也比较平稳;2000-2013年申请量快速增长;2013-2015年有所反复,申请量骤降;2016-2017年申请量爆发性增长(见图4).

4. 专利公开情况

从不同时间与富勒烯相关的专利公开情况检索分析发现,虽然存在公开与申请时间的滞后,但公开与申请量的走势并不一致,说明存在一定的滞后公开.在公开的过程中,1993-2000年是一个萌芽阶段,申请量不大,公开量也不大;2000年后,受到国家在纳米科技方面的政策激励,公开量快速增长;但在2006-2010年间进入一个小平台期,申请量与公开量接近持平;而后在石墨烯获得诺贝尔奖后的刺激下,进入蓬勃发展阶段,公开量爆发性增长(见图5).

5. 专利授权情况

从与富勒烯相关专利不同时间授权的情况检索分析发现,虽然存在授权、公开与申请时间的滞后,但授权、公开与申请的量的走势并不一致,说明存在一定的滞后授权.在申请、公开和授权的时间节点上,均有相似之处.在授权的过程中,1996-2000年是一个萌芽阶段,申请量不大,公开量也不大,授权量也不大;2000年后,受到国家在纳米科技方面的政策激励,授权量快速增长(见图6).

从图4-6比较来看,无论申请、公开和授权,均是一个快速增长的起点,2010年这个点也是比较明显,增长的斜率改变,变得更陡峭,显示出快速增长的态势.

6. 专利法律状态

从与富勒烯相关专利的法律状态来看,撤回了228件,比例高达18%;驳回的有74件,比例占到6%;由于专利到期和申请人放弃终止的有180件,占到14%;目前处在公开状态44件,占3%;进入实质性审查的有361件,占28%;而目前在授权有效的专利389件,占总量的31%(见图7).从以上数据来看,撤回和驳回的比例很高,说明专利质量有待提高.

7. 专利诉讼和运营状态

从专利诉讼和运营状态来看,转让的专利有67件,许可的有5件,申请复审的有13件(见表1).相当于1 276件申请量来说,转化率只有5.6%,即使加上企业自己实施转化的,比例也才接近10%,转化和实施率有待于进一步提高.

8. 专利主分类情况

从与富勒烯相关专利的主分类情况检索分析发现,在基本电器元件方面,主要涉及光伏器件、电子器件、发光器件、燃料电池、超级电容器、相变存储、导电膜等;在无机化学和有机化学、有机高分子化学方面,主要涉及富勒烯及其衍生物的制备方法与应用;在医学和卫生学方面,主要涉及疾病的诊断试剂、医用佐剂、药物载体及药物、化妆品等;在一般的物理或化学的方法或装置方面,主要涉及催化剂载体、掺杂纤维、反渗透膜、提纯装置、色谱材料、复合材料、过滤材料等;在测量方面,主要涉及太赫兹技术、材料检测、分子陀螺、采光测试、光电化学探针等;在染料、涂料方面,主要涉及抗氧化剂、涂布材料、制冷材料、发泡剂、量子点、液晶材料、防腐材料、气溶胶推进剂、灭火剂和灭菌剂等;在石化产品方面,主要涉及润滑剂、燃油助剂等;在金属材料的镀覆方面,主要涉及材料表面处理、薄膜、纳米镀层等,详见表2所示.

三、富勒烯的应用情况

由于富勒烯及其衍生物具有完美的对称结构,使其生物、物理和化学内涵十分丰富,这些特性可以应用在信息、生物医药、能源等方面有十分广阔的应用.具体地说,可以作为催化剂载体、制成高能电池材料、诊断肿瘤的影像剂、抑制肿瘤细胞和烈性传染性病毒的药物.此外,利用富勒烯及其衍生物有选择性地吸收特定种类气体的性质,可以在工业上用作气体杂质的去除剂.

1. 润滑材料

富勒烯具有特殊的圆球形状,是所有分子中最接近球型的分子,就像轴承中的滚珠,因此有人提议用作润滑,作为“分子滚珠”来使用;另外,在分子水平上,单个富勒烯分子是异常坚硬,这样的类球型结构使其具有特殊的稳定性,这使得富勒烯可以做为高级润滑的主要功能材料.例如,将富勒烯完全氟化得到的氟化富勒烯除了具有优良的润滑性能之外,还具有是超级耐高温的性能,成为比富勒烯更好的润滑剂,可广泛应用于高技术领域.

2. 复合材料

羽毛球拍、网球拍中也常常使用纳米技术.利用富勒烯能与碳纤维高度连结的独特性能,将0.7n m的富勒烯与7μ m的碳纤维相结合用在网球拍的制造上.这项纳米技术使球拍在高稳定性的同时,还增加了硬度,并具有高反弹力,使球能量得到最大返回.

3. 光敏材料

富勒烯特殊的球笼状结构使它特别容易吸收电子,还同时保持稳定性,因此可以作为有机太阳能电池的电子受体材料,制作光敏电子器件.自富勒烯及其衍生物用于本体异质结有机太阳能电池以来,有机太阳能电池得到了长足的发展.

4. 超导材料

在可以大量生产富勒烯后,其性能被广泛研究,有很多新的性质被发现.例如,碱金属掺杂的富勒烯有金属行为,其中铯可以形成最大的碱金属离子,因此铯掺杂的富勒烯材料被深入研究,结果有了重大发现——掺杂富勒烯具有超导性,这种超导体具有相对较高的临界温度,不仅高于以前发现的金属和合金超导体,而且也远远高于所有的有机分子超导体.

5. 光学材料

富勒烯分子中不存在对非线性光学性能有干扰作用的碳—氢(C - H键)和碳—氧(C - O键),某些富勒烯分子衍生物还具有手性,与其他非线性光学材料相比,性能更加优越,是高性能光导体、光致发光材料、非线性光学材料,这使得富勒烯及其衍生物材料在印刷、光学计算机、光学限制器及光通信等方面将获得巨大的应用.

6. 催化材料

在石油精炼和化学过程等方面,催化剂有着广泛的应用.富勒烯的特殊结构使它可以作为催化剂的重要载体材料.在电弧法制造富勒烯的过程中,将碳、钪、氮等原子嵌入富勒烯碳笼,或者通过化学方法将富勒烯打开孔后装入一些原子或分子而形成内嵌富勒烯.如果这些原子是铂(Pt)、钯(P d)等具有催化性能的金属,就可以制成一类新型催化剂.在这种催化剂中,催化性原子被碳笼保护起来,就像给催化剂穿了一身铠甲,使催化效率和使用寿命都得到大幅度提高.

7. 生物医用材料

现有的医疗技术大部分是先检测疾病,再进行治疗.目前正在研发的纳米医学技术可以在检测的同时进行治疗,实现诊疗一体化.同时结合精确的靶向治疗和个体化治疗,可以大大缩短疾病治愈的时间,降低毒副作用,减少医疗费用.例如,含钆稀土金属富勒醇既是造影剂,又是纳米药物.在毒副作用方面,现有的肿瘤化疗方法是建立在杀死肿瘤细胞的原理上,但是没有选择性,在杀死肿瘤细胞同时也杀死正常细胞.这种含钆金属富勒醇纳米药物并不直接杀死细胞,而是通过改变肿瘤细胞的生长微环境,将其“”起来,阻止它们继续生长和转移,对正常的细胞和组织没有影响.这种诊疗一体化的药物有可能改变现有的肿瘤治疗方法.

8. 化妆品

由于富勒烯特殊的笼状结构,能够很好亲和自由基.因此,具有极强的抗氧化能力,能够起到活化皮肤细胞,预防肌肤衰亡的作用,是抗皱、美白、预防衰老的的理想成分.正因如此,21世纪以来富勒烯开始被用作化妆品原料,成为备受瞩目的美容成分.

总之,富勒烯由于其独特的结构和化学物理性质,已对生物、化学、物理、材料等科学产生了深远的影响,尤其在应用方面更是显示了诱人的前景.随着研究的不断深入,富勒烯将要给人类带来巨大的财富.

10.19599/j.issn.1008-892x.2018.04.009

致谢:感谢北京市科委科技创新中心建设战略研究及专家咨询专项研究经费(编号:Z171100003217050)的资助.

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