安全气囊用点火药技术专利分析

摘  要

主要从专利的申请趋势、申请区域、技术分布和主要申请人等方面，对金属粉类点火药、5- 氨基四唑类点火药、B-KNO3（硼-硝酸钾）类点火药、胍燃料点火药、黑火药类点火药和不属于上述类型的其它类点火药等共6类安全气囊用点火药剂的技术发展现状进行了分析，指出它们在汽车、航天、航空等众多领域中具有十分广阔的应用前景。

关键字：安全气囊；点火药；专利分析
作者：任响宁，罗运强，杜涛，张俊，沈晓琛，王晨，王亚，杜利
单位：湖北航鹏化学动力科技有限责任公司

随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车安全技术也逐渐成为备受关注的话题交通事故频发，安全气囊作为汽车上的自我保护装置也越来越受到人们重视。安全气囊气体发生器主要分为发生器上下壳体结构件、过滤网、点火系统和产气药等。点火系统主要作为发生器的点火装置，在受到外界系统刺激后点火系统爆发点火， 其作用机理是当气体发生器接收电信号后，发生器内部的电爆管起爆，电爆管内的起爆药燃烧产生的热量将点火药点燃，点火药燃烧后将产气药点燃，产气药燃烧产生的大量高温气体将气袋充满，从而达到保护乘客的目的。安全气囊气体发生器点火系统主要分为点火壳体、电爆管和点火药3个部分，点火药作为点火系统最主要的组成部分，其对点火有重要影响。点火药的品种很多，分类方法也有多种⑶。传统的安全气囊气体发生器点火药分为3种类型叫第一类为5-氨基四唑体系的点火药，该类型点火药爆热值较高，产生大量的氮气；第二类主要以硝酸胍为主体的点火药，该类型点火药中一般含部分金属单质，燃烧后产生大量热，产气量与5-氨基四唑体系点火药基本相同，产生的气体中含有较高含量的水蒸气；第三类为硼硝酸钾体系， 主要以B-KNO3（硼-硝酸钾）为主体的点火药[4]， 其应用领域广泛，是传统类型的点火药，由于配方中加入了硼粉，其点火药的能量较高，燃烧后产生大量的热[4]，该类点火药几乎不产生气体。3 种体系的点火药点火方式及性能均存在较大差异， 各有优缺点，在实际应用中根据气体发生器及气体发生剂的要求，选择不同的点火药类型。

专利是技术创新的产物，专利申请和授权的多少反映了一个国家技术创新能力的强弱。专利文献记载着技术发明的详细内容，兼具学术性、 商业性和法律性等特点，是世界上反映科技发展水平最系统、最全面、最活跃的信息资源。本文使用德温特和智慧芽专利数据库，结合安全气囊点火药剂相关关键词和分类号对相关专利进行全面检索，通过专利分析提出我国安全气囊点火药剂的发展建议。

1  安全气囊点火药相关技术专利现状

1.1  专利申请趋势

1951 — 2019年安全气囊点火药专利申请趋势见图1。


图1 安全气應点火药技术专利申请趋势

由图1可看出，点火药技术的相关专利申请从20世纪50年代开始出现，经历了萌芽期 (1951— 1987年)、发展期(1988—2006年)和成熟期(2007年至今)。整体来看，在萌芽期间，点火药技术整体处于发展的初级阶段，专利申请量较低，1971年和1981年分别为7项和6项，其它年份均在5项以内，且在整个萌芽期内，专利申请量几乎没有上升。结合安全气囊点火系统的调研情况来看，随着美国在20世纪50年代提出安全气囊概念，作为安全气囊的重要组成部分， 点火药应运而生，尤其是美国、欧洲和日本的创新主体开始在点火药技术领域投入研发精力，在随后的30多年里经历了缓慢的发展，该阶段主要是安全气囊点火药技术的理论探索和试验研究阶段，专利申请主要由美国和日本的申请人提出。

1988—2006年，随点火药技术的不断发展以及各国研发投入的增加，不同配方、点火性能各异的点火药不断出现，促使点火药和自动点火药的专利申请呈增长趋势，年专利申请量一般在15项左右，在1996年达到了高峰，共30项，其中， 美国百利得安全系统公司在该年提交了6项专利申请，美国泰里防御系统公司在该年提交了5项 专利申请。2007年以后，点火药技术的专利申请量有所下降，年均申请量不超过10项，尤其是近5年来，专利申请量在5项左右，由此可知，点火药技术逐步走向成熟，技术产出有所下降。近几年内产出的专利主要以配方优化和点火性能改进为主。值得注意的是，中国在自动点火药和点火药技术领域的专利申请在成熟期才开始出现。

1.2  专利申请区域

迄今为止，美国、德国、日本、法国、中国、英国、瑞典等国家和地区均开展了安全气囊点火药技术的研究工作，并取得了一定成果。图2、 图3分别为安全气囊点火药技术专利产出国分布图和主要申请国家申请趋势对比图。



由图2可见，点火药技术的专利申请主要由美国、德国、日本、法国和中国等国家提出，这 5个国家专利申请量之和占总申请量的90%，其中：美国的专利申请最多，达到169项，占总申请量的47%，美国拥有天合汽车集团、百利得安全系统公司等技术优势企业；德国的专利申请量排名第二，共提出了57项专利申请，占总申请量的16%，德国的主要创新主体有卢阿格现代军火科技公司等；日本的专利申请量排名第三，共提出了 48项专利申请，占总申请量的14%，这主要是因为日本拥有大赛璐、日本化药株式会社等技术优势企业，产出了较多专利；法国的专利申请量排名第四，共提出了28项专利申请，占总申请量的8%；中国的专利申请量排名第五，共提交了17项专利申请，占总申请量的5%。此外，英国、 韩国、瑞典、捷克、加拿大和澳大利亚等国家也有少量专利申请。



如图3所示，在5个主要申请区域中，美国的专利申请出现最早，从20世纪50年代初就开始提出相关专利申请，是研究点火药技术最早的国家，也是该领域全球范围内技术研发的引领者。从美国申请趋势可看出其已完成专利布局，预计未来专利申请量也不会出现明显上升趋势。德国在点火药技术领域的专利申请出现的也比较早， 第一次由戴纳米特诺贝尔公司于1968年提出2项涉及5-氨基四唑类点火药组合物的专利申请。日本虽然在安全气囊气体发生剂领域的研究水平与美国相当，但在自动点火药和点火药领域研究实力较美国弱，且起步较美国晚，最早的专利申请于20世纪70年代开始出现，由日本化药株式会社于1976年第一次提出该领域的专利申请，涉及一种金属粉类点火药。法国在自动点火药和点火药技术领域的专利申请出现的也较早，最早的专利申请出现于1969年，在2010年以后没有提出相关专利申请。中国在该领域的专利申请量排名第五，专利申请量集中在2014—2019年之间， 年申请量在5项以下。最早由比亚迪股份有限公司于2014年提出的发明名称为“一种用于汽车安全气囊气体发生器的自动点火药及其制备方法”。中国本土创新主体主要有陕西庆华汽车安全系统有限公司、比亚迪股份有限公司、湖北航天化学技术研究所和湖北航鹏等。

1.3  专利分布

安全气囊点火药技术专利分布如图4所示。



结合图4可看出，一级技术包括自动点火药技术和点火药技术，其中点火药技术按燃料的主要构成可分为：金属粉类点火药、5-氨基四咗类点火药、B-KNO3类点火药、胍燃料类点火药、 黑火药类点火药和不属于上述类型的其它类点火药等共6个关键技术。除其它类型点火药（由于其它类型燃料的点火药比较分散，在此分析时不分 析其排名）外，金属粉类和5-氨基四唑类作为燃料的点火药技术是研发重点。

其中：金属粉类点火药的相关专利申请最多，达到120项，占总申请量的34%，金属粉类点火药是早期使用的气体发生器点火药，应用广泛的金属粉包括镁粉、铝粉和钛粉等，该类点火药以美国莫顿国际有限公司和日本化药有限公司为主；5-氨基四唑类点火药的专利申请量排名第二，共有25项专利申请， 占总申请量的7%；B-KN03类点火药的专利申请量排名第三，共有19项，占总申请量的5%，该类点火药应用领域广泛，是传统类型的点火药; 脈燃料类点火药的专利申请量为13项，占总申请量的4%；黑火药类点火药的专利申请量最少，仅有5项相关申请，占总申请量的1%。其它类型燃料的点火药相关的专利申请较多，达到89项，该其它类型的燃料统计原则是：专利申请文中记载的燃料类型不属于上述6种燃料类型，或专利申请文中没有明确记载燃料的种类，经分析，主要涉及偶氮化合物及其它聚合物燃料。

1.4  主要申请人

安全气囊点火药技术专利申请人排名见图5。



如图5所示，统计了点火药技术领域专利申请量超过5项的专利申请人，主要为点火药技术领域的研发单位，共有20家。在这20家申请人中，美国申请人最多，有10位，按照申请量由多至少排序分别为：汽车系统实验室公司、天合汽车公司、百利得安全系统公司、莫顿国际有限公 司、TK控股公司、阿连特技术系统公司、大西洋研究有限公司、帝国化学工业公司、THIOKL公司和泰里防御系统公司。日本申请人有3位，按照申请量由多至少排序分别为：日本化药有限公司、大赛璐化学有限公司和高田有限公司。德国申请人有3位，按照申请量由多至少排序分别为: 戴纳米特诺贝尔公司、卢阿格现代军火科技公司和尼古化学股份公司。法国申请人有2位，按照申请量由多至少排序分别为：赛峰集团公司和ETAT FRANCAIS公司，主要申请人SME公司、 SNPE巨能材料公司等公司都是隶属于法国赛峰集团的下属公司，因此统计时都称为赛峰集团公司。瑞典申请人有1位，为奥托立夫公司。中国申请人有1位，为湖北航鹏化学动力科技有限责任公司。奥托立夫公司、日本化药有限公司、汽车系统实验室公司、天合汽车公司以及百利得安全系统公司是世界上研究安全气囊用点火药最为活跃的公司，引领了点火药的技术研发与创新。

2  安全气囊点火技术的发展建议

经过70多年的发展，安全气囊点火药技术的研究已取得很大进展，随点火药技术在航空、航天以及汽车安全气囊等众多领域中的广泛应用， 点火药市场前景广阔，仍将呈现快速上升的趋势。根据上述专利分析结果，提出如下发展建议：

① 加强新型点火药的研发，进一步开发性能优异，抗吸湿性强的点火药，满足点火药自身的点火和燃烧过程，以及被点燃对象的点火和燃烧过程。要求点火药的物理化学性能稳定，对热冲击敏感，具有足够的点火能力，且作用可靠。通过专利分析发现，目前国内外新型点火药的专利申请较少，中国近几年有少量的申请。

② 在借鉴国外先进专利技术基础上，加强金属粉类点火药技术攻关。在安全气囊点火药技术发展路线上，金属粉类点火药是点火药技术的研发重点，申请量居前5位的公司都有此领域的专利申请，且占居首位；日本化药株式会的重点专利 JP2009120424A 和 US20040134577A1 主要使用了金属粉作为燃料，涉及的金属粉有错、钙、铝、 镁、钛、铁、钙和硼，其质量分数为20%~80%。从专利申请量来看，与国外技术相比，中国在金属粉类点火药技术上仍有差距；为实现此类点火药的应用，需要针对金属粉类点火药技术进行技术攻关，建议充分借鉴美国和日本在金属粉类点火药技术的相关重点专利，提高我国研发起点。

③ 在借鉴国外先进专利技术基础上，加强氨基四唑类、B-KNO3类、胍燃料类、黑火药类点火药及其它类点火药的技术储备。建议我国在充分借鉴国外先进专利技术基础上，加强5-氨基四唑类点火药、B-KNO3类点火药、胍燃料类点火药、黑火药类点火药优化设计。

3  结论

点火药是最重要的火工药剂之一，点火药品种多，用途各异，涉及军用和民用火工烟火制品。作为民用的汽车安全气囊点火药在保护乘客中起到至关重要的作用。本文运用统计、定量与定性分析方法，针对气囊发生器点火药技术开展专利分析，并综合情报信息挖掘点火药技术的研究动态。我国相关研究团队已开展了金属粉类点火药和胍类点火药的关键技术的研究工作，但我国因开始点火药的研究时间较晚，还处于技术追赶阶段，我国应紧跟国外的专利动态并充分借鉴国外先进专利技术，以缩短技术攻关周期，早日突破点火药的关键技术和实现点火药的工程应用。


参考文献
［1］ 刘亮，罗运强,张文龙，等.安全气囊点火药点火性能的 研究卩］.当代化工,2013(10): 1 398-1 400.
［2］ 韦爱勇.火工药剂的性能与制造［M］.北京:国防工业出版 社,2019: 251-295.
［3］ 成一，陈守文.点火药点火性能的研究卩］.火工品, 2001(4): 21-22.
［4］ 矢野裕.B/KNO3点火药的燃速特性卩］.工业火药, 1988(2): 46-51.