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应力发光材料专利导航报告

PATEN NAVIGATION REPURT

深圳大学知识产权信息服务中心光电子器件与系统教育部重点实验室

目录

1．国内外应力发光材料发展综述

1.1应力发光材料的定义、分类和机理 √
1.2应力发光材料的研究发展及现状 .2
1.3应力发光材料的应用， .3
2．应力发光材料领域专利全景分析 ..9
2.1 检索式制定 .9
2.2应力发光材料领域趋势分析. .10
2.3地域分析 .10
2.4技术构成分析， .12
2.5重点申请人分析， .13
2.6专利转让/许可情况分析. ..14
2.7专利技术分析， .17
2.8专利技术用途分析 ..18
3．应力发光材料的配方. ...19
3.1应力发光材料的配方的趋势分析 ..19
3.2应力发光材料的配方的技术功效分析 .21
3.3核心专利分析. ..22
3.4技术挑战与未来趋势 ..24
4．应力发光材料的应用 ..25
4.1应力传感领域的专利全景分析. ..25
4.2防伪加密领域的专利全景分析. ..29
4.3照明显示领域的专利全景分析. ..34
4.4可穿戴设备领域的专利全景分析， .38
4.5结构损伤诊断领域的专利全景分析 .43
5．结论. .47

1.国内外应力发光材料发展综述

1.1应力发光材料的定义、分类和机理

应力发光，是指在各类机械力包括但不限于压缩、拉伸、摩擦、刮擦、冲击等力作用下，发出人类易于感知的可见光或便于采集监测的紫外或红外光。1999 年，日本产业技术综合研究所的Chao-NanXu等首次报道了 Z n S:M n2+ 和SrAI2O4:Eu2+材料的高亮度弹性应力发光，并提出了将无机应力发光材料与有机弹性体复合用于目标结构应力/应变可视化观测的基本原理，为应力发光创造了解决现实问题的机会。经过20余年的发展，应力发光材料已广泛用于应力传感、信息储存、无损检测、生物成像以及印刷包装防伪等领域。

应力发光通常分为破坏应力发光、形变应力发光和摩擦应力发光（图1)。固体材料在受到能量逐渐增大的机械刺激时，会依次发生弹性形变、塑性形变和最终的破裂。在这些过程中产生的发光现象分别被称为弹性应力发光、塑性应力发光和破坏应力发光。弹性应力发光和塑性应力发光统称形变应力发光。摩擦发光则是两种特定类型的材料在接触或分离时产生的发光现象，发光取决于用于施加机械刺激的材料的性质。摩擦发光可进一步分为摩擦电发光、摩擦化学发光和摩擦热发光。

虽然图1.1.1对应力发光现象从发光机制上进行了分类，但将机械能转换为光能的实际过程很复杂。例如，有的材料在一种机械刺激下的应力发光可由两种或多种机制共同导致（如Z n S:C u 材料在机械磨擦下可同时产生弹性应力发光和摩擦电发光），有的材料的应力发光机制仍不清楚（如ZnS和CaZnOS系列），因此会出现难以对应力发光材料进行明确分类的情况。在这种背景下，我们从实际应用所需求的可重复性使用的角度出发，提出从现象上将应力发光材料简单地分为可再生型和不可再生型两类，这样分类的优点是可以不考虑具体的应力发光机制。我们定义可再生应力发光材料的特征为：在无损材料结构的应力范围内，材料可对循环的机械刺激做出重复的应力发光响应，其应力发光强度不仅具有可重现再生性，而且与应力强度之间存在定量关系。

图1.1.1应力发光分类

在应力发光材料的表征和应用过程中，通常是将所制备的应力发光颗粒与光学透明的弹性聚合物混合，制得一类紧密贴敷于目标结构表面的应力发光涂层，其可以将结构所承受的机械刺激转化为应力发光，从而通过对应力发光信号的采集和分析，获得应力分布的动态图像和信息（图1.1.2）。

图1.1.2应力发光涂层的机械刺激施加和应力发光信号采集系统的示意图

1.2应力发光材料的研究发展及现状

为了拓宽应力发光材料的应用领域，近二十年国内外学者基于不同的基质、掺杂离子、制备方法、改性手段等对应力发光材料的发光特性进行了优化，应力发光材料得到了快速发展。下图为应力发光材料发展历史简图，列举了一些具有转折性意义或重要代表性的相关材料和工作。1999年，Xu等从 Z n S:M n2+ （黄色发射）和SrAI2O4:Eu2+（绿色发射）中发现了弹性材料力致发光现象，这是现代力致发光现象研究领域的一个转折点。在紫外线（UV）照射后，明亮的弹性材料力致发光现象可自我恢复或可再生，这使得技术应用成为可能，如用于建筑材料中的应力感测和裂纹检测（见图1.2.1)。弹性材料力致发光现象可以通过应用循环机械载荷而不断产生，从而为分子生物学的机理研究提供了极大的方便和灵活性。由此，确定了陷阱介导过程和压电效应在分子生物学产生中的重要作用，为后续的分子生物学研究奠定了基础。近年来，多相发光研究的迅速发展主要是由于新的多相发光成分和结构的出现，如钙锌酸盐和多相锌酸盐/钙锌酸盐，它们允许掺杂各种过渡金属离子和镧系离子，以获得在可见光至近红外（NIR）光谱范围内颜色可调的明亮多相发光。由于多相发光性能的改善及新的激发方法的发展，分子生物学的应用范围也在很大程度上扩展到不同的领域，如信息存储和光遗传学。

图1.2.1力致发光材料和应用开发的主要成就时间表

1.3应力发光材料的应用

应力发光材料由于能在多种形式的机械刺激下发光，如研磨、刮擦、按压、水流、气流、超声等，使得其应用场景十分广泛，在应力传感、防伪加密、照明显示、运动显示、结构损伤诊断等领域均体现出极大的应用价值。

1.3.1应力传感

传统基于电阻、电容的传感器通常体积较大，且使用场景比较受限。相较之下，基于应力发光的传感器往往小巧轻便，具有高度的灵活性和适应性。应力发光的强度在弹性范围内通常与所受应力呈线性比例关系，这使得传感器可以定量记录应力，此外还能通过颜色变化半定量传感?；诹χ路⒐獾挠αΥ衅饕丫诎ü獾缱友?、土木和机械工程及运动和生命科学在内的各种领域得到了广泛应用。

图1.3.1应力发光材料在应力传感的潜在应用

Tian等1[2021]报道了一种新型应力发光材料 {\mathsf{S r}}_{2}{\mathsf{P}}_{2}{\mathsf{O}}_{7}{:\mathsf{E u}},{\mathsf{Y}} ，通过观察发光颜色的变化即可实现对应力/应变的原位、半定量、可视化传感。利用 {\mathsf{S r}}_{2}{\mathsf{P}}_{2}{\mathsf{O}}_{7}{:\mathsf{E u}},{\mathsf{Y}} 本征封闭的3D网络结构同时实现了 \mathsf{E u}^{2+} 的蓝色应力发光和 \mathsf{E u}^{3+} 的红色应力发光，二者在应力响应性上有很大差异，因此应力/应变水平可以直接通过区分应力发光颜色获得。将 {\mathsf{S r}}_{2}{\mathsf{P}}_{2}{\mathsf{O}}_{7}{:\mathsf{E u}},{\mathsf{Y}} 和PDMS混合后涂覆在螺丝表面，预紧固时呈现蓝色，终紧固时呈现紫色，对螺丝的原位应力可视化可用于精密仪器的?；ぃㄍ?.3.1（a))。这种策略在结构健康监测、生物力学监测等方面也具有应用潜力。

Su等2[2021]利用红色光致发光荧光粉（Sr,Ca） S i\ifmmode-A l N\else-A l N\fi{3}:E\cup^{2+} 与绿色摩擦电发光荧光粉Z n S:C u 开发出的颜色可调、自供电、可视化柔性压力传感器可将局部压力信息转换为人们可读的可视化光学信号。该传感器具备压力敏感的微型多孔结构，具有10kPa的极低压力检测极限，并覆盖了日?；疃娜垦沽Ψ段Вㄍ?.3.1（b））。传感器的检测响应时间小于10ms,灵敏度高（ S{>}190|\k|\mathsf{P a}^{-1} )。作为瞬时检测压力信息的一体化设备，其在无线人体应力/应变传感方面具有广阔的应用前景。

1.3.2防伪加密

传统的防伪和信息加密是主要是基于光致发光和长余辉发光，利用其发光颜色和余辉时间的差异来达到防伪目的。而应力发光智能材料只需要对材料施加机械刺激便可以发光，同时发光波段范围已经实现了从紫外到近红外的全波段覆盖，且由于应力发光强度和施加力的大小成线性关系，从更多维度实现信息进一步防伪加密。应力发光材料由于其受力即发光特性，可以产生多种形式的防伪方案。如将其制备成防伪标签，贴于品牌logo，条形码区域，可以实现刮擦发光防伪。选择一些不可恢复式应力发光材料，用于加密信封的开口处一旦信封被开启，发光材料就会被破坏，起到一次性防伪和保密效果。还可以综合力致发光、光致发光、热释光等性质，将具有不同性质和发光颜色的多种材料组合成数字或者字母，在光照、拉伸、加热等条件下产生不同信息，起到加密作用。

Yang等3[23]利用 \mathsf{C a Z n O S:B i^{3+}} \mathsf{M}\mathsf{n}^{2+} 设计了两种可用于笔迹防伪和超声加密装置（图1.3.2(a))。当在不同 \mathsf{M}\mathsf{n}^{2+} 浓度的 \mathsf{C a Z n O S:B i^{3+},x%M n^{2+}} 制备的柱体上书写时，随着 \mathsf{M}\mathsf{n}^{2+} 浓度升高，应力发光颜色由蓝色逐渐红移变为红色；当在 \mathsf{C a Z n O S:B i^{3+}} ， 0.1%\mathsf{M n}^{2+} 圆柱上写字时，不同书写点处的应力存在差异，绿光和红光分别对应应力的强和弱。因此只需观察应力发光颜色，就能直观了解作者的签名习惯。 \mathsf{C a Z n O S:B i^{3+}} ， x%\mathsf{M n^{2+}} 荧光粉与PET制备的薄膜可实现超声加密。在同一超声刺激下，不同 \mathsf{M}\mathsf{n}^{2+} 浓度的薄膜产生了七种颜色的光发射。此外， \mathsf{C a Z n O S:B i^{3+}}. \mathsf{x%M n^{2+}} 荧光粉制成的“条形码”薄膜在 365\mathsf{n m} 辐照下均发出青光，移除光源后颜色不同，在超声刺激下则呈现七种颜色。

Bai等4[13]利用 \mathsf{S r}_{3}\mathsf{A l}_{2}\mathsf{O}_{5}\mathsf{C l}_{2} Ln(SAOCL; L n=E u^{2+} ！ {\mathsf{T}}{\mathsf}^{3+} {\mathsf{C e}}^{3+} ）/PDMS弹性体独特的陷阱无关（无预辐照）和热稳定的应力发光性能，开发出了具有较高安全水平的多模防伪和加密装置（图1.3.2（b））。多模防伪装置使用了 \mathsf{S r}_{3}\mathsf{A l}_{2}\mathsf{O}_{5}\mathsf{C l}_{2}{:}\mathsf{E u}^{2+} （SAOCE）、 \mathsf{S r}_{3}\mathsf{A l}_{2}\mathsf{O}_{5}\mathsf{C l}_{2}{:}\mathsf{T b}^{3+} (SAOCT)、\mathsf{S r}_{3}\mathsf{A l}_{2}\mathsf{O}_{5}\mathsf{C l}_{2}{:}\mathsf{C e}^{3+} （SAOCC）和 \mathsf{C a A l}_{2}\mathsf{O}_{4};\mathsf{E u}^{2+},\mathsf{D y}^{3+} （CAOED）四种粉末，字母C、A、S分别由SAOCE/CAOED/PDMS、SAOCT/CAOED/PDMS和SAOCC/CAOED/PDMS混合充，字母以外区域由\mathsf{C a A l}_{2}\mathsf{O}_{4} （CAO）基质和PDMS 混合填充。在365nm辐照下装置发出粉光、蓝光和蓝光，此时SAOCT不被激发，显示的是SAOCE、SAOCC和CAOED 的整体光致发光。移除紫外灯后光致发光消失，出现SAOCE和CAOED的余辉，发出蓝紫光、蓝光和蓝光。在无预辐照拉伸时，SAOCL的应力发光使装置发出橙光、绿光和蓝光。由于弹性滞后效应，以相对较高的频率连续拉伸后光消失，放置几小时后恢复。若光消失后被预辐照且拉伸，只有CAOED 能被刺激，装置发蓝光。由于CAOED和SAOCL明显的陷阱相关行为，加热后CAOED和SAOCL的应力发光分别迅速消失和恢复，装置又发出橙光、绿光和蓝光。数字加密装置在365nm辐照下显示出基于SAOCE、SAOCC和CAOED的光致发光的密码“353”。装置在加热或无预辐照的拉伸模式时，SAOCE、SAOCT和SAOCC的应力发光能显示密码“601"。拉伸前对装置预辐照，所有样品都可应力发光，密码为“888”。该装置不寻常的刺激/激活模式大大提高了安全水平。

图1.3.2应力发光材料在防伪加密领域的潜在应用

1.3.3照明显示

应力发光材料能够在按压、水流、气流、摩擦等机械刺激下释放能量并发光，是一种相对特殊的发光形式，同时也为停电、少电等情况下的照明显示提供了解决方案。

Jeong等5(2014)开发了一种风力驱动的力致发光系统，其中 Z n S:C u+ 微粒嵌入刷状聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体中。该设备从弹性体棒和基板之间的接头附近区域产生强烈的蓝色辐射，在气流下应力集中并维持振动。Bai等(2022)开发了 \mathsf{S r}_{3}\mathsf{A l}_{2}\mathsf{O}_{5}\mathsf{C l}_{2}:\mathsf{D y}^{3+} (SAOCD)并与PDMS混合，制成了两种形状的薄膜（图1.3.2（a））。薄膜被拉伸后能高效发光，并能持续约15s。与传统的需要预辐照的持续应力发光材料相比，SAOCD/PDMS不需预辐照即可在机械刺激下持续应力发光，在应力照明、显示和成像领域更有实用价值。Hu等(2021)报道了 B i^{3+} 和 {\mathsf{G a}}^{3+} 共掺LiTaO3的高对比度应力发光，能排除余辉干扰，其发光强度随着外力( ~1200\mathsf{N} ）的增加而线性增加，无阈值力。图1.3.2（b）中 \mathsf{L i T a O}_{3}:\mathsf{B i}/\mathsf{G a} 与环氧树脂制成的薄膜预辐照后经过很长时间，仍能对拉伸、弯曲和摩擦等机械刺激做出敏感而显著的响应，发出靛蓝色光，这在光学信息显示与存储、应力分布显示等领域有很好的应用前景。

图1.3.3应力发光材料在照明显示领域的潜在应用

1.3.4运动显示/可穿戴设备

根据弹性变形反馈信息，ML可穿戴器件可以将人体各种运动信号直接转化为光信号输出，并具有许多显著优点，包括遥感特性、应力分布可视化成像和高集成度，能够用于构建自充能人造皮肤和智能纺织品，用于人类社会活动和智能服装等，应用前景广阔。

在1999年,ChaonanXu团队[1999]首先提出了将ML材料用于电子皮肤和可穿戴设备，他们利用在真空中高温退火方法将 Z n S:M n^{2+}M L 纳米层生长在玻璃衬底上，获得了耐摩擦和高亮度ML刚性薄膜，玻璃衬底可以作为一种缓冲层用在许多机器人系统智能皮肤中实现触觉感知。这一开创性工作激发了随后二十年对ML的研究热情，研究者们纷纷将目光集中在开发新ML材料体系或者用不同物质进行改性制备复合功能层方面，这大大加速了ML材料在可穿戴发光器件领域的研究进展。

宋延林教授团队[2018]将弹性体与 Z n S:M n O^{2+}@A l_{2}O_{3} 微粒和 \mathsf{S i O}_{2} 纳米微粒相结合，制作了一种皮肤驱动的多层膜。由于 \mathsf{S i O}_{2} 纳米粒子的应力集中，复合膜对面部肌肉引起的微小应力（如眨眼和笑）表现出高效的力致发光信号，证明了它们作为自供电触觉传感器的巨大潜力。此外，毫升弹性体可印刷成本低，这表明其有大规模生产的潜力。Jeong 等1[2017]人利用ZnS和PDMS制备了应力发光纤维，并制作了新型的应力发光织物，仅能由人体运动（包括肌肉拉伸和运动）来驱动可穿戴织物的发光。

图1.3.4应力发光材料在可穿戴设备领域的潜在应用

1.3.5结构损伤诊断

损伤检测是利用声、光、磁、电和热等特性，在不损害或不影响装备结构使用性能的前提下检测缺陷的信息，进而开展装备结构的结构完整性评估。目前，射线检测、超声检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测已经广泛应用于装备结构的腐蚀和裂纹等缺陷的检测。与其他损伤检测方法相比，光是直观可视，可以通过相机等装备非接触采集，工程构件表面无须布线，这对构建设备和操作简单，损伤结果可视的检测技术提供了重要思路。其中，力响应发光材料因其独特的光学响应和直观可视的特点，在力学传感和结构损伤检测等领域具有潜在应用，逐渐引起了广泛关注。

目前报道的力响应发光材料种类众多，但本领域的研究还集中于材料的合成与光学响应机制研究，将该类材料用于工程领域的构件损伤检测的应用研究还不多。由于弹性力致发光是由机械能直接转化为光学信号，并且发光强度与载荷有着良好的线性关系，因此稀土掺杂SrAI204荧光粉和过渡金属离子掺杂ZnS量子点的被大量报道用于应力应变传感。上述无机材料多是粉末颗粒，很难在金属和复合材料工程构件表面成膜。通常将粉末颗粒均匀混合在环氧树脂等有机粘结剂中，通过旋涂或丝网印刷等方法涂敷于被测构件表面；也可以将粉末颗?；烊刖鄱谆柩跬?PDMS)，制成三明治结构的力致发光传感涂层，然后粘贴在构件表面。如果是稀土掺杂SrAI2O4荧光粉，使用前还需要在 400~1000{nm} 的光源下照射几分钟加强发光强度。构件的变形和损伤会引起力致发光涂层的发光响应，但发光持续时间短暂。因此，力致发光检测系统需要使用高速相机或光纤光谱仪等设备原位实时地采集发光信号，再通过图像处理或信号处理的方法提取发光信号特征，开展损伤评估。

2.应力发光材料领域专利全景分析

2.1 检索式制定

2.2 应力发光材料领域趋势分析

图2.2.1展示了全球应力发光材料领域专利的公开数量随时间的变化趋势。从图中可以看出，自2000年代初以来，专利公开数量呈现出稳步增长的态势。这表明了该领域的研究和开发活动日益活跃，技术不断创新，吸引了越来越多的关注和投资。

图2.2.1应力发光材料领域全球专利近20年公开趋势

图2.2.2揭示了中国在应力发光材料领域的专利增长情况。从图中可以观察到，中国在这一领域的专利数量呈现出明显的上升趋势，这可能与国家对新材料技术的重视和研发投入的增加有关。

图2.2.2应力发光材料领域中国专利近20年公开趋势

2.3 地域分析

图2.3.1展示了不同国家和地区在应力发光材料领域的专利数量排名。从图中可以看出，

中国和日本在该领域的专利产出上占全球 50% 以上份额，据领先地位，该排名反映了该领域的全球产业布局。

图2.3.1应力发光材料领域专利全球地域排名

图2.3.2应力发光材料领域专利五大局+WIPO的年公开趋势河流图

从应力发光材料的地域流向图可以看出，申请人来自日本的相关专利除了在本土申请外，还分别到美国、WIPO、EPO、中国等国家/区域进行申请，国际化程度较高。相对而言，中国的专利大部分都留在国内申请，国际化程度较低。

图2.3.3应力发光材料领域专利全球流向图

2.4 技术构成分析

技术构成分析图表通过IPC分类号的分布，揭示了应力发光材料领域内不同技术分支的专利数量,这有助于识别领域内的主要研究方向和技术热点。如图2.4.1所示,C09K11、G01L1、G01N21具有较高的专利集中度，表明发光材料、利用应力发光材料进行测量等技术分支是当前研究的焦点。

图2.4.1应力发光材料领域全球专利技术构成分析

2.5 重点申请人分析

图2.5.1展示了在全球应力发光材料领域中专利数量最多的申请人。这些申请人包括领先的研究机构、大学或企业，如日本产业技术综合研究所、岛津公司、大日本印刷株式会社、深圳大学等，申请人排名反映了该机构在该技术领域的研发实力。

图2.5.1应力发光材料领域全球专利申请人排名

图2.5.2揭示了国内在应力发光材料领域活跃的研究机构和企业。深圳大学位列第一，表明其在国内该技术领域具有领导地位，它们的专利活动可能对国内技术发展和产业升级具有重要影响。

图2.5.2应力发光材料领域中国专利申请人排名

2.6 专利转让/许可情况分析

如图2.6.1和2.6.2，专利转让情况分析图提供了对应力发光材料领域内专利商业化活动的洞察。通过观察专利的转让和许可情况，可以了解以日本产业技术综合研究所为首的研究机构不仅在专利申请方面领先全球，在在技术转移和商业合作方面也同样活跃，特别地，日本产业技术综合研究所的Chao-NanXu教授的转让专利数居全球首位。

图2.6.1应力发光材料领域全球专利受让人排名

图2.6.2应力发光材料领域全球专利转让人排名

○

图2.6.3应力发光材料领域全球专利转让人（左）与受让人（右）分析

下表具体分析了应力发光材料领域中国专利转让情况，可以从中了解到国内哪些实体机构或个人在该领域的专利运营活动较为活跃，也可以了解在该领域对专利技术有潜在需求的企业。

2.7 专利技术分析

对专利文本的标题和摘要内容进行文本聚类，可知摩擦发光材料、及把应力发光材料应用到安全加密等技术领域是该领域的一些热门研究方向。

图2.7.1应力发光材料领域研究热点聚类图

从专利沙盘中可以看出以稀土金属作为发光中心、ZnS作为基质材料可认为是专利文献领域较为热门的应力发光材料基础配方，把应力发光材料制作成发光二极管、复合材料的基材，应用于安全文件加密等领域是应力发光材料的主要应用方向。

图2.7.2应力发光材料领域专利沙盘

2.8 专利技术用途分析

专利技术用途分析的图表揭示了应力发光材料专利在不同应用领域的分布情况。从图中可以看出，应力发光材料技术在多个领域都有应用，如应力传感、防伪加密、照明显示、运动显示/可穿戴设备和结构损伤诊断等，这表明了应力发光材料技术的多功能性和广泛的市场应用前景。

图2.8.1应力发光材料领域专利技术用途分析

3.应力发光材料的配方

1999年，Chao-NanXu等从 Z n S:M n2+ （黄色发射）和 S r A l2O4:E\sqcup2+ （绿色发射）中发现了弹性材料力致发光现象，这是现代力致发光现象研究领域的一个转折点。在紫外线（UV)照射后，明亮的弹性材料力致发光现象可自我恢复或可再生，这使得技术应用成为可能，如用于建筑材料中的应力感测和裂纹检测。近年来，力致发光研究的迅速发展主要是由于新的发光成分和结构的出现，如钙锌酸盐和多相锌酸盐/钙锌酸盐，它们允许掺杂各种过渡金属离子和镧系离子，以获得在可见光至近红外（NIR）光谱范围内颜色可调的明亮多相发光。

3.1应力发光材料的配方的趋势分析

应力发光研究的迅速发展主要是由于新的发光成分和结构的出现，因此发光材料配方整体呈现出增长趋势。

图3.1.1应力发光材料的配方全球专利近20年公开趋势

针对应力发光材料配方发展相关的专利申请人进行分析，结果显示日本产业技术综合研究所、中国科学院研究所及化学工业公司为该领域的龙头。

图3.1.2应力发光材料的配方全球专利申请人排名分析

进一步对该领域的全球专利发明人进行分析，发现现代应力发光材料的开创者XuChao-Nan教授名列第一，与应力发光材料配方相关的专利总数为63件。

图3.1.3应力发光材料的配方全球专利发明人排名分析

图3.1.4展示了全球应力发光材料主要发明人团队的团队成员情况分析。

对应力发光材料的配方发展相关专利的中国专利申请人类型进行分析，发现学校占比超过 25% ，该数据表明，该领域大部分成果还是集中在高校科研机构，整个领域的产业化还是处于比较初期阶段。

图3.1.4应力发光材料的配方主要发明人团队分析
图3.1.5应力发光材料的配方中国专利申请人类型构成分析

3.2应力发光材料的配方的技术功效分析

应力发光材料配方发展领域的技术功效多样，如降低成本、提高照明效力、提高稳定性、降低制备复杂性等，具体技术功效如下图所示。为了体现各技术功效的发展趋势，对技术功效进行了时间维度的展开，从气泡图中可以发现，近年来技术功效关注点主要集中在成本降

低方面。

图3.2.1应力发光材料的配方全球专利技术功效矩阵分析

3.3核心专利分析

本部分分别从专利被引次数、专利转让情况对核心专利进行分析。如图3.3.1所示，专利US30181402A（机械发光材料及其制备方法和用途）、US4688999A（高亮度应力发光材料）的被引次数均在50次以上。

图3.3.1应力发光材料配方被引次数最多的专利排名情况

而转让次数最多的是由PATEL，ROMESH转让给Nike公司的“发光囊，发光制品，制造发光囊的方法和制造发光制品的方法”，发明涉及包含机械发光材料的制品，例如囊，当所述机械发光材料处于应力下时，所述机械发光材料发光。

3.4技术挑战与未来趋势

当前应力发光材料的发展面临多重技术瓶颈。首先，材料的环境稳定性仍是核心难题，例如铝酸盐体系（如 S r A l_{2}O_{4}:E u ）在湿热条件下易发生化学分解，导致锶离子流失和发光性能衰减。其次，制备工艺的复杂性与成本限制了规模化应用，例如复合钙钛矿材料依赖高温固相合成法，能耗高且稀土掺杂比例难以精确控制。此外，应用场景中的信号干扰问题亟待解决，如光波导传感器在环境光干扰下信噪比显著降低，影响监测精度。材料均匀性也是一大挑战，动态传感薄膜因喷涂工艺限制导致厚度波动，直接影响发光强度一致性。这些问题共同制约了应力发光技术在柔性电子、智能传感等领域的实际应用。

应力发光材料的未来发展将围绕智能化与可持续性展开。一方面，材料体系优化与多机制协同成为重点，例如通过缺陷工程和能带调控提升能量转换效率，同时开发压电-应力发光复合材料，实现机械能的多级利用。另一方面，制备工艺趋向绿色化与精密化，如探索溶液法合成替代高能耗固相法，并结合3D打印技术实现纳米级均匀成膜。应用场景的拓展将深度融合人工智能，例如柔性光纤传感器结合AI算法，可实时解析应力分布并预测结构损伤，推动建筑健康监测的智能化。此外，环境友好型材料（如无稀土体系）和微型化器件（如生物兼容纳米颗粒）的研发，将加速该技术在医疗诊断、可穿戴设备等新兴领域的落地。随着关键技术的突破，应力发光材料有望成为智能感知系统的核心组件。

4.应力发光材料的应用

应力发光材料由于能在多种形式的机械刺激下发光，如研磨、刮擦、按压、水流、气流、超声等，使得其应用场景十分广泛，在应力传感、防伪加密、照明显示、运动显示、结构损伤诊断等领域均体现出极大的应用价值。下文分别针对应力传感、防伪加密、照明显示、运动显示/可穿戴设备、及结构损伤诊断五大领域构建检索式，进行分领域检索分析。

4.1应力传感领域的专利全景分析

传统基于电阻、电容的传感器通常体积较大，且使用场景比较受限。相较之下，基于应力发光的传感器往往小巧轻便，具有高度的灵活性和适应性?；诹χ路⒐獾挠αΥ衅饕丫诎ü獾缱友?、土木和机械工程及运动和生命科学在内的各种领域得到了广泛应用。下文针对应力发光材料在传感领域的专利进行分析。

4.1.1应力发光材料传感领域趋势分析

应力发光的强度在弹性范围内通常与所受应力呈线性比例关系，这使得传感器可以定量记录应力，此外还能通过颜色变化半定量传感。整体而言，应力发光材料在传感领域的专利公开趋势整体呈现增长趋势，表明应力发光材料在该领域的良好适配性。

图4.1.1应力发光材料传感领域全球专利近20年公开趋势

针对应力发光材料在传感领域的应用领域专利申请人进行分析，结果显示日本产业技术综合研究所、深圳大学及杭州显庆科技有限公司为该领域的龙头。

图4.1.2应力发光材料传感领域全球专利申请人排名分析

进一步对该领域的全球专利发明人进行分析，发现现代应力发光材料的开创者XuChao-Nan教授名列第一，深圳大学彭登峰教授以8件专利位列第二。

图4.1.3应力发光材料传感领域全球专利发明人排名分析

对应力发光材料传感领域中国专利申请人类型进行分析，发现学校占比超过 25% ，该数据表明，该领域大部分成果还是集中在高校科研机构，整个领域的产业化还是处于比较初期阶段。

图4.1.4应力发光材料传感领域中国专利申请人类型构成分析

4.1.2应力发光材料传感领域技术功效分析

应力发光材料传感领域技术功效多样，如降低成本、降低制备复杂性、提高应力、稳定性等，具体技术功效如下图所示。为了体现各技术功效的发展趋势，对技术功效进行了时间维度的展开，从气泡图中可以发现，近年来技术功效关注点主要集中在成本、稳定性等方面。

图4.1.5应力发光材料传感领域全球专利技术功效矩阵分析

4.1.3核心专利分析

4.1.4技术挑战与未来趋势

当前有机摩擦发光材料虽展现出非接触检测、信号可视化等优势，但其核心机理尚未完全阐明，尤其是力-光转换过程中压电效应与分子结构演化的协同机制仍需深入探索。材料层面，有机体系在长期机械循环载荷下易出现分子结构不可逆破坏，导致发光强度显著衰减，尤其在高温高湿环境中晶格畸变加速，传感器寿命难以突破千次循环，而无机材料虽具有高灵敏度，但刚性结构和复杂加工工艺限制了其在柔性器件中的应用。技术应用方面，高精度器件的制备依赖多层异质材料复合工艺，量产成本与良品率制约了商业化进程。

未来发展趋势聚焦于推动机理研究与应用开发并行，建立智能诊断算法库，利用机器学习解析应力发光信号与损伤模式的关联，结合边缘计算芯片可构建实时桥梁裂缝监测系统。同时，构建柔性可穿戴传感器阵列，实现人体运动力学与基础设施微裂纹的动态可视化监测，推动应力发光传感从实验室向智慧城市、可穿戴医疗等场景的规?；涞?。

4.2防伪加密领域的专利全景分析

应力发光材料因其发光特性与外部刺激的动态响应关系，成为防伪标签、加密标识等领域的理想选择。通过调控材料的光谱特性（如颜色、波长）或结合动态响应机制（如时间依赖性发光衰减)，可实现多重防伪层级。下文针对应力发光材料在防伪加密领域的专利进行分析。

4.2.1应力发光材料防伪加密领域趋势分析

全球专利公开量近20年呈现“阶梯式增长”，2015年前专利年均申请量不足5件，2015年后保持相对稳定的申请量，2024出现了峰值（18件）。

图4.2.1应力发光材料防伪加密领域全球专利近20年公开趋势

针对应力发光材料在防伪加密领域的专利申请人进行分析，结果显示打日本印刷株式会社（DNP）、深圳大学及桂林电子科技大学为该领域的龙头。

图4.2.2应力发光材料防伪加密领域全球专利申请人排名分析

进一步对该领域的全球专利发明人进行分析，发现 satojun 名列第一，深圳大学彭登峰教授以9件专利位列第二。

图4.2.3应力发光材料防伪加密领域全球专利发明人排名分析

对应力发光材料防伪加密领域中国专利申请人类型进行分析，发现学校占比超过 25% 该数据表明，该领域大部分成果还是集中在高?？蒲谢?，整个领域的产业化还是处于比较初期阶段。

图4.2.4应力发光材料防伪加密领域中国专利申请人类型构成分析

4.2.2应力发光材料防伪加密领域技术功效分析

应力发光材料防伪加密领域技术功效多样，如防伪性、降低成本、制作方法复杂性降低等，具体技术功效如下图所示。为了体现各技术功效的发展趋势，对技术功效进行了时间维度的展开，从气泡图中可以发现，近年来技术功效关注点主要集中在放卫星、成本降低等方面。

图4.2.5应力发光材料防伪加密领域全球专利技术功效矩阵分析

4.2.3核心专利分析

4.2.4技术挑战与未来趋势

在应力发光材料的防伪加密领域，当前面临的主要技术挑战集中在如何有效降低材料的发光压力阈值并提升发光亮度，以满足实际应用中指压操作的需求。现有材料的发光压力阈值普遍较高（如部分材料需施加超过29N的载荷才能发光），且发光亮度在自然光环境下难以辨识，严重限制了其防伪场景的适用性。例如，传统无机荧光粉（如 \mathsf{S r A l}_{2}\mathsf{O}_{4};\mathsf{E u}^{2+}. ）虽具备良好的压电性，但其发光依赖高应力且难以与印刷工艺兼容；而有机小分子材料则存在发光瞬灭、不可重复等问题。此外，聚合物基质（如PDMS）的应力传递效率不足，导致外力难以充分作用于发光颗粒，进一步制约了材料的灵敏度和发光强度。

未来发展趋势则呈现多维创新融合的特点。首先，开发新型化学组成体系，如引入非对称晶体结构（如方硼石）或宽禁带基质材料（如AIN、立方BN），结合稀土离子掺杂技术，有望通过能级调控实现高亮度、低阈值的力致发光。其次，优化聚合物基质的力学性能，例如通过交联网络增强应力传递效率或引入刚性-弹性复合结构，可提升外力向发光颗粒的传导能力。再者，微纳结构阵列的集成（如3D打印表面微结构）可放大局部应力并协同结构色效应，从而降低阈值并丰富防伪视觉效果。此外，智能化与多功能融合是重要方向，例如结合光致发光、长余辉等多模式响应，或利用应力-光谱线性关系实现动态加密，将推动防伪技术向高安全性、交互性发展。最终，通过材料科学、印刷工艺与微纳制造技术的交叉创新，应力发光材料有望在防伪标签、智能包装等领域实现规?；τ?，为高附加值产品的安全?；ぬ峁┬路妒健?/p>

4.3照明显示领域的专利全景分析

应力发光材料能够在按压、水流、气流、摩擦等机械刺激下释放能量并发光，是一种相对特殊的发光形式，同时在缺少电源的情况下，力致发光荧光粉为照明和显示提供了独特的解决方案。下文针对应力发光材料在照明显示领域的专利进行分析。

4.3.1应力发光材料照明显示领域趋势分析

应力发光材料在无源照明、柔性显示等领域展现潜力。专利公开量自2015年起，保持年均申请量超过20件，其中2020年达到了峰值（30件）。

图4.3.1应力发光材料照明显示领域全球专利近20年公开趋势

针对应力发光材料在照明显示领域的应用领域专利申请人进行分析，结果显示日本产业技术综合研究所、飞利浦公司及岛津公司为该领域的龙头。

图4.3.2应力发光材料照明显示领域全球专利申请人排名分析

进一步对该领域的全球专利发明人进行分析，发现现代应力发光材料的开创者XuChao-Nan 教授名列第一。

图4.3.3应力发光材料照明显示领域全球专利发明人排名分析

对应力发光材料照明显示领域中国专利申请人类型进行分析，发现学校占比超过 25% 该数据表明，该领域大部分成果还是集中在高?？蒲谢梗隽煊虻牟祷故谴τ诒冉铣跗诮锥?。

图4.3.4应力发光材料照明显示领域中国专利申请人类型构成分析

4.3.2应力发光材料照明显示领域技术功效分析

应力发光材料照明显示领域技术功效多样，如降低成本、提高效率、提高可靠性、降低结构复杂性等，具体技术功效如下图所示。为了体现各技术功效的发展趋势，对技术功效进行了时间维度的展开，从气泡图中可以发现，近年来技术功效关注点主要集中在降低成本、降低结构复杂性等方面。

图4.3.5应力发光材料照明显示领域全球专利技术功效矩阵分析

4.3.3核心专利分析

4.3.4技术挑战与未来趋势

应力发光材料在照明显示领域的技术应用面临多重挑战。首先，材料稳定性问题突出，长期机械循环或高温环境易引发发光衰减，直接影响器件的可靠性。其次，高精度制造工艺推升了产业化门槛。在应用层面，户外环境光干扰问题显著，低亮度机械发光材料需额外配置光学滤波系统以提升信噪比，而无源照明器件在追求高光效时又面临材料疲劳引发的寿命折损，能效与耐久性难以兼得。

尽管存在技术瓶颈，该领域未来发展趋势呈现出多维创新突破。微型化集成技术通过微流控3D打印与纳米复合工艺，实现亚微米级结构控制，推动AR/VR设备的超薄显示模块发展。多模态协同技术将压电材料与发光单元结合，构建具有机械-光-电信号转换能力的自供电智能屏幕，例如可响应触压的交互界面。在可持续发展方向，新型环保材料如蛋壳基复合发光体的开发，成功将生物废弃物转化为低成本光源，为绿色照明开辟新路径。此外，人工智能技术的深度融入使得应力发光材料光信号具备动态解析能力，通过触觉-视觉融合算法可打造沉浸式交互场景，如在游戏界面实现压力敏感的实时光反馈系统。这些技术革新正推动应力发光材料向智能化、生态化、高集成方向加速演进。

4.4可穿戴设备领域的专利全景分析

如何有效地将外部刺激转化为电信号是柔性可穿戴电子传感器监测身体健康状况的关键技术。近年来为了实时扫描动态压力和发展可拉伸的能量收集器件，基于力致发光、摩擦发电机制的传感器受到了高度关注。力致发光材料可以将人体的各种运动转化为光信号，或者构造自供电人造皮肤和纺织品，用于人类社会活动和智能服装等，应用前景广阔。与利用电相关性（如电容或电阻原理）的智能皮肤相比，基于力致发光的光子皮肤简单、经济且安全，因为其不受电磁干扰影响并且没有引线键合。与近年来发展起来的复杂多材料多喷嘴3D打印技术结合，可以得到具有复杂结构和高空间分辨率的光子皮肤。下文针对应力发光材料在可穿戴设备领域的专利进行分析。

4.4.1应力发光材料可穿戴设备领域趋势分析

应力发光材料（Mechanoluminescent Materials,MLMs）因其在机械刺激下直接发光的特性，成为可穿戴设备领域的关键技术方向。2019 年以前，年均专利申请量不足5件，2022年出现的峰值(10件）。

图4.4.1应力发光材料可穿戴设备领域全球专利近20年公开趋势

针对应力发光材料在可穿戴设备领域的专利申请人进行分析，结果显示索尼公司、岛津公司为该领域的龙头。

图4.4.2应力发光材料可穿戴设备领域全球专利申请人排名分析

进一步对该领域的全球专利发明人进行分析，发现日本发明人名列前五，说明了日本在该应用领域的强势领先地位。

图4.4.3应力发光材料可穿戴设备领域全球专利发明人排名分析

对应力发光材料可穿戴设备领域中国专利申请人类型进行分析，发现学校占比超过 25% 该数据表明，该领域大部分成果还是集中在高?？蒲谢?，整个领域的产业化还是处于比较初期阶段。

图4.4.4应力发光材料可穿戴设备领域中国专利申请人类型构成分析

4.4.2应力发光材料可穿戴设备领域技术功效分析

应力发光材料可穿戴设备领域技术功效多样，如降低成本、降低制备复杂性、提高稳定性等，具体技术功效如下图所示。为了体现各技术功效的发展趋势，对技术功效进行了时间维度的展开，从气泡图中可以发现，近年来技术功效关注点主要集中在降低成本、降低制备复杂性、提高稳定性等方面。

图4.4.5应力发光材料可穿戴设备领域全球专利技术功效矩阵分析

4.4.3核心专利分析

4.4.4技术挑战与未来趋势

尽管应力发光材料在可穿戴设备领域展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临显著挑战。在技术瓶颈方面，材料稳定性问题尤为突出，例如长期机械循环作用下应力发光材料的发光衰减现象，这直接影响了器件的可靠性与使用寿命；同时，环境光对光强检测的干扰也限制了高精度传感系统的性能。

面向未来，技术发展呈现三大趋势：一是多模态集成，通过将应力发光材料与摩擦电、压电材料协同设计，实现机械能-光能-电能的多重转换与信号增强；二是自修复技术的突破，例如自愈合弹性体材料可显著提升MLMs器件在复杂形变下的耐久性；三是AI驱动分析的深度融合，通过机器学习算法处理MLMs生成的光强分布数据，为智能健康监测与交互提供更精准的决策支持。这些方向将共同推动MLMs从实验室走向规?；τ茫衬芟乱淮纱┐骷际醯母镄?。

4.5结构损伤诊断领域的专利全景分析

损伤检测是利用声、光、磁、电和热等特性，在不损害或不影响装备结构使用性能的前提下检测缺陷的信息，进而开展装备结构的结构完整性评估。目前，射线检测、超声检测、涡流检测、磁粉检测和渗透检测已经广泛应用于装备结构的腐蚀和裂纹等缺陷的检测。应力发光材料因其独特的光学响应和直观可视的特点，在力学传感和结构损伤检测等领域具有潜在应用，逐渐引起了广泛关注。近些年，在装备结构表面构建力响应发光传感涂层，将变形和损伤演化转为直观可视的发光或颜色改变，并基于发光变色响应开展装备结构的结构完整性评估成为新兴的研究领域之一。这也为非接触、大范围和可视化的损伤检测和评估方法提供了新思路。下文针对应力发光材料在结构损伤诊断领域的专利进行分析。

4.5.1应力发光材料结构损伤诊断领域趋势分析

应力发光材料在桥梁、隧道、建筑等结构健康监测中具备实时、可视化优势。2005-2020年专利年均10件以下，2021年增至16件。

4.5.1应力发光材料结构损伤诊断领域全球专利近20年公开趋势

针对应力发光材料在结构损伤诊断领域的专利申请人进行分析，结果显示日本产业技术综合研究所及日立公司为该领域的龙头。

4.5.2应力发光材料结构损伤诊断领域全球专利申请人排名分析

进一步对该领域的全球专利发明人进行分析，发现现代应力发光材料的开创者XuChao-Nan 教授名列第一。

4.5.3应力发光材料结构损伤诊断领域全球专利发明人排名分析

对应力发光材料结构损伤诊断领域中国专利申请人类型进行分析，发现学校占比不足25% ，但仍然在所有主体中占据较大比例，该数据表明，该领域大部分成果还是集中在高?？蒲谢梗隽煊虻牟祷故谴τ诒冉铣跗诮锥巍?/p>

4.5.4应力发光材料结构损伤诊断领域中国专利申请人类型构成分析

4.5.2应力发光材料结构损伤诊断领域技术功效分析

应力发光材料在结构损伤诊断领域技术功效多样，如降低成本、降低制备复杂性、提高应力等，具体技术功效如下图所示。为了体现各技术功效的发展趋势，对技术功效进行了时间维度的展开，从气泡图中可以发现，近年来技术功效关注点主要集中在降低成本、提高应力等方面。

4.5.5应力发光材料结构损伤诊断领域全球专利技术功效矩阵分析

4.5.3核心专利分析

4.5.4技术挑战与未来趋势

在应力发光材料的结构损伤诊断领域，当前面临多重技术挑战。首先，材料的成膜性能是核心瓶颈。现有无机力致发光材料（如 \mathsf{S r A l}_{2}\mathsf{O}_{4};\mathsf{E u}^{2+} ： Z n S:C u ）通常为粉末或聚合物形态，需依赖环氧树脂等粘结剂成膜，难以在金属或复合材料表面实现大面积均匀涂覆，限制了检测范围。尽管有机小分子材料（如TPE-4N）可溶于溶剂并通过刷涂成膜，但多数有机材料的成膜工艺仍面临界面结合强度低、长期稳定性不足等问题。其次，力敏感性不足制约检测精度。例如， \mathsf{S r A l}_{2}\mathsf{O}_{4};\mathsf{E u}^{2+} 等无机材料虽具备高灵敏度（约2MPa即可响应），但依赖紫外光预激发且循环加载后发光衰减显著；而有机材料（如部分聚合物基力致变色体系）需施加 100% 以上拉伸变形才能显色，难以满足工程结构的微应变检测需求。此外，信号采集与评估方法尚不成熟。力致发光信号持续时间短，需高速相机或光谱仪实时捕捉，而复杂工况下的背景噪声干扰（如环境光、振动）进一步增加了信号提取难度。最后，环境适应性亟待提升。现有传感涂层在高温、高湿或腐蚀性环境中易老化失效，且涂层与基体界面的疲劳开裂问题尚未有效解决，限制了其在航空航天、海洋工程等恶劣环境中的应用。

未来发展趋势聚焦于多学科交叉与技术创新。首先，新型材料体系的开发是突破方向。例如，开发可溶/分散于有机溶剂的力响应材料（如TPE-4N衍生物），结合非对称晶体结构（如方硼石）或宽禁带基质（如AIN），有望实现高亮度、低阈值的响应特性。其次，智能化与多模态融合成为关键。通过结合深度学习算法分析发光信号的空间分布与强度变化（如论文中基于TPE-4N涂层和CCD 相机的裂纹动态监测)，可实现损伤的自动识别与量化评估；同时，集成力致发光、热致变色等多响应机制（如TGDDM-DETA树脂的冲击变色特性），可构建多重验证的防伪与监测系统。此外，工艺革新推动应用拓展。光固化3D打印技术可实现微纳结构阵列的定制化制备，增强局部应力传递效率；而自修复弹性体（如PDMS复合涂层）与耐腐蚀封装技术的结合，将显著提升传感涂层的环境耐久性。最终，随着材料科学、人工智能与微纳制造技术的协同发展，应力发光材料有望在大型装备健康监测、智能基础设施维护等领域实现规?；τ?，为结构安全提供实时、可视化、高精度的诊断新范式。

5.结论

在深入分析了应力发光材料领域的专利导航分析报告后，可以得出以下结论：

【技术发展与创新趋势】从2000年代初以来，应力发光材料领域的专利公开数量呈现出稳步增长的态势，显示出该领域的研究和开发活动日益活跃，技术不断创新。

【地域分布与产业布局】中国和日本在应力发光材料领域的专利产出上占全球 50% 以上的份额，处于领先地位。这反映出这两个国家在该领域的全球产业布局中具有重要地位。

【技术分支与研究方向】发光材料、利用应力发光材料进行测量的技术分支是当前研究的焦点。专利技术构成分析显示，C09K11、G01L1、G01N21具有较高的专利集中度。

【主要申请人与研发实力】日本产业技术综合研究所、岛津公司、大日本印刷株式会社、深圳大学等是该领域专利数量最多的申请人，显示了它们在该技术领域的研发实力。

【应用领域与市场前景】应力发光材料技术在应力传感、防伪加密、照明显示、运动显示/可穿戴设备和结构损伤诊断等多个领域都有应用，表明了技术的多功能性和广泛的市场应用前景。

【专利转让与商业化活动】专利转让情况分析显示，日本产业技术综合研究所等研究机构不仅在专利申请方面领先全球，在技术转移和商业合作方面也同样活跃。

【技术功效与创新点】专利技术功效分析表明，应力发光材料技术致力于提高发光亮度、降低成本、提升发光强度、增强耐水性和渗透性等，这些创新点对于推动该领域的发展具有重要意义。

【领域挑战与机遇】尽管该领域取得了显著的进展，但仍存在挑战，如某些应力发光机制尚不完全清楚，以及将研究成果转化为实际应用的需求。

综上所述，应力发光材料领域正经历着快速的技术进步和市场扩展，具有广阔的发展空间和应用潜力，未来的研究和开发应继续关注提高材料性能、降低成本、增强应用适应性，加强专利技术的商业化和产业化进程。