中國、日本、美國稀土磁性材料專利技術(shù)比較研究

張 博 安 巖 王學(xué)昭 趙 萍*，

（1.中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心，北京100190；2.中國科學(xué)院包頭稀土研發(fā)中心，包頭014010）

由于稀土家族具有豐富而又不可替代的性質(zhì)，在磁、電、光等高技術(shù)功能材料領(lǐng)域扮演著重要的角色，是制備高新材料的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，因此美、日等發(fā)達(dá)國家都把稀土列為“21世紀(jì)的戰(zhàn)略元素”［1-4］。我國亦將稀土磁性材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化材料等為代表的稀土功能材料列為實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的9種關(guān)鍵材料之一，其戰(zhàn)略地位十分重要［5，6］。在眾多稀土材料中，稀土永磁材料、稀土磁致伸縮材料、稀土磁制冷材料和稀土巨磁電阻材料等稀土磁性材料［7］的應(yīng)用最為廣泛，已發(fā)展成為稀土行業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)，帶動著整個稀土產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展［8］。

近幾年，我國稀土磁性材料研發(fā)取得一些突破［9］，燒結(jié)釹鐵硼磁體發(fā)展最快、應(yīng)用最廣；粘結(jié)釹鐵硼、釤鈷磁體的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已掌握各向異性釤鐵氮磁粉產(chǎn)業(yè)化研究的關(guān)鍵核心技術(shù)，對納米復(fù)合稀土永磁材料的研究也已達(dá)到國際先進(jìn)水平［9，10］；已建立了較完整的稀土永磁材料制備與應(yīng)用工業(yè)體系，成為全球最大的稀土永磁材料生產(chǎn)基地，產(chǎn)量超過全球的85%，突破了發(fā)達(dá)國家長期的技術(shù)封鎖和市場壟斷，實現(xiàn)了從稀土資源大國到稀土永磁產(chǎn)品生產(chǎn)大國的跨越［5，11］。但是，我國在高端應(yīng)用方面與美國、日本相比尚有一定差距。稀土應(yīng)用技術(shù)專利主要掌握在美、日企業(yè)手中，有些還被國外列為禁止出口技術(shù)，我國稀土產(chǎn)業(yè)一直在跟蹤、模仿，或購買外國專利，更多的是“賣土為生”［11］。同時，隨著我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的加快，對高性能稀土磁性材料的需求必然越來越大，高性能稀土磁性材料有可能成為限制我國產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展的“卡脖子”問題，研究需有更大突破。

本文擬從專利角度，通過對比中國、日本和美國在研究主體、研發(fā)熱點等方面的差異，并結(jié)合中國、日本和美國稀土材料生產(chǎn)、研發(fā)政策等信息，揭示擁有豐富稀土資源的中國、缺乏稀土資源的日本，以及限制稀土資源開發(fā)的美國在稀土磁性材料研發(fā)方向及研發(fā)趨勢上的異同點，以期為中國稀土磁性材料發(fā)展提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)來源與工具

本文以科睿唯安的Derwent Innovation專利檢索與分析平臺為數(shù)據(jù)來源，利用主題詞與國際專利分類（IPC）、聯(lián)合專利分類（CPC）相結(jié)合的檢索策略，檢索出全球稀土磁性材料相關(guān)專利24712項（檢索時間2018年10月22日）。專利檢索策略為：（ALLD＝（lanthan OR Cerium OR Praseodymium OR Neodymium OR Promethium OR Samarium OR Europium OR Gadolinium OR Terbium OR Dysprosium OR Holmium OR Erbium OR Thulium OR Ytterbium OR Lutetium OR Yttrium OR Scandium）AND AIC＝（H01F*OR H01L 43／08 OR H01L 41*））OR（ALLD＝（（lanthan OR Cerium OR Praseodymium OR Neodymium OR Promethium OR Samarium OR Europium OR Gadolinium OR Terbium OR Dysprosium OR Holmium OR Erbium OR Thulium OR Ytterbium OR Lutetium OR Yttrium OR Scandium）AND（＂magnetic refrigera*＂OR magnetoresist*OR magnetocaloric*OR magnetothermal*OR nanomagnet*OR thermomagnet*OR magnetograph*OR Magnetron OR＂permanent magnet*＂OR magnetorheolog*OR Magnetophoretic OR Magnetostrict*OR＂Magnetic suspension＂OR＂Magnetic levitation＂OR＂Magnetic bearing*＂OR＂Magnetic spring*＂OR＂Magnetic damper*＂OR＂Magneto-optical＂OR＂Magnetotherapy＂OR magnet*）））。

中國、日本和美國專利申請數(shù)據(jù)是在稀土磁性材料專利數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，利用科睿唯安的DDA（Derwent Data Analyzer）工具按照專利權(quán)機(jī)構(gòu)所屬國家進(jìn)行劃分的，如果該機(jī)構(gòu)被其他機(jī)構(gòu)并購，則以并購機(jī)構(gòu)所屬國家進(jìn)行劃分。中國、日本和美國專利受理數(shù)據(jù)是指該國專利局受理的專利。

數(shù)據(jù)分析及圖表的制作主要運(yùn)用了微軟的EXCEL辦公軟件，以及科睿唯安的DDA工具。專利Themescape圖的制作使用了科睿唯安的Derwent Innovation專利檢索與分析平臺。

2 結(jié)果與分析

2.1 全球及中日美三國申請趨勢分析

自21世紀(jì)60年代初首次出現(xiàn)稀土磁性材料專利申請以來，截至2018年10月，全球共申請了24712項磁性材料相關(guān)專利技術(shù)。從增長趨勢看，可將稀土磁性材料專利申請分為3個階段：1）1960—1987年，專利量呈增長趨勢，由1964年的2項增長到1987年的615項。該時期出現(xiàn)了第一代至第三代稀土永磁材料。從專利量上看，呈現(xiàn)出以日本為主要引領(lǐng)的增長趨勢；美國在該時期尚處于技術(shù)萌芽狀態(tài)；中國專利法于1985年開始實施，之前的專利量處于空白狀態(tài)。2）1987—1997年，專利量呈下降趨勢，由1987年的615項下降至1997年的245項。這種下降趨勢主要是因為日本專利申請量下降所致，而同時期中國和美國依然處于技術(shù)萌芽期。3）1997年至今，全球?qū)＠尸F(xiàn)出快速增長趨勢，專利量由1997年的245項增長至2017年的1605項。其中，1997—2004年，中國、日本和美國呈現(xiàn)出了不同的發(fā)展趨勢：日本呈現(xiàn)出的增長趨勢是該時期專利增長的主要原因；中國由萌芽期向突破期轉(zhuǎn)折；美國則呈現(xiàn)出從萌芽期至突破期，再至穩(wěn)定期的快速轉(zhuǎn)變。2005年至今，呈現(xiàn)出以中國為主要引領(lǐng)的專利增長趨勢：2007年，中國專利量超過日本，并一直保持至今；2005年后，日本呈下降趨勢；而美國專利量維持在100項上下，呈平穩(wěn)趨勢（圖1）。

圖1 稀土磁性材料相關(guān)專利申請趨勢Fig．1 Trends of patent application of rare earth magnetic materials

從中日美三國專利申請趨勢上看，日本主導(dǎo)和引領(lǐng)了2006年以前的全球?qū)＠暾堏厔荩恢袊鴦t主導(dǎo)了2007年至今的專利趨勢，即2007年至今的全球?qū)＠暾堏厔菖c中國申請趨勢基本一致（圖1和表1）。

表1 中國、日本和美國在不同時期的專利增長趨勢及作用Tab．1 Patent application trend and role of China，Japan and USA in different periods

2.2 中國、日本和美國三國技術(shù)創(chuàng)新能力比較

日本、中國和美國三國專利申請總量為19501項，占全球?qū)＠暾埧偭康?2%。其中，日本占全球?qū)＠康?1%，中國占34%，美國占7%（圖2）。

圖2 中國、日本和美國稀土磁性材料專利申請量及占比Fig．2 Numbers of patent application and proportion of China，Japan and USA

2.2.1 中國、日本和美國三國研發(fā)主體對比

對比中國、日本和美國三國進(jìn)入全球TOP10專利權(quán)機(jī)構(gòu)的數(shù)量。日本有9家機(jī)構(gòu)，且占據(jù)了前9位，處于絕對領(lǐng)先位置；中國僅有中國科學(xué)院一家機(jī)構(gòu)進(jìn)入全球TOP10，占第10位；美國沒有機(jī)構(gòu)進(jìn)入前10位（圖3）。

圖3 全球主要稀土材料專利權(quán)機(jī)構(gòu)排名及專利數(shù)量Fig．3 Ranking and number of patents of major rare earth materials patent institutions in the world

進(jìn)一步對比中國、日本和美國三國稀土磁性材料研發(fā)主體（表2）可以看出，中國的研發(fā)主體以科研機(jī)構(gòu)與高校為主，包括中國科學(xué)院以及北京科技大學(xué)、浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京理工大學(xué)、東南大學(xué)等；企業(yè)主要包括中科三環(huán)、天長市中能國泰能源技術(shù)有限公司、中國鋼研科技集團(tuán)有限公司和安徽大地熊新材料股份有限公司等。

在日本，企業(yè)是稀土磁性材料的研發(fā)主體，其TOP專利權(quán)機(jī)構(gòu)全部為企業(yè)。其中，排名第1位的日立申請了2142項專利，專利量大約是排名第2位精工愛普生（1096）的2倍。日立申請的專利技術(shù)主要集中在Nd-Fe-B燒結(jié)磁體、稀土粘結(jié)磁體等領(lǐng)域；精工愛普生申請的專利技術(shù)不僅涉及稀土磁粉、磁體生產(chǎn)，還涉及稀土磁體的表面處理等。另外，傳統(tǒng)磁性材料生產(chǎn)企業(yè)TDK公司、信越化工、大同特殊鋼株式會社等專利申請量亦在300項以上。

表2 中國、日本、美國主要研發(fā)機(jī)構(gòu)（單位：項）Tab．2 Major patent institutes in China，Japan and USA（unit：item）

美國的研發(fā)主體相對多樣，包括企業(yè)、高校和研究機(jī)構(gòu)。其中，企業(yè)主要有美國基美公司、通用電氣、希捷科技、IBM、通用汽車、Intel、伊士曼柯達(dá)等；高校主要為加州大學(xué)和東北大學(xué)；研究機(jī)構(gòu)主要包括美國能源部等?？傮w來說，美國研發(fā)主體的專利量相對較少。

2.2.2 中國、日本和美國三國稀土磁性材料專利布局

本部分首先利用科睿唯安的Derwent Innovation平臺對中國、日本和美國三國專利申請進(jìn)行主題聚類生成ThemeScape專利地圖，然后通過人工判讀，將中國、日本和美國三國專利主題按照上游稀土磁粉及制備、中游稀土磁材制造與防護(hù)、下游稀土磁材應(yīng)用進(jìn)行歸類（圖4）。

圖4 稀土磁性材料上中下游產(chǎn)業(yè)鏈Fig．4 Industrial chain of rare earth magnetic materials

總體上看，中國、日本和美國三個國家均比較重視下游稀土磁性材料應(yīng)用領(lǐng)域的專利布局。另外從整個產(chǎn)業(yè)鏈上看，三個國家在稀土磁性材料產(chǎn)業(yè)鏈上的布局差異較大（表3、表4）。

表3 中國、日本和美國三國專利在稀土磁性材料產(chǎn)業(yè)鏈上的專利布局Tab．3 Patent layout in the industrial chain of China，Japan and USA

表4 中國、日本和美國三國稀土專利布局對比Tab．4 Comparison of patent layout of rare earth magnetic materials of China，Japan and the United States

1）中國專利主要布局在產(chǎn)業(yè)鏈的中游磁材制備和下游磁材應(yīng)用，在上游磁粉制備方向的布局較弱。其中，在中游稀土磁材制備上，主要布局的技術(shù)包括Nd-Fe-B燒結(jié)磁體、非晶合金、軟磁合金、鈷基磁性材料、高分子／磁粉復(fù)合材料制備等。在下游磁材應(yīng)用方向上，主要布局的技術(shù)包括電機(jī)、磁性緊固器件、感應(yīng)線圈、磁管、保健用品以及分子磁性材料等（圖5a）。

2）日本專利主要布局在上游磁粉制備以及下游磁材應(yīng)用技術(shù)，在中游磁材制備技術(shù)上的布局相對薄弱。其中，在上游磁粉制備技術(shù)上布局了大量的專利，基本涵蓋了燒結(jié)磁粉、粘結(jié)磁粉等磁粉制備的各個技術(shù)分支，主要包括快淬粉及其制備技術(shù)、吸氫-歧化-脫氫-再復(fù)合工藝及HDDR粉、氣體霧化法、利用稀土氧化物制備稀土-鐵-氮型磁粉或含銅稀土鐵硼型磁粉。在下游布局的技術(shù)包括磁記錄材料、燒結(jié)磁體抗腐蝕方法、電機(jī)轉(zhuǎn)子芯及軸向徑向磁環(huán)、打印機(jī)滾軸、稀土超導(dǎo)材料、無取向電工鋼以及稀土磁體等硬脆材料的切斷裝置（圖5b）。

3）美國主要集中布局下游稀土磁材應(yīng)用，在中游稀土磁材制備的布局很少，在上游磁粉制備也有少量布局。美國麥格昆磁公司因為擁有含Co釹鐵硼快淬磁粉的成分專利和技術(shù)專利以及相關(guān)的附屬專利，成為了全球最大的粘結(jié)釹鐵硼原材料（磁粉）供應(yīng)商，其在日本的成分專利已于2004年到期，美國的在2012年到期，中國的2014年到期，目前美國在上游和中游基本不再布局新專利。美國在下游布局的技術(shù)方向在三個國家中是最廣的，不僅包括傳統(tǒng)的永磁電機(jī)材料、高溫超導(dǎo)材料、磁存儲等，還包括中國和日本兩國中沒有涉及的醫(yī)療支架、細(xì)胞監(jiān)測靶標(biāo)、腫瘤治療用磁性顆粒、磁性假肢、磁性導(dǎo)尿管以及核磁共振成像等領(lǐng)域（圖5c）。

可以看出，日本通過在上游稀土磁粉及其制備、磁粉粘結(jié)劑，中游晶界擴(kuò)散等前端技術(shù)的全面布局，控制著稀土磁性材料上中游生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。相對日本來說，中國在上游稀土磁粉制備上的專利布局較少，因此上游磁粉制備技術(shù)未來有可能會成為阻礙中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的“卡脖子”技術(shù)。美國則專注于挖掘稀土磁性材料的應(yīng)用，已經(jīng)在醫(yī)藥、生物分析領(lǐng)域進(jìn)行了布局。但目前看，美國在這些方向布局的專利還較少，這對我國或許是一個很好的趕超機(jī)會。

2.3 中國、日本和美國三國市場競爭態(tài)勢

日本、中國和美國三國專利受理量最大。以每個國家受理的專利項數(shù)為單位進(jìn)行統(tǒng)計（即一個專利家族在某個國家／地區(qū)的所有專利記為該國受理的一項專利），日本受理的專利量為8942項，占全球?qū)＠康?6%；中國受理的專利量為8135項，占全球?qū)＠康?3%；美國專利申請量為2424項，占全球?qū)＠康?0%（圖6）。

圖6 中國、日本和美國三國市場專利受理情況Fig．6 Patent numbers accepted by China，Japan and USA and the proportion

進(jìn)一步對比中國、日本和美國市場上的主要競爭者可以看出，中國和日本市場基本上被本土機(jī)構(gòu)所壟斷，不同之處在于中國市場的競爭者不僅包含企業(yè)，亦包括科研機(jī)構(gòu)和高校，而日本市場主要為企業(yè)。美國市場基本上被東芝、日立、TDK、信越化學(xué)、豐田、韓國三星等日韓企業(yè)，特別是日本企業(yè)所占領(lǐng)，美國本土競爭者只有4家，分別為通用電氣、希捷科技、IBM和巴特爾研究所。我國稀土磁性材料市場基本上被我國科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)所壟斷，主要競爭者包括中國科學(xué)院、中科三環(huán)、北京科技大學(xué)、天長市中能國泰能源技術(shù)有限公司等（表5）。

3 結(jié)語

1）全球稀土磁性材料專利申請自1997年以來呈快速增長趨勢，但中國、日本和美國三國的表現(xiàn)卻各不相同。我國專利申請量快速增長，特別是自2007年以來，已成為全球稀土磁性材料專利申請量增長的引領(lǐng)者，專利量僅次于日本，后發(fā)優(yōu)勢明顯。盡管日本自2004年至今專利申請呈下降趨勢，但其專利量依然位列全球首位。同時，由于日本在稀土磁性材料方面的研發(fā)起步相對較早，在稀土磁粉制備等技術(shù)和工藝上相對成熟，依然掌握著稀土磁性材料制備的關(guān)鍵步驟。而美國自2000年至今專利量維持在100項左右。

表5 中國、日本和美國市場上的競爭者（單位：項）Tab．5 Major assignees in the market of China，Japan and USA（unit：item）

2）中國、日本和美國在稀土磁性材料研發(fā)領(lǐng)域的布局差異較大，中國需要加大稀土磁材的應(yīng)用布局。具有先發(fā)優(yōu)勢的日本主要布局在稀土磁粉制備及稀土磁性材料應(yīng)用領(lǐng)域，其專利基本涵蓋了磁粉制備這一稀土永磁材料制備的關(guān)鍵步驟。后發(fā)的中國避開了日本在上游稀土磁粉制備的專利布局，將重點放在了中游稀土磁材的制備和下游稀土磁材應(yīng)用領(lǐng)域，但下游應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在稀土永磁材料及相關(guān)應(yīng)用，布局相對較窄。美國基本放棄了上游稀土磁粉制備方面的專利布局，主要放在了稀土磁材的應(yīng)用上，其應(yīng)用領(lǐng)域相對中國和日本更廣。因此，對于中國來說，中國需要加大稀土磁材的應(yīng)用布局，特別是在醫(yī)藥領(lǐng)域的布局。

3）中國、日本和美國市場呈現(xiàn)出不同的競爭格局，日本企業(yè)針對中國和美國市場采取了不同的策略。中國和日本市場基本上是以本土機(jī)構(gòu)為主，不同之處在于日本是以企業(yè)為主，而中國競爭者中不僅包括企業(yè)，還包括科研機(jī)構(gòu)和高校，企業(yè)的競爭能力需要加強(qiáng)。美國市場則出現(xiàn)許多日本競爭者。日本企業(yè)對于供應(yīng)全球稀土資源的中國主要采取了建廠合作生產(chǎn)的形式，比如日立金屬與中科三環(huán)合資建立的日立金屬三環(huán)磁材（南通）有限公司，主要生產(chǎn)釹鐵硼磁性材料。日本企業(yè)對限制稀土資源開發(fā)的美國則采取了專利布局的策略，即通過專利布局壟斷美國市場稀土磁材料的銷售，限制中國企業(yè)的稀土磁材進(jìn)入美國等海外市場。

由此可見，后發(fā)的中國不僅面臨著稀土磁性材料關(guān)鍵研發(fā)技術(shù)的限制（關(guān)鍵卡脖子技術(shù)），還有可能面臨著海外銷售市場逐漸縮小的問題。因此，我國在保持專利申請速度快速增長的同時，亦需要加強(qiáng)研究日本和美國等競爭對手的發(fā)展態(tài)勢。從稀土材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)布局上看，雖然日本目前壟斷著上游稀土磁粉制備技術(shù)，但是由于起步早，這些專利亦面臨著到期的情況，所以我國在加強(qiáng)研究上游稀土磁粉制備專利的同時，可將重點放在拓展下游稀土材料新領(lǐng)域的研發(fā)布局上，同時大力引導(dǎo)國內(nèi)專利權(quán)機(jī)構(gòu)走出國門，拓展布局美國等海外市場。