釹鐵硼永磁材料專利技術(shù)發(fā)展態(tài)勢分析

張帆， 諶凱

（浙江省科技信息研究院，杭州310008）

釹鐵硼（NdFeB）永磁材料是第3 代稀土永磁材料，主要由稀土元素釹（Nd）、過渡金屬元素鐵（Fe）和非金屬元素硼（B）3 種元素構(gòu)成。自發(fā)現(xiàn)以來，憑借其高性能、節(jié)能環(huán)保、原料資源儲備豐富、加工工藝成熟、成本低廉（相對于釤鈷永磁材料）等優(yōu)點，得到廣泛應用，目前其應用已從傳統(tǒng)的永磁電機、揚聲器、磁選機、 計算機磁盤驅(qū)動器等領域拓展到新能源汽車、風力發(fā)電、節(jié)能家電、航空航天、工業(yè)機器人等新興領域[1-10]。進入21 世紀以來，憑借稀土資源優(yōu)勢，全球釹鐵硼產(chǎn)業(yè)逐漸向中國轉(zhuǎn)移，據(jù)東北證券研報，2018 年釹鐵硼全球產(chǎn)量18 萬t,中國產(chǎn)量16.3 萬t，占比達到約90%。 隨著下游新興領域的持續(xù)發(fā)展，釹鐵硼永磁材料的需求量將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長的態(tài)勢。 然而，我國釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)長期處于日本日立金屬公司（原日本住友公司）和美國麥格昆磁公司的專利壁壘之下，面臨專利訴訟、高昂的專利許可費用、產(chǎn)品銷售受限制等不利因素，且日、美跨國公司仍在不斷設置新的專利壁壘，釹鐵硼生產(chǎn)企業(yè)步履維艱[11-15]。

因此，本研究以全球釹鐵硼永磁材料相關專利技術(shù)為研究對象，運用專利分析方法，從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢、區(qū)域競爭格局、優(yōu)勢企業(yè)/研究機構(gòu)等層面開展專利分析研究，明確國內(nèi)外釹鐵硼永磁材料專利技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，為我國釹鐵硼永磁材料生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、專利戰(zhàn)略布局提供技術(shù)參考，為我國更好更快發(fā)展釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)提供支撐。

1 釹鐵硼永磁材料專利技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢分析

1.1 釹鐵硼永磁材料專利檢索及分析方法

采用德溫特專利數(shù)據(jù)庫 （Derwent Innovation），結(jié)合關鍵詞、IPC 分類、CPC 分類的方法進行專利檢索和數(shù)據(jù)采集，對檢索到的數(shù)據(jù)經(jīng)自動清洗和手工清洗共得到與釹鐵硼永磁材料技術(shù)相關的7578 項專利族，19424 件專利；中國專利3832 項，其中中國專利申請人申請的中國專利為2975 項（檢索時間范圍為1962 年至2018 年11 月）。 進一步對得到專利數(shù)據(jù)進行人工標引處理， 標引詞主要包括生產(chǎn)工藝（燒結(jié)、粘結(jié)、熱壓）、技術(shù)功效（磁性能、耐高溫、耐腐蝕、高強度、抗裂紋/防缺口）和細分技術(shù)（晶界改性）。 最后，綜合運用科睿唯安公司的DDA、Derwent Innovation、合享智慧公司的Incopat 以及國家知識產(chǎn)權(quán)局出版社專利分析軟件PIAS 等工具，對標引后的數(shù)據(jù)進行分析。

1.2 釹鐵硼永磁材料專利總體態(tài)勢分析

1.2.1 釹鐵硼永磁材料專利申請量

根據(jù)申請專利數(shù)量及發(fā)展趨勢（見圖1），可以將NdFeB 永磁材料技術(shù)發(fā)展分為3 個階段： 第1 階段（1981—1990 年），技術(shù)孕育期。此階段專利申請人主要來自日本和美國，而日本又占據(jù)了總專利申請量的近90%。 這一時期日本住友及美國通用汽車分別申請了各自的釹鐵硼永磁材料配方專利，從而奠定了其在該領域長達數(shù)十年的壟斷地位。 第2 階段（1991—2008 年），技術(shù)低速發(fā)展期。 該階段專利申請量出現(xiàn)一定的下降趨勢， 并保持了較長時間。 第3 階段（2009 年至今），技術(shù)高速發(fā)展期。 中國在這一階段專利申請量遙遙領先，可以說中國專利申請量的大幅增加，直接影響了該技術(shù)領域?qū)＠暾埩康哪甓茸兓厔荨?/p>

圖1 NdFeB 永磁材料技術(shù)專利申請量年度分布Fig. 1 Annual patents distribution of NdFeB

圖2 NdFeB 永磁材料技術(shù)生命周期Fig. 2 Technology life cycle of NdFeB

進入21 世紀，我國電子信息、新能源汽車、風力發(fā)電、家用電器、醫(yī)療器械等行業(yè)都呈現(xiàn)不同程度的快速增長，從而帶動了釹鐵硼永磁材料尤其是高性能釹鐵硼永磁材料的需求量不斷增長，從而推動技術(shù)的不斷改進，且由于我國豐富的稀土資源和勞動力成本較低等優(yōu)勢， 釹鐵硼的產(chǎn)業(yè)中心逐漸向中國轉(zhuǎn)移，中國已發(fā)展成為全球釹鐵硼永磁材料的生產(chǎn)和消費大國[4,9,16]。 從圖2 可以看出， 2012—2017 年，專利申請人數(shù)量出現(xiàn)下降趨勢，表明釹鐵硼永磁材料技術(shù)可能即將進入技術(shù)成熟期，反映了競爭趨向激烈，進入門檻提高，小型企業(yè)開始退出市場。

1.2.2 釹鐵硼永磁材料專利區(qū)域競爭狀況

全球有數(shù)十個國家和地區(qū)在釹鐵硼永磁材料技術(shù)領域進行了專利申請。 如圖3 所示，專利申請排名前列的國家和地區(qū)依次是日本、中國、美國、韓國和德國等。 其中日本在該領域?qū)＠暾埩孔罡?，占該領域?qū)＠偭康?0%；其次是中國，占比39%。

圖3 NdFeB 永磁材料技術(shù)專利來源國和地區(qū)Fig. 3 Patents source countries and regions of NdFeB

表1 所列綜合反映了TOP5 專利來源國的專利質(zhì)量，我國專利引用≥5 次、平均被引次數(shù)、H 指數(shù)、三方專利數(shù)量等專利質(zhì)量指標均落后于日本和美國，PCT 專利數(shù)量遠遠低于日本，但上述指標高于德國和韓國， 說明我國在該技術(shù)領域?qū)＠|(zhì)量具有一定水平，但不具領先優(yōu)勢，有待進一步提高。

表1 NdFeB 永磁材料技術(shù)TOP5 專利來源國專利質(zhì)量指標Table 1 TOP5 patent quality of NdFeB of TOP5 source countries

表2 所列綜合反映了釹鐵硼永磁材料技術(shù)TOP10 國內(nèi)省市的專利質(zhì)量，從申請專利數(shù)量來看，浙江省明顯領先于其他省市，H 指數(shù)指標與北京市持平，同列第一位，但被引≥5 次、平均被引頻次指標分別落后于北京、遼寧、山西等，PCT 專利數(shù)量落后于北京和廣東，上述指標說明浙江省創(chuàng)新主體對知識產(chǎn)權(quán)保護較為重視，但研發(fā)水平有待進一步提高。

1.3 釹鐵硼永磁材料技術(shù)發(fā)展趨勢

為全面了解釹鐵硼永磁材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，我們對釹鐵硼永磁材料進行技術(shù)標引，并對標引內(nèi)容進行了深入分析。

1.3.1 釹鐵硼永磁材料晶界改性技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

釹鐵硼永磁材料的主相為Nd2Fe14B 硬磁相，晶界相為富Nd 相。 其中，晶界相的成分、結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)對磁體磁性能、抗腐蝕性能和機械性能有非常明顯的影響[17-18]。 近年來，隨著海上風力發(fā)電、混合動力汽車的迅速發(fā)展，以及國家政策的扶持，對高性能磁體的需求將越來越大，并對磁體的耐熱性、抗腐蝕性能和使用壽命提出更高的要求。 目前，研究者主要通過晶界改性工藝實現(xiàn)對釹鐵硼永磁材料性能的改進[19-22]。采用的改進技術(shù)主要有通過合金化添加的雙合金法、通過粉末混合非合金成分進行晶界擴散及通過磁體表面擴散等技術(shù)， 實現(xiàn)對晶界相的強化，從而提高磁體性能。

本研究通過人工標引方式，對大量涉及晶界改性技術(shù)的專利進行歸類標引，結(jié)果見圖4。 由圖4 可知，表面擴散和雙合金法為晶界改性技術(shù)的主要關注技術(shù)。 在2007 年以后，幾種晶界改性技術(shù)的專利申請量均有顯著增長，顯示技術(shù)有了新的發(fā)展。 而晶界改性技術(shù)主要用于磁體性能的改進，這種專利申請量大幅增長現(xiàn)象，也表明了市場對于高性能釹鐵硼永磁材料的需求，驅(qū)使工藝技術(shù)的改進。

1.3.2 釹鐵硼永磁材料技術(shù)功效

釹鐵硼永磁材料的性能主要包括磁學性能和力學性能，磁學性能包括剩磁、最大磁能積、矯頑力、居里溫度等，力學性能包括抗拉強度、抗彎強度、硬度、沖擊韌性、斷裂韌性等，另外還包括化學穩(wěn)定性（耐腐蝕性）[1]。 近幾年隨著新能源汽車電機、風力發(fā)電、變頻家電、節(jié)能電機等新興領域的發(fā)展，對高性能釹鐵硼永磁材料的需要越來越大， 相應技術(shù)功效的研發(fā)也成為熱點。 另外，由于近年來稀土金屬價格的大幅上漲，造成釹鐵硼配方成本不斷提升，使得利潤空間被壓縮， 開發(fā)低成本工藝也成為研發(fā)主體的重點關注領域。

表2 NdFeB 永磁材料技術(shù)TOP10 專利來源省市專利質(zhì)量指標Table 2 Patent quality of NdFeB of TOP10 patent source provinces and cities

圖4 晶界改性技術(shù)專利申請量年度分布Fig. 4 Annual patents distribution of grain boundary modification of NdFeB

本研究對涉及上述領域的技術(shù)功效 （包括磁性能、耐腐蝕、耐高溫、高強度、抗裂紋/防缺口、低成本等）專利申請狀況進行了分析，結(jié)果見圖5。 由圖5 可知，磁性能的提高仍然是釹鐵硼永磁材料的主要研發(fā)目標，相對于耐腐蝕、耐高溫、高強度等特殊功能性材料的研發(fā)，低成本技術(shù)顯然更受關注。 在釹鐵硼永磁材料的第3 個發(fā)展階段（2009 年至今）低成本技術(shù)專利申請量開始超越耐腐蝕技術(shù)，尤其是自2013 年以后專利申請量大幅超越耐腐蝕技術(shù)，我們分析，其原因可能由于2009—2012 年全球稀土價格出現(xiàn)了一次瘋狂暴漲， 造成釹鐵硼磁體的原材料成本大幅攀升，從而使各研發(fā)主體開始更多地關注低成本技術(shù)。

圖5 不同技術(shù)功效專利申請量年度分布Fig. 5 Annual patents distribution of different technical effects of NdFeB

2 釹鐵硼永磁材料專利優(yōu)勢機構(gòu)分析

全球有1500 余家機構(gòu)在釹鐵硼永磁材料相關領域進行了專利申請，如表3 所列，排名前30 的機構(gòu)主要來自日本、中國和美國，以日本企業(yè)為主，申請量遙遙領先。日立金屬、TDK、大同特殊鋼及信越化學在釹鐵硼永磁材料技術(shù)領域一直保持較高的活躍度，活動年達30 年以上。 來自中國的申請人中，活動年期均低于20 年， 且2011 年后申請的專利占比達60%以上，甚至有兩家達90%以上，顯示了中國申請人進入該領域較晚，近期活躍度較高。

3 研究結(jié)論及產(chǎn)業(yè)對策建議

專利分析結(jié)果表明， 釹鐵硼永磁材料目前處于技術(shù)高速發(fā)展階段，但有進入成熟期的跡象；日本和美國引領了釹鐵硼永磁材料技術(shù)的發(fā)展， 中國在該領域?qū)儆诤笃鹬?，研發(fā)與應用能力尚有差距，專利質(zhì)量較低；晶界改性技術(shù)及以提高矯頑力、提高磁能積、降低成本等為目的工藝技術(shù)得到了大量關注度，專利申請量出現(xiàn)大幅增長，成為近期研發(fā)熱點；絕大多數(shù)領軍企業(yè)一直堅持對該領域的研發(fā)投入， 說明該領域目前仍是全球研發(fā)熱點，短期前景看好。 釹鐵硼永磁材料技術(shù)在我國產(chǎn)業(yè)化程度較高， 企業(yè)參與積極性高。

表3 NdFeB 永磁材料技術(shù)主要申請人專利指標Table 3 Patent quality of NdFeB of principal patent applicants

基于專利分析得出的釹鐵硼永磁材料相關技術(shù)成熟度和生命周期， 結(jié)合我國釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求，提出以下建議：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，突出政府引導。 我國釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展應高性能磁體為目標， 以晶界改性、元素摻雜、降低稀土用量、廢料利用等關鍵技術(shù)為突破口，進行重點布局、統(tǒng)籌規(guī)劃；引導相關企業(yè)圍繞細分市場進行技術(shù)攻關和突破，向差異化方向發(fā)展。

2）加快核心技術(shù)研發(fā)，促進產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展。 建議以勢企業(yè)為依托建立產(chǎn)學研聯(lián)合的技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，瞄準高性能、低成本等方向，加快釹鐵硼永磁材料核心技術(shù)研發(fā)。 在北京、浙江、江西等鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)， 集聚創(chuàng)新資源， 開展產(chǎn)業(yè)鏈橫向和縱向整合，充分發(fā)揮龍頭企業(yè)帶動作用。

3）推進產(chǎn)業(yè)鏈布局，拓展釹鐵硼永磁材料上游原料供應及下游應用市場。 重視稀土原材料的供應管理，鼓勵大型釹鐵硼永磁材料積極利用資金優(yōu)勢，保持合理充足的原材料供應與儲備， 通過參股或直接設廠方式在稀土資源地建立稀土原料生產(chǎn)企業(yè)，確保穩(wěn)定的稀土原材料供應渠道和價格。 引導和鼓勵釹鐵硼永磁材料在汽車工業(yè)、工業(yè)節(jié)能電機、消費電子、變頻家電等領域的推廣應用。

4）實施專利導航發(fā)展戰(zhàn)略，鼓勵海外專利布局。對有關國外公司在世界各國， 特別是在華專利申請情況進行分析研究， 制定釹鐵硼永磁材料專利保護規(guī)劃，規(guī)避國外公司設置的專利壁壘，在關鍵技術(shù)領域構(gòu)建專利保護網(wǎng)， 并為我國釹鐵硼永磁材料搶占國際市場提供指導。 鼓勵國內(nèi)創(chuàng)新進行海外專利布局，以逐步參與到更廣更深的全球競爭中，充分發(fā)揮專利引領產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展的作用。