釹鐵硼永磁材料專利技術發展態勢分析

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 種元素構成。自發現以來，憑借其高性能、節能環保、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）等優點，得到廣泛應用，目前其應用已從傳統的永磁電機、揚聲器、磁選機、 計算機磁盤驅動器等領域拓展到新能源汽車、風力發電、節能家電、航空航天、工業機器人等新興領域[1-10]。進入21 世紀以來，憑借稀土資源優勢，全球釹鐵硼產業逐漸向中國轉移，據東北證券研報，2018 年釹鐵硼全球產量18 萬t,中國產量16.3 萬t，占比達到約90%。 隨著下游新興領域的持續發展，釹鐵硼永磁材料的需求量將繼續保持穩定增長的態勢。 然而，我國釹鐵硼永磁材料產業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，釹鐵硼生產企業步履維艱[11-15]。

因此，本研究以全球釹鐵硼永磁材料相關專利技術為研究對象，運用專利分析方法，從技術發展現狀和趨勢、區域競爭格局、優勢企業/研究機構等層面開展專利分析研究，明確國內外釹鐵硼永磁材料專利技術發展態勢，為我國釹鐵硼永磁材料生產企業產品研發、專利戰略布局提供技術參考，為我國更好更快發展釹鐵硼永磁材料產業提供支撐。

1 釹鐵硼永磁材料專利技術發展現狀和趨勢分析

1.1 釹鐵硼永磁材料專利檢索及分析方法

采用德溫特專利數據庫 （Derwent Innovation），結合關鍵詞、IPC 分類、CPC 分類的方法進行專利檢索和數據采集，對檢索到的數據經自動清洗和手工清洗共得到與釹鐵硼永磁材料技術相關的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據進行人工標引處理， 標引詞主要包括生產工藝（燒結、粘結、熱壓）、技術功效（磁性能、耐高溫、耐腐蝕、高強度、抗裂紋/防缺口）和細分技術（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 以及國家知識產權局出版社專利分析軟件PIAS 等工具，對標引后的數據進行分析。

1.2 釹鐵硼永磁材料專利總體態勢分析

1.2.1 釹鐵硼永磁材料專利申請量

根據申請專利數量及發展趨勢（見圖1），可以將NdFeB 永磁材料技術發展分為3 個階段： 第1 階段（1981—1990 年），技術孕育期。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十年的壟斷地位。 第2 階段（1991—2008 年），技術低速發展期。 該階段專利申請量出現一定的下降趨勢， 并保持了較長時間。 第3 階段（2009 年至今），技術高速發展期。 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，直接影響了該技術領域專利申請量的年度變化趨勢。

圖1 NdFeB 永磁材料技術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、風力發電、家用電器、醫療器械等行業都呈現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勢， 釹鐵硼的產業中心逐漸向中國轉移，中國已發展成為全球釹鐵硼永磁材料的生產和消費大國[4,9,16]。 從圖2 可以看出， 2012—2017 年，專利申請人數量出現下降趨勢，表明釹鐵硼永磁材料技術可能即將進入技術成熟期，反映了競爭趨向激烈，進入門檻提高，小型企業開始退出市場。

1.2.2 釹鐵硼永磁材料專利區域競爭狀況

全球有數十個國家和地區在釹鐵硼永磁材料技術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依次是日本、中國、美國、韓國和德國等。 其中日本在該領域專利申請量最高，占該領域專利總量的50%；其次是中國，占比39%。

圖3 NdFeB 永磁材料技術專利來源國和地區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量，我國專利引用≥5 次、平均被引次數、H 指數、三方專利數量等專利質量指標均落后于日本和美國，PCT 專利數量遠遠低于日本，但上述指標高于德國和韓國， 說明我國在該技術領域專利質量具有一定水平，但不具領先優勢，有待進一步提高。

表1 NdFeB 永磁材料技術TOP5 專利來源國專利質量指標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TOP10 國內省市的專利質量，從申請專利數量來看，浙江省明顯領先于其他省市，H 指數指標與北京市持平，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 專利數量落后于北京和廣東，上述指標說明浙江省創新主體對知識產權保護較為重視，但研發水平有待進一步提高。

1.3 釹鐵硼永磁材料技術發展趨勢

為全面了解釹鐵硼永磁材料技術發展現狀，我們對釹鐵硼永磁材料進行技術標引，并對標引內容進行了深入分析。

1.3.1 釹鐵硼永磁材料晶界改性技術發展態勢

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、結構和分布狀態對磁體磁性能、抗腐蝕性能和機械性能有非常明顯的影響[17-18]。 近年來，隨著海上風力發電、混合動力汽車的迅速發展，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對釹鐵硼永磁材料性能的改進[19-22]。采用的改進技術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， 實現對晶界相的強化，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的專利進行歸類標引，結果見圖4。 由圖4 可知，表面擴散和雙合金法為晶界改性技術的主要關注技術。 在2007 年以后，幾種晶界改性技術的專利申請量均有顯著增長，顯示技術有了新的發展。 而晶界改性技術主要用于磁體性能的改進，這種專利申請量大幅增長現象，也表明了市場對于高性能釹鐵硼永磁材料的需求，驅使工藝技術的改進。

1.3.2 釹鐵硼永磁材料技術功效

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，另外還包括化學穩定性（耐腐蝕性）[1]。 近幾年隨著新能源汽車電機、風力發電、變頻家電、節能電機等新興領域的發展，對高性能釹鐵硼永磁材料的需要越來越大， 相應技術功效的研發也成為熱點。 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， 開發低成本工藝也成為研發主體的重點關注領域。

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

圖4 晶界改性技術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，低成本技術顯然更受關注。 在釹鐵硼永磁材料的第3 個發展階段（2009 年至今）低成本技術專利申請量開始超越耐腐蝕技術，尤其是自2013 年以后專利申請量大幅超越耐腐蝕技術，我們分析，其原因可能由于2009—2012 年全球稀土價格出現了一次瘋狂暴漲， 造成釹鐵硼磁體的原材料成本大幅攀升，從而使各研發主體開始更多地關注低成本技術。

圖5 不同技術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勢機構分析

全球有1500 余家機構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 的機構主要來自日本、中國和美國，以日本企業為主，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 研究結論及產業對策建議

專利分析結果表明， 釹鐵硼永磁材料目前處于技術高速發展階段，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的發展， 中國在該領域屬于后起之秀，研發與應用能力尚有差距，專利質量較低；晶界改性技術及以提高矯頑力、提高磁能積、降低成本等為目的工藝技術得到了大量關注度，專利申請量出現大幅增長，成為近期研發熱點；絕大多數領軍企業一直堅持對該領域的研發投入， 說明該領域目前仍是全球研發熱點，短期前景看好。 釹鐵硼永磁材料技術在我國產業化程度較高， 企業參與積極性高。

表3 NdFeB 永磁材料技術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成熟度和生命周期， 結合我國釹鐵硼永磁材料產業發展的現實需求，提出以下建議：

1）統籌規劃，突出政府引導。 我國釹鐵硼永磁材料產業發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為突破口，進行重點布局、統籌規劃；引導相關企業圍繞細分市場進行技術攻關和突破，向差異化方向發展。

2）加快核心技術研發，促進產業升級發展。 建議以勢企業為依托建立產學研聯合的技術創新聯盟，瞄準高性能、低成本等方向，加快釹鐵硼永磁材料核心技術研發。 在北京、浙江、江西等鐵硼永磁材料產業園區， 集聚創新資源， 開展產業鏈橫向和縱向整合，充分發揮龍頭企業帶動作用。

3）推進產業鏈布局，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企業，確保穩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、工業節能電機、消費電子、變頻家電等領域的推廣應用。

4）實施專利導航發展戰略，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劃，規避國外公司設置的專利壁壘，在關鍵技術領域構建專利保護網， 并為我國釹鐵硼永磁材料搶占國際市場提供指導。 鼓勵國內創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，充分發揮專利引領產業升級發展的作用。