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(guò)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(lái)，憑借其高性能、節(jié)能環(huán)保、原料資源儲(chǔ)備豐富、加工工藝成熟、成本低廉（相對(duì)于釤鈷永磁材料）等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，目前其應(yīng)用已從傳統(tǒng)的永磁電機(jī)、揚(yáng)聲器、磁選機(jī)、 計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域拓展到新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電、節(jié)能家電、航空航天、工業(yè)機(jī)器人等新興領(lǐng)域[1-10]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，憑借稀土資源優(yōu)勢(shì)，全球釹鐵硼產(chǎn)業(yè)逐漸向中國(guó)轉(zhuǎn)移，據(jù)東北證券研報(bào)，2018 年釹鐵硼全球產(chǎn)量18 萬(wàn)t,中國(guó)產(chǎn)量16.3 萬(wàn)t，占比達(dá)到約90%。 隨著下游新興領(lǐng)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(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。 然而，我國(guó)釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期處于日本日立金屬公司（原日本住友公司）和美國(guó)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(fèi)用、產(chǎn)品銷售受限制等不利因素，且日、美跨國(guó)公司仍在不斷設(shè)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(guān)專利技術(shù)為研究對(duì)象，運(yùn)用專利分析方法，從技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)、區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)格局、優(yōu)勢(shì)企業(yè)/研究機(jī)構(gòu)等層面開(kāi)展專利分析研究，明確國(guó)內(nèi)外釹鐵硼永磁材料專利技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)，為我國(guó)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(guó)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(shì)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(kù) （Derwent Innovation），結(jié)合關(guān)鍵詞、IPC 分類、CPC 分類的方法進(jìn)行專利檢索和數(shù)據(jù)采集，對(duì)檢索到的數(shù)據(jù)經(jīng)自動(dòng)清洗和手工清洗共得到與釹鐵硼永磁材料技術(shù)相關(guān)的7578 項(xiàng)專利族，19424 件專利；中國(guó)專利3832 項(xiàng)，其中中國(guó)專利申請(qǐng)人申請(qǐng)的中國(guó)專利為2975 項(xiàng)（檢索時(shí)間范圍為1962 年至2018 年11 月）。 進(jìn)一步對(duì)得到專利數(shù)據(jù)進(jìn)行人工標(biāo)引處理， 標(biāo)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(qiáng)度、抗裂紋/防缺口）和細(xì)分技術(shù)（晶界改性）。 最后，綜合運(yùn)用科睿唯安公司的DDA、Derwent Innovation、合享智慧公司的Incopat 以及國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局出版社專利分析軟件PIAS 等工具，對(duì)標(biāo)引后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 釹鐵硼永磁材料專利總體態(tài)勢(shì)分析

1.2.1 釹鐵硼永磁材料專利申請(qǐng)量

根據(jù)申請(qǐng)專利數(shù)量及發(fā)展趨勢(shì)（見(jiàn)圖1），可以將NdFeB 永磁材料技術(shù)發(fā)展分為3 個(gè)階段： 第1 階段（1981—1990 年），技術(shù)孕育期。此階段專利申請(qǐng)人主要來(lái)自日本和美國(guó)，而日本又占據(jù)了總專利申請(qǐng)量的近90%。 這一時(shí)期日本住友及美國(guó)通用汽車分別申請(qǐng)了各自的釹鐵硼永磁材料配方專利，從而奠定了其在該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)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(qǐng)量出現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)， 并保持了較長(zhǎng)時(shí)間。 第3 階段（2009 年至今），技術(shù)高速發(fā)展期。 中國(guó)在這一階段專利申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，可以說(shuō)中國(guó)專利申請(qǐng)量的大幅增加，直接影響了該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的年度變化趨勢(shì)。

圖1 NdFeB 永磁材料技術(shù)專利申請(qǐng)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(jìn)入21 世紀(jì)，我國(guó)電子信息、新能源汽車、風(fēng)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(zhǎng)，從而帶動(dòng)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(zhǎng)，從而推動(dòng)技術(shù)的不斷改進(jìn)，且由于我國(guó)豐富的稀土資源和勞動(dòng)力成本較低等優(yōu)勢(shì)， 釹鐵硼的產(chǎn)業(yè)中心逐漸向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)已發(fā)展成為全球釹鐵硼永磁材料的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)[4,9,16]。 從圖2 可以看出， 2012—2017 年，專利申請(qǐng)人數(shù)量出現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明釹鐵硼永磁材料技術(shù)可能即將進(jìn)入技術(shù)成熟期，反映了競(jìng)爭(zhēng)趨向激烈，進(jìn)入門檻提高，小型企業(yè)開(kāi)始退出市場(chǎng)。

1.2.2 釹鐵硼永磁材料專利區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)狀況

全球有數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)在釹鐵硼永磁材料技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了專利申請(qǐng)。 如圖3 所示，專利申請(qǐng)排名前列的國(guó)家和地區(qū)依次是日本、中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)和德國(guó)等。 其中日本在該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量最高，占該領(lǐng)域?qū)＠偭康?0%；其次是中國(guó)，占比39%。

圖3 NdFeB 永磁材料技術(shù)專利來(lái)源國(guó)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(lái)源國(guó)的專利質(zhì)量，我國(guó)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(biāo)均落后于日本和美國(guó)，PCT 專利數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本，但上述指標(biāo)高于德國(guó)和韓國(guó)， 說(shuō)明我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠|(zhì)量具有一定水平，但不具領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，有待進(jìn)一步提高。

表1 NdFeB 永磁材料技術(shù)TOP5 專利來(lái)源國(guó)專利質(zhì)量指標(biāo)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(guó)內(nèi)省市的專利質(zhì)量，從申請(qǐng)專利數(shù)量來(lái)看，浙江省明顯領(lǐng)先于其他省市，H 指數(shù)指標(biāo)與北京市持平，同列第一位，但被引≥5 次、平均被引頻次指標(biāo)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(biāo)說(shuō)明浙江省創(chuàng)新主體對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)較為重視，但研發(fā)水平有待進(jìn)一步提高。

1.3 釹鐵硼永磁材料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為全面了解釹鐵硼永磁材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，我們對(duì)釹鐵硼永磁材料進(jìn)行技術(shù)標(biāo)引，并對(duì)標(biāo)引內(nèi)容進(jìn)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(shì)

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(duì)磁體磁性能、抗腐蝕性能和機(jī)械性能有非常明顯的影響[17-18]。 近年來(lái)，隨著海上風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力汽車的迅速發(fā)展，以及國(guó)家政策的扶持，對(duì)高性能磁體的需求將越來(lái)越大，并對(duì)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(guò)晶界改性工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)釹鐵硼永磁材料性能的改進(jìn)[19-22]。采用的改進(jìn)技術(shù)主要有通過(guò)合金化添加的雙合金法、通過(guò)粉末混合非合金成分進(jìn)行晶界擴(kuò)散及通過(guò)磁體表面擴(kuò)散等技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)晶界相的強(qiáng)化，從而提高磁體性能。

本研究通過(guò)人工標(biāo)引方式，對(duì)大量涉及晶界改性技術(shù)的專利進(jìn)行歸類標(biāo)引，結(jié)果見(jiàn)圖4。 由圖4 可知，表面擴(kuò)散和雙合金法為晶界改性技術(shù)的主要關(guān)注技術(shù)。 在2007 年以后，幾種晶界改性技術(shù)的專利申請(qǐng)量均有顯著增長(zhǎng)，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(jìn)，這種專利申請(qǐng)量大幅增長(zhǎng)現(xiàn)象，也表明了市場(chǎng)對(duì)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(jìn)。

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(xué)性能和力學(xué)性能，磁學(xué)性能包括剩磁、最大磁能積、矯頑力、居里溫度等，力學(xué)性能包括抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性、斷裂韌性等，另外還包括化學(xué)穩(wěn)定性（耐腐蝕性）[1]。 近幾年隨著新能源汽車電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、變頻家電、節(jié)能電機(jī)等新興領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)高性能釹鐵硼永磁材料的需要越來(lái)越大， 相應(yīng)技術(shù)功效的研發(fā)也成為熱點(diǎn)。 另外，由于近年來(lái)稀土金屬價(jià)格的大幅上漲，造成釹鐵硼配方成本不斷提升，使得利潤(rùn)空間被壓縮， 開(kāi)發(fā)低成本工藝也成為研發(fā)主體的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

表2 NdFeB 永磁材料技術(shù)TOP10 專利來(lái)源省市專利質(zhì)量指標(biāo)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(qǐng)量年度分布Fig. 4 Annual patents distribution of grain boundary modification of NdFeB

本研究對(duì)涉及上述領(lǐng)域的技術(shù)功效 （包括磁性能、耐腐蝕、耐高溫、高強(qiáng)度、抗裂紋/防缺口、低成本等）專利申請(qǐng)狀況進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)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(biāo)，相對(duì)于耐腐蝕、耐高溫、高強(qiáng)度等特殊功能性材料的研發(fā)，低成本技術(shù)顯然更受關(guān)注。 在釹鐵硼永磁材料的第3 個(gè)發(fā)展階段（2009 年至今）低成本技術(shù)專利申請(qǐng)量開(kāi)始超越耐腐蝕技術(shù)，尤其是自2013 年以后專利申請(qǐng)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(jià)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(kāi)始更多地關(guān)注低成本技術(shù)。

圖5 不同技術(shù)功效專利申請(qǐng)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(shì)機(jī)構(gòu)分析

全球有1500 余家機(jī)構(gòu)在釹鐵硼永磁材料相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了專利申請(qǐng)，如表3 所列，排名前30 的機(jī)構(gòu)主要來(lái)自日本、中國(guó)和美國(guó)，以日本企業(yè)為主，申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先。日立金屬、TDK、大同特殊鋼及信越化學(xué)在釹鐵硼永磁材料技術(shù)領(lǐng)域一直保持較高的活躍度，活動(dòng)年達(dá)30 年以上。 來(lái)自中國(guó)的申請(qǐng)人中，活動(dòng)年期均低于20 年， 且2011 年后申請(qǐng)的專利占比達(dá)60%以上，甚至有兩家達(dá)90%以上，顯示了中國(guó)申請(qǐng)人進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，近期活躍度較高。

3 研究結(jié)論及產(chǎn)業(yè)對(duì)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(jìn)入成熟期的跡象；日本和美國(guó)引領(lǐng)了釹鐵硼永磁材料技術(shù)的發(fā)展， 中國(guó)在該領(lǐng)域?qū)儆诤笃鹬?，研發(fā)與應(yīng)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(guān)注度，專利申請(qǐng)量出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，成為近期研發(fā)熱點(diǎn)；絕大多數(shù)領(lǐng)軍企業(yè)一直堅(jiān)持對(duì)該領(lǐng)域的研發(fā)投入， 說(shuō)明該領(lǐng)域目前仍是全球研發(fā)熱點(diǎn)，短期前景看好。 釹鐵硼永磁材料技術(shù)在我國(guó)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(qǐng)人專利指標(biāo)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(guān)技術(shù)成熟度和生命周期， 結(jié)合我國(guó)釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，提出以下建議：

1）統(tǒng)籌規(guī)劃，突出政府引導(dǎo)。 我國(guó)釹鐵硼永磁材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)高性能磁體為目標(biāo)， 以晶界改性、元素?fù)诫s、降低稀土用量、廢料利用等關(guān)鍵技術(shù)為突破口，進(jìn)行重點(diǎn)布局、統(tǒng)籌規(guī)劃；引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)圍繞細(xì)分市場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)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(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展。 建議以勢(shì)企業(yè)為依托建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，瞄準(zhǔn)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(kāi)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(dòng)作用。

3）推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈布局，拓展釹鐵硼永磁材料上游原料供應(yīng)及下游應(yīng)用市場(chǎng)。 重視稀土原材料的供應(yīng)管理，鼓勵(lì)大型釹鐵硼永磁材料積極利用資金優(yōu)勢(shì)，保持合理充足的原材料供應(yīng)與儲(chǔ)備， 通過(guò)參股或直接設(shè)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(yīng)渠道和價(jià)格。 引導(dǎo)和鼓勵(lì)釹鐵硼永磁材料在汽車工業(yè)、工業(yè)節(jié)能電機(jī)、消費(fèi)電子、變頻家電等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。

4）實(shí)施專利導(dǎo)航發(fā)展戰(zhàn)略，鼓勵(lì)海外專利布局。對(duì)有關(guān)國(guó)外公司在世界各國(guó)， 特別是在華專利申請(qǐng)情況進(jìn)行分析研究， 制定釹鐵硼永磁材料專利保護(hù)規(guī)劃，規(guī)避國(guó)外公司設(shè)置的專利壁壘，在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)建專利保護(hù)網(wǎng)， 并為我國(guó)釹鐵硼永磁材料搶占國(guó)際市場(chǎng)提供指導(dǎo)。 鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)創(chuàng)新進(jìn)行海外專利布局，以逐步參與到更廣更深的全球競(jìng)爭(zhēng)中，充分發(fā)揮專利引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展的作用。