基于专利信息的稀土永磁材料技术研发分析

刘玉玲，冯雪娇，魏昌婷

(江西省科学院科技战略研究所，330096，南昌)

0 引言

稀土是不可再生的重要战略资源，是改造传统产业、发展新兴产业及国防科技工业不可或缺的关键元素[1-4]。在我国的稀土应用中，新材料领域约占62%，稀土永磁材料又在这部分应用中占到63%以上[5]。稀土永磁材料在国内稀土消费结构中规模最大、发展最快。稀土永磁材料是一类以稀土金属元素RE(Sm、Nd、Pr等)和过渡族金属元素TM(Fe、Co等)所形成的金属间化合物为基础的永磁材料。按开发应用时间顺序，可分为第1代钐钴永磁材料(SmCo5)、第2代钐钴永磁材料(Sm2Co17)和第3代钕铁硼(Nd2Fe14B)永磁材料[6]。稀土永磁材料因其优良的磁电耦合、磁光效应、磁热效应等特性，成为航空航天、电子信息、智能装备、新能源、现代交通、节能环保等战略性新兴产业的关键支撑材料[7-11]。随着全球低碳技术及经济的不断深化发展，当前高性能稀土永磁材料已成为重点关注基础原材料之一[12-13]。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出推动高端稀土功能材料等先进金属材料取得突破。2021年12月发布的《“十四五”原材料工业发展规划》，其中提出，将高性能稀土磁性材料作为重点突破的关键材料品种之一。

近年来已有不少学者对稀土以及稀土永磁专利进行了研究，还有不少学者针对美、日对我国的专利技术壁垒进行了研究。如，罗晓宁[14]等对1985—2013年公开的稀土永磁材料专利进行了总结和分析，并提出了完善并实施稀土永磁材料专利战略，降低稀土永磁材料的重稀土含量，加强稀土永磁材料磁性均匀性的研究。谢佳君[15]等研究了2014—2017年间的全球烧结稀土永磁材料专利，提出了实施高丰度稀土平衡应用技术、产业化装备开发等技术创新以及烧结磁体的自动化生产制备设备、磁体的充磁退磁等高端装备研制是我国现阶段需要重点攻克和解决的技术难点。刘佳音[16]对截止到2017年5月的稀土永磁材料全球专利申请进行了检索和分析后指出在烧结钕铁硼磁性材料领域添加重稀土元素提高矫顽力及添加轻稀土元素降低磁性材料生产成本为技术热点。

李文龙[17]等对我国稀土永磁领域日本专利壁垒运用贸易引力模型，分析了日本专利壁垒对我国稀土永磁材料出口的制约程度，并给出了提升稀土永磁产业专利技术水平的应对建议。薛芳[18]等对我国稀土永磁材料出口遭遇日本专利壁垒的现状、表现形式以及原因进行了深入分析，提出了通过布局应用机械方面专利从外围破局、行业保护、政策扶持、主动接轨国际标准等规避日本专利壁垒的对策。这些学者研究大多是基于2017年之前的永磁专利数据，对近几年的专利研究较少，并且随着全球低碳经济的开展和新冠疫情打响长期持久战，新能源、风力发电、医疗等领域对对高性能稀土磁性材料的需求增长迅猛，高性能稀土磁性材料越来越成为各国抢占高端制造业制高点的重点研发对象。

本文针对我国稀土永磁材料核心技术受限问题，从专利视角，系统地分析了全球稀土永磁技术领域的专利申请总体趋势情况、专利技术布局、专利权人等，并结合最新国际国内发展战略布局以及形势对我国稀土永磁材料的发展战略布局提供了对策建议，以求在稀土永磁材料领域核心技术有所突破，具有一定的理论和实践意义。文中专利数据来源于Derwent Innovation(DI)数据库。利用国际专利分类号与德文特手工代码制定检索策略，检索时间为2021年1月，并对检索出的数据采用DDA、DI和Excel等工具进行分析得到。

1 稀土永磁材料技术发展现状

1.1 总体趋势

1.1.1 申请量演化趋势分析 从全球稀土永磁材料专利申请演化过程来看(图1)，可分为3个阶段，总体呈波动上升趋势。第1阶段(1969—1989年)：专利申请趋势快速上升，1989年相关专利达435件，该时期出现了第1代至第3代稀土永磁材料，我国稀土永磁材料技术专利申请起步于1985年间(图2)，相对于美、日等发达国家起步较晚；第2阶段(1990—1999年)：专利申请量有所回落，这种变化主要是受日本专利申请量下降的影响，而同时期我国依然处于技术萌芽期；第3阶段(2000年至今)：2000年以后专利申请量再次呈现上升趋势，其中，2018年专利数量达到最大值，在600件左右。这个时期我国由萌芽期向突破期转折。在2005年以前，我国发展相对缓慢，专利申请数量较少，年申请数量未超过30项；2005年以后，专利申请量开始大幅度较快攀升，2016—2018年间专利申请数量达到历史峰值，尤其是2018年专利申请数量达到437项(图2)。由于专利申请的审查需要一定周期，部分专利尚在审查阶段或未公开阶段，因此，2019—2020年的专利数据仅供参考。

图1 全球稀土永磁材料领域专利申请量逐年演化图

图2 我国稀土永磁材料专利申请时间演化图

1.1.2 专利申请国家/地区分布分析 从专利技术来源国家来看，中国和日本的专利量并列第1，占比约为39%，美国位居第2，这3个国家的专利申请量总和占总量的80%以上(图3)。由此可见，全球稀土永磁材料相关专利技术主要掌握在中国、美国和日本手中。

从专利技术市场分布来看，中国、日本和美国排名前3名，总占比为70%。由此可见，稀土永磁领域的技术交易和流通主要在这3个国家内进行。

图3 专利技术来源国家(地区)分布和专利技术市场国家(地区)分布

1.2 重点国家/地区专利战略布局

1.2.1 重点国家/地区专利技术布局 基于对专利数量排名前5位国家的专利布局进行分析得出，目前稀土永磁专利主要集中在稀土永磁材料、永磁体、磁铁制造、永磁同步电机以及相关部件等方面(表1)。从各主要专利国的技术布局看(图4)，日本的布局中占比最大的是稀土镍/钴/铁合金，其次是永磁体用材料、永磁体、磁体制造；美国和德国的专利布局与日本相似，但偏重于永磁同步电机；韩国突出表现为硬磁金属或合金的制造方面以及对工程、汽车应用的布局，更注重下游产业的发展。我国的布局与其他4个国家来看相对均衡，侧重于对永磁同步电机布局，而对磁体制造布局在5个国家中最少。

图4 全球重点国家/地区稀土永磁领域专利技术布局

1.2.2 核心专利权人以及核心专利 全球有接近4 000家机构和个人活跃在稀土永磁材料技术研发领域(表2)。专利申请数量位居前20位的机构中，日本最多，有13家，中国有6家，美国有1家。在这20个机构中，大部分机构为公司，只有2家科研院所，分别为日本金属材料研究所和中科院宁波材料所。专利申请量最多的为日立集团，特别是日立金属分公司。日立金属自2000年后，每年申请量维持在30件以内，在我国的专利申请量占比明显增加，尤其是2018年在我国的申请量超过其全球申请量的50%[19]。

表1 稀土永磁材料相关技术领域前10位专利分类

表2 全球稀土永磁材料领域主要专利申请人

我国约有1 700家机构和个人活跃在稀土永磁材料技术研发领域。专利申请数量位居前20位的机构中，企业有13家，科研院所有1家，即中科院宁波材料所，高校有6家，分别是北京工业大学、北京科技大学、江苏大学、江西理工大学和哈尔滨工业大学(表3)。专利量排在首位的是北京中科三环高科技股份有限公司，专利内容涉及钕铁硼材料生产过程中的成份配方优化、生产工艺改善、设备改型、装置完善、表面处理方法改进等方面。

我国在稀土永磁材料研究领域，技术研发主要集中在永磁材料的原料、制造设备与性能保养3个方面。排名前10位的专利分类主要是稀土镍/钴/铁合金、永磁体用材料、永磁体、硬磁金属或合金的制造，而对磁铁制造、永磁同步电机、旋转部件、合金领域布局较少。

表3 我国稀土永磁材料领域主要专利申请人

基于专利申请量前10位机构的专利分类领域，分析发现，各大机构布布局最多的是稀土镍/钴/铁合金，相关专利申请量达292篇；布局最少的为旋转部件领域，相关专利申请量仅为2篇(图5)。其中北京ZK三环高技术股份有限公司开展的研究最多，相关专利文献申请量达210篇。天长市ZN国泰能源技术有限公司专利布局较为特殊，技术研发全部集中在永磁同步电机领域。

图5 我国排名前10机构专利技术布局

2 我国稀土永磁材料发展存在的问题

本文通过对国内外稀土永磁产业专利申请趋势、申请主体、重点国家/地区专利技术布局、核心专利权人以及核心专利、机构合作等比较分析，揭示了我国稀土永磁材料技术发展还存在以下问题。

1)我国稀土永磁材料专利布局相对于日本和美国较晚，但当前专利申请数量与日本并列第1，我国专利制法不成熟，知识产权保护意识淡薄。日本早在1964年就开始在稀土永磁材料领域布局专利，在1987年我国刚刚开始布局时就已经呈现出快速增长的专利趋势(表4[20])。美国的稀土永磁专利布局较我国也相对较早，虽然前期也一直处在萌芽期，但知识产权保护意识比我国明显较强。

表4 中国、日本和美国在不同时期的专利增长趋势

2)我国深加工技术不强，新专利申请能力不足，核心专利掌握在日本和美国手中。日本、美国以及欧盟等发达国家通过在他国申请专利或专利调查、制裁等多种手段，在该领域对我国构筑了较高的专利壁垒。全球稀土永磁领域排名前20位的主要核心专利中并未有我国专利(表5)。排名第1的专利是日本住友特种金属有限公司关于无钴磁性材料的相关专利，并在日本、美国、德国、欧洲专利局、加拿大等地均有授权，该专利为一种包括铁硼稀土金属间磁性材料化合物。排名第2的专利介绍了一种利用磁性吻合的组件，其主要器部件由钕铁硼钐钴或铝镍钴构成。排名第3的专利是一种永磁装置，其中的磁体是由稀土/钴合金材料制造的。

表5 全球稀土永磁材料领域主要核心专利

表5 (续)

3)我国高校和企业合作相对企业和企业间合作仍然较少，产学研融合不够。导致我国高性能稀土磁材核心技术研发水平及产业化关键技术较弱，缺乏高端稀土磁材自我供给能力。

我国稀土永磁材料相关机构，虽开展了一些小范围内的技术合作，但各机构主要以独立方式进行技术研发(图6)。在排名前20位的专利权人中，有14家机构以独立方式进行专利申请，其余6家机构，分别以两两合作模式申请。北京科技大学与宁波韵升股份有限公司间有2项合作专利，中科院宁波材料所与安徽大地熊新材料股份有限公司间有1项合作专利。福建长汀金龙稀土有限公司与厦门钨业有限公司合作相对广泛，2家机构各自拥有42项稀土永磁材料相关专利，每一项专利都由两者合作完成。

3 推动我国稀土永磁材料发展建议

针对以上存在的问题，结合我国稀土永磁材料产业发展现状，提出以下对策建议。

图6 我国稀土永磁材料相关技术领域专利权人合作关系图

3.1 加强知识产权体系和配套体制机制建设

切实发挥好国家稀土产业知识产权运营中心作用，为企业做好信息检索、专利申报和培训、专利诉讼等知识产权服务。着力编制稀土永磁产业产品、技术的专项保护政策，推动构建高效有力的知识产权保护体系。

3.2 注重布局国外专利市场，打造永磁电机国际品牌

鼓励我国有产业化应用前景的稀土永磁核心专利申请国外专利，在目标稀土贸易国布局，提前抢占国外市场，逐步突破专利壁垒；打造永磁电机国际品牌，发挥好我国稀土永磁电机的资源支撑优势，在新能源汽车全球需求不断扩张的发展态势下，以我国的稀土永磁电机核心竞争力在新能源领域占据全球领先地位。

3.3 鼓励企业设立研发机构，定向引育人才

顶层设计布局，鼓励和支持永磁企业研发机构的设立，发挥企业创新主体的作用，把企业研发机构切实作为集聚创新资源、研发核心技术、转化科技成果的重要途经。支持企业研发机构培育高层次人才团队，定向输送到企业生产和管理端。加强集成联动支持、社会服务和动态管理，为企业研发机构的高质量发展做好保障。