基于專利信息的稀土永磁材料技術(shù)研發(fā)分析

劉玉玲，馮雪嬌，魏昌婷

(江西省科學(xué)院科技戰(zhàn)略研究所，330096，南昌)

0 引言

稀土是不可再生的重要戰(zhàn)略資源，是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)及國防科技工業(yè)不可或缺的關(guān)鍵元素[1-4]。在我國的稀土應(yīng)用中，新材料領(lǐng)域約占62%，稀土永磁材料又在這部分應(yīng)用中占到63%以上[5]。稀土永磁材料在國內(nèi)稀土消費結(jié)構(gòu)中規(guī)模最大、發(fā)展最快。稀土永磁材料是一類以稀土金屬元素RE(Sm、Nd、Pr等)和過渡族金屬元素TM(Fe、Co等)所形成的金屬間化合物為基礎(chǔ)的永磁材料。按開發(fā)應(yīng)用時間順序，可分為第1代釤鈷永磁材料(SmCo5)、第2代釤鈷永磁材料(Sm2Co17)和第3代釹鐵硼(Nd2Fe14B)永磁材料[6]。稀土永磁材料因其優(yōu)良的磁電耦合、磁光效應(yīng)、磁熱效應(yīng)等特性，成為航空航天、電子信息、智能裝備、新能源、現(xiàn)代交通、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵支撐材料[7-11]。隨著全球低碳技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的不斷深化發(fā)展，當(dāng)前高性能稀土永磁材料已成為重點關(guān)注基礎(chǔ)原材料之一[12-13]。

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出推動高端稀土功能材料等先進(jìn)金屬材料取得突破。2021年12月發(fā)布的《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中提出，將高性能稀土磁性材料作為重點突破的關(guān)鍵材料品種之一。

近年來已有不少學(xué)者對稀土以及稀土永磁專利進(jìn)行了研究，還有不少學(xué)者針對美、日對我國的專利技術(shù)壁壘進(jìn)行了研究。如，羅曉寧[14]等對1985—2013年公開的稀土永磁材料專利進(jìn)行了總結(jié)和分析，并提出了完善并實施稀土永磁材料專利戰(zhàn)略，降低稀土永磁材料的重稀土含量，加強稀土永磁材料磁性均勻性的研究。謝佳君[15]等研究了2014—2017年間的全球燒結(jié)稀土永磁材料專利，提出了實施高豐度稀土平衡應(yīng)用技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化裝備開發(fā)等技術(shù)創(chuàng)新以及燒結(jié)磁體的自動化生產(chǎn)制備設(shè)備、磁體的充磁退磁等高端裝備研制是我國現(xiàn)階段需要重點攻克和解決的技術(shù)難點。劉佳音[16]對截止到2017年5月的稀土永磁材料全球?qū)＠暾堖M(jìn)行了檢索和分析后指出在燒結(jié)釹鐵硼磁性材料領(lǐng)域添加重稀土元素提高矯頑力及添加輕稀土元素降低磁性材料生產(chǎn)成本為技術(shù)熱點。

李文龍[17]等對我國稀土永磁領(lǐng)域日本專利壁壘運用貿(mào)易引力模型，分析了日本專利壁壘對我國稀土永磁材料出口的制約程度，并給出了提升稀土永磁產(chǎn)業(yè)專利技術(shù)水平的應(yīng)對建議。薛芳[18]等對我國稀土永磁材料出口遭遇日本專利壁壘的現(xiàn)狀、表現(xiàn)形式以及原因進(jìn)行了深入分析，提出了通過布局應(yīng)用機(jī)械方面專利從外圍破局、行業(yè)保護(hù)、政策扶持、主動接軌國際標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)避日本專利壁壘的對策。這些學(xué)者研究大多是基于2017年之前的永磁專利數(shù)據(jù)，對近幾年的專利研究較少，并且隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)的開展和新冠疫情打響長期持久戰(zhàn)，新能源、風(fēng)力發(fā)電、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芟⊥链判圆牧系男枨笤鲩L迅猛，高性能稀土磁性材料越來越成為各國搶占高端制造業(yè)制高點的重點研發(fā)對象。

本文針對我國稀土永磁材料核心技術(shù)受限問題，從專利視角，系統(tǒng)地分析了全球稀土永磁技術(shù)領(lǐng)域的專利申請總體趨勢情況、專利技術(shù)布局、專利權(quán)人等，并結(jié)合最新國際國內(nèi)發(fā)展戰(zhàn)略布局以及形勢對我國稀土永磁材料的發(fā)展戰(zhàn)略布局提供了對策建議，以求在稀土永磁材料領(lǐng)域核心技術(shù)有所突破，具有一定的理論和實踐意義。文中專利數(shù)據(jù)來源于Derwent Innovation(DI)數(shù)據(jù)庫。利用國際專利分類號與德文特手工代碼制定檢索策略，檢索時間為2021年1月，并對檢索出的數(shù)據(jù)采用DDA、DI和Excel等工具進(jìn)行分析得到。

1 稀土永磁材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 總體趨勢

1.1.1 申請量演化趨勢分析 從全球稀土永磁材料專利申請演化過程來看(圖1)，可分為3個階段，總體呈波動上升趨勢。第1階段(1969—1989年)：專利申請趨勢快速上升，1989年相關(guān)專利達(dá)435件，該時期出現(xiàn)了第1代至第3代稀土永磁材料，我國稀土永磁材料技術(shù)專利申請起步于1985年間(圖2)，相對于美、日等發(fā)達(dá)國家起步較晚；第2階段(1990—1999年)：專利申請量有所回落，這種變化主要是受日本專利申請量下降的影響，而同時期我國依然處于技術(shù)萌芽期；第3階段(2000年至今)：2000年以后專利申請量再次呈現(xiàn)上升趨勢，其中，2018年專利數(shù)量達(dá)到最大值，在600件左右。這個時期我國由萌芽期向突破期轉(zhuǎn)折。在2005年以前，我國發(fā)展相對緩慢，專利申請數(shù)量較少，年申請數(shù)量未超過30項；2005年以后，專利申請量開始大幅度較快攀升，2016—2018年間專利申請數(shù)量達(dá)到歷史峰值，尤其是2018年專利申請數(shù)量達(dá)到437項(圖2)。由于專利申請的審查需要一定周期，部分專利尚在審查階段或未公開階段，因此，2019—2020年的專利數(shù)據(jù)僅供參考。

圖1 全球稀土永磁材料領(lǐng)域?qū)＠暾埩恐鹉暄莼瘓D

圖2 我國稀土永磁材料專利申請時間演化圖

1.1.2 專利申請國家/地區(qū)分布分析 從專利技術(shù)來源國家來看，中國和日本的專利量并列第1，占比約為39%，美國位居第2，這3個國家的專利申請量總和占總量的80%以上(圖3)。由此可見，全球稀土永磁材料相關(guān)專利技術(shù)主要掌握在中國、美國和日本手中。

從專利技術(shù)市場分布來看，中國、日本和美國排名前3名，總占比為70%。由此可見，稀土永磁領(lǐng)域的技術(shù)交易和流通主要在這3個國家內(nèi)進(jìn)行。

圖3 專利技術(shù)來源國家(地區(qū))分布和專利技術(shù)市場國家(地區(qū))分布

1.2 重點國家/地區(qū)專利戰(zhàn)略布局

1.2.1 重點國家/地區(qū)專利技術(shù)布局 基于對專利數(shù)量排名前5位國家的專利布局進(jìn)行分析得出，目前稀土永磁專利主要集中在稀土永磁材料、永磁體、磁鐵制造、永磁同步電機(jī)以及相關(guān)部件等方面(表1)。從各主要專利國的技術(shù)布局看(圖4)，日本的布局中占比最大的是稀土鎳/鈷/鐵合金，其次是永磁體用材料、永磁體、磁體制造；美國和德國的專利布局與日本相似，但偏重于永磁同步電機(jī)；韓國突出表現(xiàn)為硬磁金屬或合金的制造方面以及對工程、汽車應(yīng)用的布局，更注重下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國的布局與其他4個國家來看相對均衡，側(cè)重于對永磁同步電機(jī)布局，而對磁體制造布局在5個國家中最少。

圖4 全球重點國家/地區(qū)稀土永磁領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)布局

1.2.2 核心專利權(quán)人以及核心專利 全球有接近4 000家機(jī)構(gòu)和個人活躍在稀土永磁材料技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域(表2)。專利申請數(shù)量位居前20位的機(jī)構(gòu)中，日本最多，有13家，中國有6家，美國有1家。在這20個機(jī)構(gòu)中，大部分機(jī)構(gòu)為公司，只有2家科研院所，分別為日本金屬材料研究所和中科院寧波材料所。專利申請量最多的為日立集團(tuán)，特別是日立金屬分公司。日立金屬自2000年后，每年申請量維持在30件以內(nèi)，在我國的專利申請量占比明顯增加，尤其是2018年在我國的申請量超過其全球申請量的50%[19]。

表1 稀土永磁材料相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域前10位專利分類

表2 全球稀土永磁材料領(lǐng)域主要專利申請人

我國約有1 700家機(jī)構(gòu)和個人活躍在稀土永磁材料技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域。專利申請數(shù)量位居前20位的機(jī)構(gòu)中，企業(yè)有13家，科研院所有1家，即中科院寧波材料所，高校有6家，分別是北京工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)、江蘇大學(xué)、江西理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)(表3)。專利量排在首位的是北京中科三環(huán)高科技股份有限公司，專利內(nèi)容涉及釹鐵硼材料生產(chǎn)過程中的成份配方優(yōu)化、生產(chǎn)工藝改善、設(shè)備改型、裝置完善、表面處理方法改進(jìn)等方面。

我國在稀土永磁材料研究領(lǐng)域，技術(shù)研發(fā)主要集中在永磁材料的原料、制造設(shè)備與性能保養(yǎng)3個方面。排名前10位的專利分類主要是稀土鎳/鈷/鐵合金、永磁體用材料、永磁體、硬磁金屬或合金的制造，而對磁鐵制造、永磁同步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)部件、合金領(lǐng)域布局較少。

表3 我國稀土永磁材料領(lǐng)域主要專利申請人

基于專利申請量前10位機(jī)構(gòu)的專利分類領(lǐng)域，分析發(fā)現(xiàn)，各大機(jī)構(gòu)布布局最多的是稀土鎳/鈷/鐵合金，相關(guān)專利申請量達(dá)292篇；布局最少的為旋轉(zhuǎn)部件領(lǐng)域，相關(guān)專利申請量僅為2篇(圖5)。其中北京ZK三環(huán)高技術(shù)股份有限公司開展的研究最多，相關(guān)專利文獻(xiàn)申請量達(dá)210篇。天長市ZN國泰能源技術(shù)有限公司專利布局較為特殊，技術(shù)研發(fā)全部集中在永磁同步電機(jī)領(lǐng)域。

圖5 我國排名前10機(jī)構(gòu)專利技術(shù)布局

2 我國稀土永磁材料發(fā)展存在的問題

本文通過對國內(nèi)外稀土永磁產(chǎn)業(yè)專利申請趨勢、申請主體、重點國家/地區(qū)專利技術(shù)布局、核心專利權(quán)人以及核心專利、機(jī)構(gòu)合作等比較分析，揭示了我國稀土永磁材料技術(shù)發(fā)展還存在以下問題。

1)我國稀土永磁材料專利布局相對于日本和美國較晚，但當(dāng)前專利申請數(shù)量與日本并列第1，我國專利制法不成熟，知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識淡薄。日本早在1964年就開始在稀土永磁材料領(lǐng)域布局專利，在1987年我國剛剛開始布局時就已經(jīng)呈現(xiàn)出快速增長的專利趨勢(表4[20])。美國的稀土永磁專利布局較我國也相對較早，雖然前期也一直處在萌芽期，但知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識比我國明顯較強。

表4 中國、日本和美國在不同時期的專利增長趨勢

2)我國深加工技術(shù)不強，新專利申請能力不足，核心專利掌握在日本和美國手中。日本、美國以及歐盟等發(fā)達(dá)國家通過在他國申請專利或?qū)＠{(diào)查、制裁等多種手段，在該領(lǐng)域?qū)ξ覈鴺?gòu)筑了較高的專利壁壘。全球稀土永磁領(lǐng)域排名前20位的主要核心專利中并未有我國專利(表5)。排名第1的專利是日本住友特種金屬有限公司關(guān)于無鈷磁性材料的相關(guān)專利，并在日本、美國、德國、歐洲專利局、加拿大等地均有授權(quán)，該專利為一種包括鐵硼稀土金屬間磁性材料化合物。排名第2的專利介紹了一種利用磁性吻合的組件，其主要器部件由釹鐵硼釤鈷或鋁鎳鈷構(gòu)成。排名第3的專利是一種永磁裝置，其中的磁體是由稀土/鈷合金材料制造的。

表5 全球稀土永磁材料領(lǐng)域主要核心專利

表5 (續(xù))

3)我國高校和企業(yè)合作相對企業(yè)和企業(yè)間合作仍然較少，產(chǎn)學(xué)研融合不夠。導(dǎo)致我國高性能稀土磁材核心技術(shù)研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)較弱，缺乏高端稀土磁材自我供給能力。

我國稀土永磁材料相關(guān)機(jī)構(gòu)，雖開展了一些小范圍內(nèi)的技術(shù)合作，但各機(jī)構(gòu)主要以獨立方式進(jìn)行技術(shù)研發(fā)(圖6)。在排名前20位的專利權(quán)人中，有14家機(jī)構(gòu)以獨立方式進(jìn)行專利申請，其余6家機(jī)構(gòu)，分別以兩兩合作模式申請。北京科技大學(xué)與寧波韻升股份有限公司間有2項合作專利，中科院寧波材料所與安徽大地熊新材料股份有限公司間有1項合作專利。福建長汀金龍稀土有限公司與廈門鎢業(yè)有限公司合作相對廣泛，2家機(jī)構(gòu)各自擁有42項稀土永磁材料相關(guān)專利，每一項專利都由兩者合作完成。

3 推動我國稀土永磁材料發(fā)展建議

針對以上存在的問題，結(jié)合我國稀土永磁材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下對策建議。

圖6 我國稀土永磁材料相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠麢?quán)人合作關(guān)系圖

3.1 加強知識產(chǎn)權(quán)體系和配套體制機(jī)制建設(shè)

切實發(fā)揮好國家稀土產(chǎn)業(yè)知識產(chǎn)權(quán)運營中心作用，為企業(yè)做好信息檢索、專利申報和培訓(xùn)、專利訴訟等知識產(chǎn)權(quán)服務(wù)。著力編制稀土永磁產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品、技術(shù)的專項保護(hù)政策，推動構(gòu)建高效有力的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。

3.2 注重布局國外專利市場，打造永磁電機(jī)國際品牌

鼓勵我國有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景的稀土永磁核心專利申請國外專利，在目標(biāo)稀土貿(mào)易國布局，提前搶占國外市場，逐步突破專利壁壘；打造永磁電機(jī)國際品牌，發(fā)揮好我國稀土永磁電機(jī)的資源支撐優(yōu)勢，在新能源汽車全球需求不斷擴(kuò)張的發(fā)展態(tài)勢下，以我國的稀土永磁電機(jī)核心競爭力在新能源領(lǐng)域占據(jù)全球領(lǐng)先地位。

3.3 鼓勵企業(yè)設(shè)立研發(fā)機(jī)構(gòu)，定向引育人才

頂層設(shè)計布局，鼓勵和支持永磁企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)立，發(fā)揮企業(yè)創(chuàng)新主體的作用，把企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)切實作為集聚創(chuàng)新資源、研發(fā)核心技術(shù)、轉(zhuǎn)化科技成果的重要途經(jīng)。支持企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)培育高層次人才團(tuán)隊，定向輸送到企業(yè)生產(chǎn)和管理端。加強集成聯(lián)動支持、社會服務(wù)和動態(tài)管理，為企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)的高質(zhì)量發(fā)展做好保障。