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摘要 ：稀土永磁材料是指以铈、钐、钕等稀土元素和铁、钴 等过渡金属元素形成的一种金属间化合物。稀土永磁材料因其 具有优异的综合性能，被广泛应用于能源、医疗、机械、计算机 等领域，甚至已经应用于军事领域的雷达、人造卫星等方面。本 文通过分析稀土永磁材料领域的相关专利，研究了稀土永磁材 料的热点技术、申请现状以及技术领域等， 以帮助相关企业确定 科研方向、获得技术启示，并能够借鉴先进技术，从而促进我国稀土永磁材料相关技术的发展。
关键词 ：钐钴,钕铁硼,稀土永磁,专利分析
1 引言
作为一种重要的功能性材料，稀土永磁材料目前被广泛应 用于能源、医疗、机械、计算机等领域，甚至已经应用于军事领 域的雷达、人造卫星等方面，比如，在人造卫星的环行器以及微 型电机、航空仪器等方面均有稀土永磁材料的身影。上个世纪 60 年代以来，我国在稀土永磁材料的产业方面取得了巨大成就， 我国已成为全球最大的稀土永磁材料生产基地，稀土永磁材料 的年产量超过全球产量的 80%。但我国仅在稀土产业链的上游 和中游具备一定的优势， 上游领域如稀土资源开采、稀土矿物开 采、稀土冶炼分离产品等， 中游领域比如稀土领域新材料等 ;此 外，我国稀土永磁材料核心专利匮乏， 绝大部分专利属于改进型 专利或边缘专利， 涉及稀土元素组分改进的专利申请量极少， 稀 土永磁材料基本成分的核心专利主要掌握在日本和美国企业手 中，在稀土永磁材料的高端产品领域方面， 我国目前的研究水平 与美、日等发达国家存在一定的差距。因此，有必要增强我国稀 土永磁材料方面的自主创新能力，发展具有自主知识产权的稀 土永磁材料。
2 稀土永磁材料的发展历程
上世纪 60 年代以来，随着磁能积的三次重大突破，科研工 作者己成功发展三代具有实际应用价值的稀土永磁材料。
2.1 第一代稀土永磁材料
第一代稀土永磁材料以 1 ：5 型 Sm-Co 合金为代表，SmCo5 合金具有低对称 CaCu5 型六角结构， 原胞由两种不同的原子层组成，一层是呈六角形排列的钴原子 , 另一层由稀土原子和 Co 原 子以 1:2 比例排列而成。SmCo5 化合物具有极高的单轴磁晶各向 异性常数， 其数值为 K= (15-19)*103 kJ/m3.SmCo5 化合物的易磁 化方向为 c 轴 ;同时，SmCo5 化合物的 Co-Co 原子间具有强烈的 3d-3d 交换作用，这就导致 SmCo5 化合物的具有较高的居里温度 Tc (≈ 720℃)，理论磁能积可达244.9 kJ/m3.
20 世纪 50 年代末，Nesbitt等以及Hubbard 等先后发现了具 有较高各向异性的化合物 GdCo5.但由于 Gd 与 Co 具有反铁磁 性耦合性， 导致 GdCo5 的饱和磁化强度偏低， 再加上 GdCo5 的原 材料价格偏高，所以在当时 GdCo5 并未引起科研人员的广泛关 注。1966 年，Hoffer 等发现了各向异性常数 K1=5.7x103 kJ/m3. 且饱和磁化强度为 1.06T 的材料YCo5.1967 年，Stnat采用粉末 法率先制备出YCo5 永磁体，其剩磁为 0.28T、最大磁能积为 9.60 kJ/m ，紧接着他们又利用相似的方法制得了 SmCo35 永磁体，这 一突破性的进展引起了地界各国的广泛关注。1970 年，Benz 等 采用液相烧结法制备RCo5 永磁体，这使得稀土永磁体的制造工 艺取得了较大进步。
SmCo5 新材料的发现与发展标志着稀土永磁时代的到来。在 SmCo5 的基础上，不断派生出PrCo5、(Sm, Pr) Co5、MM Co5 和 Ce (Co, Cu, Fe)5 等 1:5 型永磁材料。SmCo5 永磁体可在 -50 ~ 150 ℃ 的温度范围内工作，是一种较理想的稀土永磁材料，SmCo5 永磁 体已经在现代工业中得到了广泛的应用。但由于 SmCo5 的原材 科中的稀土元素钐和过渡金属钴成本昂贵，制约了 SmCo5 的应 用和发展。
2.2 第二代稀土永磁材料
在积极探索 Sm 取代的同时，对昂贵的战略资源 Co 的取代 也在不断研究进步。第二代稀土永磁材料以2:17 型 Sm-Co 合金 为代表，Sm2Co17 得到了广泛研究。1968 年，Perry 等系统研究 了 Sm 、Co、Cu 合金的性能。1977 年，Ojima 等人采用粉末冶金 法制备出 Sm (Co,Fe,Cu,Zr)7.2 永磁体，该永磁体的最大磁能积为 238.80 kJ/m3.Ojima 等人实现了稀土永磁体在磁性能研究方面 新的突破。2:17 型 SmCo 永磁材料研究包括两个方向，第一，在 合金 Sm2 (Co1-xFex) 17 的基础上添加其他元素，从而发展高性能的永磁材料 ;Nagel 等通过添加Mn 或 Cr 元素，得到了最大磁 能 积 为 222.8kJ/m3 的 Sm2 (Co0.8Fe0.05Cr0.15)17 合金和剩磁 =1.10T、 最大磁 能 积 为 238.8kJ/m3 的 Sm2 (Co0.8Fe0.09Cr0.02)17 合金， 但 Sm2 (Co0.8Fe0.05Cr0.15)17 和 Sm2 (Co0.8Fe0.09Cr0.02)17 这两种合金均是单相 的，因而，这两种合金的温度稳定性较差，并且制造工艺复杂、 重复性差。第二，在 Sm-Co-Cu 三元硬化型材料的基础上添加其 他元素， 研究出了 Sm-Co-Cu-Fe 系和 Sm-Co-Cu-Fe-M (M=Zr,Ti, Hf, Ni 等) 两种 2:17 型材料。为 了提高 2:17 型 Sm-Co 稀土永磁 材料的温度稳定性，科研人员开始研究添加重稀土与轻稀土的 复合稀土元素，利用这两种稀土之间的补偿效应制造出温度系 数低的 2:17 型 Sm-Co 永磁材料。1980 年，李东等人首次研制出 在 2080 ℃ 时，a=(-0 ~ 0.002) %/ ℃ 的 Sm1.2Er0.8Co10Cul.5Fe3.2Zr0.2 材料，这种材料的磁能积达到 143.2 kJ/m3.1983 年，Mildrum 等人系统研究了在 Sml-xErx (Co0.69Fe0.22Cr0.08Zr0.02) 7.22 合金中， 磁性能与 x 值变化之间的关系。1985 年，Capm 等人的研究表 明， Sm1.18DyO.O1Gy0.09 (TM) 15 永磁合金的磁感温度系数能够达到 (0.0008 ~ 0.0071) % /℃。
同样， 由于原材料成本昂贵， 制约了 Sm2Co17 的进一步发展， 科研人员在探索取代稀土元素 Sm 的同时，也在研究在稀土永磁 材料中用其他元素取代昂贵的 Co 元素。
2.3 第三代稀土永磁材料
1982年，日本住友特种金属材料和美国通用汽车公司开发了 第三代稀土永磁材料，其永磁主相为Nd2Fe14B，磁能积可达290 kJ/m3 。Nd2Fe14B主相具有优异的磁性能，它的磁晶各向异性场为 7.6T，饱和磁化强度聪为 1.6T，理论磁能积高达 64MGOe，被称为 “磁王”。以“磁王”Nd-Fe-B 系合金为主要代表，其主相Nd2Fe14B 属 于 四 方 晶 系， 晶 体 点 阵 常 数 为 a=0.8792 nm, c=1.227 nm。 主相Nd2Fe14B磁能积可达290 kJ/m3 ，磁晶各向异性场为7.6T， 并且Nd资源相对丰富，在Nd-Fe-B稀土永磁材料中的含量也 不高。Nd2Fe14B的居里温度略低外，除此之外，Nd2Fe14B是一 种比较理想、应用前景十分广阔的稀土永磁材科。Nd-Fe-B 系稀土永磁材料的成功研制具有十分重要的意义。1985年， Narasimhan等通过成分的调整，制备出最大磁能积为358kJ/m3 (45MGOe)的磁体。1987年，Sagawa等通过优化成分，抑制非 磁性相的体积分数，成功制备出磁能积为404 kJ/m3 的烧结Nd- Fe-B磁体。随着生产工艺的不断改进，1990年，Otsuki等制备 出磁能积为416 kJ/m3 的烧结Nd-Fe-B磁体。1994年，日立金属 公司的Kaneko等通过设计合金成分，提高主相的体积分数等方式，制备出磁能积为43l kJ/m3 的磁体。
通过不断的研究与改进，2000 年，日立金属公司的Matsuura又制备出最大磁能积为 474 kJ/m3 (59.6MGOe) 的超高性能烧结 Nd-Fe-B 磁体，也是截至目前报道的磁能积的最高记录。Nd- Fe-B 合金的不足之处是其居里温度低，热稳定性不好，抗腐蚀 性较差， 这在一定程度上限制了它的应用。
3 稀土永磁材料的专利分析
3.1 检索稀土永磁材料的技术谱系
目前，稀土永磁材料的技术主要集中在钕铁硼和钐钴领域， 本次检索的技术谱系包括四级分类，一级分类为稀土永磁材料， 二级分类为化学组分与制备工艺，三级分类将二级分类中的化 学组分划分为 SmCo、Nd-Fe-B、Sm-Fe-N、双相纳米稀土永磁材 料，三级分类将二级分类中的制备工艺划分为压制、烧结与黏 结、热压与热变形，四级分类将三级分类中的 SmCo进一步划分 为 SmCo5、Sm2Co17.四级分类将三级分类中的Nd-Fe-B进一步划 分为晶粒细化、晶界扩散、轻稀土添加几种方式。
3.2 全球稀土永磁材料专利申请分析
3.2.1 全球专利申请量趋势分析
本文检索的时间范围为2001 年至2022 年 6 月，截止2022 年 6 月，本次检索共获得稀土永磁材料领域全球专利申请 19637件， 其中，国内专利申请 10103 件，国外专利申请 9534 件，检索结果 表明，从2001 年截至检索日期，在全球范围内，稀土永磁材料的 专利申请数量呈现上升趋势(一般情况下，专利申请到专利公开 有 3-18 个月的延迟，因此2021 年和2022 年的专利申请还有一部 分没有公开)。在2010 年以前，全球范围内稀土永磁材料专利申 请增幅较小，2010 年以后受中国专利申请量增加的影响，全球 稀土永磁材料专利申请增幅较大。
3.2.2 全球专利申请技术分布情况分析
通过研究全球稀土永磁材料专利申请技术分布情况，结果 表明，全球稀土永磁材料专利申请技术主要分布在中国、日本、 美国，排名在前几名的专利分布国 / 地区是稀土永磁材料开发、 生产、研制、销售的主要区域，即，这些区域是专利申请人认为 需要进行专利布局和技术垄断的重要地区， 整体来看， 我国和日 本是进行专利布局和技术垄断的重点市场。日本是稀土永磁材 料相关技术的主要产出国， 也是稀土永磁材料的主要研发、生产 和成品销售区域， 因此其对本国市场的技术垄断是必然的。我国 稀土产业链的安全稳定系数较低，尚未有效延伸至具有高附加 值的产业链下游， 一些重要的元器件、关键的零部件甚至稀土高 端应用产品和终端制成品的整机基本都需要依赖进口。我国是 稀土永磁材料的主要原材料供应国，随着我国稀土永磁产业的不断壮大， 全球范围内的稀土永磁产业逐渐向我国转移， 这就导致我国逐渐成为稀土永磁材料的主要生产及消耗国家， 因此， 稀 土永磁材料必然是专利重点保护的领域。欧洲、韩国和德国也是 稀土永磁技术的重点布局市场。
3.2.3 国外专利申请人情况分析
稀土永磁材料国外排名前十的专利申请人分别是信越化学 株式会社、日本日立金属、INTER金属有限公司、TDK公司、日 东电工公司、精工爱普生公司、日本钢铁有限公司、日东电工公 司、松下电器有限公司、住友金属矿业有限公司，大部分为日本 企业，排名第一、第二的信越化学株式会社、日本日立金属，两 个公司的大部分专利申请均为钕铁硼的相关专利。
3.2.4 全球范围内的专利申请技术构成分析
全球范围内的稀土永磁材料技术主要集中在产品用途、钕 铁硼稀土永磁材料及其制备领域。全球范围内的稀土永磁材料， 排在前十位的技术构成分别是 ：H01F41/02( 用于制造磁芯、线 圈或磁体的〔3〕)、H01F1/057(和Ⅲ a 族元素， 如Nd2Fe14B〔6〕)、 H01F1/08(压制的、烧结的或黏结在一起的〔6〕)、H01F1/053(含 稀土金属的〔5.6〕)、H02K1/27(有永久磁体的转子铁芯的〔5〕)、 C22C38/00( 铁基合金， 例如合金钢(铸铁合金入 C22C37/00) 〔2〕)、H01F7/02( 永 久 磁 体 )、C22C33/02( 用 粉 末 冶 金 法 )、 B22F1/00(金属粉末的专门处理;如使之易于加工， 改善其性质; 金属粉末本身，如不同成分颗粒的混合物)、H01F1/055(和磁性 过渡金属的， 如 SmCo5〔6〕)。稀土永磁材料的主要制备工艺包括 压制、烧结、黏结、热压、变形等，研究重点是稀土永磁材料的 用途及钕铁硼稀土永磁材料的成分改性。
3.3 我国稀土永磁材料的专利分析
3.3.1 专利申请数量及专利申请类型分析
我国稀土永磁材料专利申请量包括我国本土专利申请量及 国外在华布局的专利申请量。通过比较中国和世界其他国家/地 区稀土永磁材料专利申请量可以看出，中国稀土永磁材料专利 申请量分为两个阶段，第一阶段是2001-2006 年，中国稀土永磁 材料专利数量维持在较低水平。这主要是由以下三个原因导致 ： 一是相对于日本等稀土永磁材料研发强国，我国稀土永磁材料 的研发起步较晚、技术水平较低， 并且我国的研究集中在上游及 中游领域 ;二是稀土永磁材料在材料组分及制备工艺方面的核 心专利掌握在美、日等相关企业的手中， 这就导致我国在稀土永 磁材料领域的研发受阻 ;三是在此期间我国对于知识产权的重 视和保护力度不够， 在一定程度上抑制了发明创造的热情， 阻碍 了稀土永磁材料技术的发展。第二阶段从2010 年开始至今，中国稀土永磁材料专利申请数量处于快速增长期，原因首先是我国政府大力支持专利事业的发展，我国专利申请量整体维持较 高的增长率，并且2010 年以后，国家进一步重视稀土永磁材料， 颁布了一系列激励稀土材料开发及应用的政策 ;其次是美、日 等国家在稀土永磁材料方面的核心专利的专利权逐渐到期，我 国得以进一步研发稀土永磁材料。2014 年中国稀土永磁材料的 专利申请数量超过国外。
其他国家在稀土永磁材料领域在华申请量排名前五的国家 及其申请量， 分别为日本(186 项)、美国(172 项)、德国(62 项)、 意大利(30 项) 和韩国(26 项)。日本一向重视在我国进行专利布 局，在稀土永磁材料领域更是如此。早在上世纪 80 年代初期， 日 本的稀土企业即开始进行包括我国在内的全球专利布局。1982 年， 日本住友特殊金属株式会社率先发现钕铁硼， 第二年就分别 在美国和日本申请了专利。1985 年《中华人民共和国专利法》颁 布实施的第一天，住友特殊金属株式会社就来到我国提出专利 申请，可见日本企业对在我国进行稀土永磁材料专利布局的重 视程度。
中国稀土永磁材料专利申请以发明专利为主，占比为 52.86%，另外还涉及一部分的实用新型专利和极小一部分的外 观设计专利。大部分实用新型专利为稀土永磁材料电动机的专 利申请。
3.3.2 专利申请人分析
稀土永磁材料中国专利申请量排名前十的申请人分别为 ： 北京中科三环高技术股份有限公司、东南大学、江苏大学、安徽 大地熊新材料股份有限公司、中国科学院宁波材料技术与工程 研究所、天津三环乐喜新材料有限公司、北京工业大学、北京科 技大学、浙江大学、京磁材料科技股份有限公司。其中，排在第 一名的北京中科三环高技术股份有限公司是中科院北京三环新 材料高技术公司的下属企业，其现为我国最大的稀土永磁企业。 北京中科三环高技术股份有限公司为我国稀土永磁行业创造了 多项纪录 ：最早在实验室开发出钕铁硼稀土永磁材料、我国第 一条钕铁硼工业生产线的建造者、第一家将钕铁硼材料出口到 海外市场的中国企业等。北京中科三环高技术股份有限公司的 研发重点为烧结钕铁硼、粘结钕铁硼、软磁铁氧体等。北京中科 三环高技术股份有限公司获有日立金属公司和麦格昆磁公司的 钕铁硼专利许可，其专利产品通过北京中科三环国际贸易公司 以“SANMAG®”的商标远销海外各国。北京中科三环高技术 股份有限公司注重延伸钕铁硼的上下游产业链， 在上游产业， 该 公司与我国稀土原料的主要产地开展紧密合作，参股了两家上 游稀土原料企业，从而确保稀土原料的稳定供应 ;在下游产业，该公司参股了南京大陆鸽高技术股份有限公司，生产绿色环保的电动自行车， 该自行车由钕铁硼稀土永磁电机驱动。
稀土永磁材料的中国申请人类型中，近 60% 为企业，可见， 在稀土永磁材料技术领域， 企业是技术研发的绝对主力， 它们掌 握着稀土永磁材料的最新技术。
3.3.3 中国专利申请技术构成分析
中国专利申请的技术构成中，排在前十名的分别是 ： H01F1/057( 和 Ⅲ a 族 元 素， 如 Nd2Fe14B〔6〕)、H01F41/02( 用 于 制 造 磁 芯、线 圈 或 磁 体 的〔3〕)、H01F1/08( 压 制 的、烧 结 的或黏结在一起的〔6〕)、H02K1/27( 有永久磁体的转子铁芯 的〔5〕)、B22F3/16(依次 的或重复 的)、H01F7/02( 永久磁体)、 B22F9/04(从固体材料开始， 如用破碎， 研磨或碾磨的方法〔3〕)、 H01F1/053(含稀土金属的〔5.6〕)、B22F1/00(金属粉末的专门 处理 ;如使之易于加工，改善其性质 ;金属粉末本身，如不同 成分颗粒的混合物)、H01F1/032(硬磁材料的〔6〕)。以上内容表 明，与全球稀土永磁材料技术构成相比， 中国专利申请的技术构 成主要集中在钕铁硼稀土永磁材料方面，且绝大部分专利申请 属于改进型或边缘专利，主要为对添加的其他合金元素的成分 进行限定。
4 稀土永磁材料专利分析总结
(1) 我国稀土永磁材料核心专利匮乏
近年来，尽管我国在稀土永磁材料方面的专利申请数量有 了较大提升，但我国在稀土永磁材料方面的专利绝大部分为改 进型专利或边缘型专利，涉及稀土元素组分改进的专利申请量 极少， 即使涉及到稀土永磁材料的化学组分， 其绝大部分为对添 加的其他合金元素的成分进行限定的专利。
(2) 国外申请人注重充分挖掘现有专利以形成新的专利申请
在 稀土永磁材料领域，国外的专利申请人能够充分利用化 学领域的专利申请特点，擅长对稀土永磁材料的技术特征进行 进一步挖掘，在新申请专利的权利要求中通过对隐性的技术特 征进行限定， 获得新申请的专利授权， 从而影响产业的发展。
(3) 日本和美国的企业掌握稀土永磁材料领域的核心技术
稀土永磁材料涉及的主要国家一般都进行了自主研发并掌握大规模的相关技术， 这些国家之间一般相互进行技术封锁。日本和美国不仅在稀土永磁材料领域专利申请量大，而且稀土永 磁材料基本成分和工艺的核心专利也主要掌握在这两个国家的 企业手中，日本和美国在稀土永磁材料领域的研发能力处于世界领先水平。
(4) 我国稀土永磁材料领域的专利申请人以企业居多，专利 申请呈现出分散的态势，且企业之间知识产权的合作较少，“关 起门来搞研究”的现象突出
我国稀土永磁材料的专利申请人分析结果表明，我国在稀 土永磁材料领域的研究单位众多，除一两家稀土永磁材料的龙 头企业外， 稀土永磁材料的研究单位普遍存在分散、规模小等问 题，这势必会导致重复建设问题， 使研究单位的研发动力下降。
5 启示及建议
虽然我国稀土材料的储量、产量以及出口量等均为世界第 一，但与美、日等发达国家相比，我国在稀土永磁材料的开发、 研制及应用方面还存在较大差距。因此，提升我国稀土永磁材 料产业的研制水平、提高现有稀土永磁材料产品的附加值、重 视稀土永磁材料的知识产权问题、把我国稀土资源储备丰富的 优势转化为国民经济优势，具有重要的意义。随着经济全球化 的进一步发展，稀土产业尤其是稀土永磁材料产业及稀土永磁 材料在高新技术领域中的应用产业，必将在 21 世纪获得更加迅猛的发展。
通过稀土永磁材料专利分析，可以获得以下启示 ：(1) 我国 需要增强稀土永磁材料方面的创新能力，研制出具有自主知识 产权的稀土永磁材料技术，同时需要增强稀土永磁材料的专利 布局，最大限度地发挥专利武器在市场竞争中的作用 ;(2) 我国 企业应充分利用专利申请的特点，对国外稀土永磁材料的核心 专利， 挖掘其隐性技术特征， 将挖掘到的隐性技术特征作为创新 点，以此申请专利并进行专利布局，规避专利侵权风险 ;(3) 应 定期跟踪日本和美国稀土永磁材料重点企业的专利技术，以确 定新的研究方向 ;(4) 应以多种形式促进我国稀土永磁材料的 研制单位与生产企业间的交流，避免对稀土永磁技术的重复研 究。
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