基于专利分析的稀土NdFeB永磁材料发展现状和趋势研究

内容提要：

稀土NdFeB永磁材料制备的技术关键是什么？

稀土NdFeB永磁材料的行业趋势、技术分布和专利分析；

解决高性能NdFeB制备技术瓶颈的研究方向在哪里？

引言

稀土永磁材料因其优异的性能广泛应用于新能源汽车、风力发电、工业机器人、变频家电、节能电梯等民用产品，以及导航系统、航空航天等国防科技领域，成为战略新兴产业和国民经济发展的重要基础材料。稀土永磁材料也是稀土用量最大的行业之一，稀土产业位于各行业产业链中的上游环节。我国拥有全球稀土资源的80%，发展稀土永磁，扩大高丰度元素的应用，实现稀土资源的高附加值利用，是我国稀土磁性材料产业的重要发展方向，这对充分发挥资源优势并形成我国稀土特色产业有重要意义。

稀土永磁材料从基体成分上可分为钴基（如钐钴）和铁基（如NdFeB）两大类，其中NdFeB永磁材料因为丰富的资源优势和更优越的磁特性得到了迅速的发展。NdFeB磁体有烧结和粘结两种形式，其中烧结磁体的磁性能较高，其磁能积的实验室水平已达463kJ/m³，磁能积介于360—408kJ/m3的烧结磁体已进行大批量生产；而粘结磁体具有成型性好、可制备复杂的磁体产品，且易于大批量自动化生产，生产效率高、成本低等优点。近年来，粘结NdFeB产品市场需求扩张极快，每年以30—40％的速度增长，发展前景十分广阔。

一般来说，提高NdFeB永磁材料磁性能的主要途径大致可以分为三种，分别是晶粒尺寸纳米化、磁体各向异性化和磁体致密化。下文从技术分析的角度出发，通过对于NdFeB永磁材料相关制备技术的发明专利进行分析，研究各国NdFeB永磁材料的发展现状和趋势，为确立NdFeB永磁材料的技术发展方向提供参考。

一、稀土NdFeB永磁材料制备关键技术解构

磁体磁性能的主要衡量指标是最大磁能积（（BH）max），它是矫顽力和剩磁的乘积，所以提高矫顽力或剩磁均有助于改善磁体磁性能。根据微磁学理论，NdFeB磁体的性能主要取决于材料的微观结构和晶粒尺寸分布等因素。首先，晶粒细化引起晶间交换耦合作用增大和剩磁效应增强，可显著改善矫顽力和剩磁；其次，晶粒定向取向即各向异性，可显著提高磁体的剩磁；另外，致密度也是影响NdFeB磁体综合性能的重要因素，致密化不仅可显著提高磁体的磁性能，而且还可改善产品的机械加工性能。各国研究人员针对NdFeB磁体的制备问题进行了广泛深入的研究，将NdFeB磁体磁性能的改善方案总结归纳，如图1所示。

图1 稀土NdFeB稀土永磁材料磁性能的改进

数据来源：方象知产研究院整理

二、系统化专利分析

1.整体行业发展趋势分析

全球稀土NdFeB永磁材料制备技术的发展趋势，如图2所示。从图中可以看出，专利申请量整体处于上升态势。专利申请始于1986年（图上起始年份是1986），起初发展比较缓慢，进入21世纪后有所加速。以专利申请数量作为划分依据，可将稀土NdFeB永磁材料制备技术的发展过程分为以下几个阶段：

图2 全球稀土NdFeB永磁材料制备专利申请量年变化

数据来源：方象知产研究院整理

萌芽期（1985-2000年）  这一阶段的主要研究机构是日本住友特殊金属株式会社，研究重点是通过添加合金元素改善材料的微结构，提高磁体的磁性能、耐腐蚀性、机械加工性等。NdFeB基本专利如成分专利和制备工艺专利均为日美所持有，而NdFeB永磁材料的主要成分是稀土，所以尽管我国是稀土资源大国，但是日美企业长期垄断了全球的稀土材料行业市场。

上升期（2000-2009年）  在本阶段前期（1997-2005年），专利申请量缓慢上升，这得益于稀土永磁材料的生产设备和制备技术等方面研究的不断深入，以及磁体产品在传统领域中应用需求的上升。本时期的研究重点主要集中在以下三方面，分别是：

（1）通过合金元素添加、稀土元素含量减低、表面处理、热压-热变形、氢爆、低氧工艺、晶粒取向等方法进一步提高烧结NdFeB磁体的磁性能，增强耐腐蚀性，降低制备成本；

（2）通过研制新型粘结剂或采用新工艺，制备粘结NdFeB磁体；

（3）开发残次品或NdFeB废旧品的回用工艺方法。

这段时期，全球稀土NdFeB材料逐步实现由基础研究向产业化应用的过渡。核心技术专利基本为日本机构申请，如日立和Neomax（2004年收购住友）等。依托于核心技术，并通过专利延伸和专利战略进行相关专利产品保护，日本在欧洲、美国和日本市场中长期占据主导地位。而同一时期的中国专利申请量也逐年攀升，申请机构主要集中分布于浙江、安徽、江西、广东、湖南等省区，这主要是由上游稀土资源区域化集中分布特点决定的。但当时我国在这一领域中，并没有实现专利质与量的同时提升，即专利的产业化应用程度不高。

快速发展期（2009-2017年）  由于技术瓶颈的不断突破，稀土NdFeB永磁材料制备技术在本阶段进入快速发展期，其中高技术产业领域对NdFeB永磁体性能越来越高的要求是这一时期NdFeB技术发展的最大助力。高性能磁体，如纳米双相永磁材料、纳米永磁薄膜，以及热压磁环等在这一时期超越烧结磁体的研究，成为另一研究热点和重点。

预计2017年以后较短时期内，鉴于技术瓶颈问题，NdFeB磁性材料的技术发展可能进入相对稳定发展的状态，但是各项研究成果的应用仍然朝向新兴领域收敛。预计NdFeB磁性材料技术未来的研究方向主要有两个，一是各类现有技术的高稳定性和低成本开发，促进商业化应用转变；二是稀土永磁块体材料、纳米颗粒、磁性薄膜、稀土磁体回收技术以及稀土永磁生产装备制造等方面技术的突破。

2.国家/地区分布分析

主要国家和地区在稀土NdFeB永磁材料领域的专利申请情况如图3所示，主要申请的国家和地区排名情况为：中国、日本、美国、欧洲。

图3 专利申请国家排名（1987-2017年）

数据来源：方象知产研究院整理

图4 专利申请国的专利量年变化

数据来源：方象知产研究院整理

从全球专利申请量区域分布（图3）来看，稀土NdFeB永磁材料的专利主要掌握在中、日、美、欧手中。其中，中国申请量占据总量的57.94%，位居第一位；日本专利量约占比28.55%，仅次于中国；而美国和欧洲的专利数量差距较小。从主要专利申请国家近30年的专利技术公开情况（图4）来看，各国的专利数量均呈现出上升的态势，说明稀土NdFeB永磁材料行业技术处于持续发展中。

其中，中国的专利申请总量达1646件，居世界首位。从专利申请年变化趋势图（图4）中可以看出，中国的专利数量在前期处于低俗增长的阶段，在近几年才呈现出了显著的上升趋势。每年的专利技术公开数量从2005年的25件上升至2017年的150件。专利量的大幅度上升主要得益于我国高度重视稀土相关产业的发展，并制定落实多项利好政策，助力有关核心技术的突破。另外，近几年日本和美国的不少专利到期，国内许多机构和厂商获得了专利授权，技术引进加速了技术研发的进一步深化。

尽管日本的专利申请量低于中国，但是日本仍属于该技术领域的强国。这主要是由于，日本在这一领域的研发起步早，日本住友1983年就在欧洲和日本申请了专利；另外，日本还拥有多家实力雄厚、竞争力强大的NdFeB永磁材料生产企业，如大同电子是全球唯一一家可实现热压钕铁硼磁体量产的企业；爱知制钢研发制备高性能各向异性磁体的技术水平一直稳居世界前列；日立金属是烧结NdFeB永磁材料的行业先驱。

美国的专利申请总量仅次于日本，其中，美国通用汽车紧随日本之后申请了钕铁硼专利；另外，美国还拥有世界第一大钕铁硼磁粉生产商——麦格昆磁公司。可以说，日本和美国的生产商凭借技术优势长期垄断了世界钕铁硼的生产。

欧洲的专利申请总量虽然低于中国，但是德国VAC仍然占据全球钕铁硼磁体的较大部分市场份额。

事实上，中国在稀土磁性材料的多个研究方面做出了具有重要国际影响的工作，有的处于国际领先水平。然而与之不相称的是，却少有实力较强的研发型企业，相关稀土永磁体产品主要应用于中低端领域，这也说明了我国和美、日等国在稀土永磁材料应用的产业化发展方面，还存在较大差距。而这一差距的产生和我国在稀土永磁材料方面的自主知识产权不足有直接关系。

3.技术分布

按照核心技术进行划分，得到不同制备技术专利申请量及其年变化趋势，如图5和图6所示。从图5中可以看出，相关技术专利量占比从大到小依次为：致密化、晶粒细化、晶粒取向和纳米复相。

图5  NdFeB永磁材料性能提升的支撑技术专利分布

数据来源：方象知产研究院整理

图6 不同制备技术专利申请数量年变化曲线

数据来源：方象知产研究院整理

1）致密化技术专利分析

致密化的专利量排在首位，占比约51.36%。此类技术首件专利申请于1987年，主要是通过烧结方法获得块状NdFeB永磁体，但由于烧结设备的温度和气氛参数调控等因素的制约，所获磁体的磁性能不佳；通过添加粘结剂制备粘结磁体的技术最早见于1988年申请的专利。粘结剂是粘结永磁体的重要组分之一，粘结剂的性质直接影响着粉末颗粒的流动性、结合力、机械性能和耐腐蚀性等，所以研制新型粘结剂尤为重要；而热加工致密化技术专利首次申请于1987年，该方法能够借助压力和烧结的双重作用，大幅度提高磁体的致密度。

随着致密化技术的发展，2011年之后相关专利申请数量开始迅速增加。由于致密化工艺涉及热压、烧结和粘结等过程，而烧结设备的研发、粘结剂的研制和热加工设备及技术的发展均需要长时间的探索和积累，所以这类专利都有较长时间的稳定期。

由相关专利文献分析可知，若要提高致密度，一般采用冷压和热压相结合的方式。这是因为冷压金属产生的形变硬化和弹性后效均会降低坯体的致密化效果。而通过与热压结合应用，热压的高温处理可缓解释放压应力，从而改善材料的流动性和变形能力，有利于进一步提高磁体的致密度。

2）晶粒细化技术专利分析

对于NdFeB永磁材料来说，晶粒细化一方面可以增强晶间交换耦合作用，提高剩磁；另一方面可以增大畴壁钉扎作用，提高矫顽力，所以晶粒细化是改善磁体综合磁性能的一种有效方式。这类技术的研究起步早，也发展的最成熟。

晶粒细化技术的首件专利申请于1987年，这项专利申请中提出了一种采用熔体快淬法（MQ法）制备微米晶薄带，然后破碎成磁粉的方法。该研究的探索期较长，经过了二十多年的发展，直至2010年MQ技术进入高速发展期。但在此期间，MQ法一直作为研究热点和重点，快淬磁粉的牌号逐渐增多，同时作为生产各类型磁体的基础原料，广泛应用于工业生产中。

机械合金化法是一种传统的方法，首先由西门子公司研究实验室提出。迄今相关专利申请量都没有显著增加，这与机械合金化磁粉容易氧化，收得率偏低等因素有关。

机械球磨法与机械合金化法类似，两者不同之处在于，机械球磨侧重于通过高能球磨产生的机械能诱发化学反应的发生，以得到更细小（纳米级）的材料组织。起初，这项技术的专利申请量也很少且变化量不大。直到2010年，哈工大申报了 “一种制备纳米晶NdFeB高致密磁体的方法”的专利，提出了一种机械球磨—HDDR的工艺方法，该方法克服了传统的通过加热驱动歧化反应导致晶粒长大粗化的不足。通过采用高能球磨过程中的机械能代替常规加热产生的热能，得到纳米晶的歧化组织，这又进一步提高了再结合反应动力学，促使NdFeB在较低的烧结温度下即可完成再结合转变，从而获得了较为致密的纳米晶NdFeB合金材料。

自此之后，机械球磨法的相关专利申请量才开始稳步升高。

通过添加合金元素细化磁体材料组织的研究开始较早，基本的成分专利一直为日美机构所持有。添加合金元素的目的是优化磁性材料的微结构，改善磁性材料的矫顽力。经专利文献调研发现，常用的添加元素包括Nb、Ga、Co、Zr、Dy、Ce等。由于此类轻/重稀土元素储量有限，且价格较高，所以减少合金元素的添加量，同时不降低矫顽力已经成为该领域的研究热点。已有较多公开专利内容涉及到无稀土合金磁体材料的研制工艺。

3）纳米复相化专利分析

纳米复合NdFeB永磁材料是一种新型永磁材料，该类材料是由具有高饱和磁化强度的软磁相，和高矫顽力的硬磁相在纳米尺度进行复合而获得，具有高剩磁、高矫顽力，且理论上比目前磁性能最好的烧结NdFeB磁体的磁能积高一倍，具有很大应用价值和研发潜力。

这是继稀土NdFeB永磁材料之后的第四代永磁材料，代表性组分为Nd2Fe14B/α-Fe，已成为当今材料领域研究中的热点，2009年开始相关专利量增长较快。但是目前所制备复相永磁材料的磁性能并不理想，与理论值差距较大，所以限制了其应用。

4）晶粒取向专利分析

理论上，各向异性磁体（晶粒定向取向）的磁性能是各向同性磁体（晶粒随机取向）的四倍。所以，为了深入挖掘磁体的磁性能潜力，各向异性磁体一直是永磁材料领域的研究热点，与之相关的技术专利数量约占比14.24%。

首件专利（EP19890301499）介绍了通过采用热压-热变形方法制备各向异性磁体的方法，将形变织构这一经典金属变形组织引入到磁性材料的研究中，这对于各向异性磁体制备工艺的开发具有重要启示意义。然而，高温处理也同时导致磁体晶粒尺寸的长大粗化，制约了磁性能的提高。此后，有相当数量的晶粒取向专利通过改进HDDR工艺，如添加元素、降低处理温度、增大氢压等，改变NdFeB合金的反应热力学和动力学特性，控制晶粒取向形核和定向长大，以获得各向异性NdFeB磁性材料。例如住友在专利（JP180073）中指出通过添加Co取代部分Fe，采用合适的HDDR工艺条件制备了各向异性磁体。由于经济性因素的考量，或工艺稳定性等问题，上述相关部分工艺仍停留在实验室研究阶段。

由于各向异性磁体的制备技术壁垒，使得相关技术的探索期和专利爆发周期都较长，所以深刻理解磁晶各向异性形成机理是优化设计制备工艺的基础。近年来，这类专利数量有所增长，主要得益于基础问题的逐步解决，以及急剧扩张的高技术领域市场对于高性能稀土永磁材料需求的牵引作用。

4.研究机构分析

根据专利申请数排名，前十位的机构申请人专利技术分布如图7所示。从图7中可以明显看出，主要机构技术研发重点均集中于烧结磁体的制备，这也证明了烧结磁体是一种起步较早、且目前最为成熟的技术。目前，实验室制备烧结磁体的磁能积可达59.0MGOe，相当于最大理论磁能积（64.4MGOe）的93%。其中，剩磁已接近理论值，而矫顽力为0.82T，与理论值相差甚远，这意味着矫顽力的提升具有很大的潜力。所以，在不降低磁体剩磁的前提下，提高磁体的矫顽力是获得高性能烧结钕铁硼永磁体的有效途径。

前五位的机构申请人名称、所在国家、专利数和专利部署区域等信息如表2所示。从表2中可以看出，申请量前五位的企业中有四家都来自日本；我国的专利总数位居第一，但是专利强企并不多，这说明我国NdFeB永磁材料的研发机构比较分散；另一方面，NdFeB永磁材料的产业化应用也滞后于专利量的增长，这可能与我国源头技术创新不足及核心技术发展不足相关。

目前，这类技术专利数量居全球首位的公司是日本信越化学，该公司专利的主要部署区域是日本，在美国和欧洲也有少量部署；日本另外两家企业—日立金属株式会社和TDK，除主要在日本本土申请外，还在欧洲、美国和中国部署；而住友特殊金属除在日本本土部署外，在美国和欧洲均有少量部署，但是尚未在潜在的市场中国进行部署。

分析发现，在上述四家日本企业中日立金属株式会社和TDK这两家公司都采取了扩张型的专利战略，不但重视源头创新，而且积极开拓国外市场，发展前景看好。

图7  主要研究机构的专利技术气泡分布

数据来源：方象知产研究院整理

表1 专利申请排名前5位主要研究机构

数据来源：方象知产研究院整理

三、结论

方象知产研究院基于NdFeB永磁材料制备技术解析，以及专利数据分析，对于全球范围内NdFeB永磁材料制备技术的发展趋势、技术的区域分布和主要研究机构及其细分技术主题情况进行了系统的研究。

从专利量年变化图中（图4）可以看出，目前NdFeB相关技术处于快速发展期，这与“节能环保”和“轻薄短小”的下游应用对于高性能NdFeB磁体不断增长的需求密切相关。

基于核心技术项分析知，目前通过致密化制备高性能烧结磁体的研究起步最早，而且最为成熟；晶粒细化的相关工艺方法次之。

从主要研究机构及国家分布知，尽管中国机构的专利申请量位居首位，但是专利质量不高；而日美德等发达国家长期掌握基本专利，且基于这些国家所持核心技术和相关专利布局战略，导致少数发达国家在稀土NdFeB永磁材料的竞争市场长期占据垄断地位。

反观我国稀土永磁材料产业发展现状，尽管我国研究人员在高性能稀土NdFeB永磁材料研发领域已取得巨大成绩，但是在NdFeB永磁材料产品的磁性能研发方面仍低于日美发达国家，且与理论值512kJ/m3相差甚远，致使我国高档NdFeB系粘结磁粉及磁体产品仍依赖进口。虽然我国是世界稀土资源大国，但目前关于稀土磁性材料的研究与深层次开发，远不如日本和欧美等发达国家，出口产品绝大多数属于技术含量与附加值低的中、低档产品，甚至是原材料。显然，中国对稀土永磁材料和产业发展中的基础科学问题研究明显滞后于产业发展，源头创新和核心技术的欠缺，严重影响了稀土永磁产业的可持续发展。

高性能NdFeB制备的技术瓶颈可归结为以下几点：

（1）制备磁体磁性能与理论计算值相比太低，其原因是制备磁体的微结构与磁性能的关系不够明晰；

（2）粉末、薄带等永磁材料原料制备的块体磁体性能下降，可控设备及成熟技术缺乏；

（3）各向异性磁体的研究进展缓慢，磁晶各向异性机理和矫顽力机理的基础研究不够深入。

针对上述问题，加强源头创新的基础研究工作，探索钕铁硼产业化过程中的基础科学问题和关键制备技术问题，获得核心发明专利，是我国稀土永磁材料当今和未来发展的战略方向。

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