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關鍵礦物之替代：四大無稀土高性能永磁材料

攝影：北美智權／唐銘偉

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芮嘉瑋╱財團法人中技社科技暨工程研究中心主任

永磁材料是電動車永磁同步電機研究的重點，稀土元素（Rare Earth Elements，REE）又是滿足全球低碳綠色循環經濟產業趨勢的關鍵要素，稀土永磁電機因其具有更高的效率和功率密度，在許多應用中已逐漸取代了傳統的馬達和發電機，使得稀土永磁體成本佔電機總成本的比例逐年增長。對汽車產業而言，含有稀土永磁成分的稀土磁鐵就是一種強力永久磁鐵，其對電動馬達的運作更是有利，足以提升馬達的性能。近來全球電動車產業運用稀土永磁材料開發生產耐高溫且不易消磁的高性能馬達，因此稀土磁鐵成爲現階段被重視且廣泛應用的熱門材料，帶動整個稀土產業永續的發展。然而，中國卻對其出口進行了大量削減並提高稀土價格，這對世界高科技市場之間造成了緊張和不確定性。

無稀土永磁技術

基於環保意識、稀土資源有限性及其使用成本的大幅度提高，開發少稀土甚至無稀土類高性能永磁材料愈來愈成爲世界各國磁性材料研究的重要方向之一。特別是在用於電動汽車驅動用的馬達，常因啓動、超車等加速性能而要求馬達能夠提供暫態的峰值轉矩，此時電動汽車用之永久磁鐵式旋轉電機，爲了產生該峰值轉矩而將轉子的永久磁鐵採用磁能積較大的稀土類磁鐵，該稀土類磁鐵常常爲了耐受高溫環境而添加了重稀土元素鏑（Dy），鏑雖具有高的矯頑磁場強度而有助於穩定永磁體，但鏑資源枯竭的風險高，爲了迴避此風險而有必要考慮易於獲取的無稀土永久磁鐵材料，使得新型無稀土永磁的研究與開發成爲磁性材料領域的研究熱點。

無稀土鐵氧體磁性材料由於資源豐富、價格便宜而具有廣闊的應用市場，應用於電動車永磁同步電機具有高溫不易退磁及價格低廉等特點，使得鐵氧體磁鐵已是取代用於電動車永磁馬達中之NdFeB磁鐵的選擇之一。然而，鐵氧體磁體雖由豐富的鐵氧化物製成，較無資源風險，但其永磁性能（特別是矯頑力）遠低於稀土永磁材料，無法滿足科技進步對高性能永磁材料的需求。因此，目前國內外研究者都在尋求不含稀土的新型高性能永磁材料，錳（Mn）基硬磁就是無稀土永磁材料的一個重要分支，錳的二元合金如錳鋁（MnAl）、錳鉍（MnBi）和錳鎵（MnGa）等，由於其不含稀土和貴金屬，且具有較強的磁晶各向異性和較高的居禮溫度，近年來成爲極具前景的無稀土永磁材料。

其中，無稀土MnAl基永磁合金（也稱τ相MnAl基永磁合金），因具有高磁晶各向異性、較高的矯頑力、低密度、低成本（不含有稀土和稀貴金屬）、優異的耐腐蝕性能和機械加工性能，以及不用複雜的磁場處理，近年來發展非常迅速，但仍存在磁性相不穩定、飽和磁化強度低等問題。近年來另一種不含稀土的永磁錳鉍合金也引起人們的注意，雖然MnBi合金磁能積遠小於釹鐵硼永磁，但也因不含稀土元素、矯頑力較高，且矯頑力隨溫度升高而升高，目前已有人將MnBi和NdFeB製作爲混合磁體（NdFeB／MnBi混合永磁），利用MnBi磁粉的優勢，改善NdFeB磁體的綜合磁性能。再者，MnBi作爲一種無稀土永磁材料，有着較高的磁晶各向異性、適中的飽和磁化強度和正的矯頑力溫度係數，使其在中高溫領域有着重要的潛在應用價值。另，Mn-Ga合金由於具有不含稀土元素、磁晶各向異性大、自旋極化率和居禮溫度高等特點，使其在永磁方面存在一定的潛在應用價值。一般來說，緻密、組織均勻、晶粒細小的顯微結構是獲得高性能的關鍵，如何透過調控顯微組織結構獲得具有高磁能積的Mn-Ga粉末和磁體，是實現其應用的關鍵。目前，四方MnxGa粉末的磁硬化，唯一途徑是結構奈米化，即透過熔體快淬或者高能機械球磨細化晶粒的方法，使其晶粒尺寸達到奈米尺度並獲得一定程度矯頑力的MnxGa粉末。

中國在四類無稀土永磁材料上之專利佈局

無稀土永磁體技術分爲鐵氧體、MnAl基永磁體、MnBi基永磁體以及MnGa基永磁體等四個技術分類。中國在這四類無稀土永磁材料上都有專利佈局。

不含稀土的鐵氧體

無稀土永磁鐵氧體材料之永磁性能較差，尤其是矯頑力遠不如稀土永磁體，目前研究上傾向以下途徑以提高永磁鐵氧體材料的磁性能，包括：提高取向度、提高磁體密度、提高材料的飽和磁化強度和提高材料的各向異性場常數、細化晶粒，以及控制燒結後晶粒大小盡可能保持一致等方式。

中國專利CN103964828B主張一種高性能永磁鐵氧體材料，其特徵是該高性能永久鐵氧體材料系由鍶、鋇、鐵和鉻或鋁組成，且具有六方晶系，所要保護的高性能永磁鐵氧體材料的化學式爲Sr1-xBix·nFe(12-y)/nRy/nO3，其中0 ≤ x ≤ 0.998，5.75 ≤ n ≤ 6.15，0 < y ≤ 0.6，R爲Cr或Cr與Al，當R爲Cr與Al時，Cr與Al的總量 ≤ 0.6。

無稀土錳鋁（MnAl）基永磁合金

MnAl合金中存在鐵磁性的τ相，具有較高的磁各向異性、低的密度、便宜的原材料以及耐腐蝕等特點，成爲目前極具前景的非稀土永磁材料。爲了進一步提高該體系的矯頑力及綜合磁性能，中國專利CN101684527A涉及元素摻雜的手段大量被應用到MnAl永磁材料中，有望在新能源汽車技術領域中得到廣泛應用。

中國專利CN104593625A主張一種無稀土MnAl永磁合金的製備方法，其特徵是將熔融金屬澆鑄到模具中得到合金錠，然後進入真空加熱爐而獲得淬火合金錠(quenched alloy ingot)。專利所要保護的MnAl永磁合金的分子式系以Mn60-xAl40+x表示，其中X = 0至10。另，中國專利CN106997800A主張一種無稀土MnAlCuC永磁合金，其特徵是該無稀土永磁合金包括錳、鋁、銅和碳，且該專利所要保護的MnAlCuC永磁合金，系以Mn50+zAl50-x-z　CuxCy分子式表示其組成，其中x = 1～4，y = 1～3，z = 0～2。

無稀土MnBi基永磁合金

雖然MnBi基永磁體的理論磁能積，與稀土類永磁相比有一定差距，但遠好於鐵氧體等磁性材料。MnBi永磁體在一定溫度範圍內矯頑力呈正的溫度係數，可以彌補NdFeB永磁體的不足，從而可與NdFeB 混合製成複合磁體，透過調整合金成分以及MnBi合金中摻雜適量的元素，研究其對MnBi合金的飽和磁化強度和矯頑力的影響，將是當前MnBi永磁合金材料研究中的研發趨勢。

中國專利CN102610346B主張一種新型無稀土奈米複合永磁材料，其特徵是該不含稀土的奈米複合永磁材料，系以分子式Mn1.08　(AlxBi1-x)/α-Fe表示其組成，其中Mn1.08(AlxBi1-x)爲永磁相（permanent magnetic phase），α-Fe是軟磁相（soft magnetic phase），x爲0.2-0.8。永磁相和軟磁相的重量比大於0且小於或等於0.5。專利所要保護的奈米複合永磁材料，系以分子式Mn1.08(AlxBi1-x)/α-Fe表示其組成，其中莫爾分數x滿足0.2 ≤ x ≤ 0.8。另，中國專利CN107393670A主張一種高性能MnBi基永磁合金，其特徵是該錳鉍基永磁合金（Manganese-　bismuth based permanent magnet alloy）系以分子式MnaBibMc表示其組成，M爲選自Ti、Zr、Nb、Mo、V或Cr中的至少一種過渡金屬元素，a、b、c爲各自對應的原子百分比含量元素，並且 50 < a < 55, 45 < b < 50, 0 < c < 5, a + b + c = 100。專利所要保護的錳鉍基永磁合金，由分子式MnaBibMc表示，其中M爲選自鈦、鋯、鈮、鉬、釩或鉻中的至少一種過渡金屬元素，a，b、c表示對應元素的原子百分比，其中a在50-55之間，b在45-50之間，c在0-5之間，a + b + c = 100。

無稀土MnGa基永磁合金

MnGa合金的專利相對較少，但有發現MnGa合金磁硬化方面的研究，包括中國專利CN107622852A涉及一種在不改變四方MnxGa合金物相和晶粒尺寸的基礎上，透過在MnxGa合金粉末中引入微觀應變而直接獲得高矯頑力的方法。

中國專利CN107622852A主張一種透過引入微應變製備錳鎵高矯頑永磁粉末的製造方法，其特徵系透過引入微應變（micro-strain）製備永磁粉末涉及使用純度大於99wt.%的錳鎵錠（MnxGa），MnxGa錠是在真空或惰性氣氛下透過懸浮熔鍊技術獲得的，其中1.0 ≤ x ≤ 3.0。將得到的MnxGa錠放入退火爐中，在真空或惰性氣體保護下，以適當的退火溫度和退火時間對合金進行退火，得到四方相合金錠。該專利所要保護的錳鎵高矯頑力永磁材料由分子式MnxGa表示，其中1.0 ≤ x ≤ 3.0。

面對國際關鍵礦物資源出口管制，除了儘可能地創造多元化供應來源以及強化國際合作和資源共享之外，鼓勵技術創新開發替代關鍵礦物的新材料和新技術，也是減少對特定國家依賴度的不二之選。尋找未來可能將被管制的礦物資源的替代材料或新的技術方案，將是國際地緣政治下應對資源稀缺和出口限制的重要策略。

責任編輯：吳碧娥

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

中原大學財經法律研究所碩士

國立臺灣科技大學材料科學與工程研究所碩士

工研院電子與光電研究所專利副主委

光電產業智權經理

關鍵礦物之替代：四大無稀土高性能永磁材料

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