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認識磁性材料–稀土磁石

101/08/09 瀏覽次數 24950

所謂「稀土類」,是指從原子序57號鑭到71號鏀的15個元素,再加上鈧及釔,總共17個元素的總稱。稀土類是尖端產業中不可或缺的重要金屬,用於螢光體、磁石、觸媒、超導材料中。

很多人都曾經在小時候的科學實驗中用過磁石,或許您不知道,我們在一般的生活環境中也大量地使用磁石。比如說,便條紙紙鎮等有橡膠磁石;音響設備、身體斷層掃描攝影的醫療設備等使用許多有磁力和磁性的產品,不勝枚舉;在一輛汽車中,也大約使用了60~70個磁石。此外,最近因為電腦、手機等產品成功迷你化和省力化,還出現了一旦操作錯誤,手就會被夾在兩磁石之間,造成「手部淤血烏青」的強力磁石。

自古以來,一直有人從事磁石的素材研究。隨著跳躍性的進步,磁石幫助改善了產品的便利性,但還是有許多問題尚未明朗。比如,雖然強力磁石是在稀土類鐵合金中,混合了氮等非磁性元素製作而成的,卻沒有人可以明確說明加入非磁性元素後,磁力就會變強的原因。

從1930年初起,永久磁石就是民生、國防工業中不可欠缺的材料。時至今日,資訊和消費性電子產品的普及化,永久磁石的高性能化扮演著不可或缺的角色。

永久磁石的發展,由最早的麻田散鐵到30年代的鋁鎳鈷(AlNiCo),由於價格高,矯頑磁力低,無法充分利用其高磁能密度。50年代,價廉且矯頑磁力高的鐵氧磁體磁石問世,至今仍是用量最大的磁石材料。

70年代,由於釤鈷(SmCo)磁石磁性的重大突破,把永久磁石材料帶入一個「輕、薄、短、小」的紀元。它在民生工業中的各種高功率音響喇叭、耳機、麥克風;在機電工業中的各種特殊馬達、發電機、計數器、強力吸盤、無接觸軸承、瓦特計、繼電器;在國防工業中的雷達、微波通信機;在醫學工程上的助聽器、人工心臟的驅動器、人造牙齒的定著器;在儀器工業中的電腦、磁性分離器、電子槍等,都占有舉足輕重的地位。

然而,由於釤、鈷原料取得不易,且價格高昂,各國研究人員乃積極尋覓其他價廉質優且易製作的稀土永久磁石。商業上,用釹(Nd)取代釤(Sm)的優點在於稀土礦中釹藏量約為釤藏量的10倍,價格較低廉,而鐵取代鈷的優點更顯而易見。

永久磁石可分為金屬類磁石、稀土類磁石、鐵氧體磁石和複合磁石。依製程中有無配向處理,永久磁石分為異向性和等向性兩類。所謂等向性磁石,是在壓製磁粉時,沒有用外加磁場或機械方式配定磁化方向的磁石,應用時可依需要充磁,其優點是應用有彈性,缺點是磁場較弱。

而異向性磁石,是在壓製時以磁場或機械方式配定磁化方向的磁石,其優點是磁場強、保磁力高,缺點是方向已定,不能更改。以磁場配定的磁化方向有放射狀、軸向、徑向兩極和極異方性四種,機械配向則常使用於異向性鐵氧體橡膠磁石製程中。使用不同著磁方式時,需先考慮素材配向特性和磁性需求,才能發揮磁極特性。

所謂「膠結稀土永磁」,就是把稀土永磁材料粉末與樹脂、塑料或低熔點合金膠結劑均勻混合,然後用壓縮、擠出或射出成形方法製成的一種複合永磁材料。由於這類材料既有塑料固有的特性,又有很高的磁性能,正不斷地應用於新的領域,用量成長的速度超過其他任何一種永久磁石。

稀土膠結磁石挾其較強的磁能密度和矯頑磁力,得以使資訊、電子、電機等產品輕薄短小化或省電化。SmCo5磁石因磁性較低,已少有應用。Sm2TM17型磁石因磁性較高,且居里溫度(使鐵磁性消失的溫度)最高,因而適用於需要抵抗高溫的環境,甚至在使用溫度達攝氏400度以上也沒有問題。

NdFeB磁石磁性最高,已廣泛應用到一些較低溫的環境中(低於攝氏150度),高溫應用也可達到攝氏220度,目前的產量和產值都是所有永久磁石之最。

膠結稀土永磁的應用領域

 

應用領域 用            途  
旋轉儀器、裝置 各種小型精密電機(例如步進電機、鐵心電機、電刷電機等)、小型發電機、定時器轉子、磁軸承等
音響器械 揚聲器、頭戴耳機、耳塞機、微音器(送話器)、拾音器、電磁蜂鳴器等
計測通訊 感測器、繼電器、行式印刷裝置、接點元件等
儀器裝置 儀表類(速度表、轉速表、安培計、電壓表等)、行波管等
其他機械 磁性彈簧、磁性軋輥、液面感測器、磁性快門等
元件 除油汙、磁性聯軸節等
日用品 門鎖、玩具、磁性治療飾品、體育用具等

(資料來源:中正大學張文成教授,2000年12月物理雙月刊)

把熔融的永磁材料噴到一個轉動並以水冷卻的銅輪上,可以產生很細的粉末,這方法稱「熔淬法」(melt quench, MQ)。以MQ磁粉壓製成的NdFeB MQ磁石挾其多年來的優勢,將繼續主導稀土膠磁的未來。但在其他需要較高磁性的應用場合,微晶NdFeB、-Fe/ Nd2Fe14B和Fe3B/Nd2Fe14B型複合奈米晶磁粉有可能逐漸取代NdFeB MQ磁粉。高性能的(Nd, La)9.5-11(Fe, Co, M)bal B10-10.5(M=過渡金屬)複合磁粉不僅磁性可高於商用NdFeB MQ磁粉,製程上也相似而具有商用潛力。

Sm2Fe17Nx和(Sm, Zr)(Fe, Co)9-10Nx的磁粉雖具很好的磁性,但製程較冗長,大量滲氮處理較難,會阻礙應用的可能性。簡而言之,跨越2000年之後,稀土膠磁的主流仍是以Nd2Fe14B為主相的磁粉,如NdFeB MQ、奈米晶Nd2Fe14B和複合奈米晶NdFeB磁粉。

隨著產業生產日益要求潔淨科技技術,綠能產業也被視為各國次世代產業革命的關鍵性產業之一。也因此,對綠能產業相當重要的稀土金屬便日益舉足輕重。稀土是生產電動車、智慧型手機、風力發電、節能燈泡等熱門產業的關鍵性原料。

雖然國內終端產業對於稀土原料需求不大,但其中有關釹鐵硼稀土磁石,已有不少業者投入研發或生產。而且對馬達產業來說,用於工具機、電動車、風力發電機等永磁馬達的潛在需求日增,加上綠能產業也是政府六大新興產業政策發展重點計畫之一,國內應積極對釹鐵硼二次加工和稀土回收技術研發議題有所掌握。

深度閱讀

  1. 張文成(2000)高性能稀土永久磁石之研究與發展,物理雙月刊,22(6),570-583。

 

 

 

 
資料來源
  • 《科學發展》2012年8月,476期,52 ~ 55頁
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