永久磁鐵

序言

第0節課  序幕  產業新人磁鐵研習營，開課！

第1節課  縱觀磁鐵的開發史
1磁鐵的開發    
2 KS鋼接著是MK鋼！    
3 強而有力的稀土磁鐵    
4 釹磁鐵的誕生！    
5 磁鐵的研究發展？    

第2節課  學習磁鐵的基礎    
1 「磁場」是什麼？    
2 將磁鐵對半再對半……
3 保磁力、磁能積是什麼？
4 探索磁區與磁壁的世界！
5 釹在磁石中的功用
6 為什麼釹磁鐵需要釹、硼？
7 認識磁滯曲線
8 「相分離」在強磁體中之應用
9 利用相分離的稀土元素「優點取向」

第3節課 磁鐵的製造與應用    
1 燒結磁鐵的製造步驟    
2 液態急冷～熱加工的製造方法    
3 磁鐵的用途    
4 為什麼變壓器是使用軟磁性材料？    
5 馬達中的雙重磁鐵    

第4節課 磁性的運用    
1 4種磁性：鐵磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性    
2 HDD是磁鐵的集合體！    
3 不可思議的浮動磁頭    

第5節課 挑戰終極製造——釹磁鐵
1 釹磁鐵的製造有「隱藏成分」嗎？    
2 挑戰3微米障礙    
3 「液態急冷＋熱加工」兩階段方法    
4 原子探針分析保磁力    
5 成功發明「省鏑釹磁鐵」！    
6微磁學模擬軟體的探索

第6節課 磁鐵研發之道——進入原子級的領域
1 SEM和TEM的差異與使用方式    
2 用TEM觀測磁壁的移動    
3 FIB製造原始試片    

第7節課  進入釹磁鐵實驗室！    
1 參觀原子探針    
2 參觀FIB儀器    
3 用最強悍的泰坦TEM觀測原子    
4 實習液態急冷    
5 施加磁場的壓製機    
6 磁化裝置瞬間製造磁鐵    

尾聲 超越釹磁鐵的化合物

序言

　　說到磁鐵，大家腦中會浮現小學自然科教材，有Ｕ字形（馬蹄形）磁鐵和棒狀磁鐵。走一趟超市或購物中心的文具區，還可以找到Ｕ字形磁鐵和棒狀磁鐵，但這些磁鐵現在只當作教材使用。現在產業用的強力「釹磁鐵」，形狀不再這麼彎曲。釹磁鐵大多以各種形狀埋入產品之中，用來提升產品的機能、性能。因此，高性能磁鐵幾乎都在人看不到的地方運作，可說是「無名英雄」。

　　例如，現在的混合動力車、電動車，平均1台使用了100個馬達、感測器，這些零件都使用了永久磁鐵，因此可說，混合動力車是磁鐵的集合體。

　　磁鐵也有很多種類。若不要求高輸出功率，可以使用「鐵氧體磁鐵（Ferrite magnet）」；若需要小型、高機能，則可以使用被稱為最強磁鐵的「釹磁鐵」。除了汽車之外，日本在許多電器中都不吝於使用高性能磁鐵，這正是「日本電器小而安靜」理由。來自海外的研究專家無不感到佩服：「日本連空調都使用了釹磁鐵！」

　　超越釹磁鐵……

　　未來大量需要的是，使用在混合動力車等驅動馬達上的高性能磁鐵。雖然目前使用釹磁鐵，但一般的釹磁鐵在超過200℃的高溫下驅動，會失去其磁性。釹磁鐵不耐熱。因此，我們會搭配特別的元素——鏑，但這個元素是非常稀有的資源。我目前從事的研究就是，「不使用鏑等資源有限的元素，以更為一般常見的元素替代，生產現在混合動力車、電動車用的磁鐵。」

　　這項研究，投入了龐大的國家經費。研究最大的目標是，在「元素戰略」國家計畫下，以一般常見的元素替代稀少特定的元素，表現出特定的機能。

　　的確，想要產品表現出優異的特性，很多情況都需要稀有元素。例如，媒介需要高價的鉑，強力磁鐵需要稀土元素（rare-earth element）釹、鏑等。而「元素戰略」目標就是不使用這些稀少高價的元素，也能表現催化機能、磁鐵特性。在「現代鍊金術」標語下，現在需要更多研究專家接受國家研究的贊助。

　　到底說來，「元素戰略」本來就是2004年由JST（日本科學技術振興機構）召集知名科學家、研究專家所提倡的概念，受到玉尾皓平先生、村井真二先生、細野秀雄先生等傑出人才的協助，2007年，文部科學省、經濟產業省分別對「元素戰略計畫」和能應用於產業的「稀少金屬替代材料開發計畫」公開招募研究。

　　我自己有幸參與這兩項計劃，以釹磁鐵的細微構造和磁力特性的基礎研究，推展最高水準「奈米解析技術」。

　　再來，文部科學省於2012年時成立元素戰略的〈研究部門〉，針對元素戰略中對日本產業最為重要的「永久磁鐵」、「電磁觸媒」、「電子材料」、「結構材料 」等四個領域，設立開發目標，推進基礎研究。

　　幸運的是，以永久磁鐵為研究對象的「元素戰略磁性材料研究部門（ESICMM）」，設立於我所屬的物質材料研究機構（NIMS）中，與東北大學、產業技術綜合研究所（AIST）、東京大學、大阪大學、京都大學、高能量加速器研究機構（KEK）、高輝度光科學研究中心（JASRI）、名古屋工業大學等機構攜手合作，致力於結合「理論、解析、創造」次世代磁鐵開發基礎研究，以及培育次世代磁鐵研究的人才。

　　這個部門除了研究不使用鏑的磁鐵開發之外，也致力於全新磁鐵材料的探索。然而，近半個世紀以來，稀土磁鐵全方面的研究探索幾近飽和狀態，繼釹磁鐵後來想要有進一步的突破，理論、計算研究的引進是不可或缺的，所以我們也將磁性化合物的理論研究列為重要課題。

　　今日，我國許多材料系、物理系、化學系的研究專家都參與這些計劃，致力於次世代的磁鐵研究。在這樣的背景下，日本加速整頓優異的磁鐵研究環境，現在的研究等級絕對是世界第一。當然，新材料的發現並非易事，但想要找到突破口，從不同領域研究專家的視點切入相同的研究課題，也是非常重要的事情，至少日本具有這樣的環境。

　　為什麼要寫一般大眾閱讀的「磁鐵書」呢？

　　本書除了磁鐵的基本機制之外，避開艱澀的概念，以簡單易懂的筆觸，將令人驚豔的最尖端磁鐵研究傳達給一般大眾認識。

　　例如，本書的背景設定是「公司新進員工拜訪我的研究室，向我詢問關於磁鐵的問題，同時學習磁鐵的用途以及研究狀況」，登場人物以對話的方式進行解說。認識我的人大概會感到驚訝吧，「平常總是用專業術語說些不明所以的研究專家，怎麼能寫出這樣簡單易懂的書籍呢？」沒錯，本書的完成多虧了共同作者兼科學寫手本丸諒的努力結果。

　　推進元素戰略的JST，每年都會舉辦「元素戰略」成果發表會。2013年舉辦的成果發表會上，於本書屢次登場的釹磁鐵發明者佐川真人先生進行中心思想的演說，分享自己開發釹磁鐵的經過，我也進行了研究主題成果發表。在發表會上，聽聞我發表內容的本丸先生，走到我的座位旁，向我提出邀約：「以最尖端磁鐵研究專家的身分，簡單易懂地向一般大眾解說研究內容，你有意願出版這樣的書籍嗎？當然，除了磁鐵的機制、用途之外，研究專家朝著目標，會進行什麼樣的研究？——希望本書也包含這樣的內容。」這就是本書誕生的契機。

　　雖說如此，我身為研究專家，研究和原創論文已使我忙得焦頭爛額，所以，「我沒有時間寫一般大眾啟蒙書。」拒絕了邀約。但是，本丸先生提問，我口頭回答，再由他寫下內容，最後由我來修稿——本丸先生提出這樣的共同創作方式。這樣，我不會壓迫到本業，也能夠著手進行出版，於是我接受了提案。

　　然而，實際上，我每天都忙於研究活動，幾乎撥不出時間，但最後還是努力完成了這本書。從開始到結束花不到兩年的時間完成本書，真的是一個奇蹟。

　　重新翻閱本書，內容超乎我想像的容易理解，我也受教不少。這是「解說寶野、編整本丸」的一部合作大作。

　　以我為首，一些研究專家拿著國民稅金，作為資金進行研究。對於這些研究專家來說，向一般大眾解說自己研究意義的「推廣」活動，也是非常重要的事情。對研究專家來說，JST的各種計劃給予了他們推動大規模研究的機會。同樣地，我所屬NIMS的元素戰略材料研究部門，向世人說明研究內容，也是責無旁貸。

　　作為元素戰略上研究磁鐵的研究專家，本書是否也盡了一份推廣活動的義務呢？完成本書的現在，我感到安心了。