稀土磁铁之所以重要，是因为在许多诸如电动汽车及风力发电用之永磁马达等绿能产品在生产过程中都会使用到。因此含有稀土永磁成分的磁铁（稀土磁铁）已成为现阶段被重视且广泛应用的热门材料，其战略地位十分重要。

图片来源：Gerwin Sturm, flickr

稀土磁铁种类

磁铁或称磁石，是可以吸引铁并于其外产生磁场的物体。磁铁分为永久磁铁与非永久磁铁。非永久磁铁在磁化后无法长期保有磁性，也称为软磁铁；永久磁铁在磁化后保有磁性期间长且不容易失去磁性，称为永久磁铁或硬磁铁。

永久磁铁一般分为三种：铁氧体（Ferrite）、铝镍钴合金（Alnico）以及稀土磁铁。铁氧体磁铁系以氧化铁为其主要成分的陶瓷材料。铝镍钴合金磁铁系由金属铝、镍、钴、铁和其他微量金属元素构成的合金。至于稀土磁铁系由稀土元素合金所组成的强力永久磁铁，其中常见的有稀土钴磁铁（rare earth-cobalt magnets）、钐钴型磁铁及钕铁硼磁铁（又称钕磁铁）。

以矫顽磁力大小划分软磁与硬磁

一般具有铁磁性的物质都会有磁滞曲线(Hysteresis loop)的产生，而磁滞曲线形状及大小代表着磁石材料的优与劣，一般表现磁滞曲线有二种图型，即如图1所示之B-H曲线和4πM-H曲线[1]。几个重要指针包括B-H曲线中的残留磁束密度Br、矫顽磁力Hc或bHc、磁能积(BH)_max，以及4πM-H曲线中的最大感应磁化量4πMs、残留感应磁化量4πMr、本质矫顽磁力iHc。其中矫顽磁力(coercivity，Hc)的大小可作为软磁与硬磁材料的分野，当矫顽磁力<20奥斯特(Oe)时，材料属于软磁；矫顽磁力>200奥斯特(Oe)时，材料属于硬磁或称永久磁铁；而20<矫顽磁力<200奥斯特(Oe)时，材料属于半硬磁。一个好的永久磁铁材料须具备较高的Br、Hc、iHc、(BH)_max及居里温度(Tc)，较低的不可逆温度系数、较佳之机械强度及耐候性等特性。

图1. 永久磁石之磁滞曲线图

图片来源：物理双月刊

台湾厂商之稀土永久磁铁专利概况

国内稀土永久磁铁领域中，位于新竹湖口的速敏科技 (Spin Technology Corp.)自1982年起即在工研院磁性小组担任稀土磁石 (SmCo / NdFeB) 的开发工作，随即于1989年自工研院材料所(现为材化所)技转并建厂生产烧结钕铁硼磁铁(Sintered NdFeB Magnet) 与粘结钕铁硼磁铁 (Bonded NdFeB Magnet) 生产技术。

速敏科技自2004年起申请布局稀土磁石相关专利共9件，专利类型有6件为发明、3件为新型 (图2)，当前法律状态如图3所示。分析其国际专利分类号 (International Patent Classification, IPC) 系以H01F 1/057居多，也就是包含Ⅲa族元素(如Nd₂Fe₁₄B)成分为特征之稀土金属合金硬磁性材料最多。

图2. 速敏科技专利申请类型占比

制图：芮嘉玮

图3. 速敏科技专利当前法律状态占比

制图：芮嘉玮

稀土磁石重要专利解析

速敏科技在稀土磁石领域的重要专利，包括含混合稀土之双相奈米晶硬磁材料、含镨磁性材料。

(一) 双相奈米晶硬磁材料
利用纯稀土元素来制作磁铁虽具有较优异的磁特性，但却因为纯稀土元素具有相当昂贵的价格，相对的使得成本也提高。为了降低使用稀土元素制作硬磁材料的成本，并且使得磁特性可达到商用磁粉的标准，更具备软磁相及硬磁相。速敏科技申请一种含混合稀土之双相奈米晶硬磁材料专利[2]，其系由原子百分比以(Y_aLa_bCecPr_dNd_e)_xFe_100-x-y-z-uCo_yX_zB_u表示之组成物所组成，在其主张之申请专利范围 (Claims)中，限制Y_aLa_bCecPr_dNd_e为混合稀土且为稀土元素提炼过程之中间产物，以避免以往利用纯稀土元素造成成本过高的问题；专利权利范围还将a+b+c≦0.6；d+e≧0.4；x=7~11原子%；y=0~5原子%；z=0.1~3原子%；以及8原子%<u≦11原子%等列为其限制条件。

该专利所指的稀土元素系为轻稀土元素(Light Rare Earth Elements, LREE)，是指原子序数较小的钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)及铕(Eu)，而X为诸如钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、铪(Hf)、铬(Cr)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨(W)等耐火元素。利用Y_aLa_bCecPr_dNd_e混合稀土作为稀土元素的来源，以取代纯稀土元素，可降低纯稀土元素的用量，在达到商用磁粉之磁特性前提下节省大量原料成本。此外，该双相奈米晶硬磁材料，包含有软磁相及硬磁相二结晶相，藉由提高软硬磁相间之交换耦合效应可提高残留磁化量(Br)、磁能积((BH)_max)，且提供适合之本质矫顽磁力(iHc)。

上述含混合稀土之双相奈米晶硬磁材料通常系制成合金薄带，更可在添加一黏结剂后，应用在制作永久磁石上。图4为该专利合金薄带制备程序示意图，首先将欲配制的合金成分换算成重量比例，并取用混合稀土合金为稀土来源，接着将秤好重量的原料熔炼浇铸成合金铸块(20)，接着进行熔融旋淬(melt-spinning)，利用电磁感应线圈供给交流变频电源，使合金铸块(20)产生焦耳热，进而熔融合金铸块(20)，再将熔融态合金(24)喷出在快速旋转的铜轮(26)表面上，利用高速转动之铜轮(26)加以瞬间冷却，以获得非晶态或微晶态合金薄带(28)。其中熔融旋淬法是目前制备非晶态材料常采用的方法。

图4. 含混合稀土之双相奈米晶硬磁材料制备合金薄带程序示意图

图片来源：专利说明书

(二)含镨磁性材料
速敏科技申请一种以镨铁硼(PrFeB)三元合金为主要成分之含镨元素的磁性材料(Praseodymium-containing magnetic material)专利[3]，其申请专利范围主张一种含镨磁性材料，其组成系由原子百分比以(PrNd)_xT_100-x-y-zX_yQ_z表示其组成物，且具有一软磁相与一硬磁相。其中，(PrNd)系由稀土元素镨或钕所组成，且一定含有镨；T系选自铁或钴且较佳为铁；X为耐火元素，其系选自钛、钒、铌、铪、铬、锆、钼、钨；Q系选自硼或碳。组成比率x、y及z分别满足x=8-11 at%，y =0-3 at%以及z=6-12 at%。该软磁相之晶粒大小为10至30奈米且体积百分比为5至25%，以及该硬磁相之晶粒大小为20至50奈米且体积百分比为75至95%。

该专利主张之含镨磁性材料，系透过适当之比例组成，改善磁性材料的微结构，增强软、硬磁相之间的交换耦合效应，增加残余磁化强度和最大磁能积，并提供适当的矫顽力，使其适用于低温环境之多极环形磁铁或制成合金薄片。相较于稀土元素钕(Nd)，稀土元素镨(Pr)具有容易取得且价格低廉之优点，同时具有良好低温特性，不会因温度降低而劣化磁特性，俾使高性能磁性材料可同时兼具低成本之经济效益及优良的低温磁特性。此外，藉由使用钕(Nd)作微量的置换镨(Pr)，以提高合金薄片之整体饱和磁化量，且藉由改变一系列之制程参数使其微结构优化，进而提高其残余磁化量、磁能积与适宜之矫顽磁力。

人才和技术需要整合

速敏科技副总官志诚深深感觉台湾的磁石设计技术其实已具国际水平，特别是稀土金属提取冶炼等前段制程，台湾过去其实是有这方面人才和技术能力的；然而，过去有经验的技术前辈大多已届龄退休，为免于断层，需要进一步整合，且亟需政府辅助支持。

此外，应该加强回收技术的开发，特别是在加工下脚料之回用（烧结NdFeB约有30~50%之下脚料），或是风力发电机之废料（160~650 kg/MW）。国家级研究单位(例如工研院)若能协助国内稀土磁石加工产业，开发稀土材料自主化技术，有效降低成本及料源掌握，对于台湾稀土永磁磁石加工及马达应用业者将有极大之帮助。

稀土磁铁是绿能产业发展的关键组件

电动车是绿能产业典型的应用产品。基于电动车产业的发展，车辆电动化浪潮下，电动车构造也因电动车革命而使新的零组件需求增加，首先是马达，其次是电池。马达的需求增加，从而制造马达的零件需求也增加。马达主要系由永久磁铁、线圈及铁芯等关键零件构成。选择适合的永久磁铁可以提升马达的性能，其材料将是关键，从而稀土永久磁性材料在全球绿能永续产品中扮演重要角色，例如近来国内外电动车产业运用稀土永磁材料开发生产耐高温且不易消磁的高性能马达，便是一例。

在稀土永久磁石领域长期耕耘的台湾厂商，凭借着对永久磁铁的专业与热情，致力于制造质量优异的永久磁铁，成为国内绿能永续产品不可或缺关键组件，支撑下游终端应用带动整个稀土产业持续发展。

备注：

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作者： 芮嘉玮 现任： 台湾中技社能源暨产业研究中心组长 学历： 台湾清华大学 奈米工程与微系统研究所 博士 台湾中原大学 财经法律研究所 硕士 台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士 经历： 台湾工研院技术移转与法律中心执行长室 台湾工研院电子与光电研究所专利副主委 光电产业知识产权经理 专长： 长期从事产业研究、专利知识产权与投资评估等工作，专注于能源、产业、环境、经济等议题。擅长创新技术策略分析、科技预测及评估、专利分析与布局、产业分析、知识产权管理与经营策略、专利的商业化与货币化。熟捻产业技术发展趋势，并常在各媒体平台发表文章、应邀演讲，成功引领技术前瞻与产业关键议题。