永磁材料是电动车永磁同步电机研究的重点，稀土元素（Rare Earth Elements，REE）又是满足全球低碳绿色循环经济产业趋势的关键要素，稀土永磁电机因其具有更高的效率和功率密度，在许多应用中已逐渐取代了传统的马达和发电机，使得稀土永磁体成本占电机总成本的比例逐年增长。对汽车产业而言，含有稀土永磁成分的稀土磁铁就是一种强力永久磁铁，其对电动马达的运作更是有利，足以提升马达的性能。近来全球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，因此稀土磁铁成为现阶段被重视且广泛应用的热门材料，带动整个稀土产业永续的发展。然而，中国却对其出口进行了大量削减并提高稀土价格，这对世界高科技市场之间造成了紧张和不确定性。

摄影：北美智权／唐铭伟

无稀土永磁技术

基于环保意识、稀土资源有限性及其使用成本的大幅度提高，开发少稀土甚至无稀土类高性能永磁材料愈来愈成为世界各国磁性材料研究的重要方向之一。特别是在用于电动汽车驱动用的马达，常因启动、超车等加速性能而要求马达能够提供瞬时的峰值转矩，此时电动汽车用之永久磁铁式旋转电机，为了产生该峰值转矩而将转子的永久磁铁采用磁能积较大的稀土类磁铁，该稀土类磁铁常常为了耐受高温环境而添加了重稀土元素镝（Dy），镝虽具有高的矫顽磁场强度而有助于稳定永磁体，但镝资源枯竭的风险高，为了回避此风险而有必要考虑易于获取的无稀土永久磁铁材料，使得新型无稀土永磁的研究与开发成为磁性材料领域的研究热点。

无稀土铁氧体磁性材料由于资源丰富、价格便宜而具有广阔的应用市场，应用于电动车永磁同步电机具有高温不易退磁及价格低廉等特点，使得铁氧体磁铁已是取代用于电动车永磁马达中之NdFeB磁铁的选择之一。然而，铁氧体磁体虽由丰富的铁氧化物制成，较无资源风险，但其永磁性能（特别是矫顽力）远低于稀土永磁材料，无法满足科技进步对高性能永磁材料的需求。因此，目前国内外研究者都在寻求不含稀土的新型高性能永磁材料，锰（Mn）基硬磁就是无稀土永磁材料的一个重要分支，锰的二元合金如锰铝（MnAl）、锰铋（MnBi）和锰镓（MnGa）等，由于其不含稀土和贵金属，且具有较强的磁晶各向异性和较高的居礼温度，近年来成为极具前景的无稀土永磁材料。

其中，无稀土MnAl基永磁合金（也称τ相MnAl基永磁合金），因具有高磁晶各向异性、较高的矫顽力、低密度、低成本（不含有稀土和稀贵金属）、优异的耐腐蚀性能和机械加工性能，以及不用复杂的磁场处理，近年来发展非常迅速，但仍存在磁性相不稳定、饱和磁化强度低等问题。近年来另一种不含稀土的永磁锰铋合金也引起人们的注意，虽然MnBi合金磁能积远小于钕铁硼永磁，但也因不含稀土元素、矫顽力较高，且矫顽力随温度升高而升高，目前已有人将MnBi和NdFeB制作为混合磁体（NdFeB／MnBi混合永磁），利用MnBi磁粉的优势，改善NdFeB磁体的综合磁性能。再者，MnBi作为一种无稀土永磁材料，有着较高的磁晶各向异性、适中的饱和磁化强度和正的矫顽力温度系数，使其在中高温领域有着重要的潜在应用价值。另，Mn-Ga合金由于具有不含稀土元素、磁晶各向异性大、自旋极化率和居礼温度高等特点，使其在永磁方面存在一定的潜在应用价值。一般来说，致密、组织均匀、晶粒细小的显微结构是获得高性能的关键，如何透过调控显微组织结构获得具有高磁能积的Mn-Ga粉末和磁体，是实现其应用的关键。目前，四方Mn_xGa粉末的磁硬化，唯一途径是结构奈米化，即透过熔体快淬或者高能机械球磨细化晶粒的方法，使其晶粒尺寸达到奈米尺度并获得一定程度矫顽力的Mn_xGa粉末。

中国在四类无稀土永磁材料上之专利布局

无稀土永磁体技术分为铁氧体、MnAl基永磁体、MnBi基永磁体以及MnGa基永磁体等四个技术分类。中国在这四类无稀土永磁材料上都有专利布局。

不含稀土的铁氧体

无稀土永磁铁氧体材料之永磁性能较差，尤其是矫顽力远不如稀土永磁体，目前研究上倾向以下途径以提高永磁铁氧体材料的磁性能，包括：提高取向度、提高磁体密度、提高材料的饱和磁化强度和提高材料的各向异性场常数、细化晶粒，以及控制烧结后晶粒大小尽可能保持一致等方式。

中国专利CN103964828B主张一种高性能永磁铁氧体材料，其特征是该高性能永久铁氧体材料系由锶、钡、铁和铬或铝组成，且具有六方晶系，所要保护的高性能永磁铁氧体材料的化学式为Sr_1-xBix·nFe_(12-y)/nR_y/nO₃，其中0≤x≤0.998，5.75≤n≤6.15，0<y≤0.6，R为Cr或Cr与Al，当R为Cr与Al时，Cr与Al的总量≤0.6。

无稀土锰铝（MnAl）基永磁合金

MnAl合金中存在铁磁性的τ相，具有较高的磁各向异性、低的密度、便宜的原材料以及耐腐蚀等特点，成为目前极具前景的非稀土永磁材料。为了进一步提高该体系的矫顽力及综合磁性能，中国专利CN101684527A涉及元素掺杂的手段大量被应用到MnAl永磁材料中，有望在新能源汽车技术领域中得到广泛应用。

中国专利CN104593625A主张一种无稀土MnAl永磁合金的制备方法，其特征是将熔融金属浇铸到模具中得到合金锭，然后进入真空加热炉而获得淬火合金锭(quenched alloy ingot)。专利所要保护的MnAl永磁合金的分子式系以Mn_60-xAl_40+x表示，其中X=0至10。另，中国专利CN106997800A主张一种无稀土MnAlCuC永磁合金，其特征是该无稀土永磁合金包括锰、铝、铜和碳，且该专利所要保护的MnAlCuC永磁合金，系以Mn_50+zAl_50-x-z　Cu_xC_y分子式表示其组成，其中x = 1～4，y = 1～3，z = 0～2。

无稀土MnBi基永磁合金

虽然MnBi基永磁体的理论磁能积，与稀土类永磁相比有一定差距，但远好于铁氧体等磁性材料。MnBi永磁体在一定温度范围内矫顽力呈正的温度系数，可以弥补NdFeB永磁体的不足，从而可与NdFeB 混合制成复合磁体，透过调整合金成分以及MnBi合金中掺杂适量的元素，研究其对MnBi合金的饱和磁化强度和矫顽力的影响，将是当前MnBi永磁合金材料研究中的研发趋势。

中国专利CN102610346B主张一种新型无稀土奈米复合永磁材料，其特征是该不含稀土的奈米复合永磁材料，系以分子式Mn_1.08　(Al_xBi_1-x)/α-Fe表示其组成，其中Mn_1.08(Al_xBi_1-x)为永磁相（permanent magnetic phase），α-Fe是软磁相（soft magnetic phase），x为0.2-0.8。永磁相和软磁相的重量比大于0且小于或等于0.5。专利所要保护的奈米复合永磁材料，系以分子式Mn_1.08(Al_xBi_1-x)/α-Fe表示其组成，其中穆尔分数x满足0.2≤x≤0.8。另，中国专利CN107393670A主张一种高性能MnBi基永磁合金，其特征是该锰铋基永磁合金（Manganese-　bismuth based permanent magnet alloy）系以分子式Mn_aBi_bM_c表示其组成，M为选自Ti、Zr、Nb、Mo、V或Cr中的至少一种过渡金属元素，a、b、c为各自对应的原子百分比含量元素，并且 50 < a < 55, 45 < b < 50, 0 < c < 5, a + b + c = 100。专利所要保护的锰铋基永磁合金，由分子式Mn_aBi_bM_c表示，其中M为选自钛、锆、铌、钼、钒或铬中的至少一种过渡金属元素，a，b、c表示对应元素的原子百分比，其中a在50-55之间，b在45-50之间，c在0-5之间，a + b + c = 100。

无稀土MnGa基永磁合金

MnGa合金的专利相对较少，但有发现MnGa合金磁硬化方面的研究，包括中国专利CN107622852A涉及一种在不改变四方Mn_xGa合金物相和晶粒尺寸的基础上，透过在Mn_xGa合金粉末中引入微观应变而直接获得高矫顽力的方法。

中国专利CN107622852A主张一种透过引入微应变制备锰镓高矫顽永磁粉末的制造方法，其特征系透过引入微应变（micro-strain）制备永磁粉末涉及使用纯度大于99wt.%的锰镓锭（Mn_xGa），Mn_xGa锭是在真空或惰性气氛下透过悬浮熔炼技术获得的，其中1.0 ≤ x ≤ 3.0。将得到的Mn_xGa锭放入退火炉中，在真空或惰性气体保护下，以适当的退火温度和退火时间对合金进行退火，得到四方相合金锭。该专利所要保护的锰镓高矫顽力永磁材料由分子式Mn_xGa表示，其中1.0 ≤ x ≤ 3.0。

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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主任 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。