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稀土合金永磁粉末與永磁體的國際發展現況 刊登日期:2023/6/5字級
陳溪山、周力行 / 工研院材化所

稀土永磁合金粉末與永磁體是稀土材料應用的最大宗產業。國際市場對高性能釹鐵硼永磁材料需求巨大，尤其是中國加強對稀土資源出口控制以後，中國以外的高性能釹鐵硼永磁材料生產廠商的生產成本和產量都受到影響，從而加劇國際市場高性能釹鐵硼永磁材料供需不平衡的問題。儘管近年來日、美、歐等國家稀土永磁產業的增長率下滑，但由於中國稀土永磁產業的高速發展，使得全球稀土永磁產業依然保持了高速增長的趨勢。釹鐵硼作為節能環保的關鍵產業，估計未來10~20年還不會有比釹鐵硼永磁材料性能更優異的磁體來取代它，在未來3~5年的複合增長率也將保持在20%左右。根據預測，到2025年，全球高性能釹鐵硼磁體產量將會突破15萬噸。

稀土永磁生產技術發展趨勢
目前，稀土永磁生產中多採用單合金法，其製作流程為：原材料準備→冶煉→鑄錠→破碎與製粉→磁場取向與壓型→燒結→回火→機加工與表面處理→檢測。製備流程中前七個環節的技術參數均對燒結磁體的磁性能有影響。

1. 晶界擴散技術
為了符合高溫領域的應用，目前研究較為廣泛的為晶界擴散技術。在一定的溫度下，晶界合金熔融擴散到主相晶粒的表面層，會形成一層磁晶異向性場較高的重稀土殼層，提高材料的矯頑力，同時由於擴散深度有限，重稀土在主相中分布較少，能夠有效保證磁體的剩磁和最大磁能積。因此能夠做出綜合磁性能很高的釹鐵硼磁體，日本的Hono等人在這方面嘗試了Nd-Cu、Dy-Fe-Cu等不同合金的晶界擴散，並深入研究了其在磁體中的分布形態和存在形式。

(3) 非稀土晶界擴散
非稀土元素如Al、Cu、Mg和Zn等，能在一定程度上優化釹鐵硼磁體的磁性能，所以商用釹鐵硼產品中一般都含有這些元素。近年來非稀土的合金或者化合物如Al、Al-Cu、MgO和ZnO等都可以成為晶界擴散劑，包括傳統和原位晶界擴散。非稀土擴散劑主要透過晶界相改性，提高晶界相與2:14:1晶粒之間的潤濕性，減少介面處缺陷的數量來抑制反磁化疇形核，從而實現矯頑力的提高。以Cu元素為例，它能與晶界相中的Nd和Fe形成低熔點的Nd-Cu和Nd-Fe-Cu共晶相，促進回火時晶粒間薄層連續晶界相的形成。此外，Kim等研究發現，適量的Cu還能促進fcc-NdO2相生成與主相錯配程度較低的bcc-Nd2O3相，從而抑制其生成與主相錯配度較大的hcp- Nd2O3相，Cu的作用總結如圖四所示。

圖四、Cu的添加對燒結磁體微觀組織的影響
圖四、Cu的添加對燒結磁體微觀組織的影響

3. 晶界擴散與現存製程相結合
晶界擴散技術作為一種新的製程技術，在目前的產業化過程中，需要在原有的製作流程上增加一道或幾道工序，如果能與磁體現有的製粉、緻密化成型和後續燒結製程相結合，將進一步優化製作流程，降低材料加工成本。現階段晶界擴散與現存的燒結釹鐵硼磁體工藝結合如圖六所示，在氣流磨、混粉壓製和燒結及熱處理階段可以將晶界擴散工藝融入進去。

圖六、晶界擴散與現存燒結製程的結合
圖六、晶界擴散與現存燒結製程的結合

Dy蒸氣包覆實際上是將氣流磨與擴散劑塗覆工藝相結合(圖六(a))。原位晶界擴散則是將晶界擴散劑的添加與混粉壓製技術結合，擴散熱處理技術與燒結技術結合(圖六(b))。這兩種添加方式可在製備宏觀上重稀土分布均勻的磁體同時，保證磁體的表面品質，但重稀土利用率比傳統晶界擴散低。原位晶界擴散和傳統晶界擴散分別在製作成本和重稀土利用上占有優勢，如何同時利用這兩種優勢是實際生產中非常受到關注的問題。

為減少工序，最有效的方法是將晶界擴散熱處理與釹鐵硼磁體的燒結及時效處理相結合。在磁體冷壓生坯的表面塗敷上擴散劑後進行燒結(圖六(c))，燒結過程中晶界擴散與磁體緻密化同時進行，如此便可綜合原位擴散和傳統擴散的優勢，用簡單的工藝製備出「表面強化」的磁體。為簡化工藝提高生產效率，可以將燒結後的回火與後續擴散熱處理相結合，只進行一次熱處理工序，如圖六(d)所示。

高性能稀土永磁下游市場應用
近年來，新能源領域的高速發展帶動釹鐵硼永磁材料需求急速增加，高性能釹鐵硼主要應用於高技術壁壘領域中各種型號的馬達、壓縮機、傳感器，下游應用領域主要包括傳統汽車EPS馬達、新能源汽車驅動馬達、風力發電設施、變頻空調、節能馬達等 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

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永磁材料
永磁材料，又稱＂硬磁材料＂，指的是一經磁化即能保持恆定磁性的材料。實用中，永磁材料工作於深度磁飽和及充磁後磁滯回線的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和複合永磁材料等。
磁性材料是一種古老而年輕的用途廣泛的基礎功能材料在長期的發展過程中其應用已經滲透到了國民經濟和國防的各個方面磁性材料本身也得到了很大的發展。

永磁材料又稱＂硬磁材料＂。一經磁化即能保持恆定磁性的材料。具有寬磁滯回線、高矯頑力和高剩磁。實用中，永磁材料工作於深度磁飽和及充磁後磁滯回線的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和複合永磁材料，現在分別簡述如下：
（1）鋁鎳鈷系永磁合金
以鐵、鎳、鋁元素為主要成分，還含有銅、鈷、鈦等元素。具有高剩磁和低温度係數，磁性穩定。分鑄造合金和粉末燒結合金兩種。20世紀30～60年代應用較多，現多用於儀表工業中製造磁電系儀表、流量計、微特電機、繼電器等。
（2）鐵鉻鈷系永磁合金
鐵鉻鈷系永磁合金
鐵鉻鈷系永磁合金
以鐵、鉻、鈷元素為主要成分，還含有鉬和少量的鈦、硅元素。其加工性能好，可進行冷熱塑性變形，磁性類似於鋁鎳鈷系永磁合金，並可通過塑性變形和熱處理提高磁性能。用於製造各種截面小、形狀複雜的小型磁體元件。
（3）永磁鐵氧體
主要有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體，其電阻率高、矯頑力大，能有效地應用在大氣隙磁路中，特別適於作小型發電機和電動機的永磁體。永磁鐵氧體不含貴金屬鎳、鈷等，原材料來源豐富，工藝簡單，成本低，可代替鋁鎳鈷永磁體制造磁分離器、磁推軸承、揚聲器、微波器件等。但其最大磁能積較低，温度穩定性差，質地較脆、易碎，不耐衝擊振動，不宜作測量儀表及有精密要求的磁性器件。
（4）稀土材料
稀土材料
稀土材料
主要是稀土鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料。前者是稀土元素鈰、鐠、鑭、釹等和鈷形成的金屬間化合物，其磁能積可達碳鋼的150倍、鋁鎳鈷永磁材料的3～5倍 ，永磁鐵氧體的8～10倍，温度係數低，磁性穩定，矯頑力高達800千安/米。主要用於低速轉矩電動機、啓動電動機、傳感器、磁推軸承等的磁系統。釹鐵硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矯頑力和最大磁能積比前者高，不易碎，有較好的機械性能，合金密度低，有利於磁性元件的輕型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度係數較高，限制了它的應用。
（5）複合材料
由永磁性物質粉末和作為粘結劑的塑性物質複合而成。由於其含有一定比例的粘結劑，故其磁性能比相應的沒有粘結劑的磁性材料顯著降低。除金屬複合永磁材料外，其他複合永磁材料由於受粘結劑耐熱性所限，使用温度較低，一般不超過150℃ 。但複合永磁材料尺寸精度高，機械性能好，磁體各部分性能均勻性好，易於進行磁體徑向取向和多極充磁。主要用於製造儀器儀表、通信設備、旋轉機械、磁療器械及體育用品等 [1]  。
分類
概述
第一大類是：合金永磁材料，包括稀土永磁材料（釹鐵硼Nd2Fe14B）、釤鈷(SmCo)、鋁鎳鈷（AlNiCo）
第二大類是：鐵氧體永磁材料（Ferrite）
按生產工藝不同分為：燒結鐵氧體、粘結鐵氧體、注塑鐵氧體，這三種工藝依據磁晶的取向不同又各分為等方性和異方性磁體。
這些就是市面上的主要永磁材料，還有一些因生產工藝原或成本原因，不能大範圍應用而淘汰，如Cu-Ni-Fe（銅鎳鐵）、Fe-Co-Mo（鐵鈷鉬）、Fe-Co-V（鐵鈷釩）、MnBi（錳鉍）
稀土永磁材料
稀土永磁材料（釹鐵硼Nd2Fe14B）
按生產工藝不同分為以下三種
燒結釹鐵硼
燒結釹鐵硼
（1）燒結釹鐵硼（Sintered NdFeB）——燒結釹鐵硼永磁體經過氣流磨製粉後冶煉而成，矯頑力值很高，且擁有極高的磁性能，其最大磁能積(BHmax)高過鐵氧體(Ferrite)10倍以上。其本身的機械性能亦相當之好，可以切割加工不同的形狀和鑽孔。高性能產品的最高工作温度可達200攝氏度。由於它的物質含量容易導致鏽蝕，所以根據不同要求必須對錶面進行不同的凃層處理。(如鍍鋅、鎳、環保鋅、環保鎳、鎳銅鎳、環保鎳銅鎳等)。非常堅硬和脆，有高抗退磁性，高成本/性能比例，不適用於高工作温度（>200℃）。
（2）粘結釹鐵硼（Bonded NdFeB）——粘結釹鐵硼是將釹鐵硼粉末與樹脂、塑膠或低熔點金屬等粘結劑均勻混合，然後用壓縮、擠壓或注射成型等方法制成的複合型釹鐵硼永磁體。產品一次成形，無需二次加工、可直接做成各種複雜的形狀。粘結釹鐵硼的各個方向都有磁性，可以加工成釹鐵硼壓縮模具和注塑模具。精密度高、磁性能極佳、耐腐蝕性好、温度穩定性好。
（3）注塑釹鐵硼（Zhusu NdFeB）——有極高之精確度、容易製成各向異性形狀複雜的薄壁環或薄磁體
燒結鐵氧體
燒結鐵氧體（Sintered Ferrite）的主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19，依據磁晶的取向不同分為等方性和異方性磁體。由於其低廉的價格和適中的磁性能而成為應用較為廣泛的一種磁體。鐵氧體磁鐵是通過陶瓷工藝法制造而成，質地也比較堅硬，也屬脆性材料，由於鐵氧體磁鐵有很好的耐温性及價格低廉，已成為應用較為廣泛的永磁體。
橡膠磁
橡膠磁
橡膠磁
橡膠磁（Rubber Magnet）是鐵氧體磁材系列中的一種，由粘結鐵氧體料粉與合成橡膠複合經擠出成型、壓延成型、注射成型等工藝而製成的具有柔軟性、彈性及可扭曲的磁體。可加工成條狀、卷狀、片狀及各種複雜形狀。 橡膠磁體由磁粉（SrO6Fe2O3）、聚乙烯（CPE）和其它添加劑（EBSO、DOP）等組成，通過擠出、壓延製造而成。橡膠磁材可以是同性的或異性的，它由鐵氧體磁粉、CPE和某些微量元素製成，可彎、可捻、可卷。它無需更多機械加工即可使用，也可以按所需尺寸修整形狀,橡膠磁也可以根據客户要求復PVC,背膠,上UV油等。它的磁能積在0.60 至1.50 MGOe之間。 橡膠磁材的應用領域：冰箱、訊息告示架、將物件固定於 金屬體以用作廣告等的緊固件，用於玩具、教學儀器、開關和感應器的磁片。主要應用於微特電機、電冰箱、消毒櫃、廚櫃、玩具、文具、廣告等行業。
鋁鎳鈷
鋁鎳鈷（AlNiCo）是最早開發出來的一種永磁材料，是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構成的一種合金。根據生產工藝不同分為燒結鋁鎳鈷（Sintered AlNiCo）和鑄造鋁鎳鈷（Cast AlNiCo）。產品形狀多為圓形和方形。鑄造工藝可以加工生產成不同的尺寸和形狀；與鑄造工藝相比，燒結產品侷限於小的尺寸，其生產出來的毛坯尺寸公差比鑄造產品毛坯要好，磁性能要略低於鑄造產品，但可加工性要好。在永磁材料中，鑄造鋁鎳鈷永磁有着最低可逆温度係數，工作温度可高達600攝氏度以上。鋁鎳鈷永磁產品廣泛應用於各種儀器儀表和其他應用領域。
釤鈷
釤鈷（SmCo）依據成份的不同分為SmCo5和Sm2Co17,分別為笫一代和笫二代稀土永磁材料。由於其原材料十分稀缺，價格昂貴而使其發展受到限制。釤鈷（SmCo）作為第二代稀土永磁體，不但有着較高的磁能積（14-28MGOe）和可靠的矯頑力，而且在稀土永磁系列中表現出良好的温度特性。與釹鐵硼相比，釤鈷更適合工作在高温環境中（>200℃）。

應用
永磁材料包括鐵氧體永磁、稀土永磁（稀土鈷、釹鐵硼等）、鋁鎳鈷、鐵鉻鈷、鋁鐵等材料，其中最常用、用量最大的是鐵氧體永磁、釹鐵硼稀土永磁。
鐵氧體永磁
鐵氧體永磁
鐵氧體永磁在永磁材料中，儘管綜合磁性能較低，但與金屬永磁相比，電阻率高，穩定性好，耐環境變化強，原料來源豐富、性能價格比較高、工藝成熟，又不存在氧化問題，故在永磁材料的諸多應用領域，仍是最理想的首選永磁材料。鐵氧體永磁自50年代批量生產以來，其發展勢頭十分迅猛，目前產值約為稀土永磁的1.5倍，預計今後較長一段時間內，它仍將是應用最廣、需求量最大的永磁材料。
同時，鐵氧體永磁及其應用產品還是典型的節能、節材、節匯和出口創匯產品。無論從資源利用角度，還是從能源和應用的角度來看，其發展前景都十分廣闊。發展鐵氧體永磁對發展中國汽車、摩托車、電子信息等國民經濟支柱產業及出口創匯具有重大意義，符合國家產業政策與規劃，隨着電子信息技術迅速發展，國內外對高性能鐵氧體永磁的市場需求越來越大。因此，研究開發和生產高性能鐵氧體永磁材料既十分必要，又大有可為。
發展歷程
整體發展
隨着社會的發展，磁鐵的應用也越來越廣泛，從高科技產品到最簡單的包裝磁，目前應用最為廣泛的還是釹鐵硼強磁和鐵氧體磁鐵。
永磁材料
永磁材料
從永磁材料的發展歷史來看，十九世紀末使用的碳鋼，磁能積（BH）max(衡量永磁體儲存磁能密度的物理量)不足1MGOe(兆高奧)，而國外批量生產的Nd-Fe-B永磁材料，磁能積已達50MGOe以上。這一個世紀以來，材料的剩磁Br提高甚小，能積的提高要歸功於矯頑力Hc的提高。而矯頑力的提高，主要得益於對其本質的認識和高磁晶各向異性化合物的發現，以及製備技術的進步。
二十世紀初，人們主要使用碳鋼、鎢鋼、鉻鋼和鈷鋼作永磁材料。二十世紀三十年代末，AlNiCo永磁材料開發成功，才使永磁材料的大規模應用成為可能。五十年代，鋇鐵氧體的出現，既降低了永磁體成本，又將永磁材料的應用範圍拓寬到高頻領域。到六十年代，稀土鈷永磁的出現，則為永磁體的應用開闢了一個新時代。
1967年，美國Dayton大學的Strnat等，用粉末粘結法成功地製成SmCo5永磁體，標誌着稀土永磁時代的到來。迄今為止，稀土永磁已經歷第一代SmCo5，第二代沉澱硬化型Sm2Co17，發展到第三代Nd-Fe-B永磁材料。
此外，在歷史上被用作永磁材料的還有Cu-Ni-Fe、Fe-Co-Mo、Fe-Co-V、MnBi、A1MnC合金等。這些合金由於性能不高、成本不低，在大多數場合已很少採用。而AlNiCo、FeCrCo、PtCo等合金在一些特殊場合還得到應用。目前Ba、Sr鐵氧體仍然是用量最大的永磁材料，但其許多應用正在逐漸被Nd-Fe-B類材料取代。並且，當前稀土類永磁材料的產值已大大超過鐵氧體永磁材料，稀土永磁材料的生產已發展成一大產業 [2]  。
總之，永磁材料的發展先後經歷了幾個發展階段20世紀50年代前為金屬永磁的一統天下50-80年代為永磁鐵氧體的黃金時代90年代以來納米結構磁性材料的崛起成為鐵氧體有力的競爭者當前尋找性能更好的下一代永磁材料仍是磁學界關注的焦點納米晶交換耦合永磁材料是目前最有前途的材料超導永磁體則是在低温下使用超強永磁體的另一種可能的選擇 [3]  。
稀土永磁材料
磁性是物質的基本屬性之一，約在三千年前就已經被人所認知。磁性材料可分為硬磁材料和軟磁材料，其中，硬磁材料指材料在外部磁場中磁化到飽和，而在去掉外磁場後，仍然能夠保持高剩磁，並提供穩定的磁場的磁性材料，也叫永磁材料。利用此特性，永磁材料大規模應用於能源、信息通訊、交通、計算機、醫療器械等諸多行業。在空氣污染日趨嚴峻的今天，尤其是在霧霾天氣成為常態的趨勢下，發展低碳經濟已成為人類的共識。近年來，永磁材料在節能家電、混合動力汽車/純電動汽車和風力與水力發電等領域所體現出優越性能，引起人們越來越多的關注。
稀土永磁材料的發展歷史
稀土永磁材料的發展歷史
永磁材料的應用與研究開始於十九世紀末。隨着人們對物質磁性研究的深入以及各種製造工藝水平的提高，永磁材料的研究主要包括金屬合金磁體、鐵氧體磁性材料和稀土永磁材料三個階段。其中，金屬合金磁體和鐵氧體磁性材料雖然具有成本低廉，原材料豐富的優勢，但是其最大磁能積(BH)max一般小於10MGOe，磁性較差，因而逐漸被稀土永磁材料所取代。
在上世紀六十年代初面世以來，經過幾十年的發展，形成了具有使用價值的三代稀土永磁材料：第一代稀土永磁材料（SmCo5），第二代稀土永磁材料（Sm2Co17）和第三代稀土永磁材料（Nd2Fe14B）。如圖《稀土永磁材料的發展歷史》所示 [4]  。
納米複合永磁材料
經過30年的發展，NdFeB永磁材料的磁能積已經接近其理論值，很難再有大幅度地提升。人們迫切地想找到一種具有更高磁能積的磁性化合物，但是至今仍然沒有找到。於是人們開始開發納米複合永磁材料，以期能夠最大限度地利用現有磁性材料的內稟磁性能。前三代稀土永磁材料主要是通過其最大磁能積來劃分的，從這一點來看，磁能積可以作為衡量材料的磁性能的一種標準。眾所周知，磁能積的大小在一定程度上取決於材料的飽和磁化強度和各向異性場。但是在前三代稀土永磁材料中，飽和磁化強度與各向異性場總是此消彼長，無法兼具。納米複合永磁材料就是在此背景下發展起來的可以兼具這兩種內稟性能的新型永磁材料。
納米複合永磁材料
納米複合永磁材料
高矯頑力和剩磁是永磁材料的基本要求，儘管硬磁材料的矯頑力較大，但是飽磁相對較低。在納米複合永磁材料中，兩相之間的交換耦合作用，有助於改善永磁材料的磁性能。兩相之間的交換耦合作用以及由其所引起的剩磁增強效應可用來製造高性能的永磁材料。另外，由於軟磁相為非稀土相,可節約稀土用量,降低合金價格。
1988年荷蘭的研究人員Coehoom等人在不同温度對Nd4Fe77.5B18.5非晶薄帶進行晶化熱處理後，得到各向同性的磁粉，發現這種低Nd含量的磁粉具有明顯的剩磁增強效應，對其結構進行研究發現，這種低Nd含量的磁粉包括硬磁性Nd2Fe14B相和軟磁性Fe3B相。隨後的研究指出：晶粒之間的交換耦合作用引起了這些磁粉中的剩磁增強效應。
1991年德國的Kneller等人從理論方面説明了兩相晶粒的交換耦合作用可以改善材料的磁能積。
1993年Skomski和Coey等人從理論角度預言了各向異性的納米複合磁體Sm2Fe17N/α-(Fe,Co)具有1MJ/m3的磁能積。
退火
退火
在實驗方面，2005年，J.Zhang等人在製備的SmCo/Fe薄膜中，插入隔斷層Cu來阻止退火熱處理過程中Fe層與SmCo層的接觸和擴散，有助於保持更好的多層膜結構，其磁能積達32MGOe(255kJ/mol)，高於單相SmCo5的理論磁能積。
2011年，德國的S.Sawatzki等人在MgO(110)基片上高温熱沉積出外延生長的SmCo5/Fe/SmCo5三層膜，其最大磁能積為312kJ/mol，比SmCo5硬磁相230kJ/mol的理論極限高出73%。
在此基礎上，2012年，S.Sawatzki等人在不改變硬磁層和軟磁層總厚度的前提下，製備出出外延生長的[SmCo5/Fe]nSmCo5多層膜，在n=2時，其最大磁能積更是超過了400kJ/m3。同年，Wei-BinCui等人在研究NdFeB單層膜時發現，富Nd相擴散進入NdFeB磁性層後，阻礙了NdFeB晶粒之間接觸，矯頑力得到顯著地提高。之後他們在各向異性的NdFeB與FeCo之間插入非磁性層Ta，在保持更好的微觀結構的同時，阻擋了FeCo和富Nd相的相互擴散，得到了迄今為止磁能積最高的納米複合永磁材料，達到486kJ/m3。雖然實驗所得的納米複合永磁材料的磁能積已經超過單相NdFeB材料實驗所得的最高磁能積，但是距離其1MJ/m3的理論磁能積還有較大差距，説明其仍有較大的提升空間 [4]  。

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永久磁鐵

永久磁鐵是指能夠長期保持其磁性的磁鐵，也就是日常生活所使用的一般磁鐵。如天然的磁石（磁鐵礦）和人造磁鐵（如鐵中加入鋁、鎳、鈷等合金元素的鋁鎳鈷合金）等。磁鐵中除永久磁鐵外，也有需通電才有磁性的電磁鐵。永久磁鐵也叫硬磁鐵，不易失磁，也不易被磁化。但若永久磁鐵加熱超過居禮溫度，或位於反向高磁場強度的環境下中，其磁性也會減少甚至消失。

所有的永久磁鐵均具有鐵磁性或亞鐵磁性，鐵磁性的物質（例如鐵）具有自發性的磁化現象，而亞鐵磁性的物質，因其中的亞晶格是由不同的材料或不同價態的鐵組成，不同亞晶格的原子磁矩相反但不相等，無法完全抵消，因此也有磁性，如磁鐵礦（鐵（II，III）氧化物；Fe3O4）即為一例。

磁鐵種類
磁性金屬元素
許多材料都有不成對的電子自旋，這些材料大部份都是順磁性。若原子的電子自旋會自發性的彼此對正，這種材料稱為鐵磁性，有時會簡稱為「磁性」。有些元素在礦石中會因為其晶體原子結構，使其電子自旋自發性的對正。包括鐵礦（磁鐵礦或天然磁石）、鈷或鎳都有這類特性。稀土元素中的釓和鏑在極低溫下也有類似特性。以往人們就利用自然存在的鐵磁性材料進行磁性的實驗。即使現在出現了許多人造的磁性材料，各磁性材料中仍然都含有上述的磁性金屬元素。

混合物
陶瓷磁鐵，也稱為鐵氧體磁鐵，是由氧化鐵及氧化鋇或氧化鍶的粉末燒結而成的陶瓷混合物。由於其低廉的材料成本及其生產方式，可以大量製造許多各種外形的便宜磁鐵。所得的磁鐵不會被腐蝕但是有脆性，其機械性質也類似陶瓷。

鋁鎳鈷磁鐵（Alnico）主要成份有鋁、鎳、鈷三種元素，其中也有少量為加強磁鐵特性而加入的其他元素。鋁鎳鈷磁鐵一般是用鑄造或燒結方式製成，燒結而成的鋁鎳鈷磁鐵有較佳的機械特性，而鑄造而成的磁鐵可產生較強的磁鐵。鋁鎳鈷磁鐵抗蝕性良好，而且物理特性較鐵氧體好，不過仍和金屬有一段差距。鋁鎳鈷磁鐵的產品名稱包括Alni、Alcomax、Hycomax、Columax及Ticonal[1]。

射出成型磁鐵是各種樹脂及磁性粉末的混合物，由於使用射出成型的加工方式，可以有許多複雜的外型。其物理及磁學性質依原材料而不同，但磁場強度會比較低，而物理性質比較類似塑膠。

軟性磁鐵類似射出成型磁鐵，使用材筫較軟的可撓樹脂或是乙烯基的粘合劑，磁鐵一般會作成扁平帶狀或平板狀，這類磁鐵的磁場強度會比較低，但可以作到相當軟的程度。軟性磁鐵可以用在工業的列印機中。

稀土磁鐵

一個卵形的稀土磁鐵疊在另一個磁鐵上
主條目：稀土磁鐵
稀土元素中大部份為鑭系元素，有部份填滿的f電子層，最多可以容納14個電子。這些電子的自旋一旦對正，就可以產生強的磁場。稀土磁鐵常用在一些需要高磁場強度，比較不考慮成本的應用。最常見的稀土磁鐵有釹磁鐵（釹鐵硼磁鐵）及釤鈷磁鐵。

單分子磁鐵（SMM）及單鏈磁鐵（SCM）
在1980年代時．發現一些含有順磁性鐵離子的分子在低溫下可以儲存磁矩，不同於傳統磁鐵利用磁域來儲存磁矩，利用分子儲存磁矩理論上可以有更大的資料儲存密度。這樣的分子稱為單分子磁鐵（SMM）。有關單層單分子磁鐵的研究正在進行中。簡單來說，單分子磁鐵有二個主要的狀態：

一個大的基態自旋值（S），是由順磁性金屬中心之間的鐵磁性或亞鐵磁性耦合所提供。
由於零場分裂產生的各向異性的負值（D）。
大部份的單分子磁鐵含有錳，不過有些也含有釩、鐵、鎳或鈷的原子簇。近期也發現一些鏈狀分子可以在較高溫下在較長時間下可以維持其磁狀態，這類系統稱為單鏈磁鐵（SCM）。

KS鋼和MK鋼
KS鋼是1917年由日本物理學家本多光太郎發明，含鈷、鎢、鉻的磁鋼。MK鋼則是1931年由日本治金學家三島德七發明，含鋁、鎳的磁鋼。

鉑磁鐵
鉑磁鐵是以鉑為主要成份的磁鐵。

奈米結構的磁鐵
有些奈米材料中有含有能量波，稱為磁振子，會以玻色-愛因斯坦凝聚的方式凝聚到基態[2][3]。

成本
磁鐵中最便宜是軟性磁鐵及陶瓷磁鐵，但這些磁鐵的磁性往往也最弱。鐵氧體磁鐵由於其原料（氧化鐵及碳酸鋇或碳酸鍶）成本的低廉，也是低價磁鐵的主要來源。不過有一種新的磁性錳鋁合金成本也很低，其磁飽和的磁通較鐵氧體要高，溫度係數也比較良好。

在磁鐵中，釹磁鐵的單位成本價格高於其他磁性材料，不過因為其磁性性質，在一些應用時使用釹磁鐵，可以選用體積較小的釹磁鐵，成本也可能因此而下降[4]。

溫度
不同的磁鐵對溫度的敏感程度不同，不過當磁鐵加熱到居禮溫度時，磁鐵的磁性會消失，即使再降溫到常溫也不會恢復磁性。需重新磁化才能恢復其磁性。

有些磁鐵具有脆性，在高溫下可能會破裂。

鋁鎳鈷磁鐵的最高使用溫度超過540 °C（1,000 °F），釤鈷磁鐵及鐵氧體約為300 °C（570 °F），釹磁鐵及軟性磁鐵約為140 °C（280 °F），不過實際數值仍會依材料的晶粒而不同。

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從中國專利申請看R-T-B系永久磁鐵研發方向

2022年9月，中國廈門鎢業與北方稀土簽署戰略合作協定，優先保障廈門鎢業控股企業對於鐠、釹、鑭、鈰等稀土金屬的採購供應。此次簽署戰略合作協定，是中國南北兩大稀土集團在稀土領域的強強聯手，對於提升中國稀土產業集中度和國際話語權具有重要意義。

中國在稀土材料方面有完整的研發機構，如中國科學院及包頭稀土研究院等，在產業方面有廈門鎢業、有研稀土及金龍稀土等，其中廈門鎢業股份有限公司（簡稱廈門鎢業）的營運架構，包含鎢、鉬、稀土、能源新材料及房地產，主要從事鎢精礦、鎢鉬中間製品、各種稀土氧化物、稀土金屬、稀土發光材料、磁性材料、鋰電池正極材料及其他能源新材料的研發、生產和銷售，其中鎢冶煉產品的生產能力居世界第一，是中國最大的鎢鉬產品生產與出口企業，同時也是六大稀土集團之一。

福建省長汀金龍稀土有限公司（簡稱金龍稀土）是福建省稀土產業的龍頭企業，為廈門鎢業2006年收購之全資子公司，主要從事稀土分離、加工及稀土功能性材料的研發，擁有從稀土礦開採、分離、精深加工（螢光粉、磁性材料）等完整的產業鏈優勢。金龍稀土未來的發展戰略，以稀土深加工為重點，不斷壯大和延伸稀土產業鏈。

在廈門鎢業與金龍稀土共同申請的專利中，有許多涉及R-T-B系永久磁鐵的原料組合物專利，包括釹鐵硼磁體材料、原料組合物及其製備方法和應用。

R-T-B系永久磁鐵研發方向

為了作為支撐電子器件的關鍵材料，新型永磁材料的研發方向朝著兼及高磁能積與高矯頑力的方向進行。R-T-B系永磁材料已知為永久磁鐵中性能最高的磁鐵，被用於硬盤驅動器的音圈電機（VCM）、電動車用（EV、HV、PHV等）電機、工業設備用電機等各種電機和家電製品等。至於什麼是R-T-B系燒結磁鐵，R指的是稀土元素，T指過渡金屬元素及第三主族金屬元素，B指硼元素，例如釹鐵硼（Nd-Fe-B）永久磁鐵，由於其優異的磁特性而被廣泛應用於電子產品、汽車、風電、家電及工業機器人等領域，例如硬碟、手機、耳機、和電梯曳引機、發電機等永磁電機中作為能量源等，其需求日益擴大，而諸如剩磁（Br）、矯頑力（Hci）等磁鐵重要性能的要求也逐步提升。  

為了提升R-T-B系燒結磁鐵的剩磁，通常需要降低B含量，但是當B的含量較低時，不具有室溫單軸各向異性，會使得磁體的性能劣化。現有技術中，一般透過添加重稀土元素例如鏑（Dy）、鋱（Tb）、釓（Gd）等，以提高材料的矯頑力以及改善溫度係數，但重稀土價格高昂，採用這種方法提高R-T-B系燒結磁體產品的矯頑力，會增加原材料成本，不利於R-T-B系燒結磁體的應用。因此，在不添加或少量添加重稀土的情況下，如何採用低B體系（B＜5.88at％）製備得到高矯頑力、高剩磁的R-T-B系磁鐵是目前永磁領域亟待解決的技術問題。

此外，在製備R-T-B系永磁材料過程中，由於原料純度不夠，會引入一定含量的碳；同時由於釹鐵硼粉末活潑且流動性較差，需要添加抗氧劑、潤滑劑、脫模劑等有機添加劑，也會引入一定含量的碳。常規的製備工藝過程中，碳極易與活潑的富Nd相結合，形成碳化釹，從而導致磁體的內稟矯頑力（intrinsic coercivity，簡稱Hcj）下降。因此，現面臨的技術難題是：一方面需要降低合金中的碳元素含量，另一方面由於製備工藝或原料原因又不得不引入一定的碳源。這樣既矛盾又客觀的技術難題，亟需一種新的R-T-B系永磁材料的配方來克服上述技術難題。

控制Al含量改善磁鐵性能

為了克服現有技術中低B含量（B＜5.88at％）造成磁體性能變差且同一批次產品的磁性能不均一的問題，中國專利CN111243812B提供了一種R-T-B系永磁材料及其製備方法，該R‑T‑B系永磁材料的原料組合物包括：R：28.5～33.0 wt％；Ga：＞0.5 wt％；Cu：≥0.4 wt％；B：0.84～0.94 wt％；Al：0.05～0.07wt％；Co：≤2.5 wt％但不為0；Fe：60～70 wt％；N：Ti、Zr和Nb中的一種或多種；當N包含Ti時，所述Ti的含量為0.15～0.25 wt％；當N包含Zr時，所述Zr的含量為0.2～0.35％；當N包含Nb時，所述Nb的含量為0.2～0.5 wt％。所述百分比為各組分品質占該R-T-B系永磁材料總品質的品質百分比。藉由控制該R-T-B系永磁材料原料組合物中Al的含量，例如Al占所述原料組合物總品質的品質百分比為0.05~0.07 wt %，同時將一定範圍含量內的Ga和Cu與其他元素作合適的組成配置，能夠制得磁體性能優異且且同一批次產品性能均一的R-T-B系永磁材料。

晶界擴散助力Hcj提升

為了解決R-T-B系永磁材料中碳元素導致磁體之內稟矯頑力（Hcj）下降的問題，美國專利公開號US20220293309A1提供一種R-T-B系永磁材料和將該R-T-B系永磁材料進行晶界擴散處理的製備方法[1]。該R-T-B系永磁材料包括以下組成：稀土元素R：29.0~32.5 wt.%，且R包括重稀土元素（RH）；Cu：0.30~0.50 wt.%；Ti：0.05~0.20 wt.%；B：0.85~1.05 wt.%；C：0.1~0.3 wt.%；Fe：66~68 wt.%；其中稀土元素R至少包括釹（Nd），且重稀土元素（RH）至少包括鏑（Dy）或鋱（Tb）。該R-T-B系永磁材料中含有Cu-Ti-C晶界相，允許較高含量的碳，不需要額外控制碳含量，有助於生產管控；同時，因在擴散過程中形成Cu-Ti-C晶界相，抑制了Nd-C的生成，提供更多的擴散通道，有助於擴散過程Hcj的提升，例如：鋱（Tb）擴散Hcj提升了1162kA/m，鏑（Dy）擴散Hcj提升了883kA/m。圖1為製得的R-T-B系永磁材料觀察其磁體的晶相結構，掃描形成的Nd、Cu、Ti、C分佈圖，其中點1為Cu-Ti-C相。

適量調節C、Cu及重稀土元素用量

為了克服現有技術的釹鐵硼磁體透過添加Co來提高居裡溫度和抗腐蝕性能、而Co又容易造成矯頑力急劇下降以及價格昂貴的缺陷以及Al的過量加入惡化剩磁和居裡溫度的缺陷，PCT國際專利號WO2021/244314A1提供了一種釹鐵硼磁體材料的原料組合物[2]，包括輕稀土元素LR，所述LR包括釹（Nd）、鐠（Pr）和/或釤（Sm）；其中，當所述LR包含鐠（Pr）時，所述鐠（Pr）的含量為0~16mas%、且不為0；鈥（Ho），0～10mas％、且不為0；釓（Gd），0～5mas％；鏑（Dy），0～3mas％；鋱（Tb），0～3mas％；且Gd、Dy和Tb不同時為0；碳（C），0.12～0.45mas％；銅（Cu），0.12～0.6mas％；鎵（Ga），0～0.42mas％，且不為0；鈷（Co），0～0.5mas％；鋁（Al），0～0.5mas％；X，0.05～0.45mas％，所述X包括鈦（Ti）、釹（Nb）、鋯（Zr）、鉿（Hf）、釩（V）、鉬（Mo）、鎢（W）、鉭（Ta）和鉻（Cr）中的一種或多種；硼（B），0.9～1.05mas％；其餘為Fe；mas%為各元素占所述釹鐵硼磁體材料的品質百分比；該釹鐵硼磁體材料的微觀結構包含主相、晶界外延層和富釹相；主相和晶界外延層分佈有Ho和C，富釹相分佈有Cu以及Dy和/或Tb；透過熔煉時添加適當用量的C和Cu以及重稀土元素，在不添加或者少量添加Co及Al時，調節材料的剩磁、矯頑力，同時改善高溫穩定性。該釹鐵硼磁體材料晶界連續性好（達96.5%以上），具有高剩磁、高矯頑力、良好高溫性能和良好的耐腐蝕性。圖2為釹鐵硼燒結體的SEM圖，其中1為主相，2是晶界外延層，3是富釹相。