永久磁鐵

永久磁鐵
定價:350
NT $ 233 ~ 315
  • 作者:寶野和博本丸諒
  • 譯者:衛宮紘
  • 出版社:世茂
  • 出版日期:2017-02-02
  • 語言:繁體中文
  • ISBN10:9869390765
  • ISBN13:9789869390767
  • 裝訂:平裝 / 320頁 / 25k正 / 14.8 x 21 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
 

內容簡介

世界第一的釹鐵硼磁鐵
揭開日本最先進金屬材料研究!

  相信大家小時候都玩過磁鐵棒和馬蹄U型磁鐵,從前在自然科學實驗用過的磁鐵,其實在各產業中都有超乎想像的運用。

  例如汽車產業中,每台汽車約使用100個馬達,每個馬達都需要「永久磁鐵」這種零件,而一台風力發電機更需要總重量一噸重的永久磁鐵,可以說永久磁鐵決定了馬達的優異性能。

  永久磁鐵的優異性能,我們可以從電腦磁碟機中磁頭與磁鐵讀取的情形,稍微窺探得知。

  磁碟機的磁頭在讀寫時,會移動到磁碟區,這就是「浮動磁頭」名稱的由來。此時磁碟的奈米磁鐵,可使磁頭浮在磁碟上方,兩者之間的距離,相當於一架747飛機在距離機場跑道1.5公釐(毫米)的高度飛行。

  由此可見永久磁鐵的性能是多麼令人驚奇。在馬達產業中,馬達是否為高性能,能否製成超小型,關鍵也在裡面所使用的永久磁鐵——這就是目前產業界具有「最強磁鐵」之稱的「釹磁鐵」。

  本書由國際公認磁鐵研究最先進的日本東北大學,揭露日本科技署國立元素戰略磁性材料研究部門中,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 」四大領域,其中「永久磁鐵」的重大研究。

  日本獨立行政法人物質材料研究機構(NIMS),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,匯集材料系、物理系、化學系等各路研究專家參與計劃,致力於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。

  當前磁鐵研究的最新趨勢為,由於一般的釹磁鐵在超過200℃高溫下會失去磁性,也就是說,釹磁鐵不耐熱。因此必須搭配一種特殊元素——鏑,但這個稀土元素非常稀有,也就是說,性能優異磁鐵的開發,會受制於元素的資源。

  因此當前磁鐵的研究主題為「不使用鏑等資源有限的元素,而想要以更常見的元素來取代,生產現在汽車產業馬達產業中所使用的磁鐵。」也就是所謂的「省鏑磁鐵」。

  本書除了磁鐵的基礎,略過艱澀的概念,呈現簡單易懂的文字,書中彩色插圖解說磁性的科學基礎,並呈現世界最先進實驗室難得一見的電子顯影像照片,如原子探針、泰坦Titan的實際操作,從合金材料製作、加工開始,循序漸進,將令人驚豔的最尖端磁鐵研究,傳達給一般大眾認識。

名人推薦

  東海大學應用物理系【磁電實驗室】副教授、台灣磁性協會永久磁鐵專家——張晃暐◎審定

  釹鐵硼磁鐵發明人——佐川眞人
  「我的釹磁鐵,從五里霧中發明出來。如今的研究解釋了其中許多奧秘。這是一本磁鐵的解謎書!」

  日本科技署JSTCREST顧問、前日本化學會長——玉尾皓平
  「不使用鏑的高性能磁鐵!元素戰略挑戰實現化!磁鐵研究第一人的基礎,完全揭開秘密,令人期待。」
 

作者介紹

作者簡介

寶野和博(ほうのかずひろ)


  1982年日本東北大學工學部金屬材料學系畢業。1988年美國賓夕法尼亞州立大學研究所材料學專攻博士課程修畢。曾任美國卡內基美隆大學博士研究員、(以下日本)東北大學金屬材料研究所助理、日本科學技術廳金屬材料技術研究所主任研究官、研究室主任、獨立行政法人物質材料研究機構材料研究所監督員,2004年開始擔任物質材料研究機構的榮譽博士。後來兼任磁性.自旋電子學研究所長(磁性・スピントロニクス材料研究拠点長)、元素戰略磁性材料研究部門解析團隊領導人(元素戦略磁性材料研究拠点解析評価グループリーダー)、筑波大學研究所數理物質科學研究科教授。

審定者簡介

張晃暐  東海大學應用物理系 磁電實驗室 副教授


  國立中正大學物理系博士,研究領域:磁性物理、奈米磁學、磁記錄媒體。為台灣磁性協會的永久磁鐵專家。

譯者簡介

衛宮紘


  清華大學原子科學院學士班畢。現為自由譯者。譯作有《上司完全使用手冊》(東販)、《超慢跑入門》(商周)、《男人懂了這些更成功》(潮客風)、《世界第一簡單電力系統》(世茂)……等。賜教信箱:[email protected]
 

目錄

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。

2015年6月      著作代表人  寶野和博
 

內容連載

關於磁鐵的應用範圍,若想要一一找出來,會沒完沒了,但我想日本家電厲害之處就在於,將他國沒有使用的高性能磁鐵投入產品設計。例如,在美國,空調是使用便宜的鐵氧體磁鐵,產品體積不僅大,聲音也吵雜。日本的空調,令外國人最感到驚訝的地方是「體積小、靜音、節能」。這些特性都是來自於釹磁鐵的使用。
 
就「體積小、靜音」來說,洗衣機也有這樣的應用,帶來節能的效果。日本人一向理所應當認為,產品就是要靜音、小型化,因此磁鐵扮演著非常重要的角色。
 
過去有「輕薄短小」說法,而日本的強項就在於「小型、高性能」。例如,Sony生產Walkman隨身聽,如果收錄音機體積一直是大型的,不會有人想要帶出門聽音樂。Sony Walkman使用了當時最尖端的高性能磁鐵「釤鈷磁鐵(samarium-cobalt magnet)」,因而製造出來小型的隨身聽。小型且高性能的磁鐵「顛覆了產品的概念」。
 
人類最早開始製造人工磁鐵,是在1917年的時候,到現在經過約100年時間。
 
其實磁鐵最早是在西元前300年左右,在希臘的馬格尼西亞州(magnesia)偶然發現的。馬格尼西亞的地名「magnet」意思就是「磁鐵」,這種自然形成的磁鐵,稱為「天然磁鐵」。
 
最早製造人工磁鐵的是日本人,這種磁鐵稱為「KS鋼」,由日本東北大學本多光太郎(1870~1954年)在1917年發明。從「KS鋼」「鋼」字,可知使用鐵作為材料,也就是鐵鋼材料。證明了「鐵可以變成磁鐵」。
 
第一次世界大戰於1914年開戰,1917年時期的日本物資匱乏,想要繼續打仗,飛機、戰車、船、橋等必須有鋼鐵的自給自足。於是,1916年時,為了鋼鐵的研究,現在的日本東北大學(舊名東北帝國大學自然科大學)成立了臨時理化學研究所第2部門(以鋼鐵研究為中心)。
 
現在,日本東北大學金屬材料研究所(1922年設立),通稱「金研」,堪稱金屬和磁鐵的聖地。研究所設立時期,由於住友財團大量捐款,因此以當時住友財團領導人的名字,住友(=S)吉左右衛門(=K)命名為「KS鋼磁鐵」,算是報答資金援助的恩情。
 
本多光太郎被稱為「鋼鐵之父」,而就製造世界第一個人工磁鐵的意義來說,他也可以稱作「磁鐵之父」。現在日本對於金屬材料發展研究有所貢獻的人,會頒發「本多紀念獎」、「本多開拓者獎(Honda Frontier Award)」。另外,本多先生門下優異學生有村上武次郎、增本量、茅誠司等,人才輩出。
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