击败“最后boss”的战斗已经开始

击败“最后boss”的战斗已经开始

2025/04/23

击败“最后boss”的战斗已经开始日本火花塞和 AIST 面临的“后钕磁体”商业化挑战

2024 年 9 月，NGK SPARK PLUG 和米乐m6官方网站宣布，他们将致力于研究汽车和工业机械的未来，这些产品将越来越电动化。永磁体用作电机的重要部件的关键研究成果已公布目前，钕磁铁主要用于该领域，但由于其性能已达到平台期，后钕磁铁的研究两者都是钐铁氮磁体 (Sm)，后钕的有希望的候选者₂铁₁₇N₃，钐铁磁铁),开发的技术可实现比以前更高的密度和更高的性能我做到了(2024/09/10 新闻稿）。高耐热性和低资源风险利用4435_4469|的优势，未来需要耐热的电动汽车有望开发成高效电机它会完成的。 2022年4月成立的“日本火花塞-AIST碳中和先进无机材料协同研究实验室”是如何增强协同效应并取得这一成果的？追踪其发展轨迹。

具有潜力的下一代磁体和阻碍研究的障碍

　电机是一种利用电流从磁场接收的力来旋转线圈的装置。永磁体是产生强力旋转的重要组成部分（AIST杂志``什么是永磁体？'')。近年来，为了实现碳中和社会，电动汽车和混合动力汽车引起了人们的关注，但永磁体也被用于其他工业设备的电机中。钕磁铁目前应用广泛。

　在 20 世纪 80 年代，钕磁铁是一项革命性的发明，但性能的改进几乎达到了极限。此外，钕磁铁还具有对热敏感的缺点。使用重稀土金属的耐热钕磁铁也在研发中，但重稀土金属很多是海外生产的稀有金属（稀土），其供应始终存在风险。

　世界各地的公司和研究机构正在对后钕磁铁进行研究，这种磁铁比钕磁铁具有更高的性能，具有更高的耐热性，并且不使用稀有金属。

AIST 一直在研究钐铁基磁铁，作为一种有前途的后钕磁铁。理论上，它的矫顽力有可能是钕的三倍以上。

　“我七年前开始在AIST进行研究，但这项研究甚至在那之前就已经取得了进展。我们正在开发制造超细粉末的技术、烧结和硬化粉末的粉末冶金技术以及改变晶体结构的技术。然而，尽管我们尽了各种努力，但我们无法取得任何成果。”AIST多材料研究部门高性能金属材料加工研究小组的研究小组组长平山佑介回忆道。

　只要建立了适合应用的硬化技术和加工技术，大家都认识到后钕磁铁的用处，但这一挑战遇到了人力资源、资金和技术方面的障碍。

去工程化的时代。使电机磁铁成为新的业务支柱

　日本火花塞作为研究合作伙伴出现。该公司是全球领先的陶瓷相关企业之一，在火花塞、汽车发动机等内燃机中点燃空气燃料混合物的装置以及车载氧传感器等领域拥有全球第一的份额。由于我们与汽车行业有密切的联系，我们自然对电动汽车电机产生了兴趣，虽然我们正在进行电机磁体的基础研究，但我们还没有将其商业化。

　该公司科学研究实验室管理办公室的岩崎雅人表示，“尽管我们是世界顶级的点火装置火花塞制造商，但纯发动机汽车在新车销售中的比例正在下降，我们很难满足于现状。现在是改变我们业务组合的好时机。如果你再想一想，磁铁就是电机。”从某种意义上说，它需要高可靠性和耐用性，它是一个与汽油发动机中的火花塞处于相同位置的组件。这是我们应该做的事情。随着世界走向碳中和，我们希望将其作为我们的下一个业务支柱。”

然而，一家公司很难凭一己之力创造出一种新型高性能磁体。日本的研究在磁铁的开发上处于世界领先地位，从大正时代生产的KS钢到目前拥有世界最强磁力的钕磁铁，该产业也具有国际竞争力。尽管不同领域的新进入者存在很高的壁垒，但如果发展成功，作为一项业务，潜力巨大。因此，与拥有领先研究记录的日本产业技术研究院（AIST）进行联合研究对于该公司来说是一个绝佳的机会。人们不仅对钐铁磁体研究中获得的经验和知识寄予厚望，而且对产业技术研究所培育出的用于使陶瓷等粉末凝固的粉末冶金技术也寄予厚望。

　“粉末冶金技术需要苛刻的条件，我被这样的环境的研究所所吸引。我有预感，这将是发展的关键之一。”岩崎回忆道。

“我想把这件事搞清楚”——动机和愿景相匹配

　Wataru Yamaguchi是高性能金属材料工艺研究组的高级研究员，多年来一直致力于粉末冶金技术的开发。

　有添加烧结助剂来控制粉末尺寸、控制颗粒形状、固化粉末的方法，但添加方法有多种。 “我们有方法和独特的专业知识。我想利用多年来积累的知识来开发这项技术。我很高兴有一家公司能够承载我的梦想，”山口说。

　“NGK SPARK PLUG还告诉我们，他们想用钐铁磁铁做一些事情，我们也想用它们做一些事情，而且他们正朝着相同的方向前进。一家拥有如此明确动机和愿景的公司是我们应该合作的公司。AIST“他们委托给我们有才华的年轻研究人员。能够与年轻人作为一个团队进行实验对我们来说是令人兴奋的，而且我也很高兴这可能会导致商业化。AIST的使命是将研究成果应用于社会并缩小与产品的差距，”平山说。

　2022年，双方成立“日本火花塞-产业技术研究院碳中和先进无机材料协同研究实验室”（以下简称“冠名实验室”）并开始联合研究。岩崎将被任命为合作研究实验室主任。

寻找新的辅助合金！一位坚持不懈地继续探索之旅的年轻研究员

　如何增强两者的协同效应？在 NGK SPARK PLUG 工作了七年的关西实验室成员 Yuta Iida 如此说道。

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　目前的钐铁磁体之所以难以烧结，是因为在烧结过程中没有出现“液相”。因此，采用了一种称为固相烧结的方法，但由于这仅涉及将固体烧结在一起，因此需要时间来形成致密结构，而高温烧结是必要条件。然而，钐铁磁体的缺点是在高温烧结时会分解。解决这一困境的唯一方法是在烧结过程中混合其他材料来形成液相。这种混合材料，或者说烧结助剂，起着极其重要的作用。

　「サマリウム鉄系磁石の「动作焼结」というのは、ゲームでいえば「ラスボス」のようなものです」と山口は言う。为了打败必须克服的「最终boss」，双方首先做好了准备他们的策略和阵型。

　目前已知的大多数硬质金属复合材料，例如钕磁体，在烧结过程中会释放出液相，因此它们变得致密，可以作为复合材料进行处理。如果可以进行液相烧结，对于那些想要凝固的人来说会很棒。问题是为此目的找到最好的助剂。我们正在寻找的条件是620“它必须能够在低于30°F的温度下形成液相并促进致密化。很少有因此，我们选择将搜索范围扩大到含有多种元素的合金来进行全面的研究。”Hirayama 回忆道。

产业技术研究所之前的研究在一定程度上缩小了辅助合金的组合范围，但仍然有50多种组合。饭田是深思熟虑过这一点的人。

　我尝试了所有已缩小范围的辅助合金候选者。起初，很难找到好的东西，所以我不断地尝试，一次又一次的尝试，甚至在报道的时候，我也无法表现出好的结果。有时候我觉得我要放弃了。但是，我从一开始就做好了面对困难的准备。由于坚持和不放弃，大约一年后，我发现了一两件事让我想，“就是这样了！”（饭田）

　在寻找烧结助剂来制造最终boss的液相晶体的同时，山口等人关于如何引入助剂的专业知识也被运用到了这个过程中。

　理想情况下，我们希望创造出一种颗粒紧密粘在一起的结构，就像城堡的石墙一样。为了使助剂广泛而均匀地分布，我们通过换手和使用诸如将助剂制成箔状并精细分散等技术进行了多次尝试。”（山口）

　经过对可用作烧结助剂的合金进行反复筛选，发现钡和铜的合金（Ba-Cu合金）是一种有前途的候选材料。钡和铜一样，都是容易获得的金属。当不添加烧结助剂时，烧结磁体中会残留许多空隙，但当使用Ba-Cu合金作为烧结助剂时，在烧结过程中会产生液相，从而显着减少空隙，使磁体变得更致密。这种致密微结构的形成也改善了磁性能。表示物体磁化强度的剩余磁化强度比不加辅助剂时提高10%，最大磁能积（磁铁所能储存的最大磁能）也超过20%。

　从来没有报道称钐铁基磁铁的性能可以通过与它们混合来改善。在这个世界上，即使磁性能提高了百分之几，它也成为一个重要的研究成果。一开始，大家对百分之几的增加感到惊讶，但当我听说这本身就是一个重要的结果时，我逐渐有了一种成就感，意识到看到这样的百分比增加是令人惊奇的。”饭田笑着说道。

通过控制粒子之间的边界进一步提高性能

因此，击败最后一个boss的道路已经变得清晰，钐铁磁铁的致密化阻碍了其潜力的发挥。然而，这只是战斗的开始。

　我们对精细结构观察得越多，我们就越意识到钐铁基磁体仍然具有潜力。目前世界上的磁体研究已经进入“晶界工程”领域，它控制粒子之间的“晶界”，我们希望尽快实现这一目标，并致力于进一步提高性能。”平山在谈到他的研究未来方向时说道。

　在学术会议上公布这一结果后，不仅是产业技术研究院，NGK SPARK PLUG也收到了来自各制造商的咨询。

　钐铁磁铁看似性能不错，但我从未见过它们使用过，但现在我可以看到它们的实际应用。事实上，我收到了很多询问。将来，我将在电机中使用这些磁铁。 “我们希望通过将这种磁铁整合到机动车辆中来向客户推荐，并进一步将其商业化。使用电机（例如无人机）的移动世界正在迅速扩大。这种磁铁也可以充分利用在工业电机中，”岩崎在谈到他的商业化前景时说道。

　这是年轻的饭田回顾他在 Kan Lab 工作的两年。

　皇冠实验室的研究不仅挑战了重复实验的重要性，还挑战了不断理解本质的重要性。我从总是回到机制本质来理解现象的研究方法中学到了很多东西。我想有一天将这种思维方式应用到我公司的研发中。''

　在公司内部的研发中，通常在实验室规模实现性能，但在批量生产阶段不再实现该性能。有很多研究主题需要时间去寻找原因，导致放弃商业化。毕竟，在商业领域，“时间就是金钱”。然而，即使是这条狭窄而困难的道路也可以通过结合每个组织的知识来克服。这就是私营公司和 AIST 研究人员合作追求同一主题的重要性。

　突破了没人认为可以打破的墙壁，钐铁基磁体的研究进入了进一步性能提升和社会实施阶段。两家公司联合研究带来的协同效应，将成为战胜下一个难敌并产生进一步成果的动力。