本文へジャンプ

Press Release

世界初、レアアースレス磁石(強磁性窒化鉄)粉末の単相分離・生成に成功

2011年3月3日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
理事長 村田 成二
NEDOの「希少金属代替材料開発プロジェクト」に取り組んでいる東北大学大学院電子工学専攻の高橋研教授、小川智之助教と戸田工業(株)などの研究グループは、これまで粉末として単相を分離・生成することができなかった強磁性窒化鉄 (*1) を合成する手法を世界で初めて確立しました。 強磁性窒化鉄は、現在最強の磁石とされるネオジム-鉄-ボロン磁石 (*2) の性能を凌駕する可能性のある物質で、この成果によりレアアース(希土類)を使用しない磁石の実現に大きく近づくことになります。
 今後、強磁性窒化鉄の生成機構解明や微細ナノ構造制御などを検討し、より高性能な磁石材料設計を行う予定です。またスケールアップを段階的に進めながら磁石メーカーとの連携を行い、レアアースレス磁石 (*3) ・モーターの実用化検討を進めます。

 なお、このプロジェクトの参加機関は、東北大学、京都大学、千葉工業大学、倉敷芸術科学大学、戸田工業株式会社、帝人株式会社、トヨタ自動車株式会社、(独)物質・材料研究機構、(独)産業技術総合研究所(再委託)、(財) 電気磁気材料研究所(再委託)の10機関です。


(*1)強磁性窒化鉄:純鉄よりも高い飽和磁化、大きな結晶磁気異方性を持っている。鉄と11at%の窒素のみから構成され、基本的にレアアース・レアメタルを含まない。
(*2)ネオジム‐鉄‐ボロン磁石:レアアースであるネオジムを含む磁石。ハイブリッド自動車や電気自動車、洗濯機やエアコンなどの家電製品などパワーが必要なモーターに使用されており、これにジスプロシウムが含まれるものがある。
(*3)レアアースレス磁石:レアアースを必要としないハード磁石。

1.背景

 ハイブリッドカーのモーターやエアコン用モーターなど高性能な磁石材料には、現在希少なレアアースが多く含まれています。レアアースが特定の産出国に偏在することなどにより資源リスクは年々高まっており、レアアースを全く含まない(レアアースレス)新たな代替材料が望まれています。 NEDOは、経済産業省のレアメタル確保戦略の一環として、代替材料開発を担っており、希少金属代替材料開発プロジェクトでは、2009年度から「Nd-Fe-B 系磁石を代替する新規永久磁石の研究 -鉄-窒素系化合物を活用した新規永久磁石材料の開発-」を委託事業として実施しています。

2.強磁性窒化鉄について

 強磁性窒化鉄は、1972年に故・東北大学・高橋實教授がその存在を提唱しましたが、当時は薄膜としては得られたものの、粉末として抽出することはできませんでした。また飽和磁化などの実験データの再現性に乏しく、磁石性能を表わす重要な指標である結晶磁気異方性に関するデータはあリませんでした。近年になって、ナノ粒子合成技術の進歩により、粉末での一部生成確認がなされてはいるものの、強磁性窒化鉄の含有率(生成率)が低く不純物による影響もあり、再現性も含め期待されるような磁気特性は得られていませんでした。

3.成果の特徴

 今回の成果は、鉄化合物の世界トップメーカーである戸田工業(株)が強磁性窒化鉄に最適な原材料を合成し、それを用いて高含有率強磁性窒化鉄が得られる前駆体の合成技術を東北大学が開発したことによって実現した産学連携の成功例です。
 グラムオーダーでの高い作製再現性も確認しています。
 X線回折による結晶構造解析から、窒素原子が歪んだ鉄の結晶構造中で秩序を持って配列していることを意味する超格子回折が多数観察されており、合成した強磁性窒化鉄は図2に示すα”(アルファ・ダブルプライム)型 (*1) の結晶構造であることも確認しております。
 また、飽和磁化値 (*2) は50Kの極低温において230emu/g、室温においても221emu/gを示し、理論値(240emu/g)に迫っています。また、従来のバルク形態純鉄の飽和磁化値220emu/g (50K)および218emu/g (室温)を大きく上回ることからも、その高い含有率を認識できます。
 さらに、ある一定の外部磁場で磁化が反転する様子を詳細に解析した結果、磁石としての特性を左右する結晶磁気異方性定数 (*3) はこれまでの強磁性窒化鉄薄膜形態の実験での最高値である約1x10 7 erg/cm 3 相当になることも確認しています。今回得られた合成手法では、生産性や収率も非常に高く、大気中に取り出しても非常に安定であるため、量産プロセスへの移行も極めて障壁が低く、実用化へ大きな期待を寄せています。



図3. 現行のNd2Fe14B粉末と今回単相分離したα“型窒化鉄粉末の磁気特性。得られた粉末はα”型
窒化鉄薄膜と同等であることが分かる。

4.お問い合わせ先

(本プレスリリースの内容についての問い合わせ先)
国立大学法人東北大学大学院工学研究科電子工学専攻 高橋研究室 TEL:022-795-7042
戸田工業株式会社 創造本部 技術戦略部門 産学官連携グループ 小林斉也 TEL:0827-57-6129
NEDO 電子・材料・ナノテクノロジー部 久保、山田 TEL:044-520-5220

(取材に関する問い合わせ先)
戸田工業株式会社 人事・総務統括本部 宮原幸治 TEL:0827-57-0057
国立大学法人東北大学 未来科学技術共同研究センター 平塚 TEL:022-795-4004

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)
NEDO 広報室 田窪、鈴木 TEL:044-520-5151

【参考】用語解説

(*1)α”(アルファ・ダブルプライム)型
体心立方格子(α型)をなす純鉄の結晶構造において、鉄原子間に窒素原子が入ることで鉄原子配列は歪んだ構造(窒素侵入型化合物)となる。さらに、この歪みを緩和するように体心立方格子8個分を単位構造とした結晶構造内に窒素原子が秩序を持って配置している構造をα”型と呼ぶ。このほか窒素が鉄原子間に無秩序に侵入し、配置するα’(アルファ・プライム)型が存在する。
(*2)飽和磁化
強磁性物質を磁界中に置いて磁界を増加させていくとある磁界以上で磁化が一定となる。この磁化を飽和磁化という。温度の上昇とともに、飽和磁化は減少することが知られている。また、飽和磁化は材料固有の磁気物性値であり、材料が決まると一意に飽和磁化は決まる。
(*3)結晶磁気異方性定数
磁化しやすい結晶軸方向に磁化させるエネルギーと磁化しにくい結晶軸方向に磁化させるエネルギーの差。磁石特性のひとつである保磁力と関連し、この定数が大きければ大きいほど保磁力を大きくすることが可能となる。また、結晶磁気異方性定数は材料固有の磁気物性値であり、材料が決まると一意に結晶磁気異方性定数は決まる。