NMCニュース 42 ニューマテリアルセンター顧問村上陽太郎 1．はじめに従来より硬・軟磁性材料の性能向上のために多数の研究が行われ、最近 451kJ/m3 の最大エネルギー積、（BH）max を持つ Nd-Fe-B 永久磁石が開発され、又軟磁性材料においても、（Fe,Co）80（メタロイド＝ Si,B）20 系が見出されているが、大きなブレークスルーはなかった。近年、新しい調製方法によって、ナノ結晶（粒サイズ＝ 10 ∼ 30nm）が製造されるようになり、新しい磁性材料が研究されている。結晶粒サイズが磁性交換長さ（magnetic exchange length）のオーダーになると、交換結合（exchange coupling）が起こり、等方性硬磁性材料では残留磁化 Jr を高める。一方軟磁性材料では、交換結合により、より低い抗磁力 Hc と低い磁気損失が実現できる。 2．ナノ結晶材料の製造法ナノ結晶材料の製造には、メルト・スピニング、スプラット・クーリングの他急冷凝固による蒸気沈着、アトマイズ法、高エネルギー・ボールミルによるメカニカル・アロイングが用いられ、これらに加えてスパッター法で作られたナノ・サイズの Sm-Co 合金、CoPt 及び FePt 合金が高密度記録メディアに応用されている。ミリング法では最初非晶質粉が作られ、熱処理でナノ結晶が得られる。 3．ナノ結晶硬磁性材料 Jr/Js M（T） r ナノ結晶硬磁 1..4 性材料は、図 1 1..2 に示すように、 R-Fe-B ナノ複合材料焼結材 Sm2Fe17Nxナノ複合材料（BH）max の最高 1..0 Sm-（Co,Fe）ナノ複合材料値を示す希土類 Sm-Co 0..8 磁石に及ばないポンド材が、Nd2Fe14B 磁 0..6 AlNiCo 石の低価格の代 0..4 替材料として市 Nd-Fe-B ポンド材フェライト焼結材場性が考えられ 0..2 る。等方性硬磁 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 H（MA/m） c 性材料において図1 種々の硬磁性材料に関する抗磁力の関数としての残留磁気交換結合が起ると J r を高める。ナノ結晶磁石には、単相 1 と複合材料がある。ナノ total 1 複合材料は硬磁石相と軟磁石相からできている。 α-Fe 0.5 軟磁石相は Jr を高めるた Nd2Fe14B 2 めに硬磁石相よりも高い飽和磁化（Js）を持つ必要がある。Jr のより一層 0 -600 300 0 300 600 の増大は硬磁石相が軟磁 Hext（kA/m）石相を分極することで起図2 Nd2Fe17B50%とα-Fe50％の組成を持つ 10nmの平均粒サイズ仮定した有限要素モこる。ナノ複合磁石の Jr デリングのより大きな増大によっ 4．ナノ結晶軟磁性材料ナノ結晶軟磁性の例として、Fe-Zr-B-Cu（Fe86Zr7Cu1B6）合金がある。非晶質試料の熱処理によって、10 ∼ 20nm の結晶粒を非晶質のマトリックスに埋め込んだ 2 相組織が作られ、高い透磁率、低い抗磁力、比較的高い飽和磁気が得られている。これらの 2 相組織の特性は tailoring ができる。軟磁性挙動及び Hc の粒サイズ依存性は無秩序異方性モデルで議論できる。図 3 にこのモデルを模式的に示す。図中の矢印は局所的な磁化容易軸を示す。このモデルでは、交 Lex 換結合長さ Lex は粒サイズ D よりも大きい。磁気的性質は局所的な磁気−結晶異方性エネルギーに及ぼす強磁性交換相互作用の平均化する効果によって影響を受ける。大きい結晶粒に対しては局所的磁化は局所的容易磁化方向に従い、磁化プロセスは磁気−結晶異方性の平均値で決まる。しかし極めて小さい結晶粒図3 粒サイズD及び磁気交換長さLexを持に対しては磁気交換相互作用力つ無秩序異方性モデルの模式的表示は磁気モーメントの平行配列を強制する。従って、 10000 磁化は個々の結晶粒の磁化容易方向 1000 1/d に従うことはでき Hc 6 100 d ない。有効な異方 Fe Si6.5 （A/m）性は数個の結晶粒 10 にわたって平均さナノ結晶れ、顕著に低下す 1 非晶質パーマロイる。抗磁力及び初 0.1 期透磁率は平均的 1nm 1μm 1mm 粒サイズ d な異方性に密接に関係する。従って図4 種々の軟磁性材料に関する抗磁力Hc対粒サイズdの関係 100 軟磁性は粒サイズを臨界値（D crit ＝ 80 試料A 40nm）より小さく試料B 60 することで、H c は試料C 40 顕著に低下する。図 4 は種々の軟磁 20 性合金の Hc の粒サ 0 イズ依存性を示す。 200 400 0 温度T（℃）ナノ結晶は d 6 に比図5 ナノ結晶“Finmet”型のHcの温度依存性例して減少する。図 5 は“Finemet”型の材料の Hc の温度依存性を示す。300℃以上での Hc の上昇は、300℃近傍に存在する非晶質相の低いキュリー温度によるものと説明されている。ナノ結晶軟磁石“Finemet”はコンピューター用高透磁性コアとして利用されている。 D ナノ結晶硬・軟磁性材料の開発て、（BH）max の増大を生じる。ナノ複合磁石は、構成する 2 相の量比を変えることで、特性の tailoring ができる。図 2 は有限要素モデリングを用いて計算された Nd2Fe14B50％とα-Fe50％の複合磁石の脱磁曲線を示す。両相の性質のほぼ加算された特性が示されている。図中の 1 及び 2 の○印の作用点の磁区構造も求められている。Jr の増大による Jr/Js ＝ 0.73 は非相互作用粒の限界を越えている。現在の処、ナノ結晶磁石の大きな利用はないが、最近“Magnequench” が新しい粉末を開発した。ナノ結晶磁石の長所はイ）低価格、ロ）磁気的特性の tailoring、ハ）磁化プロセスの容易性である。 Hc（A/m）新技術・新素材第8号（7）参考文献：下記より多くを利用させていただいた。深謝する。 R.Grossinger et al. : Properties, Benefits, and Application of Nanocrystalline Structures in Magnetic Materials, Advanced Eng. Mat., 5(2003), No.5, 285 ∼290. 2005年9月号