强力磁铁是怎样制造出来的？
从佐川博士研发出钕磁铁至今已经过了三十多年，现在，通过原料的组合条件及结构细微化等各种改进手段来提高磁铁性能的研究仍在进行。怎样进行改进的呢？首先看钕磁铁的制造方法。
钕磁铁主要由钕、铁、硼元素制造而成。将这些原料混合，使其熔化，通过真空加压做成金属铸锭。然后使用“气流粉碎机”等设备将金属锭粉碎成几微米的粒子。
这些粒子有容易被磁化的方向（易磁化方向）和难以被磁化的方向（难磁化方向）。要制造具有强大磁力的磁铁，需要把这些方向统一。为此，施加外部磁场使粒子的方向统一、压实。经过这道工序后，就形成了易磁化方向统一的生压胚。然后，将该生压胚放入约1000℃的高温加热烧结，这样就形成了高密度的烧结磁铁。
在这个过程中，烧结磁铁中分割为许多磁畴，磁铁无法对外显示磁力。从外部对该烧结磁铁加以强大的磁场后，磁铁内部的磁畴才能够瓦解并重新排列，从而形成强力磁铁。这道工艺叫做“磁化”。这样，磁铁就制造出来了。
也就是说，钕磁铁不是一个大的固体块状物，而是许多极小的孤立晶粒的集合体。而且，相邻的晶粒之间被富含钕元素的“富钕相”层分割开。
钕磁铁晶体中的原子配置
图为钕磁铁晶体中的原子分布。如图所示，钕磁铁的晶体是按照2个钕原子、14个铁原子、1个硼原子的比例排列构成。铁是强大磁力的来源。钕元素可以固定铁原子，阻止原子磁性逆转。硼元素通过与铁原子的结合，可以增强磁力。
钕磁铁不耐热
目前，钕磁铁是磁力最强的磁铁，但它有一个很大的缺陷：不耐热。
所有的磁铁在温度升高的情况下磁力都会减弱。这是因为，升温后磁铁内原子的振动变得剧烈，原本一致的磁性原子中有一部分取向出现反转（磁化反转）。结果造成了磁力减弱。磁化方向反转的磁畴叫做“逆磁畴”。在各种磁铁中，钕磁铁尤其不耐高温，在200℃左右的环境中就会基本失去矫顽力。
解决这个问题非常重要。因为在电动汽车或混合动力汽车的电机中，钕磁铁不可或缺，但电机温度升高后，钕磁铁就会失去作用。为了解决这个问题，在制造高温环境下使用的钕磁铁时，加入“镝”元素代替钕元素。这样，磁铁的耐热性会有所提升。
但增加镝元素之后还存在可能会导致磁力减弱的缺点。也就是说，提高耐热性要以牺牲磁力为代价。鉴于此，需要开发不使用镝元素也可以在高温下使用，且矫顽力大的钕磁铁。
改良磁铁性能的两种方法
那么，如何才能制造出耐热（矫顽力大）的磁铁呢？在此发挥重要作用的是晶粒间的“富钕相”。其原因在于，导致磁力下降的逆磁畴是晶粒表面的细微缺陷（原子排列紊乱等）所引起的，而能够防止晶粒表面缺陷，抑制逆磁畴发生的，正是富钕相。
因此，使晶粒表面不易发生逆磁畴现象的方法如下：缩小晶粒的大小，让逆磁畴的“芽”难以形成；让富钕相均等，从而使得相邻的晶粒完全孤立。
通过晶粒的细微化，提高矫顽力
首先，我们来看如何通过晶粒的细微化来提高矫顽力。
以往的研究已表明，晶体粉碎得细小时，矫顽力会升高。但当晶粒径小于3微米时，因某种原因矫顽力会达到上限。
最近的研究发现，矫顽力达到上限的原因是使用气流粉碎机进行粉碎作业时，钕元素遇到氧气被氧化。要想缩小晶粒尺寸，不仅要花费较长的时间进行粉碎作业，在此期间，钕元素还会发生氧化。因此，为了减少氧化，需要缩短气流粉碎机的加工时间。为此，佐川博士改进了气流粉碎机装置，通过改变使用的燃气种类，缩短了粉碎加工的时间。于是到2010年，在钕元素不被氧化的情况下成功加工出了晶体粒径为1微米左右的微粒子。用这些微粒子制造的磁铁，其矫顽力是以前磁铁的1.5倍。
从原子水平解析晶体，制造最强磁铁
接下来，我们来看如何提高富钕相的性能。日本物质与材料研究机构的宝野和博研究员的团队使用一种能从原子水平观察磁铁构成元素的被称为“激光辅助三次元探测器”的设备（和电子显微镜），对富钕相的状态进行了分析。通过原子水平的观察已得知，以前只是单纯统称的富钕相层也分为各种原子组成的不同种类，同时明确了晶体之间形成怎样的层可以提高磁铁的性能等。
例如，经验得知，在熔化阶段加入微量的铜原子会提高矫顽力。但是，其原理尚未知晓。然而，使用激光辅助三次元探测器明白了以下事项：加入铜元素后，晶粒之间会形成铜层，相邻晶粒间的磁性结合会变弱，从而提高了矫顽力。
而且，宝野研究员利用该研究成果，于2014年通过“液体速冷法”制作的钕磁铁的矫顽力陡升。所谓“液体速冷法”是指，将熔化的金属喷到靠水冷却的金属转盘上，使其迅速冷却、压实。使用该方法，200微米左右的大颗粒中就会包含许多50纳米的微粒。然后将这些粒子压实塑型，就能形成具有横向250纳米、纵向80纳米的超微细晶粒的磁铁。这种磁铁被称为“热加工磁铁”。从原理上讲，该方法制造晶粒的过程不会接触氧气，无需担心被氧化，因此可能会制造出矫顽力大的磁铁。
然而，把这种磁铁放到显微镜下观察会发现，几乎没有富钕相，粒子之间太过拥挤。因此，宝野研究员在热加工磁铁中加入了熔化的钕元素与铜元素的合金，在粒子之间形成了钕铜层。已经判明，这样的磁铁的矫顽力会提升。
但是，这种磁铁有一个缺点，加入钕铜合金后体积会膨胀，因而磁通密度低。为了防止这个缺陷，紧密压实使其不膨胀，在此基础上再加入钕铜合金。于是，富钕相的厚度适度变薄，这样就成功制造出了晶体紧密的磁铁。
与加入镝元素的钕磁铁相比，这种磁铁的性能在室温环境下磁力略差，但在200℃的高温环境下基本没有差距。也就是说，成功创造出了无镝元素仍耐高温的磁铁。
立足长远，探索崭新的磁铁材料
如上所述，历史上最强的钕磁铁还在不断改进。那么，今后能否出现性能超过钕磁铁的磁铁呢？日本东北大学研究钕磁铁特性的杉本于教授做了如下回答。
“今后钕磁铁仍是磁铁材料的主流，这一点没有疑问。但同时也不能排除完全异于钕磁铁的新型磁铁出现的可能性。现在，使用电子理论与计算科学进行磁性材料的开发正在广泛开展，各种化合物的研究也在不断进行。我认为，我们需要一方面研究提高钕磁铁的性能，另一方面更要从长远的角度上研究探索新的磁性材料。”
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