當我們談論「科技戰」時，腦中往往想到的是半導體晶片，因為它是數位世界的「大腦」，沒有它就不會有人工智慧。但很少人知道，沒有磁性體（magnetic materials），既不能供電，也無法與外界通信，甚至無法驅動馬達旋轉，所謂大腦就只是一個『桶中之腦』而無法起任何作用。

「稀土」除了是半導體元件中必要的微量添加物外，在現代科技世界裡，更重要的是磁鐵是能量與訊號的換能器（Energy Transducer），它不只是零件，而是能源、通訊、國防的隱形命脈。磁鐵幾乎無處不在，它在你手機的喇叭裡，在電動車的馬達裡，在風力發電的渦輪裡，甚至在戰機的導航系統與通信雷達中。稀土磁鐵影響所有會動的物件，也牽動國際關稅談判。

看到「稀土」這名詞覺得是稀有材料，但其實地球上到處都有稀土元素，而且含量不少。主要問題是分布太分散，而且提煉工藝複雜，分離過程污染又大。而且有了稀土礦與提煉工廠，離磁鐵成品還差很遠。特別是釹鐵硼（NdFeB）永磁，從稀土氧化物到磁鐵，要經過冶煉、合金化、粉末冶金、精密成型、表面處理等多道高難度工序，每一步都有技術門檻。這段由稀土變成產品的轉換過程，恰恰如同半導體產業的「從矽礦到晶圓再到晶片」的過程。矽砂隨處可見，但高純度矽晶圓只有少數企業能製造，而稀土到磁鐵的產業鏈也難以複製。磁鐵跟晶圓代工一樣，是整套深度加工與產業鏈的結晶。

很多人知道中國稀土產在包頭，江西與南方幾省，但是很少人知道『中國磁都』在哪？浙江橫店在1978從陝西引進磁生產線後，便成為『中國磁都』。橫店集團磁鐵賺錢後投入巨資打造的橫店影視城後，反而更以「東方好萊塢」為人所知。

2007年時，我擔任臺灣磁性技術協會理事長，曾經帶著臺灣磁性體廠商前往橫店交流，當地的磁鐵公司至少數百家。我在橫店介紹先進技術「自旋電子學」的發展，第二天一早，有位老先生約我共進早餐，希望投資將MRAM做出來。由於那時MRAM尚在初期研發階段，離生產有段距離，因此我告訴他，還需要長時間投資。但可以知道橫店變成今天提供全世界磁鐵的原因，也是由於對經營者對新產業的強烈企圖心。

一、磁鐵的百年跨越

現代的電動機、發電機、通信設備都離開不了磁鐵。磁能積(BH )max代表磁性體在單位體積內儲存的磁能，是磁性體的指標，磁能積值越高，越能小型化與高效率。

過去百年中磁能積的變化大致分為四個世代，然而上一次的突破是在我念博士班的80年代前後，短短30年內，快速推進了三個世代，當時大家都以為很快會出現的五代甚至第六代磁鐵，但是約50年過去了，並未看到更新世代的磁鐵。過去四代磁鐵的發展與特性表可見表1。從鋼鐵起步，跨越到稀土，是人類在材料科學上的最大飛躍之一，但在釹鐵硼之後，似乎碰到天花板，已停滯了40多年。

表1：過去百年的磁鐵發展史

項目

第一代：鋼鐵磁性體（~1900）

第二代：Alnico 合金（1930–1950s）

第三代：鐵氧體磁性體（Ferrite，1950s–1970s）

第四代：稀土永磁性體（1960s–今）

第一代稀土磁石

第二代稀土磁石

第三代稀土磁石

代表材料

碳鋼、鎢鋼

鋁鎳鈷（Alnico）

鋇/鍶鐵氧體（Ba/Sr-ferrite）

SmCo5（釤鈷）：1960 年代問世

Sm2Co17（1970 年代）

NdFeB（釹鐵硼）：1983 年問世

磁能積

僅約 0.1–0.3 MGOe

1–5 MGOe，目前已可以達到10MGOe左右

3–5 MGOe

15–25 MGOe

25-32 MGOe

35–55 MGOe

特徵

廉價，但剩磁低、矯頑力差。

剩磁提升、耐高溫（可到 500℃），但矯頑力仍偏低，容易退磁。

便宜、耐蝕性強、矯頑力高，但磁能積偏低、體積大。

磁能積大幅躍升，體積小、磁力強，但成本高，釹鐵硼耐高溫差，需要表面防蝕。

應用

鐘錶、簡單儀器。

電話機、擴音器、儀表元件。

揚聲器、磁卡、磁控開關。

電動車馬達、風力發電機、硬碟機、軍用雷達、醫療成像。

突破點

主要依靠合金化調整成分，但磁性能受晶粒結構限制，提升空間有限。

透過合金熱處理控制析出相，使晶粒方向性排列，提高剩磁。

氧化物陶瓷工藝，降低成本，滿足大規模民生用途。

稀土元素的 4f 電子提供強大磁矩，與過渡金屬 3d 電子形成複合磁序，加上晶體各向異性設計，性能大幅提升。

1980 年代釹鐵硼問世後，磁能積的曲線就停在55 MGOe附近，過去40多年沒有再出現新材料，原因主要有：

1.      物理極限接近：NdFeB已接近理論磁矩上限，很難再提升。

2.      材料稀缺性：更高性能的磁性體通常需要更多重稀土（Dy、Tb）來提高矯頑力，而更多元素的引入造成材料穩定的複雜度上升。

3.      製程瓶頸：高磁能積磁性體需要精細晶粒控制（~3微米），但奈米結構加工與批量製備成本居高不下。

現在雖然有更多的研究嘗試新型高熵合金、雙相複合磁性體、甚至「無稀土磁性體」，但離工業化還很遠。

目前世界研發著重於減少稀土使用量，主要有：

⬛ 「無稀土磁性體」的方向，例如基於Fe-N、MnBi等非稀土材料，但尚不成熟。

⬛ 降低釹依賴，採用更低成本的Ce、La基的磁性體。

⬛ 利用軟硬雙向的複合奈米磁性體，希望結合軟磁的高殘磁與硬磁的矯頑力，進而形成更大的磁能積，理論上可超越NdFeB的磁能積。

二、為何需要磁鐵才能「推動」地球？

所有的換能器都離不開磁鐵：馬達、發電機、變壓器、通信濾波器這些裝置，本質上都是換能器，在電能、機械能、電磁波訊號之間做轉換。磁鐵提供穩定的磁場源，能夠將各種能量（如電能與機械能等）互相轉換。現代馬達、電機、通信設備全是以磁性體為基礎設計，要取代磁鐵，幾乎是不可能的任務。如圖1，汽車或是手機內的磁鐵數目可能遠遠超過一般人的想像。

圖1：汽車內需要各式大大小小的磁鐵來轉換各種能量。圖片取自https://cn.ktmagnet.com/automotive-magnet/

目前有幾種方式嘗試取代磁鐵的王位，但在工業上很難實現，主要是效率與消耗能量無法與磁鐵競爭。

（1）純電磁方式，例如無永磁性體馬達：以繞線產生電磁場取代磁鐵，例如感應馬達、同步磁阻馬達。這需要更多電流與複雜控制，不但效率與功率密度低，而且更耗能。

（2）靜電馬達：用靜電場（高壓）產生驅動力。但是扭力低，難以放大功率，僅適合微機電系統（MEMS）。

（3）超導體替代：超導線圈能產生超強磁場，理論上可替代稀土磁性體。但需極低溫，高成本且維護複雜，僅在MRI、粒子加速器等少數特殊應用可行。

（4）全新機制：壓電、光學或量子效應作為能量轉換媒介，但目前功率輸出與效率都遠低於磁性體，還在實驗階段。

三、稀土是王中之王

由表1就知道磁能積的快速增加就是因為引入稀土，因為

（1）稀土4f電子的超大磁矩：稀土元素的4f局域化強，自旋與軌道角動量疊加，使得磁矩非常大，可以有效提升飽和磁化強度（Ms），是3d元素（如Fe、Co、Ni）難以比擬的。

（2）巨大的磁晶各向異性（Magnetocrystalline Anisotropy）：磁矩與晶格結構耦合，有極高的各向異性場，磁化方向非常穩定。使得釹鐵硼、釤鈷磁性體擁有極高的矯頑力（Hc）。

（3）4f-3d耦合：稀土（4f）與過渡金屬（3d）電子耦合作用，使磁性材料同時具備強磁矩與高矯頑力，提高磁能積。

目前可以說沒有稀土，就無法同時擁有「強磁矩」與「高矯頑力」兩個特性，而這正是高效能磁鐵的核心需求。稀土是自然的恩賜，也是至今為止，「無稀土磁性體」都無法出現的主因。

四、全球稀土資源分布

「稀土」其實在地殼中的含量並不特別稀少，但有經濟開採規模的礦床非常有限。目前主要分布在中國（約40%），美國以輕稀土為主，也有釹、鑭（約 15%）；澳洲（輕稀土為主，約 15%），緬甸（重稀土）、越南（輕稀土）、印度、巴西、非洲（馬拉威、坦尚尼亞）也有一定儲量，但多數未開發。

有了稀土之後，要從稀土礦做出釹鐵硼磁鐵，必須掌握如表2的高門檻製程。目前美國幾乎沒有完整技術，日本有技術但產能有限，歐洲則主要靠回收。任何地方現在啟動建立完整的磁鐵上中下游供應鏈，估計沒有長時間準備期，都很難提供良率好的產品，這與高階製程的晶體是同樣的硬道理。

表2：高磁能積磁鐵的關鍵製程表

 

關鍵技術一

關鍵技術二

瓶頸

合金熔煉與成分設計

稀土（Nd、Pr）、過渡金屬（Fe、Co）、硼精確比例控制

控制晶體相（Nd₂Fe₁₄B）生成

熔煉過程需極嚴格控氧、控雜質，否則性能大幅下降。

粉末冶金與粒徑控制

將合金粉碎至 3–5 微米超細粉末（靠氫碎化 + 氣流磨）

粉末必須分散，避免團聚。

超細粉末在空氣中極易氧化，需要全封閉惰性氣氛作業，這是大投資且高危險的環節。

定向壓制與燒結

在強磁場下對粉末進行取向壓制，使磁矩方向一致。

真空燒結（>1,000°C）生成緻密磁性體。

高場壓制設備與燒結曲線控制需要專業知識，失敗率高。

表面處理與包覆

釹鐵硼磁性體極易氧化腐蝕，需做 Ni/Cu/Ni 多層電鍍或樹脂封裝。

能控制磁性體性能的專家極少。

電鍍均勻性、附著力需嚴格控制，否則壽命不足。

高溫穩定性調整

在 EV 馬達、風機等高溫應用，必須摻入重稀土鏑 （Dy）、鋱 （Tb） 增加矯頑力，

數十年試錯與大數據積累，形成獨家工藝配方。

需要梯度摻雜與穩定劑設計，技術極複雜。

而即使掌握所有關鍵技術，建設量產線也不是短時間可以完成。冶煉、粉碎、燒結全套產線建設與調試需要約2-3年；品質控制與量產穩定又是2-3年。要達到一線廠的品質等級，恐怕至少需10年以上。目前車用、航太的高性能磁性體，主要是由中科三環、寧波韻升，與日本的TDK、日立金屬等提供。

1992年鄧小平，在南巡中這麼說「中東有石油，中國有稀土」，中國占有最大且品類最齊全的礦藏，尤其在重稀土（Dy、Tb）上幾乎是唯一供應大國。中國掌握目前的稀土磁鐵控制權，主要因為：

（1）資源優勢：內蒙古白雲鄂博是世界最大稀土礦，江西離子型礦提供關鍵的重稀土（Dy、Tb），而這兩種在提升釹鐵硼磁性體的高溫矯頑力中不可或缺。

（2）冶煉與分離能力：稀土開採後需要複雜的化學分離、純化，過程污染大、技術要求高。中國掌握了80-90%的全球稀土分離冶煉能力，即便美國Mountain Pass礦現在重啟，開採的礦石依然要送到中國加工。

（3）完整產業鏈：中國是唯一擁有從開採到高性能磁性體，再到馬達、風機製品完整供應鏈的國家。美、日雖有技術，但多集中在下游應用設計，冶煉與中游產能仍依賴中國。有稀土礦不等於有產產業鏈，這就像到處都有矽，但要做出品質良好的晶圓，再製造電晶體，就不是誰都可以提供的。

（4）成本與環保規制：西方因環保法規嚴格，開採與冶煉成本高昂。中國在 1990-2000年代以低成本擠壓競爭對手，使其他國家逐漸退出市場。目前全球約 80-90%稀土冶煉和85-90%高性能磁性體來自中國。

五、磁鐵的「非紅供應鏈」？

「非紅供應鏈」從實際操作來說極為困難，耗時長，代價大，而且短期絕對無法完成。根據美日澳產業資料，非中國稀土磁性體成本比中國貴2-4倍。目前全球85-90%以上磁鐵來自中國，而替代供應鏈斷層已久，美國多年前雖意識到風險，至今仍一籌莫展。中國現在擁有全球最大儲量、最完整的冶煉體系、最全的產業鏈，特別是在重稀土，幾乎沒有替代來源。這也是為什麼中國在稀土及磁鐵方面，只要對全世界講出「你還沒準備好」，就可以讓大家回到談判桌[1]，而「稀土換晶片」也必將變成未來高科技交易的常規。

高性能磁鐵其實是工藝複雜的深加工產品，但中國長期按照重量計價，當「原材料」而非「關鍵零組件」銷售。這背後的思維可能是用低價擴大市場滲透率，讓全球新能源、電子、軍工必須依賴中國供應。現在開電動車、用5G手機、看MRI醫療成像時，背後都是「中國製造」隱形的磁鐵在支撐運轉。

很多人會困惑，為什麼中國磁鐵不能像台積電晶片一樣，按市場需求價值定價？因為兩者的商業與產業策略定位完全不同。台積電晶片製造是高技術與專利保護，而客戶又高度集中，晶片具有不可替代性，所以可以按市場需求與功能來定價。磁鐵則是保護專利已經過期，必須以低價換市場佔有率。這種壟斷產業鏈來換取利潤的模式，與晶片的賺高利潤的做法明顯不同。

中國也不斷在思考參考晶片模式，將磁鐵從「賣材料」轉向到「賣市場價值」的商業策略，重新進行評估高階磁性體的「新價值」。如果這種轉向確定，國際產業會面臨價格與供應的雙重壓力，甚至會改變新能源、軍工、EV的全球布局。

六、結語：小小磁鐵，轉動世界

地球也就像一個大磁鐵，牽引著小指南針轉動。半導體的晶片是微觀世界的量子現象的產物，磁鐵是宏觀世界中我們唯一能直接感受到的量子現象，兩個都是量子現象，共同打造出現代的所有電機與電子元件。在現代科技產業鏈中，晶片代表「智慧」，磁鐵代表「力量」。晶片是檯面上高科技競爭主軸，磁鐵則是轉動世界的動力來源，兩者缺一不可。晶片的價值意義在技術上永遠要領先，但稀土磁鐵則教會我們，也不要忘了掌握行動必需品。

以後再看見小小磁鐵，一定不可瞧不起它，時時要想到，是它轉動地球，也是能源、通信、國防與經濟的「動力」來源。有詩為證曰：「晶片桶中腦，鐵磁前導行，至今方頓悟，稀土王之王。」

註：作者修正2025-09-14 05:40風傳媒，張慶瑞觀點：小小稀土磁鐵，轉動地球推手，中的表1及部分內容後再轉載發表於校友雙月刊。

參考資料：

[1] China cracks down on foreign companies stockpiling rare earths, Financial Times, Joe Leahy and Ryan McMorrow, Aug 15 2025.

張慶瑞小檔案

1979年畢業於臺大物理學系，1988在加州大學聖地牙哥分校取得物理博士學位，1989年二月進入臺大服務，曾經擔任臺大副校長並代理校長。

張教授從事微磁學數值研究與自旋傳輸機制，已發表280篇以上專業論文並獲得28個專利。他是美國物理學會（APS）與國際工程學會（IEEE）會士。曾擔任亞洲磁性協會理事長，及臺灣磁性協會理事長暨臺灣物理學會理事長。近來曾主持NTU-IBM量子計畫，積極加速培養新興跨領域人才。近期推動量子計算相關研究，應用於新材料、新藥物合成，與財務金融領域，並創建臺灣量子電腦暨資訊科技協會，擔任理事長。於2022年擔任中原大學物理系講座教授並兼任校級量子資訊中心主任。