Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm kết dính nd fe b

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Lời cảm ơn
Để hoàn thành đề tài khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã được sự hướng
dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Hữu Tình.
Đây là lần đầu tiên tôi làm nghiên cứu khoa học nên không tránh khỏi bỡ ngỡ,
thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo
trong khoa và các bạn sinh viên để tôi hoàn thiện bản thân mình hơn nữa. Tôi
xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Hữu Tình đã hướng dẫn tôi hoàn
thành khoá luận tốt nghiệp này.
Hà Nội, tháng 05, năm 2007
Sinh viên:

Trần Phương Nam

1


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Lời cam đoan
Tên tôi là: Trần Phương Nam.
Tôi xin cam đoan với hội đồng bảo vệ khoá luận tốt nghiệp rằng đề tài
khóa luận là kết quả quá trình tôi tự lực nghiên cứu tài liệu và không trùng với
kết quả của tác giả khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

2

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Mục lục
Lời cảm ơn...............................................................................................
Lời cam đoan..............................................................................................
Mở đầu: Lý do chọn đề tài.........................................................................
Mục đích nghiên cứu của đề tài...............................................................
Nhiệm vụ nghiên cứu..............................................................................
Phương pháp nghiên cứu............................................................................
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu................................................................
Nội dung khóa luận.................................................................................
Nội dung:................................................................................................
Chương 1: Tổng quan.............................................................................
Chương 2: Vật liệu từ vô định hình…………………………………….
Chương 3: Công nghệ chế tạo na châm ………………………………..

3


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, đất nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại

hóa đòi hỏi sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật và phát
triển vật liệu đã trở thành vấn đề quan trọng trong phát triển kinh tế. Vì vậy,
việc cung cấp cho sinh viên nói chung và sinh viên nghiên cứu vật lý nói
riêng các kiến thức cơ bản về các loại vật liệu và phương pháp chế tạo là rất
quan trọng.
Chúng ta đã biết rằng từ trước công nguyên con người đã tìm ra vật liệu
từ là nam châm và sử dụng làm kim la bàn để xác định phương hướng. Ngày
nay, con người đã chế tạo được rất nhiều loại vật liệu từ và ứng dụng rộng rãi
vào đời sống và kỹ thuật như: động cơ điện, máy biến thế, máy phát điện,
máy tính, máy ghi âm, điện thoại… Tuy nhiên cuộc sống càng phát triển đòi
hỏi càng phải có thêm những vật liệu từ mới phục vụ cho kỹ thuật, đời sống
và các nhà khoa học vẫn đang ngày đêm tìm tòi những loại vật liệu từ mới.
Trong việc chế tạo vật liệu từ, phương pháp làm nguội nhanh là một
trong các phương pháp được sử dụng rộng rãi và chiếm ưu thế bởi công nghệ
đơn giản, dễ dàng thay đổi thành phần hợp kim, thuận tiện cho việc nghiên
cứu và tìm kiếm hệ hợp kim từ mới.
Bằng phương pháp làm nguội nhanh, người ta có thể chế tạo được cả
vật liệu từ mềm (có lực kháng từ nhỏ) và vật liệu từ cứng (có lực kháng từ
lớn). Điển hình của vật liệu từ mềm bằng phương pháp nguội nhanh là vật
liệu từ Finêmt Fe - Cu - Np - Si - B và điển hình của vật liệu từ cứng được chế
tạo bằng phương pháp nguội nhanh là vật liệu Nanô composite Nd - Fe - B.
Tính chất từ của vật liệu được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh bị ảnh
hưởng rất nhiều bởi tốc độ làm nguội. Các vật liệu nguội nhanh thường bao

4


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

gồm tổ hợp pha cấu trúc và các từ, từ là bằng cách thay đổi điều kiện công
nghệ thì tính chất của vật liệu có thể thay đổi mặc dù thành phần không thay
đổi.
Vật liệu từ cứng là một loại vật liệu được các nhà khoa học quan tâm
nghiên cứu rất nhiều từ trước tới nay và được ứng dụng rộng rãi. Vật liệu từ
cứng dạng tinh thể được ứng dụng phổ biến là Nd2Fe14B chế tạo bằng phương
pháp thiêu kết.
Từ những cơ sở đã trình bày ở trên tôi đã chọn đề tài:
Làm đối tượng nghiên cứu cho bài luận văn tốt nghiệp của mình.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Tìm hiểu tổng quan, thực nghiệm chế tạo, khảo sát cấu trúc và tính
chất từ của hệ hợp kim nguội nhanh nền Nd - Fe - B.
Nâng cao sự hiểu biết về các vấn đề của vật liệu học, một vấn đề quan
trọng của vật lý hiện đại hiện có rất nhiều trong kỹ thuật và đời sống.
Tập dượt thói quen đọc, nghiên cứu các đề tài khoa học, kể cả tài liệu
nước ngoài và khái quát hóa. Đồng thời cũng là tập dượt nghiên cứu khoa
học, một việc làm cần thiết của người giáo viên vật lý.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
Đề tài góp phần tìm hiểu về vật liệu từ mới, về công nghệ chế tạo và cơ
chế tạo lên tính từ cứng của vật liệu từ có cấu trúc vô định hình.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Đọc tài liệu trong và ngoài nước.
- Tìm hiểu các báo cáo khoa học.
5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
5.1. Đối tượng:
Nam châm kết dính Nd - Fe - B.
5.2. Phạm vi nghiên cứu:

5

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

- Lịch sử phát triển của nam châm.
- Công nghệ chế tạo của nam châm Nd - Fe - B.
- ứng dụng của nam châm Nd - Fe - B.
6. Nội dung của khóa luận
Gồm 2 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Thực nghiệm và thảo luận.

6


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Chương 1: Tổng quan
Vật liệu từ bao gồm một tập hợp các loại vật liệu được sử dụng rộng rãi
trong các lĩnh vực khác nhau. Vật liệu từ được sử dụng trong việc phát và
phân phối điện năng, trong hầu hết các thiết bị điện học. Chúng sử dụng để
lưu trữ dữ liệu trong băng video và âm thanh cũng như trong các đĩa của máy
điện toán.
Trong y học, chúng được dùng trong các máy quét cơ thể cũng như
trong một loạt ứng dụng nơi mà chúng được gắn hay cấy vào cơ thể. Thị
trường giải trí cũng dựa trên vật liệu từ trong các ứng dụng như máy tính cá

nhân, máy nghe nhạc, máy truyền hình, các máy điều khiển trò chơi, loa âm
thanh. Thật khó tưởng tượng ra mà không có vật liệu từ thì sẽ ra sao và chúng
ngày càng quan trọng hơn trong sự phát triển của xã hội hiện đại yêu cầu phát
và sử dụng điện hiệu quả phụ thuộc vào các vật liệu từ được cải tiến và vào
các thiết kế. Các xe điện không gây ô nhiễm môi trường dựa trên các động cơ
có hiệu suất cao sử dụng các vật liệu từ tiên tiến. Ngành công nghiệp truyền
thông luôn hướng tới việc truyền dữ liệu nhanh hơn và giảm kích thước của
các thiết bị.
1. 1. Lịch sử của từ học
Từ học có lịch sử từ nhiều thế kỷ trước những quan sát sớm nhất của từ
học có thể coi là của nhiều nhà triết học người Hylạp Thales ở thế kỷ 6 trước
công nguyên. Tuy nhiên phải đến năm 1600 con người mới có những hiểu
biết hiện đại về từ học.
Năm 1600: William Gilbert công bố những thí nghiệm có hệ thống
đầu tiên về từ học trong cuốn “ De Magnete”.

7


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Năm 1819: Oerstead thiết lập một cách tình cờ mối liên hệ giữa từ
học và điện học khi phát hiện ra rằng dòng điện chạy qua một dây dẫn làm
lệch hướng của một chiếc bàn la bàn.
Năm 1825: Sturgeon phát minh ra nam châm điện.
Năm 1880: Warburg tạo ra vòng từ trễ đầu tiên cho sắt.
Năm 1985: Định luật Curie ra đời.
Năm 1905: Langevin lần đầu lý giải về tính nghịch từ và tính thuận

từ
Năm 1906: Weiss đề xuất lý thuyết sắt từ.
Năm 1920: Khoa học vật lý về lĩnh vực từ được phát triển về lý
thuyết về Spin của điện tử và tương tác trao đổi, khởi nguồn của cơ học lượng
tử.
Sự tiến triển của vật liệu từ diễn ra nhanh chóng. Mỗi vật liệu được cải
tiến trước khi được thay thế bằng một vật liệu mới khác. Xu hướng này được
chỉ ra trên hình 1a về sự phát triển của các loại Nam châm vĩnh cửu trong suốt
thế kỷ 20. Biểu đồ cho thấy sự cải thiện về tích số năng lượng cực đại được sử
dụng để biểu hiện cho phẩm chất, nó là một phép đo khả năng của nam châm
sinh công trong một đơn vị thể tích của vật liệu.
Sự giảm kích cỡ của các nam châm được minh họa sinh động trong
hình 1b

8


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Hình 1a: Sự phát triển của các nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20. BHmax
tăng theo hàm mũ, gấp đôi sau mỗi 12 năm.

Hình 1b: Đá nam châm bọc đồng thau, khối ferit và nam châm NdFeB: mỗi
nam châm có cùng một năng lượng từ (~0.4J) và đều có ~70% khối lượng
là sắt, trong khi đó khối lượng của cái sau bé hơn khối lượng của cái trước
1000 lần.

9

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

1.1.1. Đá nam châm
đây là nam châm vĩnh cửu đầu tiên được công nhận, một oxit Fe3O4 có
sẵn trong tự nhiên. Từ trường của đá nam châm là nhỏ tuy nhiên trở kháng đối
với sự khử từ là tương đối lớn.
1.1.2. Thép cacbon từ
vật liệu được phát triển trong thể kỷ 18. các loại thép này thường là hợp
kim với Tungsten và hoặc Crom để tạo liên kết carbide dưới sự xử lý nhiệt
một cách thích hợp, điều này có hiệu quả trong việc ngăn cản sự di chuyển
của vách Domain những nam châm loại này có độ bão hòa từ lớn cao hơn rất
nhiều so với đá nam châm tuy nhiên, chúng dễ bị khử từ do đó cần chế tạo
chúng theo dạng dài để có thể giảm thiểu các trường khử từ.
1.1.3. Các nam châm Alnico (hợp kim trong đó chứa chủ yếu Al, Co, Ni)
Nhóm nam châm được phát triển những năm 1930, chúng là những nam
châm vĩnh cửu hiện đại đầu tiên có độ cứng từ đáng kể so với các loại thép từ
tính có sẵn trước đây. các tính chất của chúng dựa trên hình dạng không đẳng
hướng kết hợp với cấu trúc Nanô 2 pha bao gồm các tinh thể sắt từ hình kim
Fe, Co, trong một ma trận của Al - Ni không có từ tính. Do nhiệt độ Curie của
chúng cao (  8500C ) . Hiện nay chúng vẫn được sử dụng.
1.1.4 các nam châm Cobalt Platinum
Chúng được phát triển trong những năm 1950 những tính chất được cải
thiện của chúng so với Alnico và độ chống mài mòn tốt đã khiến chúng thành
ứng cử viên lý tưởng để sử dụng trong ứng dụng y sinh thời bấy giờ. Tuy
nhiên giá thành của chúng đắt nên chúng không được sử dụng rộng rãi và
những nam châm đất hiếm đã thay thế chúng.

1.1.5 Các nam châm ferrite cứng ( BaFe12O19 hay SrFe12O19)

10


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Chúng là các nam châm kim loại quan trọng trong vài thập kỷ gần đây.
Đó là cấu trúc không đẳng hướng, chúng có độ kháng từ tương đối lớn, tuy
nhiên tích số năng lượng lại nhỏ mặc dù vậy chúng vẫn được sử dụng rộng rãi
vì nguyên liệu thô để chế tạo ra chúng rất dồi dào và chi phí sản xuất lại thấp,
ngoài ra chúng còn thích hợp để sử dụng khi cần những hình dạng phức tạp.
Vì tất cả những lý do đó chúng vẫn là vật liệu từ phổ biến trong hầu hết các
ứng dụng.
1.1.6 Samarium cobalt
Loại nam châm này được phát triển vào những năm 1960 nhóm hợp kim
này chứa Coban, sắt và một nguyên tố đất hiếm nhẹ. Nhiều chất trong nhóm
này có các tính chất từ cứng năng lượng cao, nhưng cho đến nay SnCo 5 là
chất duy nhất có ý nghĩa thương mại. Nhóm này giữ được năng lượng từ
trong nhiều năm nhưng chúng không phổ biến vì giá thành đắt. Những nam
châm loại này có độ ổn nhiệt cao và do đó chúng được sử dụng ở những nơi
mà nam châm phải chịu nhiệt độ cao.
1.1.7 các nam châm Neodymium Ieon Boro
Loại này được sản xuất đầu tiên vào năm 1984 chúng kết hợp một sự từ
hóa bão hòa cao với trở kháng tốt để khử từ. Những nam châm này trở thành
vật liệu được lựa chọn cho những thiết bị cần đến những nam châm năng
lượng cao. Mặc dù có tích số năng lượng cao nhưng những nam châm này có
nhiệt độ cao Curie tương đối nhỏ ( 3120C) do đó chúng không được sử dụng

trong thiết bị có nhiệt độ cao. Cho thêm Co và Dy sẽ cải thiện tính chất nhiệt
nhưng cũng làm tăng chi phí sản xuất. Tuy nhiên điều này không ngăn cản
được chúng sử dụng ngày càng nhiều trên thị trường, đặc biệt là trong các
thiết bị mà sự giảm kích thước là tiêu chuẩn thiết kế quan trọng.
1.1.8. Samarium Iron Nitride

11


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Sự phát triển của những hợp kim này vẫn còn tiếp tục, chúng là những
loại vật liệu mới đầy hứa hẹn cho các ứng dụng nam châm vĩnh cửu nhờ vào
trở kháng cao của chúng đối với sự khử từ, từ tính cao và kháng tăng lên đối
với sự mài mòn và nhiệt độ khi so sánh với Neodymium Ieon Boron.
1.2 Bản chất của từ tính
Chúng ta đều biết những vật liệu từ dùng để làm gì nhưng không phải ai
cũng biết được bản chất hoạt động của chúng. Để hiểu rõ bản chất trước hết
chúng ta phải nắm được mối quan hệ không tách rời giữa điện và từ.
Chúng ta có thể làm ra một nam châm điện đơn giản bằng cách quấn
dây đồng thành dạng một cuộn dây rồi nối dây đó với một bộ pin. Một từ
trường được tạo ra trong một cuộn dây nhưng chúng chỉ có khi có dòng điện
chạy qua cuộn dây.
Một thanh nam châm bình thường không có một mối liên hệ rõ ràng với
dòng điện vậy nó hoạt động như thế nào? Từ trường tạo ra bởi nam châm có
liên quan đến chuyển động và tương tác của các electron của nó, đó là các hạt
mang điện nhỏ chuyện động xung quanh hạt nhân của mỗi nguyên tử. Dòng
điện là dòng chuyển dời của các electron. Dù là trong dây dẫn hay trong một

nguyên tử. Do đó mỗi nguyên tử chính là một nam châm vĩnh cửu. Các
electron chuyển động quanh hạt nhân sinh ra momen từ quỹ đạo của chính nó
được đo bằng đơn vị magneton Bohr (  B ). Ngoài ra còn có mômen từ Spin
liên quan đến chuyện động quay từ chính electron quanh trục của nó, giống
như chuyển động của trái đất ( hình vẽ 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có
momen từ tổng hợp, do các electron được ghép cặp gây ra momen từ được
triệt tiêu bởi các electron bên cạnh nó.

12


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

n
El ectro
t
bi
r
O

Spin

Nuclens

Hình 2: Chuyển động của các electron trong nguyên tử.
Trong một số vật liệu từ những momen từ của một số lượng lớn các
electron xếp thẳng hàng sinh ra một từ trường thống nhất . Từ trường sinh ra
trong vật liệu ( hay bởi một nam châm điện ) có chiều của dòng chảy và bất

kỳ nam châm nào sẽ đều phải chịu một lực có xu hướng sắp xếp chúng theo
hướng của một từ trường ngoài tác dụng lên chúng giống như một kim la
bàn. Những lực này được dùng để điều khiển động cơ điện, sinh ra âm thanh
trong các hệ thống âm, điều khiển âm sắc trong máy chơi CD,....
Do vậy những tương tác giữa từ và điện là yếu tố cơ sở của nhiều thiết
bị mà ngày nay chúng ta sử dụng.
1.3. Các thuật ngữ và đơn vị của từ học
Trong nghiên cứu từ học hiện đang có hai hệ đơn vị được sử dụng làm
hệ mks (metres – kilograms – seconds) được chấp nhận với tư cách là hệ SI
và hệ CGS (centimetres – grams – seconds) còn được biết đến với tên gọi
Gaussian. Hệ CGS được các chuyên gia từ học sử dụng do đó có sự tương
đương về con số giữa cảm ứng từ (B) và từ trường tác dụng (H).

13


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Khi một từ trường được cho tác dụng lên một vật liệu nó phản ứng
bằng cách sinh ra một từ trường đặc trưng bởi độ từ hoá (M). Độ từ hoá là
thước đo của mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu, nhưng cũng có
thể biểu diễn trên một đơn vị khối lượng, khi đố gọi là độ từ hoá riêng (s). Từ
trưòng tác dụng lên vật liệu gọi là từ trường tác dụng (H) và là từ trường tổng
cộng xuất hiện nếu từ trường đó cho tác dụng vào chân không một thông số
quan trọng khác là cảm ứng từ (B), là thông lượng tổng cộng của đường sức
từ trường qua một đơn vị diện tích mặt cắt của vật liệu. B, H, M có quan hệ
diễn tả bởi phương trình (1a) trong hệ SI và phương trình (1b) trong hệ CGS.
B   .(H  M) (1a)

0

B  H  4 .M

(1b)

Trong phương trình 1a, hằng số  là độ từ thẩm của không gian tự do
0
( 4 .107 Hm-1) đó là tỉ lệ B/H trong chân không.
Trong hệ CGS, độ từ thẩm của không gian tự do bằng 1 và do đó nó
không xuất hiện trong phương trình 1b.
Chú ý rằng trong hệ CGS, 4 .M thường được nêu ra như thể nó có đơn
vị Gauss và nó tương đương về mặt số lượng so với H và B.
Một phương trình khác phải xem xét trong phạm vi một này là phương
trình liên quan đến độ cảm từ (  ), phương trình 2, nó có cùng dạng trong cả
2 hệ SI và CGS. Độ cảm từ là một thông số đặc trưng cho vật liệu từ và độ
bền của vật liệu đó trong các hiệu ứng từ.



M
H

(2)

Đôi khi độ cảm từ khối lượng (  m ) được đưa ra và nó có đơn vị là
m3.kg-1 và được tính bằng cách lấy độ cảm ứng từ của vật liệu chia cho mật
độ của nó.

14

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Một thông số khác biểu hiện loại vật liệu từ và độ bền của vật liệu đó
trong các hiệu ứng từ là độ thấm từ của vật liệu (  ) được định nghĩa trong
phương trình 3 ( có cùng dạng trong cả 2 hệ SI và CGS ).



B
H

(3)

Trong hệ SI, độ thấm từ có liên quan đến độ cảm từ như được chỉ ra
trong phương trình 4 và nó có thể viết dưới dạng tích của 0 và độ thấm từ
tương đối (  r ) như trong phương trình 5.

r  c  1

(4)

  0 .r

(5)

Cuối cùng một thông số quan trọng (trong hệ SI) cần biết là độ phân

cực từ (J), còn được gọi là cường độ từ hoá (I). Giá trị này thực tế là độ từ hoá
của một mẫu thể hiẹn bằng một đơn vị Tesla, có thể tính theo phương trình
(6).
J   .M
0

(6)

Đơn vị
Tên đại lượng

Hệ CGS

Hệ thức liên hệ giữa các
Hệ SI

đơn vị trong hai hệ
1G = 10-4T

Cảm ứng từ
(B)

G

T

Cường độ từ

Oe

Am-1

1Oe = 103/ 4  .Am-1

Độ từ hoá (M)

emucm-3

Am-1

1emucm-3 = 103Am-1

Độ từ hoá

emug-1

JT-1kg-1

1emug-1 =1JT-1kg-1

trường( H)

15


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

riêng (s)

Độ cảm từ (  )

emucm-3Oe-1

Dimensionless

1emucm-3Oe-1
= 4.  .Dimensionless

Độ thấm từ
của vật liệu

1Dimensionless
Dimensionless

Hm-1

=4.10-7Hm-1

( )
1.4. Phân loại vật liệu từ
Dựa vào tính chất từ mọi vật liệu có thể được phân loại vào 1 trong 5
nhóm tuỳ thuộc vào độ cảm từ của chúng. Hai loại phổ biến nhất của vật liệu
từ là chất thuận từ và chất nghịch từ. Hai loại tiếp theo dạng nguyên tố tinh
khiết là sắt từ và phản sắt từ. Cuối cùng, các vật liệu từ cũng có thể được phân
loại vào nhóm hợp chất sắt từ dù chúng không được quan sát trong bất cứ
nguyên tố tinh khiết nào nhưng có thể tìm thấy trong các hợp chất, như các
oxit gọi là Ferrite.
1.4.1. Chất nghịch từ
Trong một vật liệu nghịch từ các nguyên tử không có mômen từ khi

không có từ trường tác dụng. Dưới ảnh hưởng của từ trường ngoài (H) các
electron với chuyển động tự quay sẽ điều chỉnh và chuyển động này, với tư
cách là một dạng của dòng điện, sinh ra một sự từ hoá (M) theo hướng ngược
lại với từ trường tác dụng. Mọi vật liệu đều có một hiệu ứng nghịch từ, tuy
nhiên thường có trường hợp là hiệu ứng nghịch từ bị che đậy bởi các hiệu ứng
sắt từ và thuận từ mạnh hơn. Giá trị của độ cảm từ là không phụ thuộc vào
nhịêt độ.
1.4.2. Chất thuận từ
Có nhiều lý thuyết về hiện tượng thuận từ, mỗi lý thuyết lại chỉ đúng
với một chất nhất định. Mô hình Langevin là mô hình đúng với các vật liệu có

16


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

các electron bị địa phương hoá không tương tác, khẳng định rằng mỗi nguyên
tử có một mômen từ định hướng ngẫu nhiên là kết quả của chuyển động nhiệt
hỗn loạn. khi có từ trường ngoài tác dụng nó sẽ sinh ra một sự sắp xếp tương
đối của các mômen này và do đó sinh ra một độ từ hoá nhỏ theo hướng của từ
trường tác dụng. Khi nhiệt độ tăng lên chuyển động nhiệt sẽ hỗn loạn hơn và
do đó sẽ khó khăn hơn để có thể định hướng các mômen, điều đó cũng có
nghĩa là độ cảm từ đã bị giảm xuống. Tính chất này được biết đến với tên gọi
định luật Curie và được biểu diễn bằng phương trình 7, trong đó C là hằng số
của vật liệu và gọi là hằng số Curie.



C
T

(7)

Những vật liệu tuân theo định luật này là những vật liệu trong đó những
mômen từ bị định vị tại những khu vực của nguyên tử hay ion và tại đó không
có sự tương tác giữa những mômen từ ở cạnh nhau. Những muối hiđrate của
các kim loại chuyển tiếp, ví dụ như CuSO4.5H2O là ví dụ của loại này cũng
như các ion kim loại chuyển tiếp có một mômen từ bị bao quanh bởi một số
lượng lớn các ion hay nguyên tử không từ tính, các ion hay nguyên tử này cản
trở tương tác giữa các mômen từ với nhau.
Trên thực tế định luật Curie là trường hợp đặc biệt của định luật tổng
quát hơn, đó là định luật Curie – Weiss (phương trình 8), trong đó có kết hợp
thêm 1 hằng số nhiệt độ (  ) và nhận được từ lý thuyết của Weiss, lý thuyết đề
ra cho các vật liệu sắt từ, lý thuyết này kết hợp tương tác giữa các mômen từ.



C
T 

(8)

Trong phương trình này,  có thể âm, dương hay bằng 0. Rõ ràng khi

 bằng 0 thì định luật Curie – Weiss sẽ trở thành định luật Curie. Khi  khác
không, khi đó có một tương tác giữa các mômen từ ở cạnh nhau và vật liệu

17

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

chỉ là thuận từ ở trên nhiệt độ chuyển tiếp một chút. Nếu  dương thì vật liệu
là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị của  là tương ứng với nhiệt độ
chuyển tiếp (nhiệt độ Curie, Tc). Nếu  là âm thì vật liệu là phản sắt từ ở dưới
nhiệt dộ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN ), tuy nhiên giá trị của  không liên
quan đến TN. Điều quan trọng phải ghi nhớ là phương trình này chỉ đúng khi
vật liệu ở trạng thái sắt từ. Đó cũng là không dúng với nhiều kim loại khi mà
các electron tạo nên các mômen từ không bị địa phương hoá. Tuy nhiên, định
luật này không áp dụng được với một vài kim loại, thí dụ như các đất hiếm,
là nguyên tố có các electron 4f ( các electron gây ra các mômen từ ) có biên
giới gần nhau.
Mô hình Pauli về vật liệu thuận từ là đúng đối với các vật liệu có
electron tự do và tương tác để tạo ra vùng dẫn, điều này đúng với hầu hết các
kim loại thuận từ. Trong mô hình này các electron dẫn về cơ bản được coi là
tự do và dưới một từ trường ngoài sẽ tạo ra một sự mất cân bằng giữa các
electron có spin ngược nhau dẫn tới một sự từ hoá thấp theo hướng của từ
trường tác dụng. Độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ mặc dù vậy cấu trúc của
vùng dẫn có thể bị ảnh hưởng, và do đó sẽ gây ảnh hưởng đến độ cảm từ.
1.4.3. Chất sắt từ
Hiện tượng sắt từ chỉ xảy ra khi mà các nguyên tử được sắp xếp trong
một mạng tinh thể và các mômen từ nguyên tử có thể tương tác để sắp xếp
song song với nhau. Hiệu ứng này được giải thích bằng lý thuyết cổ điển bởi
sự có mặt của trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ, được đặt ra bởi Weiss
năm 1907. Trường này đủ khả năng để từ hoá vật liệu đến bão hoà. Trong cơ
học lượng tử, mô hình Heisenberg về hiện tượng sắt từ mô tả sự sắp xếp song

song của các mômen từ dưới dạng tương tác trao đổi giữa các mômen từ cạnh
nhau .

18


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

Weiss công nhận sự có mặt của các domain từ bên trong khối vật liệu,
đó là những khu vực có các mômen từ được sắp xếp thẳng hàng. Chuyển
động của các domain này sẽ quy định vật liệu đó phản ứng ra sao khi có từ
trường ngoài và kết quả là độ cảm từ là hàm của từ trường tác dụng. Do đó,
các vật liệu sắt từ thường được so sánh về mặt độ từ bão hoà (độ từ hoá khi
mọi domain được xếp thẳng hàng) hơn là so sánh về độ cảm từ.
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố chỉ có Fe, Co và Ni là sắt từ ở tại
và trên nhiệt độ phòng. Khi các vật liệu sắt từ bị nung nóng làm cho chuyển
động nhiệt hỗn loạn hơn, điều này có nghĩa là mức độ sắp xếp của các mômen
từ nguyên tử sẽ giảm và do đó độ từ hoá bão hoà cũng giảm theo. Cuối cùng
chuyển động nhiệt trở lên quá lớn và vật liệu trở thành thuận từ ; nhiệt độ của
sự chuyển pha này là nhiệt độ Curie, Tc ( Fe: Tc = 7700C, Co: Tc = 11310C và
Ni: Tc = 3580C) ở trên Tc độ cảm từ biến thiên tuân theo định luật Curie –
Weiss.
1.4.4. Chất phản sắt từ
Trong bảng tuần hoàn, nguyên tố duy nhất thể hiện tính chất phản sắt từ
ở nhiệt độ phòng là chromium. Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật
liệu sắt từ nhưng tương tác trao đổi giữa các nguyên tử cạnh nhau gây ra sự
sắp xếp song song của các nguyên tử trong một vài vùng tinh thể và sự đối
song trong các vùng khác. Vật liệu bị phân chia thành các domain từ, giống

như 1 vật liệu sắt từ và tính chất của nó cũng rất giống, Dù hợp chất sắt từ
thường có độ từ hoá nhỏ hơn. Thí dụ trong Bariumferrite (BaO.6Fe2O3) một ô
đơn vị chứa 64 ion trong đó các ion Barium và Oxygen không có mômen từ,
16 ion Fe

3+

có các mô men sắp xếp song song và 8 ion Fe

3+

sắp xếp đối song

tạo ra một độ từ hóa tổng hợp song song với từ trường tác dụng, nhưng có độ
lớn tương đối nhỏ chỉ bằng 1/8 của các ion góp phần tạo nên độ từ hoá của vật
liệu.

19


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

1.4.5 Các vật liệu từ cứng
Các vật liệu từ cứng còn gọi là nam châm vĩnh cửu, là các vật liệu từ
giữ lại được từ tính của chúng sau khi bị từ hoá. Về mặt thực tế, điều này có
nghĩa là các vật liệu có có sức kháng từ nội lớn hơn 10 kAm-1.
Người ta đã chứng minh rằng nam châm vĩnh cửu đã được dùng cho la
bàn bởi người Trung Hoa khoảng 2500 năm trước Công nguyên. Tuy nhiên,

chỉ đến đầu thế kỷ 20 thép cacbon cao và những thép chứa
tungsten/chromium mới thay thế các đá châm vốn là vật liệu nam châm vĩnh
cửu tốt nhất. Những nam châm này là những nam châm vĩnh cửu do sự ghim
chặt các vách domain bởi sự đặt sai vị trí và sự gộp. Chuyển động của sự định
vị sai trong một vật liệu thường bị cản trở bởi cùng những nhân tố ảnh hưởng
đến chuyển động của các vách domain và hậu quả là những thép này thường
có đặc tính cơ học cứng và là nguồn gốc của ngữ từ cứng. Những nam châm
này có tích số năng lượng xấp xỉ 80 Jm-3.
Vật liệu từ và vật liệu từ nano
Các loại vật liệu từ cứng:
Alnico
Các ferrite cứng
Loại SmCo
Loại NdFeB
1.4.5.1. Alnico
Trong quá trình phát triển của các nam châm vĩnh cửu cải tiến đầu tiên
đối với thép là vào đầu những năm 1930 với sự khám phá ra nhóm hợp kim
được gọi là những hợp kim Alnico. Những hợp kim này dựa trên những yếu
tố chính là: NicKel, Cobalt, và sắt và số lượng nhỏ nhôm, đồng, và titan (
thường có phần trăm khối lượng là Fe – 35, Co – 35, Ni – 15, Al – 7, Cu – 4,
Ti – 4). Việc xử lí và tổng hợp hợp kim được phát triển qua nhiều năm và

20


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

những tính chất đạt đến tối ưu vào năm 1956 với sự tạo thành Alnico chín

hình trụ bất đẳng hướng, nó có tích số năng lượng vào khoảng  80 kJm-3 .
Ngày nay những hợp kim này vẫn được sử dụng bởi vì chúng có nhiệt độ
Curie cao(  8500C), và kết quả là nó có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn
cũng như có nhiều tính chất ổn định ở xung quanh nhiệt độ phòng hơn một
vài hợp kim hiện đại. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chúng là chúng có
sức kháng từ nội nhỏ(  50kAm-1 ) và kết quả là chúng phải được chế tạo hình
móng ngựa hay ở dạng hình trụ dài và mỏng, với hình dạng này chúng không
thể hoạt động trong nhữngtrường khử từ tương đối lớn . Những nam châm
này có thể được thiêu kết hoặc đúc trực tiếp và sau đó được tôi trong từ
trường. Chu trình xử lí này sẽ phát triển một vi cấu trúc được định hướng nó
chứa các thanh Fe - Co (a’) từ tính lớn trong một ma trận của Ni - Al (a) từ
tính yếu. Sức kháng từ nhận được từ các thanh của pha (a’) sinh ra tính bất
đẳng hướng hình dạng dọc theo sự từ tính yếu của pha (a) ghim chặt các vách
domain.
1.4.5.2. Các ferrite cứng
Sự cải tiến tiếp theo trong sự phát triển của các nam châm vĩnh cửu
diễn ra vào những năm 1950 với sự ra đời của các ferrite sáu cạnh cứng
thường gọi là các vật liệu gồm những vật liệu này là các hợp chất sắt từ và
được tính đến tỉ lệ của sắt trong vật liệu có một độ từ dư khá nhỏ (  400mT ).
Tuy nhiên sức kháng từ của những nam châm này (  250kAm-1 ) là lớn hơn
nhiều do các vật liệu trước đó. Độ từ dư nhỏ có nghĩa là tích số năng lượng
cực đại chỉ khoảng  40kJm-3.
Trên pha loại Sm2Co17, được làm giàu bởi Fe và biên giới ô chứa một
lớp của pha loại SmCo5, được làm giàu bởi Co. các tính chất từ nội của các ô
và các biên giới ô biến thiên làm cho năng lượng vách domain từ giảm mạnh
bên trong ô và do đó nó ghim chặt các vách domain, điều này dẫn tới các tính

21

Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

chất từ vĩnh cửu. Hiện nay người ta vẫn dùng nhiều loại vật liệu này bởi vì
chúng có ưu thế hoạt động tại nhiệt cao (  5000C)
Vấn đề chính đối với các nam châm Sm/Co là giá của vật liệu thô đắt.
Samarium hiếm hơn nhiều so với các nguyên tố đất hiếm nhẹ khác như La,
Ce, Pr, Nd. Cobalt được phân loại như là một kim loại có tầm quan trọng
chiến lược mà do đó lượng bán ra của chúng hạn chế.
NdFeB: Từ những năm 1988 người ta đã nghiên cứu chế tạo loại nam
châm này. Tồn tại ba cách chế tạo nam chính là hợp kim đúc, thiêu kết và kết
dính. Hợp kim đúc đổ khuôn theo kích thước, hình dạng rồi xử lí nhiệt trong
từ trường sau đó cắt bằng tia lửa điện theo hình dạng yêu cầu, chúng ta sẽ
được nam châm dị hướng. Hợp kim thiêu kết là sau khi nấu đúc hoặc phun
hạt, chúng ta phải tạo hạt với kích thước nhỏ, mịn. Sau khi ép thành hình dạng
theo yêu cầu, mẫu phải được thiêu kết ở nhiệt độ cao mới được sản phẩm đề
ra. Còn nam châm kết dính, nguyên tắc chỉ là bột mịn trộn keo (Composite)
theo hình dạng cho trước rồi ép chặt, chúng ta sẽ thu được mẫu như ý muốn.
Khi muốn có nam châm kết dính nguội nhanh, chúng ta cần tuân thủ
theo quy trình công nghệ sẽ trình bày trong phần dưới, chủ yếu phải tạo được
bột từ băng vô định hình, sau đó xử lí nhiệt để vi kết tinh rồi nghiền tạo bột
mịn. Khi đã có bột đúng kích thước, trộn keo rồi ép tạo hình. Ta sẽ thu được
nam châm theo yêu cầu.
1.4.6. Công nghệ nguội nhanh
Khi hợp kim nóng chảy, chúng ta cho nguội thật nhanh với tốc độ 1
triệu độ trong 1 giây, ta sẽ thu được những vật liệu có thành phần như ý muốn
nhưng chưa kết tinh, người ta gọi những vật liệu này là những vật liệu vô định
hình hay kim loại thuỷ tinh. Công nghệ này có thể dùng cho vật liệu từ mềm
cũng như vật liệu từ cứng. rất nhiều tính chất đặc biệt của vật liệu được phát

hiện khi chúng ta sử dụng công nghệ nguội nhanh này. Tại Việt Nam đã 15

22


Khoá luận tốt nghiệp

Trần Phương Nam

năm nghiên cứu nhiều vật liệu và những ứng dụng thực tiễn đã khẳng định
tính khoa học của quy trình công nghệ với việc chủ đông nguyên liệu vật liệu
tiêu hao chủ động sửa chữa mọi hỏng hóc... Dưới đây là sơ đồ công nghệ
nguội nhanh chế tạo vật liệu vô định hình và nanô. Chúng ta có thể khống
chế được độ dày của băng, thành phần hợp kim và độ rộng băng. Sau khi xử lí
nhiệt ở nhiệt độ hợp lí, ta sẽ thu được những băng có vi cấu trúc tinh thể có
kích thước nanomet, ta gọi là vật liệu nano.
1.4.7.Công nghệ chế tạo chế tạo nam châm kết dính đất hiếm nguội
nhanh NdFeB
Trên cơ sở công nghệ nguội nhanh, chúng ta có thể chế tạo được băng
vô định hình NdFeB sau khi xử lí nhiệt ở nhiệt độ chuyển pha của hợp kim, ta
cho băng vào nghiền mịn tới độ hạt phù hợp. Bột đã được nghiền mịn sẽ được
trộn với keo dính đặc biệt để vật liệu được polime hoá ở nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ phòng. Sau khi trộn kết dính bột được đưa vào khuôn và được ép với
áp lực cao. Bán sản phẩm sau khi ép được nung lên nhiệt độ cao cho trước để
polime hoá chất kết dính. Sau khi qua kết dính, sản phẩm đã là những viên
nam châm và đựơc đưa đi nam từ nam châm điện xung sau khi kiểm tra chất
lượng có thể xuất xưởng.

23

Khoỏ lun tt nghip

Trn Phng Nam

Nấu luyện trong chân không
nghiền mịn A
Bột NdFeB B
Kết dính

Nghiền, trộn vỡ i kết dính

Magnequench

ép đẳng hư ỡ ng
éP địn g h ìn h

ép dịhư ỡ ng

Nam châm điện

Máy ép
ủ polimer nhiệt độ thấp
Tủ sấy

Nạp từ

Nam châm điện xung

Tesla

Meter

Đ o lư ờng kiểm tra

Sản phẩm: Nam châm kết
dính Z nguội nhanh _
Magnequench

Sơn phủ

Hỡnh 5 : S d cụng ngh ngui nhanh : ch to vt liu t vụ nh hỡnh v
nano (c vt liu t mm v t cng )

24


Khoỏ lun tt nghip

Trn Phng Nam

Má y phá t
tần số
20KVA - 150KHz
Đ iện
nư ỡ c
Đ iều
khiển

Má y
nguội

Tá i

Vật

kết

liệu

tinh

nano

nhanh
đơn trục

Kiểm

Bă ng
VĐ H

Chếtạ o
vòi phun

Vòi phun

Sản
phẩm
Z

tra
chất
lư ợ ng

Nguyên liệu
trung gian

Nấu nguyên liệu
ban đầu:

Cuốn ủ

Cắt

Fe, Si, Fe - B A

Lõi

Nam

dẫn

châm

từ

kết

f~100

dính

KHz

nano

Sensơ
từ
trở
khổng
lồ

Nhiều
ứng
dụng
khá c

Hỡnh 6: cụng ngh ch to nam chõm kt dớnh ngui nhanh

25