nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B kháng từ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
--------------------------

PHẠM THỊ THANH

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NAM CHÂM
THIÊU KẾT Nd-Fe-B CÓ LỰC KHÁNG TỪ CAO

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
Mã số: 62.44.01.23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2017


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn

i

Lời cam đoan

ii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

iii

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

v

Danh mục các bảng

xiii

MỞ ĐẦU........................................................................................................

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B........

6

1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B...............................

6

1.2. Cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B......................

9

1.2.1. Cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B...................................

9

1.2.2. Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.............................

12

1.3. Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B………………

13

1.3.1. Cơ chế đảo từ……………………………………………………

13

1.3.2. Lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B.......................................

17

1.3.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ…………………………

20

1.4. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B...................................

21

1.4.1. Chế tạo hợp kim ban đầu..............................................................

23

1.4.2. Nghiền hợp kim............................................................................

24

1.4.3. Ép tạo viên nam châm trong từ trường.........................................

27

1.4.4. Thiêu kết.......................................................................................

28

1.4.5. Xử lý nhiệt....................................................................................

30

1.4.6. Gia công mẫu và nạp từ................................................................

31

1.5. Các yếu tố ảnh hưởng lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu
kết Nd-Fe-B…………………………………………………………….

31

1.5.1. Ảnh hưởng của điều kiện công nghệ............................................

31

1.5.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố pha thêm.......................................

39

1.6. Tình hình chế tạo và sử dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới
và trong nước…………………………………………………………….

43


Kết luận chương 1.........................................................................................

47

Chương 2. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM.................................................

48

2.1. Chế tạo mẫu...............................................................................................

48

2.1.1. Quy trình và thiết bị chế tạo nam châm thiêu kết………………

48

2.1.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu..........................................................

50

2.1.3. Chế tạo các hợp chất pha thêm....................................................

52

2.2. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc.....................................................

54

2.2.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X..........................................................

54

2.2.2. Phương pháp hiển vi điện tử.........................................................

55

2.2.3. Phương pháp hiển vi quang học…………………………………

58

2.3. Phép đo tính chất từ trên hệ đo từ trường xung...........................................

58

Kết luận chương 2.....................................................................................................

61

Chương 3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CÔNG NGHỆ LÊN CẤU
TRÚC VÀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU KẾT
Nd-Fe-B..................................................................................................

62

3.1. Ảnh hưởng của nồng độ đất hiếm lên tính chất từ của nam châm………

62

3.2. Ảnh hưởng của quá trình luyện kim lên sự tạo pha Nd2Fe14B…………..

65

3.3. Ảnh hưởng của quá trình nghiền lên sự tạo pha Nd2Fe14B và kích thước
hạt………………………………………………………………………..

69

3.4. Ảnh hưởng của chế độ thiêu kết lên cấu trúc và tính chất từ của
nam châm………………………………………………………………..

75

3.5. Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến tính chất từ………………………

84

3.6. Ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt lên cấu trúc và tính chất từ của
nam châm………………………………………………………………..

86

Kết luận chương 3..........................................................................................

99

Chương 4. NÂNG CAO LỰC KHÁNG TỪ CỦA NAM CHÂM THIÊU
KẾT Nd-Fe-B BẰNG CÁCH PHA TẠP VÀO BIÊN HẠT.....

101

4.1. Cấu trúc và kích thước hạt của bột các hợp chất pha thêm……………

102

4.2. Ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm lên tính chất từ của nam châm..

106

4.3. Mối quan hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm pha tạp………

111

Kết luận chương 4..........................................................................................

123


KẾT LUẬN CHUNG.....................................................................................

125

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN......

127

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................

129


MỞ ĐẦU
Vật liệu công nghệ nói chung và vật liệu từ nói riêng có ý nghĩa quan trọng
trong cuộc sống loài người. Chúng rất đa dạng, phong phú và không ngừng được
nghiên cứu để hoàn thiện hơn. Trong xu thế phát triển chung đó thì các vật liệu từ
cứng (VLTC), cùng với sản phẩm ứng dụng của nó là nam châm vĩnh cửu (NCVC)
đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế từ các thiết bị quen thuộc không thể thiếu
trong cuộc sống hằng ngày như động cơ điện, máy phát điện... cho đến các thiết bị
trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại như máy tính, máy chụp cộng hưởng từ...
Bắt đầu từ thế kỷ XX, các NCVC đã được chế tạo và ứng dụng rất nhiều.
Công nghệ chế tạo các nam châm này không ngừng được nghiên cứu để nâng cao
các thông số từ cứng đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế [34, 113]. Tích năng lượng
cực đại (BH)max, đặc trưng cho sự tích trữ năng lượng từ, là một thông số quan trọng
để đánh giá phẩm chất của nam châm. Trong suốt giai đoạn đầu của thế kỷ này,
(BH)max chỉ vào cỡ 1 MGOe cho thép kỹ thuật (Fe-C, Fe-W…). Sau đó, (BH)max
tăng lên  5 MGOe cho hợp kim Alnico (Fe-Al-Ni-Co) và ferit từ cứng
(BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3) [34]. Nửa sau của thế kỷ, (BH)max tăng vọt tới  30
MGOe cho nam châm đất hiếm Sm-Co [15, 37] và cuối cùng (BH)max đạt giá trị 
59 MGOe với nam châm đất hiếm Nd-Fe-B [76]. Với tính chất từ rất tốt, nam châm
Nd-Fe-B đã góp phần quan trọng vào sự thu nhỏ kích thước của thiết bị và cải thiện
các đặc tính về công suất và hiệu suất.
Ngày nay, sự phát triển của ngành công nghệ hiện đại đã dẫn đến nhu cầu về

các loại NCVC chất lượng cao tăng lên đáng kể. Đặc biệt là nhu cầu sử dụng nam
châm thiêu kết Nd-Fe-B trong động cơ của xe điện, lai điện, máy phát điện năng
lượng gió... bởi các thiết bị này đòi hỏi phải có mômen khởi động cao, có dải tốc độ
hoạt động rộng và tiết kiệm được điện năng. Việc sản xuất nam châm thiêu kết NdFe-B liên tục tăng, từ 6 nghìn tấn năm 1996 lên 63 nghìn tấn trong năm 2008 [39], và
dự đoán về sản lượng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trên thế giới sẽ đạt đến 160 nghìn
tấn vào năm 2020 [103]. Tuy nhiên, nhiệt độ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong

1


động cơ, máy phát điện khi hoạt động thường tăng cao ( 200°C). Khi nhiệt độ tăng
lực kháng từ của nam châm bị suy giảm nhanh do sự khử từ nhiệt dẫn đến công suất
và hiệu suất của thiết bị giảm. Lực kháng từ ~ 8 kOe ở ~ 200°C hoặc ~ 25 kOe ở
nhiệt độ phòng là yêu cầu cần thiết để đáp ứng các ứng dụng này. Mặc dù trường dị
hướng theo lý thuyết của pha Nd2Fe14B là ~ 75 kOe [113], nhưng do trong nam
châm luôn tồn tại các khuyết tật với trường dị hướng từ tinh thể thấp dẫn đến sự
giảm lực kháng từ đến giá trị ~ 12 kOe, chỉ bằng 15% trường dị hướng của pha
Nd2Fe14B [69]. Một cách đơn giản để tăng lực kháng từ là tăng dị hướng từ tinh thể
của pha Nd2Fe14B bằng cách thay một phần Nd bởi Dy do sự hình thành của pha
(Nd,Dy)2Fe14B có dị hướng từ tinh thể lớn ~ 278 kOe [113]. Tuy nhiên, lượng Dy
trong tự nhiên chỉ bằng cỡ 10% của Nd và giá thành cũng đắt hơn rất nhiều (gấp
khoảng 4 lần). Điều này có thể dẫn đến một cuộc khủng hoảng nguồn cung cấp
nguyên liệu thô nếu nam châm không chứa hoặc chứa lượng nhỏ Dy không được
phát triển. Do đó, một số nhà khoa học đang tìm cách nâng cao chất lượng của nam
châm thiêu kết Nd-Fe-B mà không sử dụng hoặc sử dụng lượng nhỏ các nguyên tố
đất hiếm nặng. Nhìn chung có hai hướng nghiên cứu chính để nâng cao lực kháng
từ cho nam châm Nd-Fe-B. Một là bổ sung vào thành phần hợp kim một số nguyên
tố khác ngoài các thành phần chính là Nd, Fe và B nhằm thay đổi các tính chất của
vật liệu như lực kháng từ, nhiệt độ Curie... [16, 61, 65, 66, 70, 139, 140]. Hai là
nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện công nghệ để tạo ra vi cấu trúc tối ưu như khống chế

kích thước hạt, tạo được pha biên hạt thích hợp… [11, 68, 72, 91, 92, 94].
Ở Việt Nam, ngay sau khi phát minh vật liệu từ Nd-Fe-B được công bố, nó
đã được các phòng thí nghiệm quan tâm nghiên cứu về thành phần hoá học cũng
như các đặc điểm công nghệ. Điều này được thể hiện qua nhiều báo cáo tại các hội
nghị và trên các tạp chí của nhiều nhóm tác giả như nhóm nghiên cứu ở Đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học vật liệu... Tuy
nhiên, các kết quả nghiên cứu chủ yếu thu được trên nam châm kết dính. Còn với
nam châm thiêu kết Nd-Fe-B, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào cấu
trúc và tính chất của vật liệu mà chưa có nhiều nghiên cứu về công nghệ [4, 7, 42,

2


117]. Đồng thời, kết quả thu được mới chỉ ở trong khuôn khổ phòng thí nghiệm và
thông số từ của nam châm chưa đáp ứng được yêu cầu ứng dụng trong các thiết bị
có nhiệt độ hoạt động lớn như mô tơ và máy phát điện, tích năng lượng (BH)max đã
đạt trên 30 MGOe nhưng giá trị lực kháng từ còn thấp Hc ≤ 8 kOe [1, 2, 6]. Hiện
nay, nam châm Nd-Fe-B chất lượng cao vẫn phải nhập ngoại. Chính vì vậy, việc tìm
ra các biện pháp công nghệ mới nhằm nâng cao thông số từ của nam châm thiêu kết
Nd-Fe-B nhằm đáp ứng hơn nữa nhu cầu ứng dụng trong thực tế, đồng thời chủ
động được công nghệ chế tạo trong nước, làm giảm nhu cầu sử dụng đất hiếm nặng
(đang ngày càng khan hiếm) có ý nghĩa quan trọng.
Từ những lý do trên, chúng tôi đã chọn đề tài nghiên cứu của luận án là:
Nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có
lực kháng từ cao, tích năng lượng đủ lớn đáp ứng được yêu cầu ứng dụng trong thực tế.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Các kết quả của luận án có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu các cơ
chế vật lý trong vật liệu cho lực kháng từ cao. Đồng thời, việc hoàn thiện công nghệ
nhằm chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có thể đưa vào sản xuất thực tế, hạn chế
việc nhập khẩu loại nam châm này.
Phương pháp nghiên cứu:
Luận án được tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm. Mẫu nghiên cứu
được chế tạo trên các thiết bị như: lò luyện kim trung tần, lò hồ quang, máy nghiền
thô, máy nghiền tinh, máy nghiền cơ năng lượng cao, máy ép trong từ trường, máy
ép đẳng tĩnh, lò thiêu kết chân không... Nghiên cứu cấu trúc của mẫu bằng các kỹ
thuật nhiễu xạ tia X và hiển vi. Tính chất từ của vật liệu được khảo sát bằng các
phép đo từ trễ trên hệ đo từ trường xung.

3


Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:
Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ (thời gian nghiền, chế độ
thiêu kết, quá trình xử lý nhiệt…) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu
kết Nd-Fe-B.
Nghiên cứu ảnh hưởng của các hợp chất pha thêm (Dy-Nd-Al, Nb-Cu-Al,
Dy-Zr-Al...) lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Nghiên cứu mối liên hệ giữa vi cấu trúc và tính chất từ của nam châm chưa
pha và đã pha tạp để đưa ra công nghệ chế tạo tối ưu.
Xây dựng quy trình chế tạo nam châm thiêu kết có lực kháng từ Hc cao qui
mô bán công nghiệp.
Bố cục của luận án:
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương đầu là
phần tổng quan về nam châm thiêu kết Nd-Fe-B. Chương tiếp theo trình bày các kỹ
thuật thực nghiệm về phương pháp chế tạo mẫu và các phép đo đặc trưng cấu trúc
và tính chất từ của vật liệu. Hai chương cuối trình bày các kết quả nghiên cứu đã thu

được, bàn luận về ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ và hợp chất pha thêm lên
cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Các kết quả nghiên cứu của luận án được công bố trong 08 công trình khoa
học, bao gồm 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế (ISI), 03 bài báo đăng trên tạp chí
trong nước, 04 bài báo cáo tại Hội nghị trong nước và quốc tế.
Kết quả chính của luận án:
Đã khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ và các hợp chất pha thêm
lên cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Đã xây dựng được quy trình công nghệ tương đối hoàn thiện để chế tạo nam
châm thiêu kết Nd-Fe-B.
Đã chế tạo được nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có lực kháng từ cao, Hc > 21
kOe, tích năng lượng cực đại đủ lớn, (BH)max > 35 MGOe, có thể đưa vào ứng dụng
thực tế.

4


Luận án này được hỗ trợ kinh phí của Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Vật
liệu và Linh kiện Điện tử, đề tài Khoa học Công nghệ cấp Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam, mã số VAST03.05/16-17 và Nhiệm vụ hợp tác quốc tế
song phương về khoa học và công nghệ cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, mã số
07/2012/HĐ-HTQTSP. Luận án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm
về Vật liệu và Linh kiện Điện tử và Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn, Viện
Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

5


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM THIÊU KẾT Nd-Fe-B

1.1. Lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B
Trong quá trình hình thành và phát triển, VLTC đã trải qua nhiều giai đoạn
với các chủng loại nam châm phong phú, đa dạng. Tích năng lượng cực đại (BH)max
là một trong các thông số từ quan trọng để đánh giá chất lượng nam châm và mang
ý nghĩa về khả năng ứng dụng. Sự phát triển của VLTC gắn liền với việc tìm ra vật
liệu mới có (BH)max lớn đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong thực tế. Hình 1.1 cho thấy
trong thế kỷ XX cứ sau 20 năm (BH)max tăng lên gấp ba lần.

Hình 1.1. Sự phát triển của nam châm vĩnh cửu theo (BH)max ở nhiệt độ phòng
trong thế kỷ XX [129].
Bước đột phá trong nghiên cứu VLTC đáng quan tâm nhất là việc chế tạo
được hợp kim từ cứng chứa đất hiếm (Sm-Co, Nd-Fe-B) có tích năng lượng tăng
vượt trội so với các VLTC trước đó như ferit có (BH)max  5 MGOe hay Alnico có
(BH)max  5 - 10 MGOe. Sự kết hợp của nguyên tố đất hiếm (RE) có tính dị hướng
từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ lớn và kim loại chuyển tiếp (TM) cho từ độ bão
hoà và nhiệt độ chuyển pha Curie (TC) cao, nên đây là loại VLTC hứa hẹn sẽ cho

6


tính chất từ tốt. Vật liệu SmCo5 với tích năng lượng (BH)max lên đến  20 MGOe được
tìm ra và trở thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thương mại vào năm 1967
[15]. Các nam châm này có lực kháng từ lớn và nhiệt độ Curie cao để chống lại sự
ảnh hưởng của nhiệt độ, đồng thời chúng cũng có khả năng chống ăn mòn tốt.
Hướng nghiên cứu trên vật liệu Sm-Co tiếp tục được phát triển mạnh và (BH)max đã
đạt đến  30 MGOe đối với hợp phần Sm2Co17 vào năm 1976. Tuy nhiên, lực kháng
từ của các nam châm Sm2Co17 lại suy giảm, Hc  8 - 12 kOe. Việc tạo được vi cấu
trúc dạng hạt tối ưu bởi sự thay thế một phần Co bởi Fe, Cu và Zr cùng quá trình xử
lý nhiệt thích hợp đã làm tăng cường đáng kể lực kháng từ của nam châm Sm 2Co17
thương mại [78]. Do đó, nam châm loại này rất phù hợp với những ứng dụng có

nhiệt độ hoạt động cao [37]. Tuy nhiên, nhược điểm của nam châm Sm-Co là quá
trình xử lý nhiệt phức tạp cùng với giá thành cao của Sm và Co. Chính vì vậy, việc
nghiên cứu các vật liệu mới chứa ít hoặc không chứa Co đã đuợc đẩy mạnh. Hệ hợp
kim nền Nd-Fe đuợc chú ý do Fe và Nd có trữ luợng lớn ở vỏ trái đất và mômen từ
nguyên tử cao.
Kết quả đầu tiên về nam châm đất hiếm Nd-Fe-B được công bố bởi hai nhóm
nghiên cứu một cách độc lập vào năm 1984. Croat J. J. và cộng sự ở công ty
General Motors (Mỹ) đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu dựa trên pha ba thành
phần Nd2Fe14B theo công nghệ nguội nhanh có (BH)max = 14 MGOe [20]. Trong
khi, nhóm Sawaga M. ở công ty Sumitomo (Nhật Bản) bằng công nghệ thiêu kết đã
chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd15Fe77B8 với (BH)max = 36
MGOe [105]. Pha từ là giống nhau nhưng vi cấu trúc của nam châm Nd-Fe-B được
chế tạo bằng hai công nghệ trên là khác nhau. Phương pháp nguội nhanh tạo ra cấu
trúc nano tinh thể, trong khi đó quá trình thiêu kết hình thành cấu trúc vi tinh thể
kích thước micromet. Thành phần chính của nam châm Nd-Fe-B là Fe, có giá thành
rẻ và mômen từ lớn. Một lượng nhỏ hơn của nguyên tố đất hiếm Nd đã tạo ra dị
hướng từ tinh thể lớn cho vật liệu. Chiếm 2% thể tích của ô cơ sở, B giúp ổn định
cấu trúc tinh thể tứ giác của vật liệu. Một mốc đáng chú ý nữa là vào năm 1988,
Coehoorn R. và các cộng sự đã phát minh vật liệu nanocomposite có (BH)max = 12

7


MGOe. Nam châm này chứa nhiều pha từ, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể
tích), -Fe (12% thể tích) và pha từ cứng Nd2Fe14B (15% thể tích) [18]. Lượng Nd
trong nam châm loại này chỉ bằng khoảng 1/3 trong nam châm Nd2Fe14B thông
thường, điều này làm giảm đáng kể giá thành và tăng độ bền về mặt hoá học của
nam châm [14]. Theo lý thuyết, tương tác trao đổi đàn hồi giữa pha cứng và pha
mềm ở kích thước nanomet có thể tạo ra nam châm với (BH)max trên 100 MGOe
[56]. Tuy nhiên, trong thực tế (BH)max của vật liệu này mới chỉ đạt cỡ 20 MGOe và

lực kháng từ nhỏ (Hc < 10 kOe).

a)

b)

Hình 1.2. Sản lượng hàng năm (a) và dự đoán tăng trưởng (b) của nam châm
thiêu kết Nd-Fe-B [39, 103].

a)

b)

Hình 1.3. Tỉ phần so với các loại nam châm khác (a) và một số ứng dụng (b) của
nam châm vĩnh cửu Nd-Fe-B [39, 112].

8


Với những phẩm chất từ tốt, hợp kim ba thành phần Nd-Fe-B được đặc biệt
chú ý đối với các phòng thí nghiệm trên thế giới. Rất nhiều công trình nghiên cứu
về vi cấu trúc, thành phần hợp chất, công nghệ chế tạo... đã được công bố. Ngoài
nghiên cứu cơ bản, việc thương mại hóa và mở rộng phạm vi ứng dụng cũng đã có
những bước tiến vượt bậc. Điều này được minh chứng qua sự tăng sản lượng hàng
năm và dự đoán sản lượng trong những năm tiếp theo (hình 1.2) cũng như tỉ phần
của nam châm này trong công nghiệp so với các loại nam châm khác (hình 1.3a)
[39, 103]. Trong rất nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như được thể hiện trên hình
1.3b [112], thì việc sử dụng nam châm thiêu kết Nd-Fe-B trong mô tơ và máy phát
điện chiếm ưu thế vượt trội (> 34%). Yêu cầu ứng dụng của nam châm trong các
thiết bị này đòi hỏi phải có lực kháng từ lớn. Hiện tại, các ứng dụng của nam châm

thiêu kết Nd-Fe-B khó có thể được thay thế bằng các vật liệu khác bởi chúng có tính
dị hướng cao, tích năng lượng cực đại lớn, cơ tính tốt để làm việc trong môi trường
có nhiệt độ và từ trường hoạt động cao.
1.2. Cấu trúc và tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
1.2.1. Cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Nam châm thiêu kết Nd-Fe-B là vật liệu có cấu trúc đa pha, trong đó pha
quyết định tính chất từ và có tỉ phần lớn nhất là pha nền Nd2Fe14B () (gọi tắt là pha
2:14:1) với kích thước vài micromet.

Hình 1.4. Vi cấu trúc của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [38].

9


Ngoài ra còn có pha giàu Nd phân bố ở biên hạt với nhiệt độ nóng chảy thấp
và một lượng nhỏ pha giàu B Nd1+Fe4B4 (). Các pha khác như pha giàu Fe, ôxit
Nd và lỗ rỗng (pore) đã được tìm thấy, phụ thuộc vào thành phần và các tham số
trong quá trình chế tạo [105].
Hình 1.4 cho thấy ảnh vi cấu trúc
thực và ảnh mô phỏng lại của nam
châm thiêu kết Nd-Fe-B. Các hạt có
kích thước lớn là của pha từ cứng
Nd2Fe14B. Giữa các hạt 2:14:1 là lớp
biên hạt giàu Nd rất mỏng, xen lẫn các
hạt ôxit Nd. Tính chất của nam châm
thiêu kết không chỉ phụ thuộc vào tính
chất từ nội tại của pha từ cứng
Nd2Fe14B mà còn phụ thuộc vào vi cấu

Hình 1.5. Vi cấu trúc điển hình của nam

trúc của vật liệu. Theo nghiên cứu của

châm thiêu kết Nd-Fe-B với trục c định

Yu L. Q. và các cộng sự, việc tạo được

hướng song song [135].

nam châm thiêu kết Nd-Fe-B có vi cấu trúc tối ưu với các hạt 2:14:1 đồng đều, độ
định hướng cao và được ngăn cách bởi lớp biên hạt giàu Nd mỏng, nhẵn (hình 1.5)
sẽ cho thông số từ mong muốn [135].
a) Pha từ cứng Nd2Fe14B
Các nguyên tử Fe và đất hiếm tạo thành hợp chất nhị nguyên với từ độ bão
hòa cao do sự ghép đôi của các mômen từ [104]. Có rất nhiều nỗ lực vào đầu những
năm 80 của các nhà khoa học để tìm kiếm một pha bền với dị hướng đơn trục và
cuối cùng pha ba nguyên Nd2Fe14B được tìm thấy. Việc tạo được pha Nd2Fe14B đòi
hỏi quá trình cô đặc nhanh chóng. Nếu quá trình cô đặc quá lâu, sắt có xu hướng
tách riêng thành pha α-Fe.
Hợp thức chính xác và cấu trúc tinh thể của Nd2Fe14B được tìm ra một cách
độc lập và đồng thời bởi ba nhóm nghiên cứu vào năm 1984 (Givord, Herbst và
Shoemaker cùng các cộng sự) [41]. Nd2Fe14B có cấu trúc tinh thể tứ giác với hằng

10


số mạng a = 0,88 nm và c = 1,22 nm, thuộc nhóm không gian P42/mnm, khối lượng
riêng 7,55 g/cm3.
Z = 1/2

Z=0

a)

b)

Hình 1.6. Cấu trúc tinh thể pha Nd2Fe14B (a), nguyên tử B và 6 nguyên tử Fe (vị trí
e và k1) tạo thành hình lăng trụ đứng đáy tam giác (b) [41].
Hình 1.6 cho thấy ô cơ sở của Nd2Fe14B chứa 4 đơn vị công thức (68 nguyên
tử). Các nguyên tử Nd chiếm 2 vị trí (ký hiệu là Nd f, Nd g) không tương đương,
các nguyên tử Fe chiếm 6 vị trí (ký hiệu là Fe c, Fe e, Fe j1, Fe j2, Fe k1, Fe k2), các
nguyên tử B chiếm vị trí B g. Trên mặt phẳng cơ sở z = 0 và z = 1/2 chứa tất cả các
nguyên tử Nd và B cùng 4 nguyên tử Fe ở (vị trí Fe c). Mỗi nguyên tử B kết hợp với
6 nguyên tử Fe (ở vị trí Fe e và Fe k1) gần nó nhất tạo hình lăng trụ đáy tam giác.
Các lăng trụ này nối với lớp Fe ở bên trên và bên dưới các mặt phẳng cơ sở. Cấu
trúc tinh thể với độ bất đối xứng rất cao tạo ra tính từ cứng mạnh (lực kháng từ cao)
của vật liệu này.
b) Pha biên hạt giàu Nd
Thông thường, phần lớn các nam châm đều chứa pha phi từ, chúng đóng vai
trò quan trọng trong việc tạo ra nam châm có phẩm chất từ tốt [135]. Đối với nam

11


châm thiêu kết Nd-Fe-B, pha phi từ giàu
Nd được phân bố chủ yếu dọc theo biên
của các hạt Nd2Fe14B. Pha này không chỉ có
vai trò quan trọng cho sự kết dính trong
suốt quá trình thiêu kết mà còn là yếu tố
ảnh hưởng đáng kể đến sự cải thiện lực

kháng từ của nam châm Nd-Fe-B khi được
xử lý nhiệt. Bởi vì, sự hình thành của pha

Hình 1.7. Ảnh lớp mỏng pha giàu Nd

giàu Nd ở biên hạt (vùng màu trắng như

giữa các hạt [36].

trong hình 1.7) giúp cô lập các hạt từ cứng và ngăn cản tương tác từ giữa chúng.
Nếu các hạt được cô lập tốt, quá trình đảo từ khó lan truyền từ hạt này tới hạt khác.
Thay vào đó, sự đảo chiều từ độ cần mầm của đômen đảo trong mỗi hạt và quá trình
đảo từ cần từ trường lớn hơn (lực kháng từ cao). Theo một số nghiên cứu, pha giàu
Nd thể hiện cấu trúc tinh thể phức tạp và thường chứa cả pha ôxit do Nd là nguyên
tố rất dễ bị ôxy hóa [51, 62, 119, 125].
1.2.2. Tính chất từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Tính chất từ của nam châm được phân làm hai loại: tính chất từ nội tại và
tính chất từ ngoại lai. Tính chất từ nội tại như từ độ tự phát, nhiệt độ Curie và dị
hướng từ... được quyết định bởi mômen từ của các nguyên tử và tương tác giữa
chúng trong mạng tinh thể. Trong khi đó, tính chất từ ngoại lai là các tính chất liên
quan đến đặc trưng từ trễ như lực kháng từ, từ dư, độ vuông đường trễ và tích năng
lượng cực đại... được quyết định bởi vi cấu trúc tức là hình dạng, kích thước, độ
đồng nhất, sự phân bố và liên kết (biên hạt) của các hạt trong vật liệu.
Trong nam châm thiêu kết, tính từ cứng được quyết định bởi pha tinh thể
Nd2Fe14B. Pha Nd2Fe14B có dị hướng từ tinh thể HA = 75 kOe, sự định hướng song
song của hai phân mạng Nd và Fe trong pha Nd2Fe14B đã tạo ra từ độ bão hòa lớn ở
nhiệt độ phòng, đạt tới 16 kG. Đây là giá trị từ độ lớn nhất trong các liên kim loại
đất hiếm sử dụng làm nam châm vĩnh cửu [127]. Đồng thời, nam châm này có khả
năng cho từ dư lên tới 14 kG. Tuy nhiên, do tương tác trao đổi sắt từ Fe-Fe tương

12


đối yếu nên nhiệt độ Curie của hợp chất Nd2Fe14B là khá thấp, TC ~ 585 K. Nhược
điểm khác nữa của nam châm này là tính ôxy hóa cao (do hoạt tính của Nd), giá
thành đắt (do chứa nhiều đất hiếm) và sự suy giảm nhanh của lực kháng từ theo
nhiệt độ.
1.3. Cơ chế đảo từ và lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B
Trong nam châm đất hiếm nền Nd-Fe-B, tích năng lượng (BH)max phụ thuộc
vào cảm ứng từ dư Br, lực kháng từ và độ vuông đường trễ. Cảm ứng từ dư phụ
thuộc vào mômen từ bão hoà của vật liệu làm nam châm và mức độ định hướng của
chúng, tức là phụ thuộc cả vào hợp phần và công nghệ chế tạo. Trong khi đó, lực
kháng từ phụ thuộc chính vào dị hướng từ tinh thể của vật liệu. Tuy nhiên, cần lưu ý
rằng lực kháng từ không phải là một đại lượng đặc trưng cho tính chất từ nội tại.
Điều đó có nghĩa là lực kháng từ không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học, dị
hướng từ tinh thể mà còn phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu. Mối quan hệ giữa
vi cấu trúc và những tính chất từ nội tại để gây ra lực kháng từ trong vật liệu là khá
phức tạp. Chính vì vậy, việc nắm vững cơ chế của lực kháng từ và các yếu tố ảnh
hưởng lên nó cho phép ta giải thích được nhiều tính chất liên quan đến nam châm,
từ đó định hướng các biện pháp công nghệ để thu được giá trị lực kháng từ như
mong muốn. Thực chất, cơ chế lực kháng từ chính là cơ chế đảo từ của các đômen
từ tồn tại trong vật liệu. Phương pháp liên quan đến làm tăng hay giảm lực kháng từ
của vật liệu là điều khiển đômen từ. Đối với một vật liệu từ cứng, điều mong muốn
là các đômen từ không dễ quay, vách đômen không dễ dịch chuyển và việc tạo mầm
đômen đảo là khó khăn.
1.3.1. Cơ chế đảo từ
Ở trạng thái khử từ nhiệt, nam châm tồn tại các đômen từ, các đômen này
được ngăn cách bởi vách đômen. Việc hình thành các đômen từ được giải thích trên
cơ sở nguyên lý cực tiểu năng lượng của một hệ ở trạng thái bền. Dưới tác dụng của
từ trường ngoài, vách đômen sẽ dịch chuyển theo xu hướng đômen thuận lợi được

mở rộng và đômen không thuận lợi bị thu hẹp, để có lợi về mặt năng lượng. Dựa

13


vào khả năng dịch chuyển vách đômen người ta đưa ra hai cơ chế chính tạo lực
kháng từ: cơ chế mầm đảo từ (nam châm mầm đảo từ-Nucleation) và cơ chế hãm
dịch chuyển vách đômen hay cơ chế ghim vách đômen (nam châm loại ghim vách
đômen-Pinning) [26]. Hai đại lượng cần để mô tả các cơ chế đảo từ này đó là
trường tạo mầm HN, được định nghĩa là giá trị của từ trường (ngược với hướng từ
hóa ban đầu) mà tại đó các mầm đảo từ bắt đầu xuất hiện (hình 1.8) và HP là từ
trường đủ để làm dịch chuyển vách đômen. Lưu ý rằng khi một mầm đảo từ được
hình thành cùng với một vách đômen tương ứng, vách đômen này không thể dịch
chuyển khi giá trị từ trường ngoài đảo chiều chưa vượt quá HP.

Hình 1.8. Minh họa quá trình từ hóa,

Hình 1.9. Đường từ hoá ban đầu và

khử từ và vị trí trường tạo mầm HN [127]. đường từ trễ của nam châm loại mầm đảo từ
và nam châm loại ghim vách đômen [113].
Hai cơ chế lực kháng từ trên được hình thành liên quan đến quá trình đảo từ
độ của nam châm từ cứng. Cơ chế đầu được điều khiển bằng mầm đảo từ. Cơ chế
lực kháng từ còn lại được điều khiển bằng quá trình dịch chuyển vách đômen. Tuy
nhiên, hai quá trình này không xảy ra độc lập mà thường xảy ra đồng thời trong vật
liệu [40, 75]. Cơ chế nào trội hơn phụ thuộc vào bản chất và các thông số vi cấu trúc
của vật liệu đó. Không có phép đo đơn lẻ nào có thể đưa ra kết luận chính xác về cơ
chế lực kháng từ trong nam châm mà phải cần đến bốn phép đo bao gồm: đường từ
hóa ban đầu, đường từ trễ chưa bão hòa, lực kháng từ phụ thuộc nhiệt độ và lực

14


kháng từ phụ thuộc góc.
Trước tiên, cơ chế lực kháng từ có thể phân biệt thông qua quan sát đường
cong từ hóa ban đầu ở trạng thái khử từ nhiệt (hình 1.9). Độ cảm từ ban đầu cao cho
thấy vách đômen di chuyển dễ dàng và ngược lại độ cảm từ ban đầu thấp có thể do
vách đômen bị ghim. Với các mẫu đã được khử từ hoàn toàn (khử từ bằng nhiệt độ),
cơ chế lực kháng từ được xác định thông qua sự phụ thuộc của kích thước hạt D với
kích thước tới hạn đơn đômen Dsd. Trong trường hợp D > Dsd, hạt có cấu trúc đa
đômen. Nếu trong hạt không chứa các tạp hay tâm ghim thì độ cảm từ ban đầu của
mẫu là lớn (đường 1 hình 1.9) bởi vì vách đômen di chuyển tự do. Khi đó, từ trường
cần thiết để làm vách đômen dịch chuyển là NMs (Ms là từ độ bão hòa và N là hệ số
khử từ của các hạt) và quá trình đảo từ độ được điều khiển bằng mầm đảo từ. Nếu
các hạt không đồng nhất, vách đômen được ghim ở những vị trí này trong hạt. Để di
chuyển vách đômen, từ trường ngoài phải lớn hơn trường HP, và độ cảm từ ban đầu
của mẫu là thấp (đường 2 hình 1.9). Trong trường hợp đó, cơ chế trội hơn là cơ chế
mầm nếu HN > HP và là cơ chế ghim nếu HN < HP. Với những hạt đơn đômen, D
 Dsd độ cảm từ sẽ luôn luôn là thấp và không phụ thuộc vào sự bất đồng nhất trong
các hạt. Quá trình đảo từ của các hạt đơn đômen sẽ diễn ra chỉ bằng sự quay từ độ
và đòi hỏi một từ trường ngoài lớn.
Phép đo khác để nhận biết cơ chế lực kháng từ đó là phép đo các đường từ
trễ chưa bão hòa (vật liệu chưa được từ hóa bão hòa). Becker J. J. đã chỉ ra rằng giá
trị lực kháng từ sẽ phụ thuộc vào cường độ từ trường từ hóa ban đầu [12]. Trong vật
liệu cơ chế mầm đảo từ, giá trị cường độ từ trường từ hóa tối thiểu cần thiết để có
được lực kháng từ tối đa là nhỏ hơn nhiều so với lực kháng từ. Ngược lại, với vật
liệu kiểu cơ chế ghim, trường từ hóa tối thiểu tương đương với lực kháng từ. Tuy
nhiên, trong trường hợp vật liệu chứa các hạt đơn đômen, cơ chế mầm sẽ dẫn đến
kết quả tương tự như cơ chế ghim của vật liệu đa đômen. Vì vậy, việc xác định cơ
chế lực kháng từ dựa trên các đường từ trễ chưa bão hòa đòi hỏi phải biết được cỡ

hạt đơn đômen và cỡ hạt trung bình. Lực kháng từ phụ thuộc vào góc trong vật liệu
đẳng hướng ít có ý nghĩa thực nghiệm. Do đó, phép đo lực kháng từ phụ thuộc nhiệt

15


độ là cần thiết hơn. Phép đo này cùng với các phép đo đường từ hóa ban đầu và
đường từ trễ không bão hòa làm sáng tỏ cơ chế lực kháng từ trong nam châm. Sự
khác nhau giữa hai cơ chế lực kháng từ trong phép đo lực kháng từ theo nhiệt độ thể
hiện qua sự làm khớp với các mô hình tính toán lý thuyết [33, 58].
Hướng từ độ ban đầu
Hướng từ độ đảo
Vách Block
Hướng dịch vách Block
Tâm hãm vách
Hình 1.10. Vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen. Các mầm đảo từ
có thể ở trong hạt (A) hoặc biên hạt (B) và tâm hãm vách ở vị trí C [113].
Như đã trình bày ở trên, lực kháng từ không chỉ được quy định bởi tính chất
từ nội tại của nam châm mà còn bị ảnh hưởng mạnh bởi vi cấu trúc của nó. Hình
1.10 mô tả vi cấu trúc của mầm đảo từ và ghim vách đômen. Khi các khuyết tật nhỏ,
phân tán trong hạt (vị trí A) hoặc biên hạt (vị trí B) thì trường trao đổi, trường khử
từ và trường dị hướng tạo ra các mầm đảo từ cục bộ trong vật liệu làm suy giảm lực
kháng từ. Vì vậy, để tăng lực kháng từ trong nam châm loại mầm đảo từ cần phải
giảm thiểu lượng tâm sai hỏng phân tán trong các hạt và làm nhẵn bề mặt hạt bằng
cách thiêu kết có pha lỏng và xử lý nhiệt. Tuy nhiên, khi kích thước các sai hỏng
lớn và nhiều thì chúng lại có tác dụng ghim vách đômen như vị trí C.
Quá trình đảo từ phụ thuộc vào vi cấu trúc của vật liệu được thể hiện trên
hình 1.11. Đối với nam châm đẳng hướng các hạt không tương tác, đường cong đảo
từ (khử từ) đi theo đường chấm gạch. Do tính chất đẳng hướng nên các hướng của
trục dễ là ngẫu nhiên, dẫn đến khi từ trường ngoài giảm về 0, mômen từ tổng cộng

Mr2 bằng M/2. Tiếp tục giảm từ trường ngoài về giá trị âm, các mômen từ theo hướng

16


từ trường ngoài làm cho từ độ giảm dần
và độ vuông đường từ trễ thấp. Đối với
nam châm dị hướng, sau khi được từ hoá
bão hoà, toàn bộ các mômen từ nằm theo
hướng trục dễ và song song với nhau. Vì
vậy, khi giảm từ trường ngoài về 0, từ độ
trong mẫu vẫn được giữ nguyên gần như
trạng thái bão hoà, do đó ở trạng thái từ
dư Mr1  Ms. Tiếp tục giảm từ trường
ngoài về giá trị âm, mômen từ của mẫu

Hình 1.11. Các đường cong mô tả quá

không đổi cho đến khi từ trường ngoài có

trình đảo từ của vật liệu có cấu trúc

giá trị đủ lớn bằng HN. Đối với nam châm

khác nhau [3].

có cơ chế lực kháng từ kiểu mầm, sẽ xảy ra quá trình phát triển mầm đảo từ như các
vị trí A và B trên hình 1.10 và quá trình đảo từ xảy ra không cần có sự tăng thêm
của từ trường ngoài bởi vì khi đó chính là thời điểm cực tiểu năng lượng biến mất.
Đường cong khử từ sẽ đi theo đường ABC và lực kháng từ trong trường hợp này

bằng HN. Tuy nhiên, với nam châm có cơ chế lực kháng từ kiểu ghim vách đômen,
quá trình đảo từ không xảy ra một cách dễ dàng như vậy do sự có mặt của các tâm
hãm vách liên kết như vị trí C trong hình 1.10. Do đó, các mômen từ không đảo đột
ngột và đường cong khử từ trong trường hợp này sẽ lớn hơn so với nam châm mầm
đảo từ (đường liền nét ABC’).
1.3.2. Lực kháng từ trong nam châm Nd-Fe-B
a) Nam châm loại mầm đảo từ
Trong nam châm loại mầm đảo từ, các vách đômen trong hạt di chuyển
tương đối dễ dàng. Khi bị từ hóa, ngay ở giá trị từ trường ngoài còn nhỏ, do vách
đômen di chuyển dễ dàng làm cho đômen thuận lợi được mở rộng, từ độ của mẫu
tăng rất nhanh, độ từ thẩm trong giai đoạn này rất lớn. Quá trình từ hóa trong giai
đoạn này có tính thuận nghịch cao. Tiếp tục tăng từ trường ngoài, mẫu nhanh chóng
đạt đến trạng thái bão hoà. Quá trình khử từ chỉ diễn ra mạnh khi từ trường ngoài

17


tác dụng theo chiều ngược lại đạt đến giá trị HN, tức là mầm đảo từ bắt đầu hình
thành và phát triển. Để có lực kháng từ cao đòi hỏi sự dịch chuyển vách đômen phải
được ngăn cản tại biên hạt, đây là yêu cầu tiên quyết đối với nam châm loại tạo
mầm.
Hc = HN > HP

a)

Hc = HP > HN

b)

Hc = HP

c)

Hình 1.12. Minh hoạ đường từ trễ cho các loại nam châm khác nhau: tạo mầm đảo
từ ở vách (a), mầm đảo từ không đồng nhất và ghim vách đômen ở biên hạt (b),
mầm đảo từ không đồng nhất và phân bố trong các hạt (c) [127].
Mặt khác, để thu được lực kháng từ tốt nhất cần phải tác dụng vào nam châm
một trường bão hòa dương cực đại Hsmax, là từ trường đủ mạnh để làm tất cả các
vách đômen trong mẫu bị triệt tiêu. Nếu từ trường từ hóa nhỏ hơn Hsmax thì có thể
vẫn còn tồn tại các đômen có từ độ ngược hướng với véctơ từ độ bão hòa. Sau khi
từ trường ngoài có độ lớn đạt Hsmax việc hình thành các mầm đảo từ đòi hỏi một từ
trường H âm ít nhất là bằng HN. Nếu HN > Hp, sự khử từ hoàn toàn chỉ xảy ra khi
H  HN, nghĩa là trong trường hợp này lực kháng từ bằng HN (hình 1.12a). Tuy
nhiên, có thể có một cơ chế khác, giả sử rằng mầm đảo từ đã được hình thành ở các
biên hạt (tại nơi có sự bất đồng nhất từ lớn) nhưng Hp > HN thì mầm đảo từ
không thể phát triển. Trong vùng từ trường ngoài Hp > H > HN trạng thái ghim
vách đômen duy trì cho đến khi H > Hp (hình 1.12b). Trường hợp này có thể mô
tả như cơ chế ghim vách đômen không đồng nhất. Đồng thời, từ độ khác nhau
không nhiều, lý do là thể tích của mầm (có từ độ ngược hướng với từ độ của
đômen) là rất nhỏ, hầu như có thể bỏ qua so với thể tích của toàn hạt.

18


Mô hình mầm đã được áp dụng cho nam châm Nd-Fe-B mà trong đó pha phi
từ ở biên hạt đóng vai trò làm trơn biên hạt, loại bỏ các vị trí tạo mầm. Vì vậy, nam
châm rất khó bị khử từ do phải tạo ra các mầm đảo từ mới. Đã có sự phù hợp tốt
giữa lý thuyết và thực nghiệm khi áp cơ chế mầm là cơ chế lực kháng từ ưu tiên cho
loại nam châm thiêu kết Nd-Fe-B [24, 31, 58].
b) Nam châm loại ghim vách đômen

Trong nam châm loại ghim vách đômen, quá trình từ hóa diễn ra theo cơ chế
khác, các vách đômen bị ghim giữ do sự bất đồng nhất về cấu trúc trong các hạt nên
không thể di chuyển ngay bên trong hạt. Sự bất đồng nhất này tác động như các tâm
ghim vách đômen làm chúng không thể dịch chuyển, dẫn đến sự đảo từ bị ngăn cản,
ngoại trừ sự thay đổi nhỏ của từ độ do vách đômen bị uốn cong. Các dạng tâm ghim
vách đômen được minh họa như trên hình 1.13. Sự ngăn cản dịch chuyển vách
đômen của các tâm ghim vách làm cho việc từ hoá mẫu khó khăn hơn, cụ thể là từ
độ của mẫu tăng chậm khi từ trường ngoài còn nhỏ và tính thuận nghịch rất thấp. Sự
đảo từ chỉ xảy ra khi từ trường ngoài ngược chiều đủ lớn (H  HP  HN) do mẫu
cũng chịu cơ chế ghim vách đômen giống như quá trình từ hoá ban đầu. Lực kháng
từ bằng trường lan truyền vách HP, quá trình này được mô tả trên hình 1.12c.

a)

b)

c)

Hình 1.13. Một số tâm ghim vách đômen: các tâm nằm trên vách phẳng (a),
tâm dạng thanh (b) và tâm tròn (c) [37].
Trong vật liệu thực tế, vách đômen không di chuyển thuận nghịch. Biên hạt,
tạp và những sai hỏng khác có thể làm thấp năng lượng vách m ở một vị trí nào đó

19


trong vật liệu, hoặc chúng có thể là rào
cản trước vách để ngăn chặn sự dịch
chuyển vách thông qua sai hỏng [57,
90, 143]. Hình 1.14a cho thấy hai loại

sai hỏng trong vật liệu và ảnh hưởng
a)

của chúng lên sự dịch chuyển vách khi
từ trường ngoài vuông góc. Sai hỏng
phi từ làm giảm năng lượng vách địa
phương do diện tích của vách giảm.
Trong khi đó, sai hỏng dị hướng cao
làm tăng năng lượng vách địa phương.

b)

Sự tương tác vách đômen với tạp được

Hình 1.14. Hai loại sai hỏng (a) và năng

diễn tả bằng năng lượng vách phụ

lượng vách đômen phụ thuộc vào vị trí

thuộc vị trí w(x) (hình 1.14b). Dạng

khi không có từ trường ngoài (b) [14].

năng lượng w(x) gồm năng lượng tối thiểu và tối đa để tạo ra năng lượng cản trở sự
di chuyển vách [143]. Lưu ý rằng, các sai hỏng cũng có thể làm thấp lực kháng từ
nếu đó là các vị trí mầm đảo từ hoặc làm tăng lực kháng từ nếu đó là vị trí ghim
vách đômen.
Nam châm vĩnh cửu nền Sm2Co17 thuộc loại ghim vách đômen. Trong nam
châm này, pha SmCo5 chứa dư Cu được kết tủa bên trong pha nền, có năng lượng

vách đômen thấp hơn năng lượng của pha nền Sm2Co17. Biên hạt trở thành nơi ghim
vách đômen làm tăng lực kháng từ [24].
1.3.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ
Lực kháng từ của nam châm Nd-Fe-B rất nhạy và thể hiện sự giảm đơn điệu
theo nhiệt độ như trên hình 1.15. Sự phụ thuộc nhiệt độ của lực kháng từ cho thấy
sự khác biệt đặc trưng trong phạm vi nhiệt độ cao và thấp. Khi nhiệt độ cao, nguồn
gốc của sự suy giảm lực kháng từ là do cơ chế lực kháng từ đã chuyển từ kiểu mầm
đảo từ sang kiểu tâm ghim vách đômen. Trong cơ chế tâm ghim vách đômen, năng
lượng nhiệt giúp đômen di chuyển vượt qua năng lượng cản dẫn đến Hc nhỏ ở nhiệt

20


độ cao. Trong khi đó, vai trò của năng
lượng nhiệt là không rõ ràng trong cơ
chế mầm đảo từ, bởi vì Hc phụ thuộc
nhiệt độ được xác định bởi sự phụ thuộc
vào nhiệt độ của cả hằng số dị hướng K1
và từ độ bão hòa. Một cách lí giải khác
là ở nhiệt độ cao, biên hạt không đồng
nhất và trở thành thuận từ.
Sự suy giảm nhanh của lực kháng
từ đã hạn chế một số ứng dụng của nam

Hình 1.15. Sự phụ thuộc nhiệt độ của

châm trong các thiết bị có nhiệt độ làm

lực kháng từ trong một số nam châm

việc lớn như mô tơ, máy phát điện...

vĩnh cửu [45].

Chính vì vậy, để ứng dụng nam châm Nd-Fe-B trong các thiết bị này cần phải đưa
thêm nguyên tố Dy thay thế một phần Nd nhằm tăng lực kháng từ lên trên 20 kOe,
thay cho giá trị vào khoảng 10 - 15 kOe của các nam châm không chứa Dy. Lượng
Dy thay thế cho Nd có thể lên tới 40%, tùy theo mục đích sử dụng. Tuy nhiên, Dy
có giá thành đắt gấp khoảng bốn lần so với Nd, do đó, nhiều nghiên cứu đang tìm
cách nâng cao lực kháng từ của nam châm thiêu kết Nd-Fe-B bằng công nghệ mới
như xử lý nhiệt [63, 111, 124, 133], khuếch tán biên hạt [43, 81, 107, 109, 142],
thêm các nguyên tố phi đất hiếm (Cu, Al, Nb...) [88, 95, 141] hay đưa vào các hạt từ
kích thước nanomet [22, 53, 67, 115] để làm giảm hàm lượng Dy.
1.4. Công nghệ chế tạo nam châm thiêu kết Nd-Fe-B
Nam châm thiêu kết được chế tạo nhiều trong công nghiệp và chiếm tỉ phần
cao nhất trong các nam châm đất hiếm thương mại. Phương pháp chế tạo thường
dùng là phương pháp luyện kim bột. Đây là phương pháp ra đời từ rất lâu (năm
1920) và được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các vật liệu dùng trong công nghiệp và
đời sống. Phương pháp luyện kim bột có ưu điểm là cho phép chế tạo ra các chi tiết
có độ chính xác cao, tiết kiệm được nguyên liệu và năng lượng, đồng thời sản phẩm
có cấu trúc rất đồng nhất. Tuy nhiên, nhược điểm là trong cấu trúc luôn tồn tại lỗ

21