Tìm hiểu các tính chất và một số ứng dụng của vật liệu từ cứng nd fe b

Lời cảm ơn
Đầu tiên cho em bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Ban
chủ nhiệm khoa Vật lý và các thầy cô giáo trong khoa đà giúp
đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập và hoàn thành khoá
luận. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy
giáo TS. Lu Tiến Hng, ngời đà trực tiếp hớng dẫn, hết lòng quan
tâm, tận tình giúp đỡ chỉ bảo em trong suốt thời gian em làm
khoá luận.
Nhân dịp này em xin gửi lời cảm ơn các ban sinh viên lớp
46B-Lý nói riêng và các bạn sinh viên khoa Vật Lý nói chung đÃ
góp ý kiến để em hoàn thành tốt khoá luận này.

1


Mục lục
Trang
Lời cảm ơn
1
Mở đầu
4
Chơng 1. Giới thiệu về từ học và vật liệu từ
6
I. Các khái niệm cơ bản
6
1.1. Từ học và hiện tợng từ
6
1.2. Vật liệu từ và nguồn gốc từ tính của vật liệu
6
1.3. Các đại lợng và đơn vị thờng dùng khi nghiên cứu về
vật liệu từ

7

II. Phân loại vật liệu từ và các nhóm vật liệu từ tơng ứng
9
2.1. Phân loại vật liệu từ theo hệ số từ hoá
10
2.1.1. Vật liệu nghịch từ
10
2.1.2. Vật liÖu thuËn tõ
10
2


2.1.3. Vật liệu phản sắt từ
11
2.1.4. Vật liệu Ferit từ
12
2.1.5. Vật liệu sắt từ
12
2.1.6. Vật liệu từ giả bền
12
2.1.7. Vật liệu sắt từ kí sinh
12
2.2. Phân loại vật liệu sắt tõ theo lùc kh¸ng tõ
14
2.2.1. VËt liƯu tõ mỊm
14
2.2.2. VËt liệu từ cứng
15

Chơng2.

Vật liệu từ cứng Nd-Fe-B

16
I. Lịch sử quá trình nghiên cứu vật liệu từ Nd-Fe-B
16
II. Cấu trúc tinh thể của Nd-Fe-B và các hợp kim tơng tự
19
III. Các tính chất từ điển hình của Nd-Fe-B và các hợp kim tơng
tự

21
3.1. Sự phụ thuộc của từ độ vào nhiệt ®é
21
3.1.1. Sù phơ thc cđa tõ ®é vµo nhiƯt ®é
21
3


3.1.2. Tơng tác trao đổi giữa các nguyên tử trong tinh
thể

23
3.1.3. Cơ chế đảo từ và lực kháng từ
26

IV. Một số phơng pháp tạo mẫu thờng dùng với Nd-Fe-B
30
4.1. Tạo mẫu hợp kim bằng phơng pháp đúc và phun băng

30
4.1.1 Phơng pháp đúc
31
4.1.2. Phơng pháp phun băng
31
4.2. Phơng pháp nghiền cơ năng lợng cao
32
4.3. phơng pháp Sol Gel
33
Chơng3. ứng dụng của vật liệu từ cứng Nd-Fe-B
33
I. Nam châm đất hiếm - một ứng dụng quan trọng
33
1.1. Nam châm loại tạo mầm
34
1.2. Nam châm loại ghim vách đô men
36
II. Môi trờng ghi từ cho các ổ đĩa cứng
36

4


2.1. Cấu trúc ổ đĩa cứng
37
2.2. Các khái niệm của ổ đĩa cứng
38
2.3. Tổ chức dữ liệu của ổ đĩa cứng
39
III. Băng từ

40
3.1. Cấu trúc băng từ
40
3.2. Nguyên lý ghi, đọc, xoá băng từ
41
3.2.1. Nguyên lý ghi băng từ
41
3.2.2. Nguyên lý đọc băng từ
41
3.2.3. Nguyên lý xoá băng từ
41
Kết luận
42
Tài liệu tham khảo
43

Mở Đầu
5


Trong cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ hiện nay,
các ngành liên quan đến vật lý chất rắn đà và đang đóng một
vai trò rất quan trọng. Trong đó, khoa học vật liệu nghiên cứu
về các vật liệu từ là một trong những mũi nhọn quan trọng, nó
đà tạo ra và đóng góp một cách mạnh mẽ vào nhiều ngành mũi
nhọn nh điện tử, công nghệ thông tin, du hành vũ trụ, năng lợng
từ, Thực tế chúng ta có thể thấy đợc rất nhiều trang thiết bị,
máy móc phục vụ cuộc sống hàng ngày đà sử dụng vật liệu từ
và vật lý các hiện tợng từ nh loa phát thanh, micro, tivi, rồi
đến các trang thiết bị, máy móc hiện đại phục vụ nghiên cứu

khoa học cũng nh c¸c lÜnh vùc kh¸c nh y häc, sinh häc,…cịng
sư dơng chúng một cách rất linh hoạt. vì vậy nghiên cứu tìm
hiểu các khái niệm, các đặc trng cơ bản của các hiện tợng từ
và tính chất của các vật liệu từ là những kiến thức cơ bản, cần
thiết để bớc đầu tiếp cận với vật lý và công nghệ của khoa học
vật liệu.
Trong số các hiện tợng từ và vật liệu từ thì hiện tợng sắt
từ và vật liệu sắt từ có nhiều ứng dụng nhất. Đặc biệt trong số
đó là nhóm vật liệu từ cứng nền Nd-Fe-B hoặc các hợp kim có
cấu trúc tơng tự có nhiều tính chất từ lý thú và rất nhiều ứng
dụng rộng rÃi. Vì vậy, cấu trúc và các tính chất từ của nhóm vật
liệu này đà và đang đợc nghiên cứu nhiều nhất. Khi thay thế
một phần hoặc thêm vào hợp kim này một số những nguyên tố
khác, các nhà khoa học đà thu đợc nhiều tính chất từ cứng rất
đáng quan tâm nh lực kháng từ HC, tích năng lợng từ cực đại
(BH)max, cảm ứng từ d Br đều tăng cao.

6


Nh đà nói ở trên, vật liệu từ nói chung và vật liệu từ cứng
nói riêng có khả năng ứng dụng rất cao trong đời sống và khoa
học, công nghệ. Vì vậy chúng ta cần tìm hiểu vấn đề này
cũng nh khả năng thơng mại hóa các sản phẩm là kết quả
nghiên cứu của ngành khoa học vật liệu để có thể phát triển
ngành khoa học này trong nền kinh tế thị trờng hiện nay.
Từ những lý do nêu trên mà chúng tôi chọn đề tài nghiên
cứu của khóa luận tốt nghiệp là: Tìm hiểu các tính chất
và một sè øng dơng cđa vËt liƯu tõ cøng Nd-Fe-B”.
Mơc ®Ých của khóa luận là nghiên cứu tìm hiểu các đặc

điểm cấu trúc tinh thể, các tính chất từ cơ bản vµ sè øng dơng
quan träng cđa vËt liƯu tõ cøng nền Nd-Fe-B.
Cấu trúc của khóa luận ngoài phần mở đầu và phần kết
luận, nội dung đợc trình bày trong 3 chơng.
Chơng 1: Giới thiệu về từ học và vật liệu tõ
Ch¬ng 2: VËt liƯu tõ cøng Nd-Fe-B
Ch¬ng 3: øng dơng của vật liệu từ cứng Nd-Fe-B
Mặc dù đà có nhiều cố gắng với mong muốn có đợc một
khóa luận tốt nghiệp đạt chất lợng tốt song do trình độ và thời
gian hạn chế cũng nh lần đầu tiên tiếp cận với công việc nghiên
cứu khoa học do đó chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót. Rất mong sẽ nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy
giáo, cô giáo cùng các bạn độc giả để khóa luận đạt chất lợng
tốt hơn.
Vinh tháng 5 năm 2009.
Tác giả
7


Chơng 1

Giới thiệu về từ học và vật liệu từ
I. Các khái niệm cơ bản
1.1. Từ học và hiện tợng tõ
Tõ häc lµ mét ngµnh trong vËt lý häc víi chức năng nghiên
cứu các tính chất từ của vật liệu nhằm giải thích các hiện tợng
từ xảy ra trong đời sống và tìm ra các vật liệu từ mới phục vụ
đời sống, khoa học và công nghệ.
Hiện tợng từ là hiện tợng mà thông qua nó các vật liệu tác
động lẫn nhau thông qua lực hút và lực đẩy hoặc gây một

ảnh hởng nào đó lên các vật nhiễm từ khác. Lực tơng tác giữa
hai cực từ có độ lớn m1, m2 tu©n theo biĨu thøc:


mm
r
F  1 22 
r
4 0 r


(1.1)
1.2. VËt liƯu tõ vµ ngn gèc tõ tÝnh cđa vËt liƯu

8


Vật liệu từ là những vật liệu bị từ hóa nhiều hay ít khi
chúng đợc đặt trong từ trờng ngoài. Tõ tÝnh cđa c¸c vËt liƯu tõ
kh¸c nhau tïy thc vµo cÊu tróc tõ cđa chóng.
Ngn gèc cđa tõ
tÝnh trong vật liệu là sự
chuyển

động

của

các

điện tích trong vật liệu.
Đây là cách hiểu đơn
giản nhất về nguồn gốc
từ tính trong vật liệu từ.
Ta xét nguyên tử có một
điện tử chuyển động

Hình 1.1. Mômen từ của nguyên tử
một điện tử theo mẫu Bohr [4].

quanh hạt nhân theo mô
hình Bohr. Điện tử có vận
tốc v, chuyển động trên
quỹ

đạo

bán

kính

a

(hình 1.1).
Lúc đó, mô men từ sinh ra do chuyển động của electron
là

m IS

ev

1
a 2 eva
2a
2

(1.2)
Mặt khác, mômen động lợng của electron là
L
(1.3)
Theo mô h×nh Bohr th× L n . Suy ra
9

=

meva


va

n
me

(n

=

1,

2,

3,

4,.)

(1.4)
Thay (1.4) vào (1.2) ta đợc

1 n
e
m e
n
n B
2 me
2me
(1.5)
Víi

B 

e
9,274.10  24 Am 2
2me

 B 9,274.10  21

(trong hệ đơn vị SI) hay

erg
(trong hệ đơn vị CGS) gọi là Magneton Bohr và
G

đợc dùng làm đơn vị của mô men từ nguyên tử. Đây là cách
môt cách tính to¸n vỊ ngn gèc cđa tõ trêng trong vËt liƯu đó
là chuyển động quỹ đạo của điện tử. Tuy nhiên, vật lý hiện
đại chỉ ra rằng, còn có đóng góp cđa spin cđa electron vµo tõ
tÝnh cđa vËt chÊt [2].
1.3. Các đại lợng và đơn vị thờng dùng khi nghiên cứu về
vật liệu từ
Để thuận tiện hơn cho toàn bộ quá trình nghiên cứu, và
trình bày của tài liệu này chúng ta tìm hiểu các đại lợng và
đơn vị thờng dïng ®èi víi vËt liƯu tõ.
Cêng ®é tõ trêng ( H ): Chỉ độ mạnh yếu của từ trờng,


không phụ thuộc vào môi trờng xung quanh. Cờng độ từ trờng
có đơn vị là A/m (trong hệ SI) hoặc là Oe (trong hệ CGS).
Lực kháng từ (HC): Là giá trị của cờng độ từ trờng ngoài
cho phép triệt tiêu từ độ (hoặc cờng độ từ trờng) của mẫu
hoặc vật từ. Thực tế, lực kháng từ chỉ tồn tại ở các vật liÖu cã
10


trật tự từ (sắt từ, feri từ). Thông thờng, lực kháng từ đợc xác
định từ đờng cong từ trễ của vật từ (hình 1.2).
Lực kháng từ phụ thuộc vào từ
độ (HC = HC(M)): Là giá trị của lực
kháng từ cho phép triệt tiêu độ từ
hóa của mẫu. Giá trị này không phụ
thuộc hình dạng của vật từ. Thông thờng nói đến khái niệm lực kháng từ là
nói đến khái niệm này [6].

Lực kháng từ phụ thuộc vào cảm Hình 1.2. Xác định lực
kháng từ bằng đờng từ
ứng từ (HC=HC(B)): Là giá trị của lực
trễ [6].
kháng từ cho phép triệt tiêu cảm ứng từ vủa vật từ. Giá trị này
phụ thuộc vào hình dạng của vật từ (do tính dị hớng của vật
từ). Đối với các vật liệu có HC nhỏ, sự sai khác của hai đại lợng này
không đáng kể nên đôi khi hay nhầm lẫn với nhau. Sự sai khác
chỉ đáng kể đối với vật liệu từ cứng [6].
Cơ chế tạo lực kháng từ liên quan đến cơ chế từ hóa và
đảo từ hay nói cách khác là liên quan đến sự thay đổi của cấu
trúc từ và bị ¶nh hëng m¹nh bëi cÊu tróc h¹t cđa vËt liƯu. Yếu
tố chi phối mạnh nhất đến lực kháng từ là dị hớng từ tinh thể và
tùy từng loại vật liệu mà lực kháng có thể phụ thuộc khác nhau
vào yếu tố này.
Cảm ứng từ ( B ): Chỉ cờng độ tõ trêng trong m«i trêng ( B




tØ lƯ víi cêng độ từ trờng theo hằng số môi trờng). Trong chân
không, B = μ μ0H, víi μ0 = 4π.10-7 NA-2 trong hƯ SI hay μ0 = 1
trong hƯ CGS vµ gäi là hằng số từ (hay độ thẩm từ) của chân
không. Đơn vị của B trong hệ SI là T, trong hƯ CGS lµ G.
11


Mô men từ: Là thớc đo độ mạnh yếu của nguồn từ, là độ
lớn của véc tơ lỡng cực từ, có đơn vị là Nm2.
Từ thông: Chỉ số đờng sức qua một tiết diện của vật, đợc

tính bằng tích vô hớng của véc tơ cảm ứng từ và véc tơ diện
tích S.
Độ từ hóa: Là tổng mô men từ có trong một đơn vị thể
tích. Độ từ hóa theo định nghĩa này có cùng thứ nguyên với cờn
độ từ trờng H . Đôi khi ngời ta còn dùng khái niệm độ từ hóa là


tổng mô men từ có trong một đơn vị khối lợng.
Độ cảm từ: Nói nên khả năng phản ứng của vật liệu từ khi
có từ trờng ngoài tác dụng lên vật. kí hiệu là . Ta có mối liên
hệ giữa B, H và M nh sau
B

=

0(M

+H),

M

=

H

(1.6)
=1 + gọi là độ thẩm từ hiệu dụng của vật liệu từ và thờng đợc gọi tắt là độ thẩm từ. Độ thẩm từ và độ cảm từ có cùng
ý nghĩa. Bảng 1.1 cho ta biết đơn vị của một số đại lợng cơ
bản trong hệ SI và hệ CGS
Bảng 1.1. Đơn vị của một số đại lợng cơ bản trong hệ SI và hệ

CGS [4].
Đại lợng

Hệ SI

Độ dài
Khối lợng
Lực
Năng lợng
Từ thông
Cảm ứng từ
Cờng độ từ tr-

m
Kg
N
J
Wb
T
A/m

Hệ

số

chuyển đổi
102
103
105
107

108
104
4.10-3
12

Hệ CGS
cm
g
dyn
erg
Maxwell
G
Oe


ờng
Độ từ hóa

A/m

10-3

Mô men từ
Độ từ thẩm

Am2
H/m2

103
107/4

emu/cm
3

emu
emu

II. Phân loại vật liệu từ và các nhóm vật liệu từ tơng ứng
Khi nghiªn cøu vËt liƯu tõ chóng ta cã nhiỊu tiªu chuẩn để
phân loại vật liệu từ sau đây ta tìm hiểu hai tiêu chuẩn để
phân loại vật liệu từ thông dông.

13


2.1. Phân loại theo độ cảm từ
2.1.1. Vật liệu nghịch từ


Là vật liệu có độ cảm từ tơng đối có giá trị âm và có
độ lớn cỡ 10-5 (rất yếu). Nguồn gốc của tính nghịch từ là
chuyển động quỹ đạo của electron quanh hạt nhân do cảm
ứng với từ trờng ngoài. Theo định luật Lenz, dòng cảm ứng sinh
ra từ trờng chống lại sự biến đổi của từ trờng ngoài (hình 1.3).
Với định nghĩa trên thì vật liệu siêu dẫn còn đợc gọi là vật
liệu nghịch từ lí tởng:

I
+
H

(a)

(b)

H

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên tử (a), đờng cong từ hãa cđa vËt
liƯu nghÞch tõ (b) [2].
2.1.2. VËt liƯu thn từ


Là vật liệu có độ cảm từ tơng đối dơng và có độ lớn cỡ
10-3 10-5 (rất nhỏ). Vật liệu gồm những nguyên tử hoặc ion
mà mômen từ cô lập và định hớng hỗn loạn do chuyển động
nhiệt. Khi đặt vật liệu này vào từ trờng ngoài ( H > 0) các


mômen từ nguyên tử định hớng theo từ trờng làm I tăng dần


theo H . Vật liệu này có tỷ lệ với 1/T. Các điện tử dẫn trong


các kim loại tạo thành vùng năng lợng cũng biĨu hiƯn tÝnh thn
14


từ gọi là thuận từ Pauli. Khi đó, tính thuận từ có đợc bởi vì sự

kích thích các electron có spin âm lên vùng có spin dơng và
không phụ thuộc T (hình 1.4).

1

I



(a)

O

H

(b)

O

(c)

T

Hình 1.4. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử (a), đờng
cong từ hóa(b) và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nghịch đảo
độ cảm từ của vật liệu thuận từ (c) [2].
2.1.3. Vật liệu phản sắt tõ
Lµ vËt liƯu cã tÝnh tõ u nh vËt liƯu thn tõ nhng nã
kh¸c vËt liƯu thn tõ ë sù phụ thuộc vào nhiệt độ của 1/ có

một hõm tại nhiƯt ®é TN (nhiƯt ®é NÐel). Khi T < TN các mômen
từ có trật tự phản song (do tơng tác phản sắt từ). Khi T > T N sự
sắp xếp các spin lại trở nên hỗn loạn nh vật liệu thuËn tõ (h×nh
1.5).

15


1



(a)
O

TN

(b)

T

Hình 1.5. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử khi T < T N (a) v
µ sù phơ thc nhiệt độ của nghịch đảo độ cảm từ của vật
liệu phản sắt từ (b) [2].

16


2.1.4. VËt liƯu Ferit tõ
Víi vËt liƯu feri tõ hai vị trí mạng A và B trong tinh thể có

các spin có độ lớn khác nhau và sắp xếp phản song với nhau
dẫn đến từ độ tổng cộng khác không ngay cả khi từ trơng
ngoài bằng không và đợc gọi là từ độ tự phát. Vật liệu này tồn
tại nhiệt ®é chun pha T C gäi lµ nhiƯt ®é Curie [2]. Tại T > T C
trật tự từ bị phá vỡ và vật liệu trở thành thuận từ (hình1.6).
IS

A

1

B



(a)

O

(b)

TN

T

Hình 1.6. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử khi T < T C (a),
sù phơ thc cđa tõ ®é b·o hòa và nghịch đảo độ cảm từ vào
nhiệt độ của vật liệu feri từ (b) [2].
2.1.5. Vật liệu sắt từ
Là vật liệu có tơng tác giữa các spin dơng và lớn nên các

spin sắp xếp song song với nhau. Khi T tăng, do dao động nhiệt
từ độ giảm dần và biÕn mÊt ë TC. Khi T > TC th× 1/χ tuân theo
định luật tuyến tính với T (định luật Curie- Weiss) (hình 1.7).
Điều này đợc giải thích bởi cấu trúc đô men. Cấu trúc này làm
cho đờng cong từ hóa của vật liệu sắt từ có hiện tợng trễ [2].
2.1.6. Vật liệu từ giả bền
Là vật liệu có sự chuyển từ trạng thái phản sắt sang trạng
thái sắt từ khi từ trờng ngoài đủ lớn (hình 1.8).
17


2.1.7. Vật liệu sắt từ kí sinh
Là sắt từ yếu kèm với phản sắt từ. Từ độ giảm về không ở
nhiệt độ Néel, ở đó sự sắp xếp phản sắt từ không còn nữa.
Hai giả thiết để giải thích hiện tợng này đợc vẽ trên (hình 1.9).
IS

1


a

b

TN

T

O

Hình 1.7. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử khi T < T C (a),
sự phụ thuộc vào nhiệt độ của từ độ bÃo hòa và nghịch đảo
độ cảm từ của vật liệu sắt từ (b) [2].

I

(b)
H
O
H

(a)

Hình1.8. Sự sắp xếp các mômen từ nguyên tử (a), đờng cong
từ hóa của vật liệu từ gi¶ bỊn (b) [2].

18


1

IS


a
(2)

(1)
TN

T

b O

Hình 1.9. Sự sắp xếp của mômen từ nguyên tư (1), sù phơ
thc nhiƯt ®é cđa tõ ®é b·o hòa và nghịch đảo độ cảm từ
của vật liệu sắt từ kí sinh (2) [2].
Tóm lại, khi phân loại vật liệu từ theo độ lớn của hệ số từ
hoá thì ta thu đợc các nhóm vật liệu từ nh bảng 1.2.
Bảng 1.2. Phân loại vật liệu từ theo độ lớn của hệ số từ
hóa [2].
Giá trị của

Tên nhóm vật liệu

(-10 )

từ
Nghịch từ

(10-5)

Thuận từ

-5

Phản sắt từ
Từ giả bền
Giá trị tăng
dần

Sắt từ lý sinh

(106)

Sắt từ

Ferit từ

2.2. Phân loại theo độ lớn của lực kháng từ
2.2.1. Vật liệu từ mỊm
VËt liƯu tõ mỊm hay vËt liƯu s¾t tõ mỊm là vật liệu sắt
từ, mềm về phơng diện từ hóa, cã nghÜa lµ dƠ tõ hãa vµ dƠ
khư tõ. VËt liệu từ mềm thờng đợc dùng làm vật liệu hoạt ®éng
19


trong tõ trêng ngoµi, nh lâi biÕn thÕ, lâi nam châm điện, các
lõi dẫn từ Các thông số đặc trng cho vật liệu từ mềm gồm:
Lực kháng từ là thông sè quan träng nãi lªn tÝnh chÊt tõ
mỊm cđa vËt liệu từ. Đó là độ lớn của từ trờng ngoài ngợc cần
thiết để triệt tiêu từ độ của mẫu. Với vật liệu từ mềm thì H C
nằm trong khoảng 0,01(Oe) ®Õn 100(Oe).
§é tõ thÈm μ cđa vËt liƯu tõ mỊm phải càng lớn càng tốt vì
ta biết quan hệ B = 0H nên khi lớn thì ta có thể tạo một cảm
ứng từ lớn với một từ trờng ngoài không cần lớn.
Từ độ bÃo hòa hay cảm ứng từ b·o hßa (BS) cđa vËt liƯu tõ
mỊm cịng thêng rÊt lớn. Ta biết quan hệ BS = 0(IS+HS) nên
mặc dù IS vµ HS nhá nhng BS thêng lín. Nh vËy, mét vËt liƯu tõ
mỊm tèt sÏ cã HC nhá, cßn μ, IS, BS lín vµ tỉn hao tõ trƠ cµng

nhá cµng tèt (tỉn hao tõ trƠ chÝnh lµ diƯn tÝch hình giới hạn
bởi đờng cong từ trễ).

20


2.2.2. VËt liƯu tõ cøng
VËt liƯu tõ cøng lµ vËt liệu sắt từ, khó từ hóa và khó khử
từ. Các thông số cơ bản của vật liệu từ cứng gồm:
Lực kh¸ng tõ là đại lượng quan trọng đặc trưng cho tÝnh từ
cứng của vật liệu từ cứng. V× vật liệu từ cứng khã từ hãa và khã
khử từ, nªn ngược lại với vËt liƯu tõ mỊm, nã cã lực kh¸ng t cao.
iu kin ti thiu l trên 100(Oe), những vt liệu từ cứng phổ biến
thường cã lực kh¸ng từ cỡ hng ngn Oe tr lên. Ngun gc ca
lc kháng t ln trong các vt liu t cng ch yu liên quan đến
đến dị hướng từ tinh thể lớn trong vật liệu. C¸c vật liệu từ cứng
thường cã cấu tróc tinh thĨ cã tÝnh đối xứng kÐm hơn so với c¸c
vËt liƯu tõ mỊm và chóng cã dị hướng từ tinh thể rất lớn.
Cảm ứng từ dư (Br hay Jr) là cảm ứng từ còn d sau khi ngt
t trng ngoài. đại lợng này của vật liệu từ cứng thờng có giá
trị nhỏ hơn của vật liệu từ mềm.
Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó vật bị mất từ tÝnh,
trë thµnh chÊt thn tõ. Mét sè vËt liƯu tõ cứng đợc ứng dụng
trong các nam châm hoạt động ở nhiệt độ cao nên nó đòi hỏi
nhiệt độ Curie rất cao. HiÖn nay nhãm vËt liÖu nhãm vËt liÖu
tõ cøng có nhiệt độ cao nhất là
nhóm các vật liệu trên nền SmCo có
nhiệt

độ

Curie

từ

5000C

đến

10000C.
Tóm lại, với việc căn cứ vào độ
lớn của lực kháng từ thì ta
phân nhóm vật liệu sắt từ thành 2 nhóm nhỏ là vật liêu từ
21

Hình 1.10. §êng cong
tõ trƠ cđa vËt liƯu tõ
cøng vµ vËt liƯu tõ mÒm


cứng và vật liệu từ mềm. Đờng cong từ trễ của hai nhóm
vật liệu từ này đợc vẽ trên hình 1.10.

22


Chơng 2

Vật liệu từ cứng Nd-Fe-b
I. Sơ lợc lịch sử ph¸t triĨn vËt liƯu tõ cøng

VËt liƯu tõ cøng, cïng với các sản phẩm ứng dụng của nó đợc quen gọi là nam châm vĩnh cửu, là vật liệu có khả năng tàng
trữ năng lợng của từ trờng tác động lên nó và tự mình trở thành
nguồn phát từ trờng. Nh ®· biÕt, tÝnh chÊt tõ cđa vËt liƯu tõ đợc đặc trng bởi các đờng từ trễ M(H) và B(H). Phần các đờng
cong này trong góc phần t thứ hai gọi là đờng cong khử từ, dựa
vào các đờng cong khử từ này ta xác định đợc các tham số nh
lực kháng từ HC, cảm ứng từ d Br và tích năng lợng cực đại
(BH)max. Lực kháng từ HC đặc trng cho khả năng phản ứng của
vật liệu đối với trờng khử từ sau khi đợc từ hóa đến bÃo hòa.
Dựa vào giá trị của Hc ngời ta phân loại vật liệu từ thành vật
liệu từ mềm và vật liƯu tõ cøng. Th«ng thêng vËt liƯu cã HC >
1kOe (80 kA/m) đợc xem thuộc loại từ cứng [5]. Cảm ứng từ d Br
xác định mật độ thông lợng còn lại trong nam châm sau khi nó
đợc từ hóa đến bÃo hòa, và do vậy nó đặc trng cho sức mạnh
của nam châm. Tích năng lợng cực đại (BH)max đặc trng cho
khả năng tàng trữ năng lợng từ đợc xem là một tham số đánh
giá phẩm chất vật liệu từ cứng. Trong phần dới đây chúng ta sẽ
tìm hiểu quá trình phát triển các đại lợng này của vật liệu tõ
cøng.
Tõ xa xa, ngêi Trung Qc cỉ ®· biÕt ®Õn tính chất từ
của đá tự nhiên, mà sau này thành phần hoá học đợc xác định
là oxit sắt tự nhiên Fe2O3 và -Fe3O4 với HC cỡ vài chục Oe, Br
khoảng 3-4 kG. Lóc ®ã, hä cho r»ng tÝnh chÊt tõ của đá nam
23


châm mang tính thần bí do đó chỉ sử dụng trong các dịp
cúng tế, lễ lạc. MÃi cho đến sau này chúng mới đợc dùng làm la
bàn chỉ hớng và sử dụng trong các hành trình biển vào thế kỉ
XII. Năm 1743, Daniel Bernoulli là ngời đầu tiên đa ra ý tởng tạo
ra các nam châm có hình móng ngựa mà vào thời trung cổ đÃ

trở thành biểu tợng của ngành khoa học kỹ thuật [3].
Tiến bộ đầu tiên trong nâng cao phẩm chất từ đợc đánh
dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim Alnico bởi Mishima (Nhật
Bản) vào năm 1932. Hợp kim này đợc chế tạo bởi quá trình hợp
kim hóa ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lợng nhỏ Al và Cu,
lực kháng từ HC đạt khoảng 6,2 kOe, tuy nhiên, do từ độ bÃo hòa
nhỏ so với thép từ cứng nên (BH) max chỉ đạt 1 MGOe [3]. Vào
thập niên 30 của thế kỷ XX nam châm loại này đợc sử dụng
rộng rÃi trong môtơ và loa âm thanh. Thành phần hợp kim và
công nghệ chế tạo liên tục đợc phát triển, đến năm 1956 hợp
kim Alnico9 với tính dị hớng lớn do vi cấu trúc dạng cột (dị hớng
dạng) có (BH)max đạt khoảng 10 MGOe. Hiện nay nam châm loại
này vẫn còn đợc sử dụng do chúng có nhiệt độ Curie cao
(8500C). Nhợc điểm của vật liệu này là lực kháng từ bé (H C ~ 2
kOe) [16].
Những bớc tiến tiếp theo đà đạt đợc vào đầu thập niên
50, đó là việc khám phá ra vật liệu ferit cứng tổng hợp ở công
ty Philip (Hµ Lan). VËt liƯu ferit cã cÊu tróc lơc giác với hai hợp
chất BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3. Tuy cảm ứng từ d thấp (Br ~ 4,2
kG), tích năng lợng từ cực đại không cao ((BH)max ~ 4 MGOe)
[12] nhng lực kháng từ của chúng có giá trị lớn hơn nhiều so với
các vật liệu trớc đó (HC ~ 3 kOe). Tuy nhiên loại nam châm này
24


có u điểm là giá thành rất rẻ, hiệu quả vµ bỊn. Do vËy, ngµy
nay chóng vÉn lµ vËt liƯu đợc sử dụng nhiều nhất, chiếm
khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu của toàn thế
giới.
Năm 1966 đà phát hiện ra tính chất từ của vật liệu YCo 5,

đây là vật liệu từ cứng đầu tiên dựa trên nguyên tố 4f và
nguyên tố 3d. Hợp kim sắt từ chứa các nguyên tố 3d và 4f hứa
hẹn cho nhiều tính chất từ quý. Điều hứa hẹn đó đợc củng cố
bởi sự phát hiện ra SmCo5 vào năm 1967, nó nhanh chóng trở
thành nam châm đất hiếm đầu tiên có giá trị thơng mại. Nam
châm này đợc chế tạo ở dạng nam châm kết dính và có
(BH)max ~ 5 MGOe. Năm 1969 nam châm SmCo5 loại thiêu kết có
(BH)max ~ 20 MGOe đà đợc chế tạo.
Hớng nghiên cứu nói trên tiếp tục đợc phát triển và đến
năm 1976 (BH)max đà đạt đến giá trị 30 MGOe đối với vật liệu
Sm2Co17. Nói chung, loại vật liệu này có thành phần là Sm 2(Co,
Fe, Cu, Zr)17 và các sản phẩm nam châm có phÈm chÊt tèt nÕu
cã vi cÊu tróc thÝch hỵp. Chóng đợc chế tạo theo công nghệ
luyện kim bột và xử lý ở nhiệt độ khoảng 11000C.
Sự bất ổn của tình hình thế giới vào những năm cuối
thập kỷ 70 đà gây biến động mạnh cho nguồn cung cấp và giá
cả đối với Coban, một vật liệu thô chiến lợc. Do đó, việc tìm
kiếm vật liệu từ mới chứa ít hoặc không chứa Coban đợc cấp
thiết đặt ra. Nd và Fe đợc chú ý do trữ lợng của chúng trong vỏ
trái đất nhiều hơn so với các nguyên tố khác và quan trọng hơn
là mô men từ nguyên tử của các nguyên tố này là lớn nhất trong
các nhóm tơng ứng (mômen từ nguyên tử của Nd là 3,5B và Fe
25